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阈探测器法测量Am-Be中子源屏蔽辐照腔内的中子能谱pdf

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  第43卷第1期 原子能科学技术 V01.43,No.1 2009年1月 Atomic Scienceand Jan.2009 Energy Technology 阈探测器法测量Am—Be中子源 屏蔽辐照腔内的中子能谱 王松林,王琦,徐小三,拓 飞,兰长林,李永明,位金锋,孔祥忠 (兰州大学核科学与技术学院,甘肃兰州 730000) 摘要:选用多种活化箔片作为阈探测器,测量了Am-Be中子源屏蔽辐照腔内的中子能谱。在待测中子 场点对活化箔片进行辐照后,测量各箔片生成放射性核的7放射性,计算出各箔片的实验比反应率。运 用SAND-Ⅱ迭代方法,求解出Am-Be中子源屏蔽辐照腔内的中子能谱。详细分析了初始谱、能群划分、 能群截面等对解谱准确度的影响。 关键词:ArmBe中子源;阈探测器;SAN肛Ⅱ 中图分类号:057 文献标志码:A 文章编号:1000—6931(2009)01—0016-06 Neutron MeasurementFromAm-BeNeutronSource Spectrum inRadiationShield Cavity WANG Fei,LAN Song—lin,WANGQi,XUXiao-san,TU0Chang-lin, LI Yong-ming,WEIJin-feng。KONGXiang-zhong NuclearScienceand (Schoolof 730000,China) Technology,LanzhouUniversity,Lanzhou neutron fromtheAm-Beneutronintheradiationshield Abstract:The source spectrum wasmeasuredthresholddetectormethod.Thethresholddetectorwaschosen cavity by from activationfoils.The reactionrateratioofeachfoilwas multiple experimental measured.The inradiationshield wasdeduced respectively energyspectrum cavity by themethodofSAND to using II.Meanwhile。theeffectofprecisionanalyzespectrum wasalso detailedlyanalyzed. words:Am-Beneutronsource;thresholddetector;SANnⅡ Key Am—Be中子源的中子能量分布范围为O~子源进行慢化和屏蔽。Am—Be中子源经慢化 11MeV,平均能量为4.2~5MeV。为了可以 后具有较高的低能中子注量率。阈探测器方法 对电子元器件、各种材料进行慢中子辐照效应 测量中子能谱是一种技术简单而又非常实用的 研究,同时也为了满足在进行生物效应和中子 方法,相对于其它测量方法,阈探测器方法[1卅 活化分析等工作中对低能中子的需要以及在实 具有花费少、对7射线和阈下中子不灵敏、探测 验中保护工作人员的剂量安全,需对Am—Be中器体积小、并对待测场的干扰小等优点。本工 收稿日期:2007—09—20;修回日期:2008—01—02 作者简介:王松林(1981一),男,内蒙古敖汉旗人,硕士研究生,核物理专业 第1期 王松林等:阈探测器法测量Am—Be中子源屏蔽辐照腔内的中子能谱 17 作利用阈探测器法测量Am-Be中子源屏蔽辐 照腔内经慢化后的中子能谱。 R;=∑印F△马 』=1 (3) i=1,2,3,…,I;.『=1,2,3,…,J 1 原理 式中:.,为待测能区划分的能群总数;奶为第_『 阈探测器方法测量中子能谱是建立在中子 能群中子的平均注量,MeV_·cm≈·s.1;AE 活化基础之上的。将一组阈值不同且已知反应 为第歹能群间隔,MeV)ao为第i个活化箔反应 截面的活化箔片放在待测中子场进行辐照后, 在第歹能群的平均活化截面,cm2。 2)根据待测中子场环境,选定一个初始中 箔片中子活化反应的比反应率将满足活化 方程: 子能谱鲫代入式(3),并根据已知的群截面算 r∞ 出理论比反应率(以下称计算比反应率)R0,并 R;一l吼(E)西(E)dE J0 求出零次迭代的比反应率之比为明: i=1,2,3。…,I (1) 心5南 ‘4) 其中:j为实验中所用活化箔片的个数;R,为第 3)计算第i个箔片在各能群中的权重函 i个中子活化反应的比反应率,S叫;ai(E)为第i 数wo: 个活化反应在中子能量为E时的活化截面, cm2;①(E)为中子在能量为E附近单位能量间 wo=《等 ㈣ 隔内的中子注量率,MeV~·cm_2·s~。 4)计算各能群的修正因子q: 求解式(1)得到垂(E)的过程称为解谱,一 J 般采用迭代法进行解谱,让未知数的个数远大 In幡 ∑wo 于方程组个数,这样得到的解虽不唯一,但它是 q=立L了_——一 (6) 有物理意义的、非常接近真实的中子能谱。一 ∑w; i=l 般常用的迭代方法有SAND-11和MSIT等[5]。 5)得到第1次迭代的中子注量谱为: 通过测量被中子辐照后的活化箔片的7放 叫一voexp(G) (7) 射性可得到实验上测得的比反应率(以下称实 6)按上述方法由第1次迭代的中子注量 验比反应率)为: 谱,可求第2次迭代的中子注量谱,类似地,可 N;旭厂。 求出第忌+1次迭代的中子注量谱为: r一而葡K币丽F孑丽)—e-a下弭r二两‘1、’(1一一‘121’) 。^俨叩NALq(1一一o 矽1一科exp(G) (8) (2) 7)结束迭代,一般采用3种方法来结束迭 式中:N,为7射线特征峰的净总计数;A为衰变 代:控制计算比反应率和实验比反应率标准偏 常量,s一;A为激活材料靶元素的摩尔质量,g· 差小于一个预先给定值;两次迭代的计算比反 mol~;P为激活材料中靶元素的纯度;叩为同位应率偏差小于一个给定的值;采用人为控制,然 素的丰度;M为激活材料的质量,g;NA为阿伏后从不同迭代次数的谱中选出最优化的谱。 伽德罗常数;J,为7射线的分支比;e,为HPGe 探测器对7射线特征峰的探测效率;^为自吸 2 实验测量 收修正系数;t。为停止照射时刻(以照射开始作 本实验是在兰州大学低本底实验室完成 为零时刻计算),s;tl为测量开始时刻,s;£z为的。实验中所用的高纯度的活化材料有Ti、 测量结束时刻,s。 Na、Mn、In、Mg、AI、Ni、Fe。将每种活化材料 由式(2)计算出各个活化箔片的实验比反 制成半径为1cm的圆片,核反应生成放射性核 应率后,将其代人式(1)就可以对方程组进行求 素的核谱学数据列于表1。被活化的箔片在国 解,即解谱过程。利用SAND-II迭代法求解中 产CH8403同轴HPGe探测器上进行7能谱 子能谱的基本原理如下[2]。 测量,测量前对整个测量系统进行效率刻度。 1)将式(1)进行离散化处理,化积分为求和,照射时间、冷却时间、测量时间以及全能峰计数 将待测能区划分为.,个能群,并要求.,》J,即: 等数据列于表2。 !! 一一 原子能科学技术 第43卷 ————————————————————————————————』=::::兰:!三=竺 衰1 各阈探测器的特性参数和生成放射性核素的核谱学数据 ofeachthreshold detect。randdataofcteated radiOBIiCliden耻l翰r ——T—a—ble—1——C—ha—ra—ct—er—isticp—arameters spect舢 ———磊:————_:::——_:==__—=-=_———————————::::::=:::::::====:. 竺墨窒 兰窒塑一一至素纯度/%同位素丰度/%7射线分支比忑。五磊戛磊i历:了●再ii面 —ii=:i———————————————————————二二二二二=:∑==:!竺!竺=:N23N8(蚶)2‘a14,959h 99.5 100 100 。l磊磊■——1~ 55M“(“,7)56Mn2.5785h 95 100 98.87 846.754 0 115In(n,7)1161/im 54.41rain 99.99 95.7 84.4 1 293.54 0 11 5In(n,n’)115In= 4.486h 99.99 95.7 45.9 336.241 1.2 ‘7 Ti(“,∥Sc 3·345d 99.9 7.3 100 159.381 2.2 58Ni(Ilp)58co70.82 d 99.9 68.077 99.448 810.775 2.8 9.458 27Al(np)27Mg rain 99.99 100 71.84 843.76 4.4 56F。(“,p)56Mn 2.5785 h 99.9 91.72 98.87 846.754 6.O 孔Mg(“,p)24Na14.9590 h 98 78.99 100 1 368.633 6.5 ::全!!:::2:!: o h 99.99 100 100 1 368.633 7.2 .二4.959 —————————————————————————————————一 :::::::: ::: 裹2 各阈探测器的实验测量参数和比反应率计算结果 measurement ofeach parameterthresholddetector and咖Itof !!!竺三.Experimental ratio他actionrate ::二:::::::: 一. ———————————————————————————————————一 核反应 箔片 照射 冷却 测量 全能峰 ¨,一, 质量/g 时间/mln I对闻/min 时R/rnin峰面积 ,’/8 ”N8(州)舢a 2.8802 5310 14 4 ————ii■_=i————————————————————————————————一N 504—了赢——1i磊再F一 55Mn(n,y)%Mn 4.4250 1142 3 1 800 36218 2.63×10~20 1”lnn,”¨6In4 1.1913 2 529 30 5 285 30737 2.89×10—19 ”In(n’n’)115In“ 1.1913 2 529 30 5 285 Z 705 4.04×10—21 ”Ti(n,p)”Sc 3.4396 22403 2 038 90317 747 8.25X10~22 58Ni(n,p)58Co 5.3455 22 403 6 36489 22642 6.94×10一2l ”ANn·p)”Mg 5.0193 50 2 1375 302 5.26×i0-22 ”Fe(n,p)”Mn 12.445 2 529 123 21116 1869 1.35×10—22 “Mg(n,p)“Na 2.5600 3 190 39 20905 1 435 3.71×10—z2 ———兰些兰:些竺 !:!!!!._兰.734 4 124434 2 614 1.23×10-22 ————————————————————————————————————一= : 213能群z,——!!!堕登: 未加1”In(n,n’) —— 塑竺!!!!:!! 改变·,Ti(n,p)截面数据 :::::竺!竺!竺竺 R”/s。1 R/r R/s1 R/r ———=■_=■————一————=——————一————二-二——二—二一—兰!R/s一1 R/,丽=『———iF 1·66×10一21o·988 1.69XlO一21 —■■i了i=■——■————————■■—————————————————————一:1.006 I.67×10—21 0.994—————i:ijj:j;二Ii——————ii矿 1·66×10一2。 O·631 2.67X10—201.015 2.58)10一”0.981 2.60×10一2。 O.989 4·65×10一191·609 2·82X10—190.976 2.95X10—191.020 2.93X10一191.014 4.01×10一”0.993 4.24×10—21 1.049 1·04×10一211·261 9.20X10—22 1.115 9.50×10—22 1.152 8.88×10—22 1.076 5·76×10一21O·830 6.13X10—210.883 6.4×10~21 0.922 6.77X10—210.976 4·85×10—22O·922 4.71X10—22 0.895 4.75×10—22 0.903 4.81X10—22O.914 1-49×10—221·104 I.68X10—221.244 1.54X10一z21.141 1.52×10—22 1.126 3·40X10—220.916 3.06X10—220.825 3.24×10一船0.8733.25×10一22 0 876 z)未考虑初始谱 3)MCNP程序模拟谱做为初始谱 第1期 王松林等:阙探测器法测量Am-Be中子源屏蔽辐照腔内的中子能谱 19 实验待测中子场为Am—Be中子源在慢化 体屏蔽辐照腔内的中子能谱,具体结构示于 图1。所用的Am—Be中子源为中国原子能科学 研究院在20世纪80年代中期的产品。 【I_窖.、。d8.1_02专色 图2计算得到的中子能谱 neutron Fig.2Calculatingenergy spectra ●——sANDⅡ迭代方法;●——MCNP程序模拟 对解谱结果的影响。为了改善解谱结果,将能 群个数增加到561个,也充分考虑了初始谱的 选择,并对解谱所用的截面数据作了进一步改 善,获得了较好的结果。通过两次解谱的过程, 发现影响整个解谱准确度的因素即得到的中子 能谱的偏差主要来自于以下几方面。 b 1)初始谱引入的误差 图1 Am-Be中子源慢化装置和测量位置 初始谱虽不是最终的解谱,但在很大程度 of 上影响着最后的解谱。在初次的213能群解谱 Fig.1Moderativeset Am-Beneutronsource andschemeofmeasurement position 过程中,输入的初始谱没有具体考虑中子场信 r一侧面图;b-一正面图 息,以至于得到的中子能谱在活化箔片灵敏区 覆盖较弱的能区(8MeV)与MCNP模拟能 3 数据处理与讨论 谱分歧较大(图3)。由图3可见,在活化箔片 3.I数据处理 灵敏区不能覆盖或覆盖较弱的能区,最后的解 谱对初始谱有很大的依赖,而在活化箔片灵敏 实验所用解谱程序是根据SAND-il迭代 方法自行编写的计算程序。解谱能区为0~ 区覆盖较好的能区,最后的解谱对初始谱依赖 12 较小。 MeV,将整个能区分成了561个能群,其中 3 3 0.025 eV 2)解谱时所用的截面误差 eV以前共分为109个群,0.025 截面对解谱结果的影响主要体现在以下两 到lMeV能区共分为342个群,剩下的110群 覆盖了1~12MeV的能区。所用的群截面均 方面。首先是加工群截面引起的误差,为了求 解式(3),必须将整个能区划分为很多能群,且 取自ENDF/BⅥ评价数据库。用MCNP程序 模拟出孔道内的能谱作为解谱程序的初始输入 近似的认为每个能群的截面是唯一的,不随能 谱,对于MCNP模拟谱未给出中子注量的能量的变化而变化,这会引入一定的误差。这个 误差的大小和能群的划分方式有关,如果能群 群,采用插值方法得到。115In(n,n’)n5In4反应 未参加迭代。用解谱程序共迭代了6次,实验 划分不当,这个误差对解谱结果有很大影响。 比反应率rf与计算比反应率R,以及它们的偏 其次是截面本身会有一定的误差。解谱所用的 差列于表2,最后解出的中子能谱示于图2。 截面均来自ENDF/B-Ⅵ评价数据库,截面评价 3.2误差分析 值与真实值有差异。通过本次解谱发现,截面 本次实验经历了两次解谱过程,初次解谱 的准确度对解谱结果有很大的影响。由图4可 时将整个能区分为213能群,没有考虑初始谱 见,115In(n,n’)u5In“参加迭代时使求解出的中 20 原子能科学技术 第43卷 线中提供的激发函数曲线比较发现, ENDF/B-Vl中的激发函数曲线较文献中的普 f 遍偏高。作者认为,文献[6]中的激发函数可能 嚣 会相对准确一些,但文献E6]只给出了激发函数 g 彳 图形,未提供具体数据,因而未能更改。为了使 宅 芝 解谱结果更为准确,115In(n,13.’)1巧In。反应没 蔷 有参加迭代解谱过程。通过表2可见, 47Ti(n,p)47Sc反应实验与计算出的比反应率 偏差相对较大,且计算比反应率较实验比反应 率大得多。为了寻求原因,根据文献[7]中的 图3 213能群和561能群求解的中子能谱比较 Sc反应截面的评价数据,对 47Ti(n,p)47 ofneutron Fig.3Comparisonspectra 47Ti(n,p)47Sc反应的群截面进行加工,并替代 and between213 561 energygroup energygroup ENDF/B-Ⅵ库的截面数据参加迭代,发现中子 点划线——去掉ln(n,n’)的561能群SAND-Ⅱ解谱; 能谱在1~5MeV能区变化较大(图4),活化 虚线——MCNP程序解谱;●——213能群的SANG-Ⅱ解谱 箔片最后的计算比反应率与实验比反应率的偏 差进一步减小(表2)。通过两种解谱结果的比 较以及两种激发函数的比较后发现,ENDF/B- f Ⅵ库中提供的47Ti(n,p)盯Sc反应截面在3~ ? I量 10MeV偏大,因此,使该反应的灵敏能区中子 ? 注量偏小,计算比反应率较实际比反应率偏大。 ≥ 星 文献[7]中的截面数据使得解谱结果的偏差进 吾 一步变小,其数据应更为准确一些。但由于其 它的截面全部来自ENDF/&Ⅵ,为便于综合比 较,图2中的最终解谱使用的47Ti(n,p)47Sc反 应截面还是来自ENDF/B-VI。 图4几种不同的群截面处理方法求解的中子能谱比较 3)实验比反应率的测量误差 ofneutron Fig.4Comparisonenergyspectra 根据式(2)可见,实验比反应率的误差主要 withseversldifferentsectionmethods group 来自探测效率的误差、全能峰计数的统计误差、 点划线——去掉In(n,n’)的SAND-II解谱l 短虚线——MCNP程序解谱; 时间的测量误差、靶核核数的误差、与生成放射 长虚线——加上In(n,n’)的SAND-II解谱I性核衰变纲图有关的误差以及各项修正参数的 实线——自行加工Ti(n。p)截面的SAND-Ⅱ解谱误差等。经过分析发现,各个活化箔片实验比 反应率的误差分布在3%~7%之间不等。 子注量比其未参加迭代时解出的中子注量在 4)解谱过程引入的误差 In(n, 1~3MeV能区偏小。从表2可见,n5 解谱过程也是通过迭代对初始谱进行不断 n’)115In“参加迭代时会使得阈探测器的计算比调整的过程,在迭代过程中也会引入一些误差, 反应率与实验比反应率的偏差较其未参加迭代 比如有无加入光滑因子和迭代次数的选择等。 时总体普遍偏大,这主要是由于ENDF/BⅥ评一般毹谱时迭代次数不宜过多,否则会引起解 价数据库给出的115In(n,rl’)115In“截面数据偏出的中子能谱出现负值和振荡。为了减小解谱 大造成的。截面的偏大不仅会导致在其灵敏区 过程中的误差,最好选择一组尽可能多、尺寸尽 的解出的中子注量偏小,也会影响到整个能谱 可能小、灵敏区搭配较好的活化箔片以及去掉 形状和其它阈探测器的计算比反应率,从而使 那些实验比反应率测量误差较大的活化箔片。 得计算比反应率与实验比反应率的偏差变大。 从图1的慢化屏蔽装置可见,本实验中的 将解谱时所用的115In(n,n’)115In“激发函数曲待测中子能谱是Am-Be中子源经部分慢化后 第1期 王松林等:阈探测器法测量Am-Be中子源屏蔽辐照腔内的中子能谱 21 Chinese). 的中子能谱,最后求解出的中子能谱应该是未 374.379(in 完全慢化的快中子与经部分慢化的低能中子的 1-2]刘慢天,龙先灌,彭秀峰,等.D(Be)中子源能谱 叠加。所以,在中子能谱的低能区会有一个被 的测量[J].四川大学学报:自然科学版,1995,32 (3):311-314. 慢化的中子峰,同时中能区由于未完全慢化,应 LIUMantian,LONG Xianguan,PENGXiufeng, 呈现出Am—Be中子源的能谱特征。Am-Be中 ofthe for eta1.Measurementenergyspectrum 子源的能谱一般有5个主要峰位,峰位分别处 D(Be)neutron ofSichuan source[J].Journal 在以下能区:0.2~0.5、3.4~3.5、4.5~5.0、 ScienceEdition,1995,32 University:Natural 7.4~7.8及9.3~9.8MeV。图2中,由 (3):311-314(inChinese). SAN肛Ⅱ解谱可看出在小于1MeV能区会有 [3]郑春,吴建华,李建胜,等.活化法测量CFBR—II 一个相对较高的峰,这个峰是经慢化的快中子 堆中子注量和中子能谱[J].核动力工程,2004, 与原Am-Be中子源在此能区固有峰的叠加。 25(1):93-95. ZHENGChun,WUJianhua,LI 在大于1MeV能区程序解谱中可以发现有 Jiansheng,et a1.NeutronandfluenceofCFBR-Ⅱreae— 4个主要峰,其峰位恰好对应于Am-Be中子源 spectra totmeasuredfoilsactivation by technique[J]. 能谱中的相应峰位。通过图2中的SAND-Ⅱ Power Nuclear 解谱和MCNP程序模拟谱比较,发现在大于 Chinese). (in 1MeV能区的MCNP程序模拟谱也有相应的 SA,IBIKUNLEK.Neutronspectral [4]JONAH 峰结构,但是较SAND-Ⅱ解谱平滑得多,4个 distributionfromasealed-tubeneutron generator 峰位之中前3个很不明显,说明SAND-11解谱 activation multipleqoilunfoldingmethod[J]. by InstrumMethods 更能反映实际待测中子场的情况。 Nucl Res,2003,501(2- Phys 3):514—516. 参考文献: [5]丁大钊,叶春堂,赵志祥,管.中子物理学——原 [1-1刘书焕,陈伟时,阿景烨,等.多箔活化法测量铀 理、方法与应用[M].北京:原子能出版社,2001: 氢锆脉冲堆辐照腔中子注量谱[J].核科学与工 196—198. neutronactivation 程,2002,22(4):374-379. [6]Anon.Reference library, LIUShuhuan,CHENWeishi,A a1. Jingye,et Hanlin.Neutronactiva- Neutronfluence measurementinirradia— [7]HUANGXiaolong,LU spectra tionchamberofUZrH withmuliti— tioncrosssectionmeasurementsandevaluations reactor pulsed foilactivationmethod[-J].ChineseJournalof in pie NuclearScienceand 1998. Engineering,2002,22(4):

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