中子—核作用截面的实验测量

中子—核作用截面的实验测量

一、核数据库

1.1核数据库介绍

核数据是不可缺少的重要科学数据，在基础科研、国防建设、国民经济的很多方面发挥着越来越重要的作用。目前国际上许多核国家都十分重视核数据的测量和评价工作。经过几十年的艰苦努力，相继建立起并不断完善的核数据库。

核数据库可以分为两大类，一类是核与其他核或射线发生相互作用的数据，称作核反应数据；第二类是单个核的性质的数据，称作核结构和放射性衰变数据。对于中子核数据是核反应数据的一部分，此外光核反应数据、带电粒子反应数据都是核反应数据。

1.2核数据库应用领域

早期核数据的运用主要在核反应装置的应用方面。随着科技的发展，对核数据运用领域也在不断扩大，于此同时对核数据的全面以及精度要求越来越高。目前其运用的领域主要有：

（1）裂变、聚变反应堆设计；

（2）加速器设计；

（3）辐射防护设计；

（4）核医学；

（5）地质探测；

（6）环境监测；

（7）核天体研究等等。

对于反应堆设计而言，可以通过中子评价核数据来对设计的反应堆的某些参数进行模拟计算，如有效增值系数、相对功率分布等量，通过最终的模拟计算结果来衡量设计的合适与否，在此基础上进行一定的优化，最终实现各方面综合最优化。

1.3核数据获取方法

核数据获取方法主要有两种：实验测量法和理论计算法。实验法是目前核数据的主要来源，通过实验测量具有一定的客观性，但是实验测量方法存在各种问题：(1)核数据数据量大，实验工作量大；（2）实验费用过高；（3）有许多实验要求苛刻无法完成。因为实验方法存在一定的问题，所以主要的数据由实验来完成，次要的由理论计算完成。现如今计算机的发展已经可以满足一些模拟计算的需求，通过计算机可以省时、经济的完成一些数据的获取。

两种方法之间，实验为主，理论计算为辅。实验方法离不开理论计算，理论计算可以填补一些目前实验存在的空白，还可以指导实验数据的选取和评价。对模拟计算方法而言，其输入的数据必须是已经成熟的核数据，而这些数据来源于实验的测量，所以两者缺一不可。

1.4评价核数据库

1.4.1评价数据库介绍

实验测量与模拟计算都需要借助于已有的核数据，而这些已有的数据之间存在着一定的差别，如何更好的集中统一以及正确利用这些数据，则形成了评价核数据库。

核数据库就是由核物理专家通过大量的编纂（收集、整理、鉴定、理论处理等）和评价（分析、比较、鉴定和理论处理等）工作，甚至还需要通过一系列的积分实验与理论计算得到的结果进行比较来检验这些数据的可靠性、自洽性与精确性，最后得到全套的数据存入库中以方便用户使用。

1.4.2国际几大核数据中心

自上世纪60年代以来，国际上先处理的4个核数据中心，并建立和发展了各自的评价评价数据库，这四个分别是：国际原子能机构的核数据科（IAEA-NDS）、美国国家核数据中心（NNDC）、欧共体核能数据中心（OECD）、俄罗斯核数据中心（CJD）。继而，日、德、中国等国相继建立了自己的评价数据库。

表1.1 国际主要评价中子数据库

核数据中心中子评价数据库最新更新时间

IAEA-NDS FENDL/E-2.0 2014

中国CNDC CENDL-3.1 2009

欧洲OECD JEFF-3.2 2014

美国NNDC ENDF/B-VII.1 2013

日本JANDC JENDL-4.0 2012

俄罗斯CJD BROND-2.2 2010

1.5核数据的获取

核数据的获取一般主要有以下几种：第一，查有关的核数据手册，通常各大评价数据库都会出版评价数据册，方便用户查询；第二，查询相关的期刊，国际上一些著名的期刊或者国际会议文集会收录最新的核数据；第三，借助互联网进行检索，大部分评价数据库都有自己专门的网站，在这些网站不仅可以检索到自身的数据库，还能获取其他核数据库的数据。主要的评价数据库所对应的网址分别如表1.2。

表1.2 主要评价核数据库对应的网址

核数据中心网址

IAEA-NDS https:///

美国NNDC /

欧洲OECD https:///

俄罗斯CJD http://www.ippe.obninsk.ru/

二、中子—核作用截面的实验方法

2.1透射法

透射法就是通过直接测量入射粒子经过一定厚度的靶后的透射粒子的数目来计算中子与核作用的反应截面。

2.1.1方法原理

当一束强度为0I 的中子打在厚度为t 的样品上，样品中单位体积的核数目为N 。因为中子与样品发生核反应和弹性散射，造成中子在束流方向上强度衰减，衰减的程度直接与中子的截面有关。如图2.1，假设在样品厚度为x 处的，中子束的强度为I ，在x dx +处中子束的强度变为I dI +,所以dI 应该正比于x 处，中子束的强度为I 和单位面积上的样品核数目ndx ，可以写成：

T dI I N dx σ=- （2-1）

上式，T σ就是中子与样品靶核作用的全截面。经过厚度t 的样品后的中子强度I 与初始中子的强度0I 之比可以定义为透射率，可以将公式2-1进行积分，得：

T Nx I e I σ-= （2-2） 从而可以得到总截面为： 11ln T Nt T σ⎛⎫⎛⎫= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ （2-3） 由此，可以在已知的样品的厚度和样品中单位体积的核数目，用中子探测器在有样品和无样品两种情况下对中子束进行测量，来得到透射率，从而可以得到全截面的数值。

图2.1 中子束通过样品衰减示意图

2.1.2实验条件

图2.2是利用全透射法测量全截面的典型几何。在试验中，对中子源，样品和探测器的大小都有一定的要求。在中子源方面，要求中子束的强度具有稳定性，而且要就具有合适的入射中子的能量范围。原始的通过低能加速器来测量，但是加速器状态相对稳定性较差，而且需要不断调整中子的能量。但随着其他加速器的发展，使得产生白光源具有最佳的应用价值。在样品的大小和位置的选择上，使得探测器的不能直接检测到没有通过样品的中子，即为“好几何”条件，在此种情况下中子源与样品距离1L 和样品与探测器距离2L 的关系如下：

12(

)D D L L D D -=-源样品探测器样品

（2-4）

图2.2 全截面测量的实验几何

2.1.3实验修正

在实际的实验过程中存在着大量因素，影响着结果的准确性。对一些主要的影响因素需要对其进行适当的修正。主要需要修正的因素以及修正方法如下：

1）本底

对于绝大部分实验，都存在着环境本底。在探测器周围中或多或少的存在一些的不是来自中子束的中子，这些中子会严重影响中子的准确性，所以减小环境本底的影响是必要的。

目前普遍采用的降低环境本底的方法是：选择中子截面大的材料做成一个锥体，放在中子源与探测器之间，锥体的长度要使得中子束通过锥体的透射率为零。关于摆放位置遵守的原则是中子源、样品和探测器同轴，且样品阴影正好遮住探测器的前端面。这样下，探测器探测到的仅是来自周围环境物质中散射的中子，用b I 表示本底计数率，那么实验测量到的透射率为：