（粒子物理与原子核物理专业论文）裂变多参数测量系统中的中子探测器刻度.pdf

摘要 本硕士论文是在中国原子能科学研究院的裂变多参数测量系统的框架上完成的。该 系统用于测量裂变过程中产生的特定裂变碎片核( 确定碎片质量数和电荷数) 所发射的 中子能谱，为核裂变的实际应用提供数据。本论文的工作是对系统中的中子探测器进行 效率刻度。 本文采用2 5 2 c f 裂变电离室的方法，通过测得2 5 2 c f 瞬发中子的飞行时间谱，转换为 中子能谱之后与国际原子能机构( i a e a ) 推荐的标准谱相比较即可得到探测器的中子 效率。在刻度实验中，2 5 2 c f 微型电离室作为碎片探测器提供中子飞行的起始信号。该电 离室质量很小，减小了中子散射的影响，输出脉冲上升时间短，对a 粒子与碎片的脉冲 幅度可以清楚的分开，而且对裂变碎片的探测效率达9 9 以上，这些方面都已满足了效 率刻度的实验要求。飞行终止信号由l s 3 0 1 型液体闪烁体阳极信号提供，与其配套使用 的是x p 4 5 1 2 型光电倍增管。由于液体闪烁体对中子和丫射线都灵敏，实验中采用脉冲形 状甄别出中子和谢线信号，在数据的离线处理中剔除后者。数据获取采用c a m a c 系 统，一次实验测量可符合得到p s d ( p u l s es h a p ed i s c r i m i n a t i o n ) 谱、中子探测器的p h ( p u l s e h e i g h t ) 谱、电离室的能谱以及t o f ( t i m eo f f l i g h t ) 谱四个谱，以便在数据处理中反演得 到纯净的中子t o f 谱。 通过实验数据的处理得到了阈值分别为0 5m e v 、0 7m e v 、1 0m e v 和1 6m e v ， 中子能量在9m e v 以下的探测器效率，并对测量结果进行了误差分析。同时为了检验实 验结果的准确性，我们采用了德国p t b 实验室的n e f f 5 0 程序模拟得到中子探测器 1 5 m e v 以下的相对效率。将探测器效率的实验测量结果与m c 模拟计算结果进行比较， 两者在不确定度范围内符合很好，只是在6m e v 以上的部分，由于z s 2 c f 自发裂变中子 成分的减少，且实验测量时间有限，使得实验结果的统计误差显著增大。 关键词：2 5 2 c fl s 3 0 1 液体闪烁体飞行时间法中子能谱探测效率 a b s t r a c t t h i sp a p e rh a dd o n eo nam u l t i - p a r a m e t e rm e a s u r i n gs y s t e mi nc h i n ai n s t i t u t eo f a t o m i c e n e r g y ( c i a e ) ，w h i c hc a nb eu s e dt om e a s u r et h en e u t r o ns p e c t r u mo f as p e c i f i c a l l yf i s s i o n f r a g m e n t ( g i v e nm a s sa n dc h a r g e ) t op r o v i d et h ed a t ef o ra p p l i c a t i o no ff i s s i o n t h em a i nt a s k i sc a l i b r a t i n gt h el i q u i ds c i n t i l l a t o r , w h i c hu s e df o rd e t e c t i n gn e u t r o ni nt h em u l t i - p a r a m e t e r m e a s u r i n gs y s t e m i nt h i sp a p e r , t h ee f f i c i e n c yo f l s 3 0 1w a sm e a s u r e db ym e a n so f a2 5 2 c fc h a m b e rs o u r c e m e t h o d am e a s u r e dt o f ( t i m eo ff l i g h t ) s p e c t r u mi st u r n e dt ot h en e u t r o ne n e r g ys p e c t r u m w h i c hw i l lb ec o m p a r e dw i t ht h es t a n d a r do n e c o n s e q u e n t 阢t h ef a s t - n e u t r o nd e t e c t i o n e f f i c i e n c yo f l s 3 0 1i sg e t i nt h ep r o c e s so f e x p e r i m e n t ，t h es t a r ts i g n a lo f n e u t r o nt o fw a s o f f e r e db ya2 5 2 c fc h a m b e r i ti sal o wm a s sc h a m b e r , w h i c hc a nr e d u c et h ee f f e c to fn e u t r o n s c a t t e r ；i th a sf a s tr i s et i m ec h a r a c t e r , c a nd i s c r i m i n a t ef r a g m e n ts i g n a lf r o mqa n dn o i s es i g n a l ， a n dh a sh i g he f f i c i e n c yt of r a g m e n t su pt o9 9 a l lt h e s ep o i n t sc a ns u i tt h en e e d so f c a l i b r a t i o ne x p e r i m e n t t h es t o ps i g n a li ss u p p f i e db yt h ea n o d eo f l s 3 01 ，w h i c hw a s e q u i p p e dw i t ha nx p 4 512p m t b u tt h el i q u i ds c i n t i l l a t i o nd e t e c t o rc a l ld e t e c tb o t hn e u t r o n a n d 丫r a y s ，t h el a t t e ro n em u s tb ed i s c r i m i n a t e df r o mu s e f u ls i g n a lt ou sb yp u l s es h a p e d i s c r i m i n a t i o n f o u rs p e c t r u m sc a nb eg e ti no n c ee x p e r i m e n t ，s ot h a tw ec a ng a i nt h ep u r e s p e c t r u mo f n e u t r o ni nt h ed a t ap r o c e s s i n g c a l i b r a t i o np r o c e d u r e so fe x p e r i m e n t a la n dd a t ap r o c e s s i n ga leg i v e n t h ed e t e c t i o n e f f i c i e n c i e sw e r eo b t a i n e df o rt h r e s h o l ds e t t i n g so f0 5 0 ，0 7 0 ，1 0a n d1 6 0m e vf o re n e r g i e s f r o ms e v e r a lh u n d r e d sk e vt o9m e v t h em e a s u r e de f f i c i e n c ya g r e e dr e a s o n a b l yw e l li n s h a p ew i t ham o n t ec a r l os i m u l a t i o ni nt h ee n t i r ee n e r g yr a n g e ，b u tt h es t a t i s t i ce r r o ri s n o t a b l yi n c r e a s i n gw h e ni ti sh i g h e rt h a n6m e v k e yw o r d s ：2 5 2 c fc h a m b e r , l s 3 0 1 l i q u i ds c i n t i l l a t o r , t h em e t h o do ft o f ，n e u t r o ne n e r g y s p e c t r u m , d e t e c t i o ne f f i c i e n c y h 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末发表的成果、数据、观 点等，均己明确注明出处。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：日期：2 2 ：竺：竺 兰州大学硕士学位论文 兰州大学研究生学位论文电子版使用授权书 裂变多参数测量系统中的中子探测器刻度是本人在兰州大学攻读博士口硕士口学 位的毕业论文，现已通过答辩。本人作为此论文的著作权人，同意向兰州大学图书馆提交该 论文的电子版和印刷本各一份。 根据中华人民共和国著作权法的规定，本人授权兰州大学图书馆对该论文电子版享 有以下权力：( 同意者画4 ) 1 、同意提交全文。可以在提交 半年( 公开) 囱一年( 秘密) 口 二年( 机密) 口三年( 绝密) 口 期限之后，由图书馆在校园网上提供全文浏览。 2 、本人论文解密之后，同意向“c a l i s 高校学位论文全文数据库”提交： 论文标题、提要和论文前1 6 页口论文全文口 3 、不同意提交电子版论文口。 ( 选此项者，须由作者本人出具不能公开证明，导师 签字，院系所加盖公章。) 图书馆承诺： l 、不对论文从收集、保存、发布意外的其他活动； 2 、未经著作权人同意，不得从事营利性活动。 院系：糨科尧砖采鞭 作者( 授权人) 签名：多套想 被授权人：兰州大学图书馆 学号：o 弘。7 时间：0 7 ，j 、厂 3 - ， 孕东够 兰州大学硕士学位论文 1 1 概述 第1 章引言 从1 9 3 8 年发现原子核裂变现象到现在，核裂变已经给人们的生产生活带来了巨大 变化，并且将在以后的能源利用方面发挥越来越大的作用。人们对裂变的研究从未间断 过，裂变过程中越来越多的客观规律被认识，越来越精确的数据被测量，越来越完善的 理论被提出，对裂变的了解也越来越深入。为了在实验上更好地观测裂变的物理过程和 获得更多的裂变物理数据，目前国际上多个实验室建立了裂变多参数实验测量系统 1 - 3 这类多参数实验测量系统能够同时测量裂变碎片的瞬发中子、瞬发丫射线、x 射线、裂 变碎片动能，并能够确定裂变碎片的质量，它是裂变物理实验研究中非常有效的工具。 但是对于裂变后产生的一些短寿命丰中子核素的性质研究很少，如激发能、形状、角动 量、发射的中子和1 r 射线能谱等。为了研究短寿丰中子核素的这些性质，中国原子能科 学研究院建立了裂变多参数实验测量系统，通过对裂变事件的多参数符合测量，获得特 定裂变碎片核( 确定碎片质量数和电荷数) 的瞬发中子能谱。该多参数实验测量系统利 用2 5 2 c f 自发裂变产生短寿丰中子核素，采用飞行时间法测量中子能谱，双速度法确定 碎片的质量数，k - x 光谱法测量碎片的电荷数。使用c a m a c 数据获取系统，记录裂变 过程中探测器给出的2 9 路参数，符合测量确定质量数和电荷数的裂变碎片所发射的中 子谱。 目前国际上还没有有关特定裂变碎片核发射中子谱的实验数据出现，通过裂变多参 数测量系统可以得到特定裂变碎片发射的中子谱，可以获得裂变产物中那些半衰期极 短、实验上很难获得的不稳定核素的有关信息，这将对于核反应的理论和实验研究都是 非常有意义的。 1 2 裂变多参数测量系统中的中子探测器 多参数测量系统中使用的六个中子探测器是由s c i o n i xh o l l a n d 公司生产的 l s 3 0 1 型液体闪烁体，它的探测面积较大( 闪烁体直径1 0 1 6 c m ，厚度为5 0 8 c m ) ，具 有时间响应快的特点，适合飞行时间法测量快中子能谱，而且只要利用适当的电子学波 兰州大学硕士学位论文 形甄别技术就可以将巾子和1 ，射给出的脉冲有效地区分开。在使用飞行时间法测量中子 能谱时，液体闪烁体探测器对中子的探测效率必须提前测得，而液体闪烁体探测器的探 测效率与中子能量、实际阈值、闪烁体的尺寸及电子学系统等诸多因素有关，因此必须 对液体闪烁体进行效率刻度。中子探测器效率刻度的方法有很多，在第三章有详细的说 明和比较。本论文采用的是通过飞行时间法测量2 5 2 c f 在1 0m e v 以下的瞬发中子谱，并 以此与国际原子能机构( i a e a ) 推荐的标准谱相比较的方法得到探测器的中子效率。 1 3 本论文主要内容 本文具体包含如下五个部分内容： l 、简要介绍裂变多参数实验测量系统的原理以及设备。 2 、详细说明探测器刻度的常用方法以及刻度所用的快脉冲电离室。 3 、对效率刻度实验装置、电子学线路、实验数据获取和数据处理过程做详细说明。 4 、用m c 方法模拟计算l s 3 0 1 的中子探测效率。 5 、将实验测量结果与模拟计算结果相对比并对最终处理结果简要评价。 4 兰州大学硕士学位论文 第2 章裂变多参数实验测量系统 2 1 基本原理 实验中我们选择2 5 2 c f 作为自发裂变源【4 ，5 】，它可以为我们提供大量短寿命丰中子核 素，作为研究的样本。2 5 2 c f 原子核发生自发裂变后( 由于发生三分裂变的概率极小，只 是二分裂变的1 3 6 8 ，所以实验中没有考虑三分裂变的情况) ，断裂生成两个互补碎片， 在库仑力的作用下，两个裂变碎片分别向相反方向加速飞行，由于这些裂变碎片具有很 高的激发能，会通过向外蒸发中子来退激，当碎片的剩余激发能不足以蒸发中子时，再 以y 跃迁的方式退激发。之后，这些碎片仍处在p 稳定线丰中子的一侧，通常经过几次1 3 衰变达到稳定核。核裂变实验和理论研究表明，裂变过程中所发射的中子绝大部分是裂 变碎片加速到最大后发射出来的，而且中子在碎片坐标系下是各向同性发射的。因此， 中子在实验室坐标系下具有趋向于碎片运动方向的趋势。利用这一特点，在两个碎片运 动方向上分别安放中子探测器用飞行时间法记录中子能谱，可以认为与某个裂变碎片具 有相同运动趋势的中子就是这个裂变碎片所发射的中子，当然其互补碎片所发射的反向 中子也有可能被记录，文献【6 】利用m - c 模拟计算了这种情况下的干扰程度。 整个系统采用飞行时间法测量中子能谱，双速度法确定碎片的质量数，k - x 光谱法 测量碎片的电荷数。实验装置如图2 1 所示，图中白色线画的轮廓表示两边对称的真空 室，图2 2 为已建立好的系统实物照片。将2 5 2 c f 源放置在真空室的中间，源附近的微通 道板( m c p ) 装置给出2 5 2 c f 原子核发生裂变的时刻信号，作为两个互补裂变碎片和中 子飞行的起始信号( s t a r t ) ，放置于真空室内的裂变碎片探测器p p a c 以及p p a c 正前方 的中子探测器分别用于记录碎片和中子并给出它们飞行的终止信号( s t o p ) ，用此方法可 以测定裂变碎片没有发射中子以前的平均质量数。裂变碎片在退激过程中会有一定的概 率发射特征x 射线【7 1 0 】。根据莫塞来定律，碎片k - x 光谱的频率v 是和核电荷数z 的平 方成正比，测定k - x 光谱的能量就可以得到碎片的电荷数了。实验中将真空室开孔并用 m y l a r 膜密封，使用h p g e 来探测裂变碎片发射的特征x 射线，用于确定裂变碎片未发 生p 衰变之前的电荷数。使用c a m a c 数据获取系统，记录裂变过程中探测器给出的2 9 路参数，符合测量确定质量数和电荷数的裂变碎片所发射的中子谱。 s 兰州大学硕士学位论文 烈“_ 一 譬 图2i 用于测量特定裂变碎片核发射中子谱的原理罔 图2 2 用于测量特定裂变碎片棱发射中子谱的实验袭置 2 2 自发裂变源 z 靶f 常作为裂变源通过自发裂变产生不同核素。用于核学科的基础研究。与其他 裂变源相比，瑶c f 自发裂变率高。半衰期合适，不依赖于其他设备就能裂变，特别有利 于用于对低能裂变性质的研究。因此人们对2 5 2 c f 的有关性质测试的较多，而且它的有 些数据被人们公认为国际标准数据，用来对各实验室的测量装置和方法进行刻度和检 兰州大学硕士学位论文 验，比如2 5 2 c f 的裂变中子谱、裂变碎片发射的平均中子数。锎( c o 是第9 8 号元素，它 是一种人造超铀核素，由2 3 9 p u 受中子辐射后俘获中子而变成镅( a m ) 和锔( c m ) ，再俘获 中子转变成锫( b k ) 最终转变成锎( c o ，三价化合物最稳定。2 5 2 c f 同时具有o r 衰变和自发裂 变两种衰变方式，总半衰期为2 6 4 5 年。原子核发生o r 衰变和自发裂变的分支比约为3 3 ： l ，图2 3 为2 s 2 c f 衰变图。2 5 2 c f 自发裂变的半衰期为8 5 年，而它经过c 衰变后产生的2 4 8 c m 自发裂变半衰期为3 9 1 0 6 年，2 4 4 p i l 自发裂变半衰期为8 3x1 0 i o 年，如图2 4 所示， 所以我们可以认为在实验中测得的裂变碎片都是由2 5 2 c f 原子核裂变产生的。 6 + 3 0 0 k p v 4 + 1 4 3 6 k e v 2 十4 3 4 k e v 0 + 0 o +舀2 c f 2 4 8 c n 图2 32 5 2 c f 衰变图图2 42 5 2 c f 的衰变链式图( 局部) 2 5 2 c f 的a 衰变半衰期为2 6 3 8 年，原子核发生a 衰变后，可产生6 1 1 8 m e v ( 8 4 0 ) 和 6 0 7 6 m e v ( 1 5 8 ) 两种能量的a 粒子；2 5 2 c f 的自发裂变有二分裂变也有三分裂变，二分 裂变与三分裂变的分支比为3 6 8 ：l 。 2 5 2 c f 作为中子源也有着广泛的用途【l l 】，可用于中子活化分析，精确测定物质成分、 杂质含量，可用于海关监测毒品和可爆炸物质，用于新建反应堆的点火启动，在核医学 领域可用来治疗恶性肿瘤。另外野外勘探、海底资源调查和工业流线分析也常使用2 5 2 c f 中子源。 2 3m c p 装置 在我们的实验测量系统中，利用飞行时间法分别测量裂变碎片的质量和中子的飞行 时问谱，这就需要系统能够准确给出原子核裂变的时刻信号，来作为碎片和中子的起飞 时刻信号。这个信号产生的定时信号，在整个多参数测量系统中，作为由四个p p a c 和 六个中子探测器输出的总共2 6 个信号的起始信号( s t a r t ) ，称为c o m m o ns t a r t 。在实验测 量过程中我们选择m c p ( m i c r o - c h a n n e lp l a t e ) 探测装置来探测裂变碎片轰击碳膜而产生 7 兰型查芏堡主堂些堕苎 的次级电子，给出c o n l n l o ns t a r t 信号，其结构如图2 5 和罔2 6 所示，其中r = 4 7 m n ， r 2 = l i m n ，r 3 - 3 m n ，r 4 = 2 0 m n ，c 尸c 2 = c 3 = c 4 - 3 0 n f ，实物图如图2 7 所示。 图2 5m c p 装置结构图 舯g 膜片牲i * 鞋椐 圈2 6m c p 装置削析图 圈27m c p 装置实物圈 该装置是由一个源片，碳膜片、一个电子加速栅、一组电子偏转栅和一微通道板 ( m c p ) 组成。源片是一个厚度为i m m 带有直径为1 0 t u r n 圆孔的不锈钢片做成，用聚网 氟乙烯套环和玻璃柱予串接源片、碳膜h 、加速橱和偏转栅并且通过制作不同长度的 套环和玻璃柱子来调节源片、碳膜片、加速栅和偏转栅之间的距离和方向。由于探测器 在源的前、后、左、右、上、五个方向都有，为了在这五个方向上得到同样的统计效果， 擎 兰州大学硕士学位论文 经过计算，源片在真空室中的位置应与上下左右前后六个面成相同的角度一3 7 5 。，并且 源片上圆空、碳膜片、加速栅和偏转栅的中心要在同一直线上。使用自转移方法将2 5 2 c f 源转移到厚度为3 0 1 a m 的碳膜上，然后再用蒸馏水将碳膜粘在源片上，源的自发裂变活 度约为6 0 0 0 b q 。碳膜片也是用厚度为l m m 的不锈钢片做成，中间为2 2 x 2 6 m m 的矩形 孔，将厚度为3 0 1 t m 的碳膜用蒸馏水粘在碳膜片上。电子加速栅是由镀金钨丝( 丝直径 0 1 0 r a m ) 均匀拉伸在中间为2 4 x 2 8 m m 矩形孔的铜印刷板上制成( 印刷铜板厚1 5 m m ) 的，丝间距为l m m ，这样每一个栅网的穿透系数约为o 9 0 。电子偏转栅是由一对平行 的镀金钨丝极板做成，他们被安置在与加速栅面成4 5 。的支架上。为了防止栅网变形和 丝间距不均匀，分别给两块偏转栅n t 了尺寸完全相同的不锈钢板( 板厚1 5 m m ) ，用a b 胶将铜印刷电路板与不锈钢衬板牢牢粘合，并使它们导通。加速电场在碳膜和相隔 6 5 m m 的加速栅网之间，偏转栅电场是由与束流方向成4 5 。角的两个间隔6 m m 的栅网提 供。碳膜和加速栅之间、两个偏转栅之间，由具有良好绝缘性能的聚四氟已烯环隔开， 其间距可根据需要进行调节。以m c p 作为电子倍增器件，它的输出与信号接收极之间 采用近贴聚焦的结构形式，信号采用5 0 q 同轴电缆输出，时间性能好，输出信号宽度约 为2 n s ，增益高约1 0 7 。 2 4 裂变碎片质量分布的测量 2 4 1 测量原理 2 s 2 c f 发生自发裂变时一般为二分裂变，为了对裂变碎片的性质进行综合研究通常采 用物理方法来测定裂变碎片的质量数。物理方法可分为：双能量法、双速度法和动量能 量法三种，在实验中我们采用双速度法。双速度方法是用飞行时间方法做符合测量【1 2 】， 同时测得一对互补碎片的速度v l 和v 2 。质量数为a f 的裂变核裂变成质量数为a l + 和a 2 两碎片，并以大小相等的动量向相反方向发出，设其速度为v l 及v 2 ，则有 a l v l = a 2 * v 2 ( 2 7 ) a l + a 2 _ a f ( 2 8 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 联立可得 9 兰州大学硕士学位论文 4 + = 篇 小篇 9 ， 但实际测得的碎片速度是发出瞬发中子以后的速度v i 和v 2 。假设碎片发射1 个中 子，由于在碎片质心系中，那么m 。v 。+ m ，、仁0 ，其中m 。，v 。，1 1 1 ，v r 分别是在质心系 中发射中子的质量与速度和发出中子剩余核的质量与速度。碎片发出中子后的速度为v i ( i _ l ，2 ) 。于是髟：万+ 虿。见图2 8 。 图2 8 碎片发射1 个中子后速度矢量之间的关系 由上图可得 矽= 巧2 + 哆一2 c v , c o s o ( 2 1 0 ) 在实际测量中不可能测到碎片由于发射中子在质心中的反冲速度，但可以根据实验 室中测得的中子速度反推质心系中的中子速度。根据文献 1 3 1 知质心系中中子的平均能 量为1 4 4 m e v 。 将v r = m n - v d m i 代入( 2 1 0 ) 式，可得 矽：矽2 + ( 益) 2 礞一2 巧堕圪c o s 8 乃 ( 2 1 1 ) 由于裂变碎片发射中子是各向同性的，所以对放中子前质量同为所：的碎片来说， 放出一个中子后速度平方平均值为： 膨= 巧2 + ( 丝) 2 嘭 饬 ( 2 1 2 ) 因各向同性时石丽：0 。如果有v 个中子从m 上发射，则 1 0 兰州大学硕士学位论文 彤：2 + y ( 堡) 2 礞 m i ( 2 1 3 ) 2 5 2 c f 自发裂变的中子多重性大约为3 8 ，平均每个裂片大约发射1 9 个中子，m n m i s x l 0 - 3 ， “堡) 2 嘭历 钐 约为o 1 7 - - 0 4 5 。这一项可忽略不计，则 膨= 巧z ( 2 1 4 ) 因此 a , - ，, 4 j 。r 2 i 么：盟 巧+ ( 2 1 5 ) 从而可看出发射中子后碎片的速度的平均值变化不大，因此不必引入发射的中子， 可用实验测得的v l 和v 2 求得两互补碎片的质量数a 1 + 和a 2 。，但是碎片的速度有了一个 分布，则算出的质量数也有一个分布，因而影响质量的分辨率，用双速度法测得的分辨 率可达1 u 。 2 4 2 碎片探测器 使用双速度方法测量裂变碎片的质量时，要求探测器必须具有较快的时间响应，有 较快的脉冲上升前沿；为了增加探测效率，这种探测器还必须具有较大的灵敏面积；大 的灵敏面积会带来粒子探测位置的不确定性，所以这种探测器还必须具有较好位置分辨 能力。裂变碎片是快速运动的重离子，主要是通过电离( 包括多次电离) 和激发靶原子 核过程使离子慢化，收集产生的电子和离子来探测裂变碎片。我们选用p p a c ( p a r a l l e l p l a t ea v a l a n c h ec o u n t e r 即平行板雪崩计数器) 探测器 1 4 - 1 8 1 作为碎片飞行时间标志信号的 探测器，因为它探测面积很大，探测效率高，此外还有许多优越的性能：很好的定时性 能，几百p s 或更好；允许有较高的计数率，能达到1 0 3 1 0 5 s ；探测器的入射窗可以做得 很薄，这大大减少窗对入射粒子尤其是重离子的散射效应；探测器工作气压可调( 因而 厚度可调) ，适合探测不同类型、不同能量的粒子；价格比较便宜，允许大立体角接收， 还可以定位，位置分辨可达到0 5 m m 或更好；对电子、质子等轻粒子造成的本底不灵 兰州大学硕士学位论文 敏；气体在流气方式下工作，辐射损伤小等等。本系统中由于”2 c f 白发裂变一股为_ 裂变，所咀我们使用四个p p a c 探测器相对放鲎! ，在真空条件下符合测量一次裂变产牛 的两个裂变碎片的速度，探测器与源的距离圃定，p p a c i 与p p a c 3 符合，p p a c 2 与p p a c 4 符合，探测器的位置如图2 9 所示。 图2 9p p a c 的位置分布 我们选择的p p a c 是由中科院近代物理研究所研制的，采用穿透式结构，其灵敏面 积大( 2 5 0 m m x 2 0 0 m m ) ，工作气体为正庚烷气体或异丁烷，工作气压为5 0 0 8 0 0 p a ，位 置分辨来用延迟线法，密封m y l a r 膜厚度6 9 m 阳极由张紧在一个环氧纤维框架e 的厚 1 5 p m 的m y l a r 薄膜构成，薄膜上镀有厚度为5 0 9 9 c m 2 的金层。阴极k l 、l c 2 均由间距 为o5 n u n ，丝径为2 5 p m 的镀金钨丝均匀排布而成的丝平商两极面与跗极间距为3 r a m 每根丝距离为l m m ，六根丝为一组焊到一个焊盘上，依此从两边顺序焊接，图21 0 为 p p a c 探测器的实物图。匿 圈21 0p p a c 实物圉 兰州大学硕士学位论文 2 5 裂变碎片电荷分布的测量 2 5 1 测量原理 在本实验系统中我们采用测定k - x 光谱强度的方法对裂变碎片的电荷数进行测定。 丰中子核素的质量电荷分布y ( z i a ) ，是一种统计性的结果，我们在实验中需要对探测到 的每一个裂变碎片的电荷数进行测定。裂变发生后碎片的电荷会随p 衰变而变化，我们 要测定的电荷分布是未经p 衰变的独立产额。对于给定质量数a 的裂变碎片电荷数的测 定一般采用光谱法，即通过测定碎片的1 ，光谱强度而确定其相对产额。根据莫塞莱定律， 裂变碎片的k - x 光谱的频率是和核电荷数z 的平方成正比，因此测定k x 光谱的强度 就可以得到碎片的电荷分布。这个方法的缺点就是在核裂变中y 射线的本底很强，只有 对较强的辐射才能够测定其强度。 裂变碎片核发射中子后的激发能量主要以y 射线的形式释放，大约存在5 的几率将 它本应发射的1 ，射线能量直接传递给核外轨道电子1 1 9 - 2 2 ，使电子向外发射，结果在壳层 上留下一个电子空位，发生内转换，外层电子向内层跃迁填补这一空位，并发出x 射线。 平均每次裂变k - x 射线的产额为0 5 7 + 0 0 6 ，单一碎片的k x 射线的产额依赖于碎片的z 和a ，且不平滑，根据文献 2 2 】，在裂变后0 i n s 内大约3 0 k x 射线射出；在0 1 i n s 之 间，又有3 0 的k x 射线射出；在i n s 1 0 n s 之间有2 5 的k - x 射线射出，剩余的1 5 的k - x 射线的半衰期在3 0 n s 1 0 0 n s 之间。所以我们可以用测量k - x 射线的能量来得到裂变碎片 的电荷数z 。 2 5 2k - x 射线探测器 实验中选择的k - x 射线探测器必须要具有较高的能量分辨率【冽，以确保裂变碎片 的电荷数能够准确定出。在实验中我们选择平面型低能h p g e 探测器，如图2 1 3 所示， 其灵敏区的面积为2 0 0 0 m m 2 ，厚度为15 m m 。h p g e 半导体和前置放大器都被液氮冷却， 入射窗由厚度为0 5 m m 的b e 片封装。除b e 窗的吸收外，影响低能x 射线的能量的下 限主要是x 射线在进入b e 窗前在空气中的衰减。由于在常温条件下禁带宽度太小，所 以需要在低温下使用。当工作温度高于11 0 - 1 2 0 k 时，大多数h p g e 的漏电流和噪声开 始增加，h p g e 的正常工作温度应在8 5 - 1 0 0 k ，t 作温度稳定很重要，因为产生一对电 1 3 兰型查堂堡主兰堡丝兰 子空穴对的电离能随温度变化，辞度的变化率为25 3 x 1 旷，温度的变化会造成峰忙的漂 移，使能量分辨率变差。温度低于4 0 k 时m 于俘获效应使能量分辨率变差。 圈2 1 3h p g e 探铡器实物豳 在实验中我们使用三个h p g e 探测器分别放置在水一f 方向和垂直于水平方向，增大 对k - x 射线的探铡效率。在离源附近的真空壁上开三个省并用 健薄的塑料薄膜密封内 置丝刚以支撑大气对薄膜的压力，位簧关系如图21 4 所示。 薯曩， 图2 1 4h p g e 的位置关系 2 6 裂变瞬发中子能谱的测量 2 s 2 c f 自发裂变发生后，绝大部分瞬发中子是在裂变过程中1 0 一- s 以前发出的，足裂 变中子的主要部分，对于低能裂变，绝大部分中于是在碎片加速到最大能量后由这些碎 片释放的。而由裂变碎片蒸发的中子，则都带有碎片的飞行速度，趋向于碎片飞行方向。 因此可以测定一对碎片的质量、电荷和在各自飞行方向上的中子能谱，通过一定时间 兰州大学硬士学位论文 的统计，可以得到固定质量电荷的碎片所发射的f f l 子能谱。在本实验中使用六个液体闪 烁体探测器探测中子，与裂变碎片探测器p p a c 进行符合测量，它们的位置关系如图2 1 5 所示，另一边与之对称。 2 6 1 飞行时间法 圈2 1 5 中于探测器与p p a c 的位置关系 用飞行时间法测量中子能谱的基本原理是根据不同能量的中子飞行一段距离所需 的飞行时间的不同来得到中子的能量。中子的飞行时间与中子能量及飞行距离之间的关 系由下式决定嘲： ( 22 5 ) 式中e 为中子动能，m o 为中子的静止质量，c 为光速，l 为飞行距离。在非相对论 条件下即z “，时( 2 2 5 ) 式可近似表示为如下关系式： 7 2 上9 8 l ，= 7 一 ,e(226) 式中l ，e 和t 的单位分别取米，兆电子铰和纳秒，对于5 0 兆电子伏以下的中子， 上式带来的误差小于1 。显然中子强度按能量的分布中子能谱，可转换为相应 的按飞行时间的分布飞行时间谱。能谱与飞行时问谱之问的关系由如下关系式确 定： 器 = 兰州大学硕士学位论文 d n ( 历d v ( t ) d 一= 一一 扼d d e ( 2 2 7 ) 式中e 与t 分别是对应的中子动能和飞行时间，d e 与d t 是两种分布上对应的微分 间隔。d t d e 可以从中子飞行时间与能量的关系式中得到。这样，测得了飞行时间谱就 能得到中子的能谱。 由式( 2 2 6 ) 可以得到，中子能量的相对误差为 a f2 ，2 z z，z ( 2 2 8 ) 由飞行时间法测得的中子谱能量分辨本领由它的分辨时间t 和飞行距离的不确定 值l 所决定。飞行距离l 可以十分精确的确定，因此分辨本领主要取决于飞行时间t 的不确定值t 。这时 蛆2 0 0 2 8 压 zz ( 2 2 9 ) 式中飞行时间的不确定值由下列因素决定：1 中子脉冲宽度t 1 ，2 中子探测器的分 辨时间a h ，3 时间分析器的分辨时间t 3 。总的分辨时间 a t = 扛f 丽 ( 2 3 0 ) 式( 2 2 9 ) 中能量e 的单位是e v ，分辨时间t 的单位是邺，飞行距离l 的单位是 m ，由这个公式可以看出，能量分辨率取决于t l 的值。其次，还可以看出，分辨本领 并不是常数而是与z 成正比的，所以能量增加时，分辨本领将变差。 设中子源每秒给出k 个中子脉冲，每个脉冲里有q 个中子，中子的能量分布函数是 q ( e ) ，则每个脉冲里能量从e 到e + d e 之间的中子数为 匆= q c ( e ) d e ( 2 3 1 ) 单位时间到达探测器上的单位面积能量间隔的中子数为 竹警 眨3 2 ， 每秒钟在a e 能量范围道内的计数为 兰州大学硕士学位论文 叫：厢( 句驴( 句丝：丝丝萼掣 4 7 r f ( 2 3 3 ) 式中a 为探测器的有效面积，( e ) 为探测效率，l 为飞行距离。由( 2 2 9 ) 式可得 代入上式可得 娩= 0 0 2 8 a 吾n 沁| ( 2 3 4 ) a v = 2 2 1 0 - 3 q 琶：( e ) g o ( f ) a 6 2 抛z ( 2 3 5 ) 可见每道的计数率是与l 3 成反比的。粗看起来似乎增加飞行距离l ，可以减b a t l ， 提高能量分辨率。但是，增加飞行距离l ，能谱拉宽了，相应的计数分配到更多的道中 去，所以计数率与l 3 成反比。如果缩小分辨时间t ，增大探测面积a ，提高探测效率， 增强中子源q ，能量分辨可以得到改善。 2 6 2 中子探测器 在中子测量方面，闪烁体是最常用的。闪烁体探测器是利用中子探测的核反冲法的 基本原理来实现对中子的探测，主要由闪烁体、光导、光电倍增管和相应的电子仪器组 成，其结构如图2 1 7 。当射线进入最左边的闪烁体时，在某一地点产生次级电子，它使 闪烁体分子电离和激发，退激时发出大量光子。一般光谱范围从可见光到紫外光，并且 光子向四面八方发射出去。在闪烁体周围包一反射物质，这样能使光子集中向光电倍增 管方向射出去。当使用的闪烁体面积比光电倍增管面积大时，可以用光导作为中间过渡， 使闪烁体射出的光子较多的进入光电倍增管的阴极。光电倍增管是一个点真空器件，它 由光阴极、若干个打拿极和一个阳极组成。光阴极前有一个玻璃或石英制成的窗，整个 器件外壳为玻璃，个电极由针脚引出。通过高压电源和分压电阻，使阳极、打拿极和阴 极之间建立从高到低的电位分布。闪烁光子入射到光阴极上时，由于光电效应会产生光 电子，这些光电子受极间电场加速和聚焦，打在第一个打拿极上，产生2 - 6 个二次电子， 这些二次电子在以后各级打拿极上又发生同样的倍增过程，直到最后在阳极上可以接收 到1 0 4 - 1 0 9 个电子。从而在阳极上产生电压或电流脉冲，由电缆将信号传输到电子学仪 器中去。 1 7 兰州大学硕士学位论文 一lk 甲 千跳 剁 图21 7 闪烁体探测器结构示意崮 图21 8 实验中使用的液体闪烁体搛测器实物图 实验中费们选择s c l o n l xh o l l a n d 公司生产的l s 3 0 1 型液体闪烁体探测器作为 中子探渊器，它的探测面积较大( 闪烁体直径i o1 6 c m ，厚度为50 8 c m ) ，实物如图21 8 所示。光电倍增管为x p 4 5 1 2 ，其基座采用$ c i o n l xh o l l a n d 公司配套l s 3 0 1 生产 的v d 2 0 x - n e g 型。有机闪烁体对中子和7 射线都很灵敏，但有机闪烁体还有一特点 即闪烁光输出产额随时间的变化对电子和重带电粒子是不同的( 前者是谢线产生的， 后者是由快中子产生的反冲质子) 。所以利用适当的电子学波形甄别技术可以将中子和v 射线产生的脉冲区分开来，因此可以在较强的讳底下测量中子。同时液体闪烁体还具 有透明度好、容易制各、成本较低等优点。 2 7 真空系统 由于探测强c f 自发裂变碎片、探测裂变碎片核发射的特征x 射线以及m c p 装置 正常工作的需要，这些实验测量必须要在真空条件下进行工作而且真空度的好坏会影 兰州大学硕士学位论文 响测量的结果。在实验中使用的真空室结构如图2 1 9 所示。整个真空窒是有厚度为5 m m 的不锈钢制成，两边对称，长度为2 m ，两端的高和宽分别为4 5 c m 和7 5 c m ，使用聚乙 烯密封圈密封接口。 2 8 数据获取系统 图2 1 9 真空系统结构图 本系统的工作就是利用多参数测量系统关联测量一个裂变碎片的瞬发中子谱，对于 整个测量系统共有2 9 个参数需要记录，这就需要一个合适的多参数数据获取系统。我 们选择了c a m a c 数据获取系统。c a m a c 是c o m p u t e ra u t o m a t e dm e a s u r e m e n t sa n d c o n t r o l 的缩写，由欧洲核电子学标准化委员会( e s o n e ) 提出的。它是国际上核物理 实验室广泛采用的标准的仪器和接口系统，或者说是一种计算机和其他在线连接设备之 间交换数据和信息的硬件和软件标准，用于数据获取和实验控制。它以一种数据与控制 用的数字总线为基础，主要特点是数据传送率高，通用性及灵活性强，尤其是标准化程 度高，方便用户使用不同的功能插件以实现不同的实验目的。 1 9 兰州大学硕士学位论文 2 9 本章小结 本章主要介绍裂变多参数测量系统的实验原理和实验设备。该多参数实验测量系统 的实验目的就是测量2 5 2 c f 自发裂变产生短寿命丰中子核素的瞬发中子能谱。其中，核 碎片的质量a 用双速度法得到，裂变碎片的速度由靠近裂变源的微通道板( m c p ) 装置和 放置于真空室内的碎片探测器( p p a c ) 组成的飞行时间谱仪确定；由能量分辨较好的 h p g e 测得碎片的k x 光谱，再由莫塞来定律得到核素的电荷数z ；中子能谱由微通道 板( m c p ) 装置和液体闪烁体探测器组成的飞行时间谱仪测得。最后用c a m a c 数据获取 系统符合记录一次裂变事件后各探测器给出的2 9 路参数，得到确定质量数和电荷数的 裂变碎片所发射的巾子谱。 兰州大学硕士学位论文 第3 章中子探测器的效率刻度 3 1 效率刻度常用方法介绍 探测效率的测量分为绝对效率测量和相对效率测量两种。绝对测量是指用已知强度 的中子源进行刻度，由探测器探测到的中子计数与入射到探测器的总中子数的比值可以 得到测量能点处的探测器效率。绝对测量实际上是对探测器处中子注量率的测量。相对 测量是指利用某些方法刻度探测器的相对效率曲线，然后在某些能点进行绝对刻度，即 可得到所需要的探测效率。下面依次介绍四种绝对测量和三种相对测量的方法【2 4 】。 3 1 1 关联束法 图3 1 关联束方法实验几何示意图 在d + n 4 h e + n + 1 7 5 9 m e v 反应中，每一个c 粒子都会有一个中子与之关联，通过 测量c t 粒子数目即可推出与之关联的中子注量率，其实验常用的几何安排如图3 1 所示。 为了扣除偶然符合事件，可用0 【探测器作开门信号与中子探测器进行符合测量。关联束 2 l 兰州大学硕士学位论文 方法的缺点是与伴随靶管处测量到的粒子相关联的出射中子角度不容易准确确定( 因 为固体靶不是一个点源，所以中子的发射角需要一定的几何修正) 。关联束方法是1 4 m e v 能区中子注量率绝对测量的主要手段。 3 1 2 伴随粒子法 图3 2 伴随粒子法实验几何示意图 如图3 2 所示，此方法和关联束方法的实验装置很类似，但原理不一样。这种方法 通过伴随靶管测量到d + t 或d + d 反应产生的a 粒子或质子( 在d + d 反应中，因为d + d _ 3 h e + n + 3 2 6 9 m e v 反应产生的3 h e 粒子能量仅为0 弘1 8 m e v ，不容易和散射的入射 氘分开，故常通过测量其伴随反应d + d 一p + t + 4 0 7 8m e