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1、 第33卷第3期原子能科学技术Vol . 33,No. 31999年5月A tom ic Energy Science and TechnologyM ay 19993 中国科学技术大学青年基金资助项目叶邦角:男, 36岁,核物理与核技术专业,副教授收稿日期: 1997212204 收到修改稿日期: 1998203227测量天然镍(n,x)反应 粒子发射的 能谱和角分布3叶邦角 范扬眉 韩荣典 王忠民 虞孝麒 杜淮江(中国科学技术大学近代物理系,合肥, 230027)用中国科学技术大学的多路望远镜系统测量了天然镍在1416M eV中子能量下的(n,x)反应发射粒子的双微分截面。 使用多重二维粒
2、子鉴别技术有效地鉴别了p、 粒子和射线;使用厚靶技术提高了事件率、 减少了统计误差。测量了从2415165 的16个反应角,并由此得到了 粒子的角度积分能谱、 角分布和总发射截面,并与美国B26库评价结果和其它实验小组结果进行了比较。关键词 14M eV中子 天然镍 双微分截面 多路望远镜系统中图法分类号 O571. 434 O 571. 435测量强中子场中结构材料的带电粒子发射反应数据在设计聚变堆中具有重要意义。结构 材料内部在强中子的照射下将发生变异,并产生氢气和氦气泡,直接影响结构材料的使用寿命。带电粒子的能谱和角分布在核理论模型计算和核数据评价中也相当重要。目前国际上能够测量带电粒子
3、发射的实验小组仅有几家,所测得的实验数据很少,对某些反应各家的数据存 在较大差异,一些重要的核素甚至无可用的实验数据。世界各大数据库的评价数据差异也较大1。国际原子能委员会要求加强这方面的工作,特别是 粒子发射核数据的测量和评价工作,组织了I A EA协调研究项目(CRP),主要目标是测量56Fe、natFe、58N i和natN i等核的 粒子发射双微分截面2。为了达到这个目的,最近国际上一些研究机构开始加强这方面的工作。日本的大阪大学3、 东北大学4和美国的Los A lamos实验室5都建立了专门的探测系统,用于测量带电粒子发射的能谱和角分布,北京大学在5113M eV能点用屏栅电离室对
4、58N i(n,)反应的 粒子 能谱和角分布进行了测量研究6。中国科技大学的测量小组专门设计了1套用于测量带电粒子发射的多路望远镜系统7,该系统可以同时测量2415165 的16个反应角,并可以同时测量反应谱和本底谱。系统使用多重二维粒子分辨技术,可以有效地分辨带电粒子和 射线。使用厚靶技术既提高了事件率,又减少了本底的影响;提高了能谱高能端的可靠性,同时也减少 了统计误差。 从1992年至今,本工作已经测量了一些结构材料的质子发射的能谱和角分布,如93N b(n,xp)8、natFe(n,xp)9、natN i(n,xp)10和不锈钢的(n,xp)11反应。现在本工作将第1次 进行 粒子发射
5、的双微分截面的测量,以获得 粒子发射的能谱和角分布,并由此得到 粒子 的总发射截面。1 实验中国科学技术大学的多路望远镜系统由圆柱型双层多丝正比室和中心闪烁体组成12。外 层与内层正比室分别由32路阳极丝和16路阳极丝组成,带电粒子通过多丝室时将产生能量 损失信号,由外层阳极丝信号可以得到能损 E信号和丝地址信号,每1根阳极丝对应于1个反应角。 内层丝信号与中心能量探测器的信号符合产生门控信号,用于打开线性门电路对信号 进行在线选择,不致使前端电路产生严重的脉冲堆积。中心CsI(T l)探测器除了产生能量信号 外,还产生脉冲形状分辨信号,用于鉴别粒子13。 由于 粒子在多丝室中的能量损失较大,
6、因此多丝室的工作电压不需要太高,故选择- 620 V。系统采用95 % A r+ 5 % CO2混合气体,工作气压为100 Pa,采用流气式工作模式。CsI(T l)晶体的直径为25. 4mm ,厚度为1mm ,足以停止最大能量的粒子。 辐照时,中心探测 器用厚为20 cm的铁屏蔽,天然镍靶的尺寸为0. 5 mm40 mm289 mm ,正好覆盖16个反 应室,铅箔作为衬底,无靶的半边也采用铅箔同时测量本底,这是因为铅有极小的 粒子产生 截面( 110- 27cm2)。系统放置时,使CsI(T l)的中心与T2T i中子源的距离为400mm ,整个 系统在强度为3109s- 1的中子场中辐照大
7、约120 h。中子通量由伴随 粒子法测量。多丝室内用于本底测量的1个室中装有弱241Am源,用于监测整个系统的稳定性。同时由多个单道 定标器监测各重要参数的计数稳定性。当辐照进行到大约一半时,靶转动180,以消除可能由 几何不对称造成的影响。图1 二维E2E粒子分辨谱Fig. 1 Two2di mensionalE2Espectrum ofidentification particlesE、 E均用道数表示整个数据采集工作用智能CAMAC机箱控制器控制。对每1个(n,x)核反应事件,有5 个参数被同时记录下来,并按一定的格式存储在CAMAC控制器的缓冲区中。即能量损失 E信号、 丝地址信号、
8、能量E信号、 脉冲形状分辨PSD信号和带电粒子从外层丝到中心探测器的 飞行时间TOF信号。由于5个参数到达ADC的时间略有差别,采用峰保持器使五 参数同步地被记录在机箱控制器的缓冲区 中。当缓冲区记满或采集完成时,数据自动 传输给计算机。在线计算机能监控整个工 作系统,并能显示各丝的采集状况、 直方图 和散点图等。2 数据处理和结果 数据的离线分析过程由以下几步组 成。 第1步进行粒子鉴别,用PSD谱可以很 好地把 射线引起的计数从数据中删除。 由PSD、E和 E3个谱可以组合成3个二 维分辨谱,能有效地鉴别质子和 粒子。图13分别是E2E、E2PSD和 E2PSD谱。491原子能科学技术 第
9、33卷由图1可知:在低能端E2E有较好的分辨,而在高能端由图2可知E2PSD谱有较好的分辨,3个二维谱的组合正好能有效地鉴别p和 粒子。第2步进行本底扣除,每个反应角都有对应 的反应谱和本底谱,两者相减即可得到净能谱。第3步进行厚靶谱的数据转换,过程类似于参 考文献7中的过程,其中d ?dx采用J. F. Ziegler14的结果,由转换后的净能谱可以计算得到16个反应角的双微分截面。 图4示出反应角为88. 3 时的双微分截面。 数据的误差由两部分组成:一是系统误差,它由各部分误差组成,总系统误差为6. 2 %;另一个是统计误差,取1值。图2 二维E2PSD粒子分辨谱Fig. 2 Two2d
10、i mensionalE2PSD spectrum ofidentification particlesE、PSD均用道数表示图3 二维 E2PSD粒子分辨谱Fig. 3 Two2di mensionalE2PSD spectrum ofidentification particlesPSD、 E均用道数表示图4 natN i(n,x)反应在88. 3 时的双微分截面Fig. 4 Double2differential cross sections ofnatN i(n,x)reaction at 88. 3591第3期 叶邦角等:测量天然镍(n,x)反应 粒子发射的能谱和角分布由双微分截面可
11、以得到角分布。 为了更清楚地显示角分布随出射 粒子能量的变化,把数 据分成3个能区: 37、711和1115M eV(图5)。图中的曲线是二阶勒让德函数拟合的结 果。 由图可见:随着出射 粒子能量的增加,角分布前倾不十分明显,说明在此核反应过程中复 合核反应占主导地位。 由双微分截面得到的角度积分 粒子发射能谱列于表1。图6是几家结果的比较。由图可见:在低中能端,B26结果与本实验结果符合较好;在高能端,B26结果略低于本结果。作为比 较,图中给出美国S1Gri mes15和日本M. Baba16的实验结果。 在低能端,他们的结果略低于本 结果,高能端在实验误差范围内三家结果基本符合。图5 n
12、atN i(n,x)反应的角分布Fig. 5 A ngular distributions ofnatN i(n,x)reaction711M eV;37M eV;1115M eV图6 natN i(n,x)反应的出射 粒子能谱Fig. 6 Energy spectra of em ittedparticle fromnatN i(n,x)reactionS. M. Gri mes的结果;M. Baba的结果;本实验结果;实线ENDF?B26的评价结果作为比较,表2列出了世界几个主要评价库对58N i、60N i和natN i(n,x)反应的评价结果。 表中还给出了S. Gri mes、M.
13、Baba和R. Fischer17的实验结果。各评价库、 各实验数据及其相互之间都存在一些差异,这有待于更精确的测量予以澄清。表1 natNi(n,x)核反应角度积分截面Table 1 The angle-integrated cross sections ofnatNi(n,x)reaction?M eV1027d d?cm2M eV- 1?M eV1027d d?cm2M eV- 14. 05. 01. 890. 3410. 011. 012. 821. 345. 06. 04. 340. 8711. 012. 07. 960. 876. 07. 010. 241. 3412. 013.
14、04. 600. 567. 08. 016. 462. 7113. 014. 02. 870. 488. 09. 022. 093. 4214. 015. 01. 860. 279. 010. 016. 962. 4715. 016. 00. 360. 09691原子能科学技术 第33卷表2 粒子发射总截面比较Table 2 Comparison of theparticle em ission cross sections评价库或 测量组 1027?cm258N i(n,x)60N i(n,x)61N i(n,x)62N i(n,x)64N i(n,x)natN i(n,x)ENDF?B26
15、113. 1268. 9547. 9018. 007. 9996. 52JENDL23102. 9871. 3239. 1018. 655. 5390. 11BROND22161. 8759. 7340. 2321. 004. 78127. 40CENDL22121. 03S. Gri mes1061776129716M. Baba859R. Fischer693本工作1028本工作是在中国核数据中心的支持下完成的。作者特别感谢日本东北大学的M. Baba教 授提供他们的和美国S. Gri mes的实验数据。参 考 文 献1 BabaM. Status ofN eutron Induced 2
16、production Cross Section Data. Proc of the 1995 Symposium on N u2clear Data. JA ER I, Tokai, Japan.1995.1042 Vonach H, Chiba S, Pashchenko AB. Report on the I A EA Coordinated Research Program on“I mprove2ments ofM easurements, Theoretical Computations and Evaluations of N eutron Induced Helium Produc2tion Cross S
