中子诱发实验设备及实验过程

中子诱发实验设备及实验过程

3.1 实验设备

本实验是基于中国工程物理研究院二所204室的K-400强流中子发生器和低本底实验室的HPGe-γ谱仪。

3.1.1 中子发生器

常用的中子源有加速器中子源，放射性同位素中子源，反应堆中子源。 本实验使用的D-T 中子源就是加速器中子源。加速器中子源是使用各种加速器加速带电粒子去轰击某些靶核使其发生核反应，以此来产生强流单能中子。中子的发射率可达108-1012n/s 。本实验是利用加速后的高能氘核轰击氚靶来产生14MeV 高能中子，即氘氚聚变反应T(d ，n)4He 来产生中子。加速器中子源的优点是可以产生脉冲中子，中子发射率高，加速器不在工作状态时没有很强的放射性，可以在广阔的能区产生单色中子；缺点是设备庞大，运行成本高。 D-T 中子源的能量E n 决定于氘核的能量E d 和相对氘核入射方向的中子出射角θ，计算公式如下:

θcos 2EdEn 2/4/5--=d n E E Q (3.1.1) 式中反应能Q=17.6MeV 。

在对D-T 中子引起的核反应深入研究时，需要知道中子源到达样品的平均能量，然而却不能使用上述(3.1.1)核反应动力学公式，因为氘氚反应产生的中子能量与在靶中氘的分布和靶的使用时长有关，另外束流的靶点大小有一定大小也有影响。常用的测量方法是利用90Zr(n,2n)89m+g Zr 与93Nb(n,2n)92m Nb 的反应截面比测定中子平均能量，得到0，4和90度时中子能量分别为14.7±0.3MeV ，14.5±0.3MeV 和14.1±0.3MeV 。

3.1.2 γ能谱测量系统

能谱测量系统为HPGe-γ谱仪，物质屏蔽体系组成。天然存在的放射性核素寿命长，分布广，在一般材料及环境中均存在，为了尽可能准确地测量特征γ射线的活性，必须对测量系统进行屏蔽以尽可能减少天然放射性本底等的干扰。因为铅有较好的γ射线吸收能力，为了屏蔽天然放射性，故使用10cm 厚的铅砖砌成铅室。铅屏蔽中还会产生的低能γ光子和特征X 射线，在铅室内衬钢板以此更好的屏蔽本底；在钢板内再衬一层铜皮和有机玻璃，用来吸收铁的特征X 射

线和减少β粒子在主屏蔽体系中产生的韧致辐射而带来的影响。

其测量系统的原理框图如下：

图3-1 HPGe-γ谱仪系统的结构方框图

3.2 实验过程

3.2.1样品的制备

该实验使用99%的ThO2粉末来作为样品进行核反应截面测量的实验，如下制作步骤：

a.称量清洗、干燥后的器皿重为22..7748g，加入ThO2粉末后称得总重为

28.2264g。

b.在样品中加入胶（聚乙烯）1.0643g和少量蒸馏水并加热，进行充分溶解、混合均匀，然后取出部分样品混合物分成五份，再使用液压机压制成圆片状实验样品，放入烘干机中烘干，得到的样品直径约为14mm，厚度约为2mm。

c.由样品质量和聚乙烯质量，可以计算出样品ThO2的纯度为83.666109%，用分析天平称出圆片的质量，然后用两个铝片将压制的样品片夹在中间，塑料包装密封，以此来防止裂变产物的泄露。

实验中使用到的1，2和3号样品的质量为0.6950g，0.6245g和0.6460g。

监督反应的选择：

实验使用的是相对活化法测量反应截面，因此需要利用中子注量的监督反应，27Al(n,α)24Na作为监督反应，其Al片厚度约为0.05mm，纯度99.99%，监督片的相关参数如表所示。

表3.2.1 铝片相关参数

反应道T1/2Eγ/keV Iγ

27Al(n,α)24Na 14.9590h 1368.633 100%

编号1号样品2号样品3号样品

Al片1 0.0370g 0.0397g 0.0380g

Al片2 0.0402g 0.0419g 0.0367g

3.2.2 进行实验

(1)样品的照射

实验中，将样品放置在相对于氘束流40°至135°、对准T-Ti靶（密度为2.18mg/cm2的厚靶）的方向，并且距离T-Ti靶1.5-3.5cm；调节K-400强流中子发生器的平均氘束能量E—d=134keV，束流强度I d≈230μA，中子产额至约3—4×1010n/s，并对样品辐照一定的时间。该辐照所用的14MeV中子束流，是由核反应T(d,n)4He得到的。其中，中子能量利用铌锆截面比法测定，照射期间中子注量率的变化是通过伴随α粒子法来检测的，并实时监测辐照过程中的中子注量率的变化情况。

将两侧夹有监督片的1号、2号和3号样品分别放置在0度、45度和90度的中子出射方向上，得到14MeV能区中子引起238U裂变产物的活化能谱。

（2）样品的冷却

样品的冷却时间要根据待测产物核与干扰产物核的半衰期来定。测量半衰期较长的裂变产物，为避免其它短半衰期活性的干扰，就要让样品有较长的冷却时间；测量半衰期较短的产物核能谱，则应减少冷却时间，避免产物较快衰变，不能发现其存在。

（3）裂变产物γ能谱的测量

对样品进行实际γ活性测量时，要依据样品的活性选择恰当的位置，如果样品的活性较小，就要把样品放在频率预先刻度好的距离探测器表面最近的某一确定的位置（如2cm）；反之活性较大时，需要将样品放在频率预先刻度好的距离探测器表面较远的某一确定的位置（8cm或20cm）。在该实验中，样品放在距离探测器表面的3cm处。在测量中，可能会发生放在近距离测量死时间太大，而放在较远距离测量需要时间过长，这种情况需要把样品放在较近距离测量，测量结果按照文献[17-18]的方法对死时间过大而带来的计数损失校正。

因为每个裂变产物的半衰期存在差距，所以为了得到不同反应道下的截面，需要根据产物的半衰期而选择不同长度的时间对样品进行连续测量。选择合理的测量时间是排除干扰核素影响、提高待测核素全能峰计数和减少实验测量误差的一种方法。该实验中，对样品活化γ能谱进行了较长时间的连续测量，每间隔60s对测量的能谱图进行了保存。