（核技术及应用专业论文）dtdd中子发生器快中子产额测量研究.pdf

兰州人学硕士学位论文 摘要 本文主要针对兰州大学d - t d - d 反应中子源中子产额监测的三种实验方法、理论问题 和模拟设计进行了研究。 建立了d - t d - d 中子产额监测的伴随粒子法实验测量系统。理论分析和数值计算相结 合，研究了伴随粒子法d - t d - d 中子产额监测的数据处理方法，并给出了不同d 束流能量 下的数据修正各向异性因子。分别在d - t 、d d 中子源上对伴随粒子法测量系统进行了调 试，给出了d - t 、d - d 反应典型的伴随粒子谱。对影响测量精度的各因素进行了分析，给 出了明确的结论。 建立了d - t d - d 中子产额监测u - 2 3 8 裂变电离室测量系统，应用u - 2 3 8 自发衰变口粒 子对系统进行了初步调试。在不同偏压下对口粒子能谱和a 粒子计数进行了测量，给出了 u - 2 3 8 裂变电离室坪曲线，确定了u - 2 3 8 裂变电离室测量系统最佳工作参数。 对用于大面积旋转靶强流d - t 反应中子源的反冲质子望远镜系统进行了m o n t e c a r l o 模拟设计研究。首先采用m c n p x 程序对1 4 m e v 单能中子在不同厚度聚乙烯膜上产生的反冲 质子的产额、能谱及角分布进行了m o n t e c a r l o 模拟研究，根据模拟结果，确定了反冲质 子望远镜系统中聚乙烯膜的最佳厚度和探测器放置的最佳位置等重要参数。其次，根据厚 氚钛靶( t i t x ) d _ t 反应中子源的能谱和角分布数据，建立了d - t 中子源模型，采用m c n p x 程序模拟设计了反冲质子望远镜屏蔽准直器系统，确定了屏蔽准直器设计方案，并给出了 准直中子束的能谱、注量率等重要参数。最后，根据已确定的聚乙烯膜的最佳厚度和探测 器放置的最佳位置，设计了质子产生和质子探测器系统，应用m c n p x 程序模拟得出了反冲 质子的能谱和计数率，给出了反冲质子望远镜系统的探测效率。 关键词：d t d _ d 中子源；中子产额；伴随粒子，裂变电离室，反冲质子望远镜；m c n p x 模拟。 i 兰州大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o rm o n i t o r i n gt h en e u t r o ny i e l do ft h e1 4 m e vd - tn e u t r o ng e n e r a t o ra tl a n z h o u u n i v e r s i t y , t h r e ek i n d so fe x p e r i m e n t a lm e t h o d s w e r ei n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i s a ne x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n ts y s t e mu s i n gt h ea s s o c i a t e dp a r t i c l em e t h o dw a ss e tu pf o r m o n i t o r i n gt h ed t d dn e u t r o ny i e l d b yt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h ea n i s o t r o p yf a c t o r sw e r e c a l c u l a t e df o rt h ed - t d - dn e u t r o ny i e l dm e a s u r e m e n tw i t ht h ed i f f e r e n te n e r g e t i cp r o j e c t i l ed b e a m s t h e n ，t h ea s s o c i a t e dp a r t i c l es p e c t r u m so fd - da n dd - tr e a c t i o n sw e r em e a s u r e d t h e i n f l u e n c ef a c t o r so nt h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yw e r ec o n s i d e r e d au 2 3 8f i s s i o nc h a m b e rw a sd e v e l o p e df o rm o n i t o r i n gt h ed - t d dn e u t r o ny i e l d a n d i t sp r e l i m i n a r yd e b u g g i n gw a sf i n i s h e db ym e a s u r i n gt h e 口p a r t i c l ef r o me n e r g ys p e c t r u ma n d t h ec o u n t so ft h eu - 2 3 8s p o n t a n e o u sd e c a y t h ep l a t e a uc u r v eo ft h eu 2 3 8f i s s i o nc h a m b e rw a s g i v e n ar e c o i lp r o t o nt e l e s c o p es y s t e mf o rm o n i t o r i n gt h ed tn e u t r o ns o u r c ew a sd e s i g n e db y t h em o n t e c a r l om e t h o ds i m u l a t i o n f i r s t l y , t h er e c o i lp r o t o ny i e l d ，e n e r g ys p e c t r u ma n da n g u l a r d i s t r i b u t i o np r o d u c e db yt h e1 4 m e vm o n o - e n e r g e t i cn e u t r o no nt h ep o l y e t h y l e n ew i t hd i f f e r e n t t h i c k n e s sw e r es i m u l a t e du s i n gt h em c n p xc o d e a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t ，t h ef i t t e d p o l y e t h y l e n e st h i c k n e s sa n d t h ed e t e c t o rl o c a t i o nw e r ec h o s e n s e c o n d l y , t h ed tn e u t r o ns o u r c e m o d e lw a se s t a b l i s h e du s i n gt h ed - tn e u t r o ns o u r c e se n e r g ys p e c t r u ma n da n g u l a rd i s t r i b u t i o n w i t ht h et h i c kt i t xt a r g e t t h es h i e l d i n gc o l l i m a t o rs y s t e mf o rt h er e c o i lp r o t o nt e l e s c o p ew a s s i m u l a t e da n dd e s i g n e db yt h em c n p xc o d e t h en e u t r o ne n e r g ys p e c t r u ma n df l u xo ft h e c o l l i m a t e dn e u t r o nb e a mw e r eg i v e n f i n m l y ，a c c o r d i n gt ot h eo p t i m a lt h i c k n e s so ft h e p o l y e t h y l e n ef i l ma n dt h eo p t i m a ll o c a t i o no ft h ed e t e c t o r , ar e c o i lp r o t o nt e l e s c o p es y s t e mw a s d e s i g n e d t h r o u g ht h es i m u l a t i o no ft h ee n e r g ys p e c t r u ma n dc o u n tr a t i oo ft h er e c o i lp r o t o n u s i n gt h em c n p xc o d e ，t h ed e t e c t i o ne f f i c i e n c yo ft h er e c o i lp r o t o nt e l e s c o p es y s t e mw a s p r e s e n t e d k e y w o r d s ：t h ed t d - dn e u t r o ng e n e r a t o r , n e u t r o ny i e l d ，a s s o c i a t e dp a r t i c l em e t h o d ，f i s s i o n c h a m b e r , t h er e c o i lp r o t o nr e c o i lt e l e s c o p e ，m c n p xc o d e i v 兰州大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行研 究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、 观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：二嶂 日期：互塑生丝 兰州大学硕士学位论文 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰州 大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保 存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和 借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发 表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位 仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：彳2 选备导师签名： n 趔i jq - 3 尹二l 兰州大学硕士学位论文 引言 自中子被广泛应用以来，加速器中子源技术也得到了迅速的发展。其中d - t 和d - d 中 子发生器就是两种很有特色的中子源，由于其在较低d 粒子束流下就可以实现中子源的高 产额，而被广泛的应用。如今，无论是在核数据测量、聚变堆材料辐照损伤研究，半导体 抗辐射加固、还是在辐照育种、活化分析、治疗癌症方面都可以见到这两种中子源的踪迹 1 1 - 4 1 0 在利用d - t d d 中子发生器进行基础研究和应用研究时，中子产额是十分重要的基础 数据，其测量准确性直接影响着其他数据的可靠性【5 1 。d - t d d 中子产额监测的主要方法有 伴随粒子法，裂变室，活化法和反冲质子望远镜法等，其中，伴随粒子法，反冲质子望远 镜法可实现绝对测量，裂变室和活化法是相对测量。伴随粒子法的原理是，根据t ( d ，n ) 4 h e 反应中q 粒子和中子的一一对应关系，通过记录在d t 核反应中产生的伴随a 粒子来确 定d - t 中子产额，在测量d d 中子产额时，通常是通过测量伴随质子来确定d - d 中子产额。 这种方法具有精确度高，方法简便等优点 6 - 9 1 。其缺点是探测器要固定在加速器靶系统上， 对采用大面积旋转靶的强流中子发生器，应用受到限制。裂变室是一种涂有裂变物质的气 体电离室，通过记录中子与裂变物质反应所生成的裂变碎片产生的信号来实现中子产额的 监测。裂变室探测器是一种相对测量方法，需要对其效率进行刻度，其特点是裂变碎片反 应能大，信号强，有利于扣除本底，耐强辐射，常用于控制反应堆启动、监测中子的注量 率【拈1 7 1 。活化法利用了部分稳定核素经中子照射后变成放射性核素的性质。测量这种核素 的放射性活度就可以求得中子束的平均注量【1 8 刎，比较常用的活化片有铟，铝，铁，铀等， 其特点是操作简单，有极强的耐y 辐射能力。反冲质子望远镜1 2 1 】通过记录中子打在含氢物 质上所产生的反冲质子来实现中子的测量。由于中子与氢的弹性散射截面数据准确且完备， 所以误差比较小。而且这种装置与加速器相独立，实验布置灵活，故使用也比较广泛。 本文主要针对兰州大学d t 旷d 反应中子源中子产额监测的三种实验方法、理论问题 和模拟设计进行了研究。论文内容分以下几个部分： 第一章、d - t d d 中子产额伴随粒子法测量。建立了d - t d d 中子产额检测的伴随粒 子法实验测量系统，理论分析和数值计算相结合，研究了伴随粒子法d - t d - d 中子产额监 测的数据处理方法，给出了不同d 束流能量下的数据修正各向异性因子，分别在d t 、d - d 中子源上对伴随粒子法测量系统进行了调试，给出了d - t 、旷d 反应典型的伴随粒子谱， 兰州大学硕士学位论文 对影响测量精度的各因素进行了分析。 第二章、d - t d - d 中子产额裂变电离室测量系统建立了d - t d - d 中子产额检测u - 2 3 8 裂变电离室测量系统，应用u - 2 3 8 自发衰变a 粒子对系统进行了初步调试，在不同偏压下 对口粒子能谱和口粒子计数进行了测量，给出了u - 2 3 8 裂变电离室坪曲线，确定了u - 2 3 8 裂变电离室测量系统最佳工作参数。 第三章、d - t 中子发生器中子产额监测的反冲质子望远镜模拟研究。对用于d - t 反应 中子源的反冲质子望远镜系统进行了m o n t e c a r l o 模拟设计研究。首先采用m c n p x 程序对 1 4 m e v 单能中子在不同厚度聚乙烯膜上产生的反冲质子的产额、能谱及角分布进行了 m o n t e - c a r l o 模拟研究，根据模拟结果，确定了反冲质子望远镜系统中聚乙烯膜的最佳厚 度和探测器放置的最佳位置等重要参数。其次，根据厚氚钛靶( t i t x ) d - t 反应中子源的 能谱和角分布数据【2 2 】，建立了d t 中子源模型，采用m c n p x 程序模拟设计了反冲质子望远 镜屏蔽准直器系统，确定了屏蔽准直器设计方案，并给出了准直中子束的能谱、注量率等 重要参数。最后，根据已确定的聚乙烯膜的最佳厚度和探测器放置的最佳位置，设计了质 子产生和质子探测器系统，应用m c n p x 程序模拟得出了反冲质子的能谱和计数率，给出了 反冲质子望远镜系统的探测效率。 2 兰州大学硕士学位论文 第一章d - t d - d 中子产额伴随粒子法测量 在d t d - d 反应时都会伴随有带电粒子的产生，在实验时通过测量带电粒子数来确定 中子注量的方法称为伴随粒子法。伴随粒子法所用的设备简单，效率高，精度也高，在测 量1 4 m e y 加速器中子源中子注量方面是一种比较常用的方法【矧。本章研究了伴随粒子法测 量时的各种参量，并用伴随粒子法对兰州大学d - t d d 中子源的产额进行了监测。 1 1 ：兰州大学d t 中子发生器中子产额伴随粒子法测量 1 1 1 测量系统及数据处理方法 1 、测量装置 d 1 加速器中子源中，加速的氘粒子打在氚钛靶上会产生如下的核反应： d + t 呻口+ n + 1 7 6 m e v( 1 1 ) 由此反应方程可以看出，产生的中子和乜粒子是一一对应的。测量了a 粒子的数量也就知 道了中子的数量。由于中子不带电荷，直接测量比较困难，故而实验中采用测量a 粒子的 方式来确定所产生的中子的计数。 兰州大学d - t d - d 中子发生器及建立的伴随粒子测量系统实验装置如图1 1 、图1 2 所示。其中，图1 2 中l 方向为氘束的入射方向，2 方向为1 3 5 度伴随粒子的探测方向，3 方向为9 0 度伴随粒子的探测方向，目前采用1 3 5 度伴随粒子的测量管道。装置中氘束漂 移管管道中限束光栏的孔径是b 2 0 m m 。在进行d t 伴随粒子测量时，伴随粒子管道总长度 为1 6 0 0 n 砸n ，管道上设置有六道光栏，六道光栏与靶心的距离和各自的孔径分别为6 3 5 m m 、 1 3 9 m m ；8 4 0 m m 、1 2 5 m m ； 1l o o m m 、1 2 o l l l l i l ；1 3 0 0 m m 、1 0 5 r a m ；1 5 0 0 m m 、中2 5 m m 和1 5 9 4 m m 、o 5 6 m m 。由此可得到探测器对t i t 靶所张立体角为q 。一9 6 5 3 7 ex l o s r 。 在管道的端头放置了金硅面垒探测器记录口粒子。 3 兰州大学硕士学位论文 图1 1 中子发生器总装配俯视图 1 高压电极：2 离子源；3 加速管；4 、抑制电极；5 真空四通；6 、三重四极透镜i ；7 闸板阀：8 分 析磁铁；9 束流观察窗i ，l o 三重四极透镜；1 1 束流观察窗；1 2 伴随粒子测量系统；1 3 - 靶室；1 4 - 离子源电源。 3 9 0 度伴随粒子管道 图1 2 伴随粒子测量装置结构图 卜氘束入射管道，2 - 1 3 5 度伴随粒子管道，3 - 9 0 度伴随粒子管道，4 _ t i t b 靶，5 _ 靶室，6 一限束光兰 2 、测量原理眨3 1 在质心系中，氘氚反应生成口粒子和中子的分布是各向同性的，而且a 粒子的出射方 向与中子的出射方向相反，只要得到质心中某个角度的a 粒子的计数率。，就可以根据 下式得到d - t 中子的产额： y 。锄旦 q 。 4 ( 1 2 ) 兰州大学硕十学位论文 但是，在实验上测到的是实验室坐标系中的伴随a 粒子的计数率。，而在实验室系 中，氘氚反应生成的口粒子和中子并非是各向同性的，而是有一定的角分布。因此，需要 对( 1 2 ) 式进行各向异性修正，即对( 1 2 ) 式乘以各向异性修正因子以，则d t 中子的 产额可用下式描述： n 锄冬。 ( 1 3 ) 各向异性修正因子以可根据从实验室系到质心系的立体角转换因子之比来确定，其计 算方程如下1 89 】： 以僦惴。攘一 l q j ( 1 4 ) 其中，e d 为入射氘束的平均能量( m e v ) ，q 为r ( a ，n ) 4 h e 反应的反应能a 值( 1 7 5 8 9 2 m e v ) ， 丸为在质心系中口粒子出射角( r a d ) ，丸为在质心系中的中子出射角( r a d ) ，在低能d 能 量条件下，只要确定各向异性因子以，就可以根据探测器的计数率。得到中子源的中子产 额。 3 、各向异性因子以的计算 由方程( 1 4 ) 式可以看出，要求出各向异性因子以，首先需要计算d 离子束在氚钛 靶中的平均反应能量幺，平均反应能量幺与d t 反应截面及d 离子束在氚钛靶中的阻止 本领有关，可用下列方程描述： 一盘糕艘d d x t e ：d ) 孓一 ( 1 5 ) 其中，e 。为初始氘束能量，e e 为最终的氘束能量( 对厚靶，其值等于o ) ，听( 玩) 为 r ，咒) 僦反应的全截面，面d e ( 易) 是氚钛靶对氘的阻止本领。为了求出氘束的平均能量， 5 兰型叁堂堡主堂垡堡茎 就必须先要确定听( 色) 和面d e ( 幺) 。 1 ) t ( d ，n ) h e 反应的全截面o r r 陋d ) t ( d ，n ) 4 h e 反应积分截面可使用h o r s tl i s k i e n 和a r n op a u l s e n 给出的评价推荐数 据【2 4 1 。在研究中，为了计算和编程的方便，t ( d ，n ) 4 h e 反应积分截面采用下列经验公式进 行计算1 2 5 1 口皈) ；尘型唑墨地慨s2 m e v ) e d ( e , e ! 一1 ) ( 1 6 ) 其中，a i = 4 5 9 5 ；a 2 = 5 0 2 0 0 ；a 3 = 1 3 6 8 e - 2 ；a 4 = 1 0 7 6 ；a 5 = 4 0 9 。图1 3 中对经验公 式计算结果与文献1 2 4 】给出的t ( d ，n ) 4 h e 反应积分截面推荐数据进行了比较，可以看出二者 符合的很好，用经验公式不会给数据带来显著的误差。 重 器 鑫 图1 1h o r s tl i s k i e n 数据与经验公式的比较 2 ) 阻止本领i d e 慨) u , a k 关于氘离子在t i t x 靶中的阻止本领i d e ( e d ) 的研究数据很少，目前还没有完整的评价 姒 和推荐数据【矧，因此采用s r i m 2 0 0 3 程序的结果。s r i m 程序是由j a m e sez i e g l e r 开发的 一套模拟带电离子输运的计算机程序鲫，平均每五年更新一次，该程序能够模拟带电离 子在所有元素组成的单质靶和复合靶( 固体靶或气体靶) 中的阻止本领【2 8 , 2 9 】。s r i m 2 0 0 3 是目前比较新的版本，模拟结果可靠性如表1 1 所示 6 兰州大学硕士学位论文 表1 1s r i m 模拟阻止本领的可靠性 i t e m 嚣未s r m 螂s r - 凇0 0 3 器：焉溢：蹋 i o n s hi o n s8 3 0 04 5 4 2 7487 h ei o n s6 5 0 04 6 4 1 7 6 8 9 l ii o n s1 4 0 06 4 5 1 7 2 8 3 b e ui o n s9 0 0 08 1 6 1 5 8 8 2 o v e r a l la c c u r a c y6 1 4 8 6 9 8 6 目前，兰州大学中子发生器使用的靶是氚钛靶，氚钛厚靶中氚钛原子比最高可以达到 2 ：1 。在本研究中，分别对氚钛比是1 0 ：1 、1 5 ：1 和2 0 ：1 三种情况进行了模拟计算。 计算时取氚钛靶的密度为3 7 9 9 c m 3 ，并认为氚在靶中是均匀分布【矧。采用s r i m 2 0 0 3 计 算的d 离子在氚钛靶中的阻止本领结果如图1 4 所示 氘束流能量i 州 图1 2s r i m - 2 0 0 3 模拟的氘离子在t i t l 0 、t i t l 5 和t i t 2 0 厚靶中的阻止本领图 为了计算上和编程上的方便，根据质子在固体靶中阻止本领的经验公式【3 1 3 2 】对 s r i m 一2 0 0 3 程序模拟得到的氘在死巧靶中阻止本领的数据进行了拟合，给出了氘在死巧靶 中的阻止本领的经验计算公式，其形式如下： 7 一luo圣山兰，l零将葺岛 兰州大学硕士学位论文 s ；彳监 s l + s h s l = 4 心+ 4 幺 c 讪( 鲁+ 4 局) 跏哥 s 州急严。 ( 幺 i 、 b 图1 1 5 拟合曲线与原始数据曲线的比较，a ，b ，c 三幅图分别是t i d t o ，t i d ，s ，t i d 2 。情况下的图 2 ) 反应截面 各向异性因子计算中用到了三个反应的截面数据，其中d 似以) 3 h e 和d p ，p 矿反应截面 可以直接查到拟合的数据【2 4 】。而对于d 似r 反应在质心系中的微分截面竺粤，可用下 口 列方程计算【3 6 1 ： 垒三鱼尘；生! 丝竺! ：竺星竺! ：竺 d 7 4 p l + a 3 + b 5 ( 1 1 3 ) 其中，a 、b 的系数可以有文献1 3 7 1 得到。如表1 7 所示。用m a t l a b 软件对ab 的值进 行处理，可以拟合出与试验数据比较吻合的一组曲线。图1 1 6 即是a 、b 的值与能量的关 系。图中的曲线是用m a t l a b 拟合的曲线，其中系数a ，b 都满足7 次的多项式s = 只+ 尉y ， 系数如表1 7 所示。 表1 7 文献中给出的系数值与能量的关系【3 7 1 2 1 兰州大学硕士学位论文 图1 1 6 系数a 、b 与d 能量的关系 3 ) 质子在质心系和实验室坐标系中的立体角转换掣 口 型与入射粒子的能量有关，可以写成如下的形式： d ， ，。，icos+z+三加z)-sin41dr o s i n od 口 。 u 、“ 一=一=。-。_。-。_。一 如s 抛 假t ，i 1 z + 工加z ) 一s i n 2 m ( 1 1 4 ) ， 其中，j 量鱼! 竺2 墨! 蕉，上，i 竺! 鱼墨! 二竺! 鱼，式中的l 、2 、3 、4 分别指氘、氚、质子和 肌3 + 肌4m 3 + 历4 中子。q 是反应的q 值，d 是质心系中的立体角，d 是实验室系中的立体角。当出射质 子方向与入射氘粒子方向呈1 3 5 。时，计算得到的掣与入射氘粒子的能量之间的关系如 4 图1 1 7 所示 兰州大学硕十学位论文 0 0 50 1 00 1 5o 2 00 2 50 3 00 3 5 0 4 00 4 50 5 0 e dlm e v 图1 1 7d 。 与入射氘粒子的能量的关系 a c o 4 ) 计算结果 根据以上提供的数据可知，使用伴随粒子法监测中子产额，出射质子的方向与入射氘 束的方向呈1 3 5 度时。各向异性因子的值如表1 9 和图1 1 8 所示。对表1 8 的结果进行分 析可得到。可以看出氘钛比不同的靶对各项异性因子的影响并不大，在实际的实验中只要 选择其中的一组数据就可以了。( 附录五为文献3 5 中给出的d - d 反应的各向异性因子的列表) 图1 1 8 不同氘钛比时的a 值变化 3 2 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 t t l t 仅n n n n n 仅n n 0 3 p ，3 口 兰州大学硕士学位论文 2 、各种干扰信号对测量精度的影响分析 d d 中子发生器采用的是自生氘钛靶，所产生的干扰计数主要是散射的氘粒子引起的 计数和产生的中子跟硅本底引起的计数。 由于d d 反应所用的氘粒子与d t 中子反应时所用的氘粒子能量是一样的，所以在探 测器前面加一个2 6 a n 的铝膜就可以把氘粒子的影响排除。或者用卡阈值的方式排除散射 氘粒子的影响。 而d d 反应产生的中子，能量也比较低，在3 m e v 左右，与s i 的反应以弹性散射为 主，截面比较小，根据截面数据的估算，当中子源的产额是1 0 9 n s 时，造成的误差计数大 约是0 0 6 4 3n s ，而根据上面所计算的各向异性因子，当中子源的产额是1 0 9 n s 时，探测器 所记录的真信号计数是1 3 8 7 5 8 1 n s ，因此硅本底所能产生的误差大约是0 0 4 6 。可以忽略。 1 1 3d d 伴随粒子测量系统初步调试 利用中子发生器对d d 伴随粒子测量系统进行了初步调试，由于目前没有t i d 靶，实 兰州大学硕士学位论文 验时采用不锈钢片让d 束流轰击生成d 自注入靶，d 束与注入靶中的d 再发生d - d 反应。 图1 _ 1 9 是氘束轰击不锈钢片1 小时时间内记录的伴随粒子能谱。低能区的两个较为明 显峰值应该是散射的氘粒子( 包括噪声) 、啊e 粒子及氚粒子，在d + d 。p + f + 4 7 0 8 m e v 反应质子全能峰附近，观察到了到了一个较为明显的伴随粒子峰，能量c m r - t 伴随质子能 量( 3 0 5 m e v ) ，经分析，该峰应该是d + d - p + t 十4 7 0 8 m e v 反应生成的t 与入射d 粒 子发生d - t 反应生成的d i 立子的全能峰。 圈11 9 氘束轰击不锈钢片1 小时时间内记录的伴随粒子能谱 d t 反应生成的8 粒子全能峰明显显现的主要原因是：实验测试使用了d 注入靶。靶 中d 的含量很低。由d + d - p + r + 4 7 0 8 m e v 反应生成的t 含量与靶中d 的含量可比拟， 而d - t 反应截面个又比d - d 截面高约两个量级，故d - t 反应的瑾粒子的全能峰显现。如 果使用 r i d 靶，d + d - p + r + 4 7 0 8 m e v 生成的t 微不足道，口粒子的全能峰将不会太 明显，对p 的测量将不会产生太大的影响，此点还需要实验验证。 目前的测试显示，测量系统已调试正常。下一步应该采用啊d 靶进行调试，测量伴随 粒子谱，研究去除干扰粒子的方法，并对测量精度进行分析。 兰州人学硕十学位论文 第二章d t 中子产额监测裂变电离室测量系统初步研究 裂变室探测器灵敏度适中，耐y 辐照能力强，已经被广泛的应用在核物理实验和核反 应堆中子注量的监测中【3 8 ，3 9 1 。本章主要介绍研制的用于兰州大学d d d t 中子发生器中子 监测的裂变室的结构和工作原理，并初步调试测量了此裂变电离室的坪曲线。 2 1 测量系统及方法 1 、裂变电离室结构 兰州大学d t 中子监测使用的是背对背式裂变室，其结构图如图2 1 和2 2 所示。中 心是一个矽4 0 m 所的不锈钢电极，电极的两面镀有2 呖m 的2 3 8 u ，其2 3 8 u 原子数分别是 刀a2 8 2 x 1 0 1 8 个和n = 1 8 4 x 1 0 1 8 个，与中心电极相距7 5 m m 处的两边各有一个4 0 m m 的黄 铜电极，厚0 5 m m ，并有偏压引线和信号线与外界相连。电离室外壳为厚度为0 s m m 黄铜， 侧面有一个进气口用来给电离室充工作气体( 1 大气压氩气) ，在电极和外壳之间以及在电 极和电极之间都有塑料的绝缘材料隔绝。 当中子穿过探测器时，将与电极上镀的2 3 8 u 发生裂变反应，产生的裂变碎片引起工作 气体( 氩气) 电离，电离信号被收集电极收集，经放大整形输出。经过对探测器的标定就 可以用来监测中子的注量，裂变室结构电子学系统示意图如图2 3 所示。 23 45 6 图2 1 裂变室结构示意图 1 电源接头；2 - 绝缘柱；3 - 收集极；4 u 2 3 8 极：5 一保护环；6 - 充气口；7 言号接头 兰州大学硕士学位论文 囤22 裂变室实物照片 由d 卤 图23 裂变室结构电子学系统示意图 2 、裂变电离室的测量原理训 1 ) 工作原理 气体电离所产生的带电粒子，在电离室的电场作用下会产生漂移和扩散。当带电粒子 产生的电子和正离子在电场的作用下向相反的方向漂移时。两电极上产生的感应电荷也随 之变化。若高压电极的电位是稳定的，那么收集电板的电位会随漂移粒子的位置而变化。 这种变化从离子对的形成开始产生，直到离子被全部收集才结束。以平行板电离室为例谈 论问题，其示意图如图2 4 所示。 圈2 4 平行扳电离室原理示意圈 ” 兰型奎堂堡主堂堡笙茎 设平行板电离室的高压电极为k ，收集电极为c ，电源电压为v o ，当没有入射粒子时， 电位= 0 ，一+ 。若电阻r l 足够大，而k ，c 两电极的间距d 比两电极的线度小很 多，可以把电容器视为一个孤立的电容，电容量用c o 表示。这样，电容器内电场的总能量 g 可写成： ；寻c ， ( 2 1 ) 其中，y k 一匕，为kc 两电极板间的电位差。电离室的灵敏区内产生的一对带电粒子， 在电场的作用下漂移，电场对离子所做的功率就等于场能的减少率。即 一生d t = e 伍+ 形+ 一e 一形一) ( 2 2 ) 其中，e 和w 为粒子所在处的场强和粒子的漂移速度。e 为单位电荷。对( 2 1 ) 微商再结 合( 2 2 ) 式，可得： 盟；三伍+ w + 一e 一w 一) ( 2 3 ) d t c y 、 4 式中，y = 圪一圪，此公式就是一对电子和正离子所产生的电压脉冲公式。对此式进行积 分就可以得到收集电极上的电压波形。设电子和正离子产生的地点为x 。，则电子和正离子 的收集时间r 一，丁+ 分别为。 r 一；立，z + 。尘玉 电流脉冲的波形为： 当f 立 w 一 当鱼sfs 尘鱼( 2 4 ) w 一形+ 当f 。尘玉 兰州人学硕十学位论文 砒协_ 兰争汜5 ， 电子脉冲 r c 眵脉冲 图2 5 平行板电离室的电压脉冲和电流脉冲 对于一个人射明帝电税于，就够严生很多的电于和正离于，兵电j 盘脉冲脉押就口j 与成： 警= 专；瞬岬一盯岬) 汜6 ) 其中，e 和彬代表第i 个粒子所在处的外加场强和漂移速度。脉冲波形可由此式积分得 到。于是可以写成： o ) = 瞄( f ) + 瞄( f ) ( 2 7 ) 曙。爿摹ew 出。万e ；脚) 卅o ) 】 ( 2 8 ) 坛_ 一葫t ；耳。形- d t = 一专辜咖) 嵋g ) 】 汜9 ) 式中k ( o ) 和k ( f ) 分别为i 个粒子产生处的电位和t 时刻到达地点的电位。由此可见，电子 脉冲和离子脉冲的大小决定于各粒子由始点到终点的电位差总和。 兰州大学硕士学位论文 而当粒子全部被收集时，脉冲就达到了最大值，用圪表示。由于电子和正离子在同 地点产生，则有： k + ( 0 ) = k 一( 0 ) ；形( o ) ， ( 2 1 0 ) 而正离子到达收集极时，k + 留+ ) = 0 ( 接地) ：电子到达高压电极时k 。留一) ；v o 。所以 圪_ 聪+ 嵋2 专；k ( 。) + 万e ；眈一k ( 0 ) 。百e ( 2 1 1 ) 即脉冲幅度决定于离子对总数。 综上可知，脉冲的变化率取决于漂移速度。由于电子的漂移速度比正离子大三个量级， 因此在tst 一的时间内，脉冲前沿主要是电子脉冲的贡献。而在r 一 t 丁+ 时问内，主要 是离子脉冲的贡献。而最终的幅度圪仅与原电离的离子对数有关。因此当调节电路中的时 间常数r c 时，就可以把脉冲电离室分为离子脉冲电离室和电子脉冲电离室。 2 ) 快中子产额测量原理 裂变碎片具有- - - 1 6 0 m e v 的动能，电离本领非常高，输出脉冲幅度很大，从而抗y 本 底和电子学噪声能力很强。对于本文所研究的用于快中子的测量的u - 2 3 8 电离室，在不锈 钢片两面均镀上2 3 8 u 金属薄膜，制成背对背式裂变室，以提高探测效率。当2 鹪u 裂变室用 于d ( d ，n ) 3 h e 和t ( d ，1 1 ) 4 h e 中子注量测量时，正好裂变截面盯，有平台区。如果裂变室的2 3 8 u 镀层至中子源点相距r ( c m ) ，则由脉冲计数率n f 可得到中子源的产额： e 。4 z r z 生k ( n s ) ( 2 1 2 ) 刀o ， 其中，n 是镀层上的2 骝u 核数，仃，是2 ( n ，f ) 截面( 1 0 - 2 4 c m 2 ) ，k 是总修正因子，包括u 物 质衰减修正，裂变碎片在镀层中的自吸收修正，各向异性修正，单道阈之下的漏计数及本 底等。 3 ) 裂变室的刻度 原则上，裂变室可作为中子注量率的绝对测量装置，其探测效率可根据探测中2 3 8 u 含 兰州大学硕士学位论文 量及裂变截面数据进行计算，但由于猫u 镀层不可避免存在着2 3 5 u 、2 3 4 u 等低能中子裂变截 面很大的核素，而测量环境中由于中子的散射、慢化，也不可避免的存在能量 2 = 1 8 1 7 2 e - 0 1 1p 3 = - 1 4 7 6 2 e - 0 0 8p 4 = 6 0 5 1 1 e 一0 0 6p s = - 0 0 0 1 3 9 4 4 p 6 = o 1 8 5 6 1p 7 = - 1 3 8 9p s = 5 3 1 3 6p g = 5 1 8 6 8 。实验结果与拟合曲线如图2 7 所示。由图 可以得出坪长是1 9 0 v ( 6 0 v 二2 4 0 v ) ，坪斜是2 0 5 v ，裂变电离室的工作偏压可选择在1 5 0 v 附近。 3 1 兰州大学硕士学位论文 图2 6i j - 2 3 8 自发衰变的8 高子能谱 兰州大学硕士学位论文 表2 1 实验测量数据 工佳电压让数( ! q q q 墨)蝰位釜位 0 4 9 0 2 1 4 0 3 1 1 8 3 1 6 4 4 6 3 8 5 6 3 8 6 4 5 6 6 6 2 4 5 0 6 9 7 1 4 6 7 3 7 4 7 4 3 1 7 5 2 7 7 4 3 9 7 3 4 4 7 3 5 4 7 4 2 0 7 3 1 5 7 3 3 9 7 5 7 9 7 6 0 2 9 3 1 4 8 1 4 5 1 4 7 1 0 4 偏压，v 图2 1 实验结果和拟合坪曲线 5 5 5 6 6 7 7 8 6 7 昭龉卯m m m加m加坩耄三m坩 2 5 8 o 4 o o 0 o加卯加卯加 o 3 6 9 i 1 1 2 2 3西9卫l 1 1 2 2 2 2 2 u，籁4谁嚣鞲 兰州大学硕士学位论文 第三章d t 中子发生器中子产额监测的反冲质子望远镜模拟研究 对采用大面积旋转靶的强流中子发生器，由于靶结构的限制，伴随粒子法往往难于使 用，此时就需要发展反冲质子望远镜系统来实现中子产额的绝对测量。本章研究了反冲质 子望远镜测量d - t 快中子的原理，并采用n p x 程序模拟了1 4 m e v 中子在不同厚度的聚乙 烯膜上产生的反冲质子的产额、能谱及角分布。通过对反冲质子的产额、能谱和角分布数 据的分析a 给出了用于d _ t 中子产额监测的反冲质子望远镜系统的聚乙烯膜最佳厚度和探 测器放置位置。另外，根据厚靶d - t 中子发生器的中子能谱和角分布数据，建立了用于 m c n p 模拟的d - t 中子源中子能量和出射方向的抽样模型，利用此模型，采用m c n p x 模拟 设计了反冲质子望远镜系统t 并给出了反冲质子望远镜系统的探测效率。 31 1 4 m e v 单能中子在聚乙烯膜产生的反冲质子产额、角分布和能谱 3 1 1 测量原理 利用反冲质子望远镜进行d t 中子监测的原理如图31 所示。dt 中子经准直器准直 成一束，轰击在一定厚度的聚乙烯膜上。在聚乙烯膜后的适当位置放有探测器以记录反冲 质子，通过反冲质子计数就可以给出d - t 中予源的产额阳i 。 c d h m a t o r d t p o l 、e t 虹l e n e l m 图3 1 反冲质子塑远镜法测量原理示意图 对反冲质子望远镜系统来说，首先要求探测器有足够高的质子计数率，以提高探测效 率，降低探测数据的统计误差。从理论上来说，在一定的厚度范围内，聚乙烯膜越厚，反 冲质子产额越高，但膜过厚，反冲质子穿越膜时的能量损失及散射会加大，会造成反冲质 子的能谱向低能区展宽。为了剔除其它粒子的干扰，提高测量精度，反冲质子望远镜通常 采用a e e 双探测器和符合技术记录反冲质子，对能量较低的质子，无法穿越a e 探测器 而不能被符合记录，能被纪录的质子能量下限可由a e 探测器的厚度确定，本研究中，根 兰州大学硕十学位论文 据现有丝探测器的厚度( 约5 0 a n ) ，将能被纪录的质子能量下限设置为3 m e v 。另外，为 了避免中子束直射对探测器造成过大的损伤，并降低中子与探测器材料发生核反应产生的 带电离子的干扰，探测器必须避开准直中子束直射，与中子束束线成一定偏角安装。聚乙 烯膜的最佳厚度及探测器的最佳安装位置需要综合考虑反冲质子的产额、能谱、角分布与 聚乙烯膜厚度之间的变化关系来确定。 3 1 2 模拟方法 本研究采用蒙特卡罗方法来模拟1 4 m e v 单能中子穿过聚乙烯膜的情况。蒙特卡罗方法 又称随机抽样技巧或统计试验方法。其基本的思想是用某种“试验 的方法，得出某个事 件发生的频率或者某个随机变量的算术平均值，并用这个频率和平均值来代替该事件的概 率和该随机变量的期望作为问题的解。为了减少统计误差“试验的次数不能太少，而且 要模拟真实情况需要的数据也很多，所以直到计算机出现之后，用模特卡罗方法实现真实 实验的模拟才成为可制删。 本研究采用的程序是m c n p x ，m c n p x 是美国l o sa l a m o s 国家实验室开发的大型多 功能蒙特卡罗程序，可用于多粒子传输模拟计算。它是由m c n p 4 b 和l a h e t 扩展而来， 保留了m c n p 的输入格式，但对粒子的能量和种类进行了拓展对物理模型也进行了改进。 能模拟包括质子在内的4 0 多种粒子i 捌。 首先，对中子穿过聚乙烯膜后产生的反冲质子的积分产额进行模拟，以便寻找出总的 反冲质子随聚乙烯膜厚度的变化规律。模型如图3 2 所示，设置了一束截面直径为2 胛， 能量为1 4 m e v 的单能中子平行束，入射在半径为5 c m 厚度可调的聚乙烯圆柱体上。探测 器则选用半径为1 5 c m ，以中子在聚乙烯膜的入射点为圆心球面探测器。 图3 2m c n p 模拟产生的反冲质子的积分产额的模型示意图 3 5 兰州大学硕士学位论文 模拟中子束在聚乙烯膜产