_20_400_MeV准单能中子参考辐射场的建立方法_李春娟

中子参考辐射场是中子测量装置性能检测、 响 应校准等的前提基础， 也是开展中子剂量学、 微剂量 学研究必不可少的技术平台。20MeV 以下能量区 间单能中子参考辐射场的建立方法已比较成熟 ， 国 际上也具备相关标准
［1 ］
， 依据此标准， 我国电离辐
第5 期
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（ 20 － 400 ） MeV 准单能中子参考辐射场的建立方法
Journal of Astronautic Metrology and Measurement Vol． 33 ， No． 5
文章编号： 1000 － 7202 （ 2013 ） 05 － 0062 － 06 中图分类号： O571． 53 文献标识码： A
7
3mm， 5mm
7
7
3． 8mm， 5mm， 6mm
45MeV、 60MeV 和 75MeV 20MeV ～ 90MeV
7
Li（ p，n） 7 Be
（ 20 ～ 90 ） MeV（ 暂时停用） 140MeV、 250MeV、 350MeV 和 392MeV（ 入射质子能量）
Li（ p，n） 7 Be
［7 ］ 由 Terakawa 等人建立， 配备有束流旋转器和束流 ， 切割器 可改变质子的入射角度， 但由于各种原因，
的 Baba 等人
［6 ］
此中子源暂时未得到应用。 CYＲIC 的另外一个中 ［3 ］ 子源由 Baba 等人建立， 是一个强流中子源， 可产 生注量率高于 106cm － 2s － 1 的 （ 20 ～ 90 ） MeV 准单 能中子束， 其实验大厅尺寸为长 11m、 宽 2m、 高 5m。
关键词
中子参考辐射场
中子能谱
中子注量
加速器
Quasimonoenergetic Neutron Ｒeference Fields with Energies from 20 MeV to 400 MeV
LI Chunjuan CHEN Jun WANG Zhiqiang LIU Yina LI Wei ZHANG Weihua
［8 ］
20MeV 以上准单能中子场 ， 其高能质子的产生均来 源于加速器 。 相应中子源设备布置分别如图 1 ～ 图 4 所示 。 几个典型实验室建立该能区准单能中 子源的情况见表 1 。 中子源设备主要包括质子加速器、 锂靶、 靶壳、 带电粒子清扫磁铁、 束流收集器、 屏蔽体和准直器 等。首先经过加速器的加速产生高能质子束， 其中 100MeV 以下质子均可通过 AVF 回旋加速器加速得
图1 德国 PTB 的 Schuhmacher 等人在 UCL 回旋 加速器上建立准单能中子源设备布置图
图2
日本 JAEA 的 Baba 等人在 TIAＲA 回旋
加速器上建立准单能中子源设备布置图
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准单能中子的获得
通常 ， 通过适 当 的 核 反 应 即 可 获 得 20MeV 以 下的单能中子 ， 而对于更高的能量区间 ， 由于多体 碎裂反应过程以及高能中子与周围物质相互作用 只能得到准单能中子 产生次级 中 子 过 程 的 发 生 ， 场， 即在高能区存在能量峰值 ， 低于峰值能量则为 7 7 连续谱 。 在该能量区间 ，Li （ p ，n ） Be 反应具有最 高的能量峰值份额 （ 对于能量为几十 MeV 的入射 ［3 ］ 质子 ， 所得峰值能量中子份额约为 50% ） ， 已被
10mm
3
中子空间分布的测量
常用影像板的方法测量束流轮廓， 但由于常用 于测量中子的影像板只对热中子的灵敏度高 ， 将导 致其对散射本底的灵敏度大于对辐射场源中子的灵 故一般应用转换体配合用于光子测量的影像 敏度， 板进行测量， 常用的转换体有高密度聚乙烯、 活化铝 箔等。 Shikaze 等人［1］利用高密度聚乙烯转换体和富
多种可用于能量高于 20MeV 的中子场参数的测量 装置， 但此类中子探测器的响应校准是开展高能中 子辐射测量研究的首要环节， 是保证量值准确可靠 必不可少的重要手段。因此为了满足对高能中子辐 射场进行测量以及对其监测仪表进行校准的需要 ， 国际各发达国家从事中子研究的计量校准技术机 构， 如： 德国 PTB 、 英国 NPL、 日本的 AIST 和 JAEA 等， 无不投入大量的人力和物力并历时多年 ， 从高能 中子辐射场的建立着手， 开展空间辐射中子探测器 校准技术研究。 我国建立 20MeV 以上准单能中子 参考辐射的需求也迫在眉睫， 由于国际上尚未编制 相关标准， 因此， 必需对国际上 20MeV 以上准单能 中子参考辐射的建立方法进行详细调研， 为我国建 立 20MeV 以上准单能中子参考辐射打下基础 。
表1 实验室及建立人 德国 PTB Nolte 等人 Schuhmacher、 日本 JAEA Baba 等人 日本东北大学 Terakawa 等人 日本大阪大学 Taniguchi 等人
［6 ］
立准单能中子源利用不锈钢准直器 ， 开孔角度为0． 2 度， 实验大厅可用中子飞行距离为 （ 5 ～ 13 ） m， 日本 在 TAＲＲI 建立的准单能中子源的准 直器由铁质旋转快门、 聚乙烯及铁块组成， 长度约为 3m， 内径约 11cm， 包括靶室在内的整个实验大厅长 约为 19m， 宽约 11m， 高约 6m， 可用中子飞行距离为 （ 5 ～ 18 ） m。 日本东北大学的回旋加速器及放射性 同位素中心 （ CYＲIC ） 拥有两个用于产生 （ 20 ～ 90 ） MeV 准单能中子的 7Li（ p，n） 7Be 中子源， 其中一个
［4 ， 5 ］ 、 德国国家技术物理研究所 （ PTB ） 日本原子能 ［6 ］ ［3 ， 7 ］ 开发机构 （ JAEA ） 、 日本东北大学 及大阪大
图3
日本 JAEA 的 Baba 等人在东北大学 CYＲIC 回旋 加速器上建立准单能中子源设备布置图
学
［9 ］ 、 美国加利福尼亚大学 、 加拿大的三大学介 ［10 ］ 子 工 厂 （ TＲIUMF ） 等多个实验室用于产生
7
所用设备 UCL 回旋加速器 iTL 加速器 TIAＲA 回旋加速器 东北大学 CYＲIC 回旋加速器 东北大学 CYＲIC 回旋加速器 ＲCNP 环回旋加速器
7 7
靶
厚
峰值能量 33MeV， 45MeV， 60MeV 99MeV， 148MeV， 198MeV
Li（ p，n） 7 Be Li（ p，n） 7 Be Li（ p，n） Be Li（ p，n） 7 Be
射场。对国际上（ 20 ～ 400 ） MeV 准单能中子参考辐射场的建立情况及建立方法进行了调研 ， 可通过 7Li （ p，n ） 7Be 反应获得该能区准单能中子场 ， 中子束流轮廓可通过转换体和影像板进行测量 ， 辐射场中子能谱可利用液体闪烁 探测器或者 238U 裂变电离室通过飞行时间法进行测量 ， 可建立高效率的反冲质子望远镜作为该能区的中子注量 测量初级标准。
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子的 4 ～ 5 倍， 而 20MeV 以上能量的中子在空间中 子辐射中占有重要份额。 另外， 高能中子的测量在 军用核数据测量以及高能射线装 核武器性能诊断、 置周围辐射评估中占有重要地位 。
［2 ］ 近年来， 已出现如扩展多球谱仪 、 层叠闪烁 体探测器、 过热液滴探测器、 组织等效正比计数器等
［8 ］ 日本的 Taniguchi 等人 在 ＲCNP 建立的准单能中 子源， 混凝土准直器厚度为 150cm， 开孔截面为长
等人
［8 ］
10cm， 宽 12cm， 大厅可用飞行距离为 100m， 另外， 为 避免带电粒子的干扰， 准直器中放置有带电粒子偏 转磁铁。
各实验室建立（ 20 ～ 400 ） MeV 准单能中子源的情况 准单能中子 产生方式
2013 年 10 月 第 33 卷 第 5 期
宇航计测技术
Oct． ， 2013
（ 20 ～ 400） MeV 准单能中子参考辐射场的建立方法
李春娟 陈 军 王志强 刘毅娜 李 玮 张伟华
（ 中国原子能科学研究院， 北京 102413 ） 摘 要
为了满足对高能中子辐射场测量仪器进行校准的需要 ， 必需建立 20MeV 以上的准单能中子参考辐
图4 日本大阪大学 Taniguchi 等人在 ＲCNP 环回旋 加速器上建立准单能中子源设备布置图
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宇航计测技术
2013 年
100MeV 以上质子需先通过 AVF 回旋加速器加 到， 速到一定能量， 然后再通过环回旋加速器加速到所 需质子能量。加速后的质子与锂靶相互作用产生中 子， 锂靶的厚度一般为使质子在其中的能量损失约 为 2MeV， 为便于安装和换靶， 锂靶通常置于可遥感 控制靶壳中， 可用水冷却。 穿过锂靶的质子经过带 电粒子清扫磁铁的偏转被嵌入在屏蔽体内的束流收 ［3 ］ 集器收集。日本的 Baba 等人 在 CYＲIC 建立的准 单能中子源中带电粒子清扫磁铁的位置及模块化结 构设计起到了屏蔽的作用， 这种设计可在一定程度 上是靶附近的屏蔽设计得到简化 。常用的束流收集 器有法拉第筒、 碳吸收体等， 均可同时作为束流监视 器， 另外， 日本的 Baba 等人 在 TAＲＲI 建立的准单 238 232 能中子源还利用位于靶附近的 U 裂变电离室和 Th 裂变电离室监视束流的稳定性， 日本的 Taniguchi 在 ＲCNP 建立的转单能中子源利用塑料闪烁 体 监 视 质 子 束 流 的 稳 定 性， 塑料薄膜的厚度为 100 μm。 反应产生中子经过准直后引入实验大厅， 德国 ［4 ］ PTB 的 Schuhmacher 等人 在 UCL 回旋加速器上建
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引
言
射一级计量技术机构也建立了热能 － 19MeV 能量 区间 10 个能量点的单能中子参考辐射场 。 向空间发展是现代科学技术的一个重要的发展 方向， 对于开发空间为人类服务和国防建设都具有 深远意义。空间中子辐射是空间辐射的重要组成部 分， 对于 ISS 轨道， 中子对宇航员的剂量贡献约占其 所受总剂量的 30% ～ 60% ， 其品质因子约为带电粒
（ China Institute of Atomic Energy，Beijing 102413 ）
Abstract
Quasimonoenergetic reference neutron beams in the energy above 20 MeV have to be
produced to satisfied the calibration for the response of the neutron detectors for the neutron field with high energy． The current status of the quasimonoenergetic neutron reference fields in the energy range from 20 MeV to 400 MeV and the way how they were established were survyed on and reported in this paper，the reaction 7Li （ p，n ） 7Be can be used as the quasimonoenergetic neutron source in this energy range，the neutron beam profile can be measured with converter and imaging plate，the energy spectrum can be measured with organic liquid scintillation detector or the 238U fission chamber by TOF method， and the proton recoil telescope can be established as the primary instrument in this range． Key words Neutron reference field Neutron spectrometry Neutron fluence Accelerator facility