基于金活化片的单球谱仪研制及能谱测量_肖凯歌.pdf

第3 6卷 第1期2 0 2 3年2月同 位 素J o u r n a l o f I s o t o p e sV o l.3 6 N o.1F e b.2 0 2 3基于金活化片的单球谱仪研制及能谱测量肖凯歌,李 玮,焦听雨,李晓博,秦 茜,李世垚,刘蕴韬(中国原子能科学研究院 计量与校准技术重点实验室,北京 1 0 2 4 1 3)摘要:中国先进研究堆(C A R R)H-8水平孔道是提供中子的实验孔道,可以提供稳定的辐射场,对于不同的中子实验,其所需的中子能谱谱形不同,准确测量中子能谱具有重要意义。为测量H-8水平孔道中子能谱,研制一种以金活化片为热中子探测器的被动式单球中子能谱仪,使用MC N P程序对1 0-1 11 5 M e V能区的中子能量响应进行计算,并分析能量响应的合理性。在C AR R堆导管大厅对单球 谱 仪 进 行 测 试 实 验,使 用 高 纯 锗 探 测 器 测 量 各 金 活 化 片 活 度,使 用UGA(u n f o l d i n gb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h m)解谱程序对实验数据进行解谱计算。结果表明,导管大厅出射中子能量在1 0-91 0-6M e V范围内,单球中子谱仪可以较为精确的给出中子能谱数据,适用于C A R R堆H-8水平孔道中子能谱测量研究。关键词:单球中子谱仪;金活化片;中子注量;能量响应;解谱中图分类号:T L 8 1 6 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 0-7 5 1 2(2 0 2 3)0 1-0 0 0 1-0 8收稿日期:2 0 2 1-1 2-1 7;修回日期:2 0 2 2-0 2-0 5通信作者:李 玮d o i:1 0.7 5 3 8/t w s.2 0 2 1.y o u x i a n.1 3 7D e v e l o p m e n t o fS i n g l eS p h e r eS p e c t r o m e t e rB a s e do nG o l dF o i l sa n dR e s e a r c ho nS p e c t r o m e t r yX I AOK a i g e,L IW e i,J I AOT i n g y u,L IX i a o b o,Q I NX i,L IS h i y a o,L I U Y u n t a o(N a t i o n a l k e yL a b o r a t o r yf o rM e t r o l o g ya n dC a l i b r a t i o nT e c h n i q u e s,C h i n a I n s t i t u t eo fA t o m i cE n e r g y,B e i j i n g1 0 2 4 1 3,C h i n a)A b s t r a c t:T h eH-8h o r i z o n t a lc h a n n e lo fC A R Ri sa ne x p e r i m e n t a lc h a n n e l t op r o v i d en e u t r o n s,w h i c hc a np r o v i d eas t a b l e r a d i a t i o n f i e l d.F o rd i f f e r e n tn e u t r o ne x p e r i m e n t s,t h er e q u i r e dn e u t r o ne n e r g ys p e c t r u ms h a p e sa r eo f t e nd i f f e r e n t,s oa c c u r a t em e a s u r e-m e n to fn e u t r o ne n e r g ys p e c t r u mi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e.Ap a s s i v es i n g l es p h e r en e u-t r o ns p e c t r o m e t e rw i t hg o l df o i l sa st h e r m a ln e u t r o nd e t e c t o ri sd e v e l o p e dt om e a s u r et h en e u t r o ne n e r g ys p e c t r u mo fH-8h o r i z o n t a l c h a n n e l.T h en e u t r o ne n e r g yr e s p o n s e i n1 0-1 1-1 5 M e Vi sc a l c u l a t e db y MC N Pa n dt h er a t i o n a l i t yo ft h ee n e r g yr e s p o n s ei sa n a l y z e d.T h es i n g l es p h e r es p e c t r o m e t e rw a st e s t e di nt h ec o n d u i th a l lo fC A R R,t h ea c t i v i t yo fe a c hg o l df o i lw a sm e a s u r e db yh i g h-p u r i t yg e r m a n i u m d e t e c t o r,a n dt h ee x p e r i m e n t a l d a t aw e r e c a l c u l a t e db yUGA(u n f o l d i n gb a s e do ng e n e t i c a l g o r i t h m).T h er e s u l t ss h o wt h a tt h en e u t r o ne n e r g yr a n g ee m i t t e df r o m t h ec o n d u i th a l li s1 0-9-1 0-6M e Va n dt h es i n g l es p h e r en e u t r o ns p e c t r o m e t e rc a ng i v ea c c u r a t en e u t r o ne n e r g ys p e c t r u md a t a,a n dc a nb ea p p l i e dt ot h em e a s u r e m e n ta n dr e s e a r c ho fn e u t r o ne n e r g ys p e c t r u mi nH-8h o r i z o n t a l c h a n n e l o fC A R R.K e yw o r d s:s i n g l es p h e r es p e c t r o m e t e r;g o l df o i l s;n e u t r o nf l u e n c e;e n e r g yr e s p o n s e;s p e c t r u mu n f o l d i n g 利用多球中子谱仪测量热中子至1 5M e V能量范围的中子能谱的方法在国际上获得了广泛的应用,且技术已经比较成熟。多球中子谱仪具有响应几乎各向同性、覆盖能量范围广等优点,但是多球中子谱仪存在球的数量多、体积大、质量重,测量过程中需要多次更换聚乙烯球,导致测量耗时长等缺点。基于多球中子谱仪的原理,国内外多家研究机构研制了单慢化球中子谱仪,在单个聚乙烯慢化球的不同位置布置热中子探测器,利用单慢化球多壳层的结构,模仿多个不同直径的聚乙烯球,以达到一次测量代替多次替换聚乙烯球的测量效果,使得单球中子谱仪可以在一些不易反复进出的场所或空间狭小的场所进行中子能谱测量。单球中子谱仪分为主动式和被动式,主动式单球中子谱仪是在单慢化球内布置主动式探测器,如位置灵敏正比计数器、硅二极管等,而被动式单球中子谱仪是在单慢化球内布置活化片、热释光剂量计(T L D)等被动式探测器。反应堆中子能谱测量存在高中子注量率、强本底、宽中子能量范围等难点,3H e正比计数器等主动式探测器注量响应较高,无法满足反应堆强中子场中子能谱测量的需要,而金活化片注量响应较低,适合于测量反应堆强中子场所的中子能谱,此外,金活化片对光子不敏感,适合于具有强本底的n-混合辐射场所的中子能谱测量,并且1 9 7A u(n,)截面不确定度较小,生成产物1 9 8A u的衰变纲图比较简单。为了测量中国先进研究堆(C A R R)堆H-8水平孔道的中子能谱,本研究进行单球谱仪研制,确定单球中子谱仪内热中子探测器并进行结构设计。利用MC N P程序对其能量响应函数进行模拟计算,经现场测量后利用UGA(u n f o l d i n gb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h m)解谱程序进行解谱计算,为后期改进其结构、优化算法提供参考。1 单球谱仪工作原理与结构设计1.1 工作原理金活化片被动式单球谱仪测量中子能谱的原理为中子在聚乙烯中慢化,被聚乙烯球中不同位置处的金活化片探测。在此过程中,中子与聚乙烯球的相互作用主要分为四种类型:第一种为中子进入聚乙烯球与氢原子或者碳原子发生一次弹性碰撞,即离开聚乙烯球;第二种为较高能 量 中 子 与 聚 乙 烯 球 中 的 碳 原 子 发 生C(n,p)、C(n,d)等多种反应离开聚乙烯球;第三种为中子经过与聚乙烯的多次相互作用慢化为热中子后被聚乙烯中的氢原子吸收,同时释放出能量为2.2M e V的射线;第四种为中子经过与聚乙烯的多次相互作用慢化为热中子后进入金活化片发生1 9 7A u(n,)1 9 8A u反应,并且释放出能量为4 1 1.8k e V(分支比为9 5.5 4%)的射线而被探测。入射中子的能量及其经过聚乙烯球的路径决定了相互作用过程类型。聚乙烯球内部金活化片的不同位置决定了其探测中子的能量响应峰值。单球中子谱仪利用单球多壳层的结构,使单球谱仪内各金活化片对中子的能量响应不同。通过模拟计算确定响应与入射中子能量的关系得到能量响应函数。将单球内金活化片计数及能量响应函数输入至解谱程序中进行少道解谱计算,得到待测中子能谱。1.2 结构设计金活化片被动式单球中子能谱仪的结构示于图1。聚乙烯球的直径为2 0.3 2c m,金活化片的直径为1 0mm,厚度为0.0 5mm,1 3片金活化片距离依次递增的安装在单聚乙烯球内,其中第一片金活化片贴在单球谱仪的外表面上,不被聚乙烯包裹,用以模拟多球谱仪中的裸球。考虑到实验测量需要尽量地减少中子散射份额,由于铝和中子的反应截面相对较低,因此单球中子谱仪的支架材料选择金属铝。探测器由三根支撑柱、固定环及底座组成。谱仪外包2同 位 素 第3 6卷装采用一体化机箱,全部探测器、慢化球以及支架均放置在机箱内,携带方便。图1 被动式单球示意图F i g.1 P a s s i v e s i n g l e s p h e r en e u t r o ns p e c t r o m e t e r1 3片金活化片的布局示意图示于图2,从左至右序号分别为11 3,其中第一片金活化片放置于聚乙烯球的外层,不被聚乙烯包裹,作为参照比对。其余1 2片金活化片平行间隔开,每片金活化片之间被聚乙烯填充。每一片金活化片质量及放置位置参数列于表1。图2 金活化片布局示意图F i g.2 L a yo u t o f g o l da c t i v a t i o nf o i l s2 实验方法2.1 响应矩阵模拟单球谱仪中每个位置金活化片的