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反冲质子法测量Am-Be中子源屏蔽辐照腔内的中子能谱 -中期报告 苏瀛枭一立项目的1.中子能谱是中子物理与应用技术研究领域中的一个重要物理量，更精确的中子能谱可以为我院中子物理实验室中以后开展工作提供必要的数据和应用支持。2.利用反冲质子法测量屏蔽辐照腔内Am-Be中子源能谱，并与现有的通过阈探测法测量的中子能谱进行对比分析，讨论两者差异产生因素、来源。从而得到更高精度的中子源能谱数据。二基本思路： 1.中子源 熟悉各种中子源，本实验中采用同位素Am-Be中子源；2原理 学习反冲质子法测量中子能谱的原理及相关知识。 3.探测器 利用金硅面垒半导体探测器测量出反冲质子能谱。 4解谱 将得到的反冲质子能谱运用用SAND-II 迭代法求解中子能谱；5分析 将所得中子能谱与已有的阈探测器法测量的中子能谱（王松林，兰长林 于兰大中子实验室）进行比较讨论。 按照论文里参考文献格式写 三 项目实施步骤：1.实验整体流程示意图： 图一 反冲质子法测中子能谱整体流程图 2.实验仪器中子源 实验采用中子楼现有Am-Be中子源，其中子能量分布范围为011 MeV,平均能量为4. 2 5MeV。为保护工作人员的剂量安全, 需对Am-Be中子源用已设计的屏蔽腔进行慢化和屏蔽。探测器核辐射探测器是通过核辐射与物质相互作用提供有关核辐射信息并对其进行分析处理的实验仪器。它由探测器本身和测量仪器设备两部分组成。射线与物质相互作用发生在探测器内，提供有关核辐射的丰富信息。不同类型探测器的主要特征是利用核辐射与物质相互作用的不同过程。基于核辐射在阻止介质中的电离效应应构成最为庞大的电离型核辐射探测器，包括气体电离室、正比计数器、盖革-米勒计数器、半导体探测器、云室、火花室、和径迹探测器等。带电粒子在这些探测器中直接产生电离，射线，中子等不带电粒子则是先于物质相互作用产生带电粒子在这些探测器中直接产生电离。在另一类探测器中，核辐射与物质相互作用使阻止介质的原子或分子激发，分解起着重要作用，如闪烁探测器、核乳胶等。 实验中采用探测器为半导体探测器-金硅面垒探测器，（如示意图二）结构如图，用聚乙烯膜作辐射体。后面紧贴金硅面垒探测器构成2几何条件。在薄膜产生反冲质子都被半导体探测器记录。优点：其主要用于探测带电粒子能谱，能量分辨率仅次于磁谱仪，比屏栅电离室，闪烁体探测结果都高，设备比磁谱仪简单。用作定时探测器（时间响应速度较快），使用方便，且本底较低，对不灵敏，适合低本底测量 缺点：灵敏体积不能做很大，（10cm2），且温室效应，辐射损伤效应较大 图二 金硅面垒探测器结构图 3.实验原理中子探测方法中子与带电粒子不同，它通过物质时不能直接产生电离。因此，探测中子只能利用它与原子核作用时产生的次级带电粒子或其他产生致电离辐射的次级效应。用于探测中子核作用主要有以下四种：核反冲法核反应法核裂变激光探测法；不同能量中子，主要作用过程不同，因此选用中子探测方法也不相同。这四类探测方法中，第一类适用于探测快中子。第二、第四类适用探测慢中子。核裂变法在两种能量范围内都可以用。至于中能中子目前探测比较困难所以，本实验中测量中子能谱采用了核反冲实验方法。 核反冲法原理： (1).反冲核能量与质子数关系 快中子与质子发生弹性碰撞（质子的中子散射截面如图三） ，中子运动方向发生改变，能量有所减少，质子获得能量以一定速度运动，记录以一定速度运动的质子就等于探测到了中子。根据弹性散射时能量守恒和动量守恒定律，可以导出： Er=Eo 式中=4A/【(1+A)(1+A)】Er反冲核能量，Eo中子能量，A原子核质子数，反冲角 当A1时，4/A。 当A=1时，=1，此时Er最大。这样中子探测就转化为了质子探测，而且由质子能量就可以算出中子能量。理论上，只要计算0角上的反冲质子能量就可以计算出中子的能量，但实际中只探测0方向质子，计数太少，所以，一般会测量沿中子入射方向的、张角在10的反冲质子。 图三 氢的中子散射截面 在本实验反冲质子测量系统中, 中子与n-p 转换靶作用后在该方向上产生反冲质子的初始能量为：式中, 为探测器轴线与中子束流方向的夹角。如图四 图四 反冲质子能量与角度关系 在理想真空条件下, 反冲质子的能量 在到达探测器时( 能量为Ep, T )，不发生变化（如图五）, 而阈能中子( 能量为En, T ) 对应的反冲质子能量Ep, T , 探测系统能够探测到的中子数就是N n (En En, T ) 。当空气的影响不能完全忽略时, 反冲质子在到达探测器前损失了部分能量,能量大于Ep, T 的部分反冲质子无法被探测, 使质子能阈提高到了, 这相当于实际探测到的中子能阈提高到了（如图六）, 从而使中子的计数减小了。可表示为: 其中; S 为反冲质子能量与射程的关系, 即R= S( Ep ) ; 1 为S 的反函数。 图五 理想反冲质子谱形 图六 实际反冲质子谱形(2) .反冲核能量与射程关系在具体进行计算时, 利用SRIM2011 软件，可获得反冲质子能量- 射程之间的关系。SRIM是模拟计算离子在靶材中能量损失和分布的程序组。它采用Monte Carlo方法，利用计算机模拟跟踪一大批入射粒子的运动。粒子的位置、能量损失以及次级粒子的各种参数都在整个跟踪过程中存储下来，最后得到各种所需物理量的期望值和相应的统计误差。该软件可以选择特定的入射离子及靶材种类，并可设置合适的加速电压。可以算不同粒子，以不同的能量，从不同的位置，以不同的角度入射到靶中的情况。常用于能量与射程模拟测量 蒙特卡罗模拟方法(M-C 方法) 通过计算机模拟跟踪一大批入射粒子的运动。粒子的位置、能量损失以及次级粒子的各种参数都在整个跟踪过程中存储下来, 最后得到各种所需物理量的期望值和相应的统计误差。在M-C 方法计算过程中采用连续慢化假设, 即入射离子与材料靶原子核的碰撞采用两体碰撞描述, 这一部分主要导致入射离子运动轨迹的曲折, 能量损失来自于弹性能量损失部分, 而在两次两体碰撞之间认为入射离子与材料中的电子作用连续均匀地损失能量, 当入射为重离子时可认为在这期间入射离子作直线运动, 能量损失来自于非弹性能量损失部分。两次两体碰撞之间的距离以及碰撞后的参数通过随机抽样得到。 （3）本底的降低在实验过程中，金硅面垒探测器的温室效应和辐射损伤效应负影响较大，当实际获取核辐射探测器输出的能量或时间信息时，由于探测器自身与电子器件本身所固有的噪声，这种噪声叠加，混杂到信号上，将会影响核辐射测量系统的能量或时间分辨能力。这其中主要包括三类：散粒噪声，热噪声，和低频噪声，特别是前两类，对幅度分析和时间测量影响较大。所以，我们要尽量减小甚至消除这些影响，除了在电路（采用各种滤波电路）和工艺上设法减小或消除外，还可以在数据处理时，采用扣除一定本底的方式，减小噪音与带来的误差，获得更准确的能谱结果。对于本实验为消除本底与噪音的影响，常需要一定的甄别阈Es（约为100kev）。 （4）.实验测量前期中我们对反冲质子能量与射程关系，用SRIM软件进行了模拟计算： .反冲质子能量与射程关系SRIM模拟下， 当为1-10Mev，=45时，反冲质子能量与射程关系如下表一：表一 为 1-10Mev，=45范围内反冲质子能量与射程关系表能量Mev)1.001.101.201.301.401.501.601.701.802.00射程um）16.33018.84021.48024.28027.22030.29033.50036.85040.33047.690能量Mev)2.252.502.753.003.253.503.754.004.505.00射程um57.61068.32079.80092.050105.03118.76133.20148.36180.77215.93能量Mev)5.506.006.507.008.009.0010.0射程um253.80294.32337.45383.14482.01590.78709.231-10Mev能量与射程关系对应图表图七 入射质子能量与射程关系图 .聚乙烯膜厚度选择薄膜厚度应该选择适当，要提高中子探测效应，薄膜需要足够厚，但是太厚了，反冲质子射出薄膜过程也将损失一部分能量，这时反冲质子能量将小于中子能量，而且分辨率也变坏，使矩形谱边界模糊不清。 根据SRIM软件模拟下，反冲核能量与射程关系：表明，中子能量为Mev数量级时，薄膜厚度小于10um为恰当。四实验总结在前期实验的过程中，我们在老师的指导下详细的学习了反冲质子法的基本原理，实验测量的整体流程：探测-前放-主放-甄别-多道；以及关于金硅面垒探测器的构成原理和SRIM软件的使用。还有一些在实验中要用到的相关知识点如