716-积分实验研究-陈涵德

2020/6/2,1,中子学参数总体积分实验研究,陈涵德二0一三年五月,2020/6/2,2,绪论三要素典型实验小结,2020/6/2,3,绪论,2020/6/2,4,核数据反映确定质量数、确定原子序数、确定能级态的原子核（核素）部分本质特性的数据（参数）。核数据通常分两类：一是描述原子核与粒子（包括中子）或其他核相互作用性质的核反应数据；二是描述单个核基本性质的核结构与放射性衰变数据。核数据是核工程、核能、核技术应用和核科学研究的基础性数据。,2020/6/2,5,核数据利用举例1核能裂变堆、聚变堆的物理设计，如：堆芯设计计算，等离子体输运（还需要大量的原子参数）裂变堆、聚变堆的工程设计，如：结构的完整性，辐射屏蔽，辐射损伤2核燃料循环反应堆燃料的内部与外部控制、管理燃料的化学方法回收、再处理废物的操作、处置与存放、埋葬3核安全放射性安全，如：辐射的监测与控制，辐射效应，剂量估算核事故评价，如：核安全与临界计算,2020/6/2,6,中子与核相互作用散射：中子降低速度、改变方向，发射。吸收：中子消失，中子增殖，产生带电粒子、放射性核，发射，裂变（产生裂变碎片、产物、裂变中子、裂变、释放能量）。中子能量不同、反应核不同，相互作用截面差异显著。微观中子核数据描绘中子与单个核相互作用。由测量、计算获得。,2020/6/2,7,2020/6/2,8,中子与介质相互作用1932年英国人J查德威克发现中子，稍后1938年德国人0哈恩发现中子诱发铀原子核裂变现象，开启了核物理研究新领域，为核能应用奠定了物理基础。E.费米的链式反应验证，使核裂变能应用成为现实：核电站、核武器、核动力舰船。它们的物理设计需要微观中子核数据，更需要中子与介质（大块物质）的相互作用数据。宏观中子核数据描绘中子与同种核的大数量核或多种核的大数量核相互作用。通过中子学宏观实验或计算获得。,2020/6/2,9,E.费米,J查德威克,0哈恩,2020/6/2,10,中子学设计核电站、核武器、核动力舰船都需要产生核能的系统，一般叫核装置（核反应区、反应堆）。核装置（核反应区、反应堆）需要有设计，关键之一是物理设计、或叫核设计、中子学设计。中子学设计依赖：数学模型、中子核数据，中子输运理论与数学工具结合的计算程序，计算机，其他物理数据。,2020/6/2,11,堆内中子学设计，涉及堆芯区、转换区、增殖区、慢化区，涉及核燃料、可转换材料、构件（结构）材料、中子吸收材料、中子增殖材料、中子慢化剂、中子反射材料、中子屏蔽体裂变率、中子俘获率、中子吸收率、中子倍增率、中子造氚率、中子泄漏率、中子反射系数、产生率、泄漏率中子增殖系数、中子寿命、瞬发中子增殖（衰减）常数、反应率比、反应性（价值）、（可裂变材料转换为易裂变材料）转换比、增殖比、缓发中子（有效）份额介质内中子能谱、介质内中子通量分布、泄漏中子能谱、泄漏中子角度谱、泄漏谱、中子穿透率,2020/6/2,12,中子输运中子在介质（大块物质）内的输运过程是复杂的物理过程，研究粒子（包括中子）在介质中的迁移统计规律的数学理论称为输运理论，输运理论从1868年建立粒子守恒方程算起，已近一个半世纪。自发现中子诱发核裂变现象开始，到20世纪40年代后，因核反应堆和核武器研制的强烈需求，中子输运理论得到迅猛发展。,2020/6/2,13,前面罗列的一大批中子学参数，都是宏观中子核数据，是中子在特定类型构形介质、即特定系统内输运现象的反映，是对中子在该类型构形系统内输运过程或行为的描述。不同介质或构成的具体系统，表征中子输运过程或行为的宏观中子核数据，一般是不相同的。在核工程、核能、核技术应用中涉及与中子、中子核反应相关的物理问题都不是科学上的第一性原理问题，而是基本原理的应用于工程装置（系统）的物理设计，属于应用物理、工程物理、计算物理范畴。,2020/6/2,14,数学模型一个物理问题通常都需要用数学工具加以描述，数学模型是相应物理现象的简化和理想化，简化和理想化的结果，是变量数目减少。一般来说，决定装置（系统）行为的变量数目比之数学上理想化的要多；为了使理想化的模型有确定的解，必须设置边界条件，这些条件是对观察问题范围的限制。中子输运方程求解方法需要近似处理，例如中子能量的多群近似，方向变量近似，各向异性散射（尤其是散射靶核较轻、入射中子能量较高）。显然，减少变量，设置边界条件，方法上的近似处理都会给物理问题的计算值相对于真值产生偏离。,2020/6/2,15,输入量以中子核反应及原子核的相关关数据作为输入量求解中子输运方程，因核反应截面（点截面、群截面、角分布），核结构数据、核衰变数据的不完整、不配套、不精确（误差），使计算的结果与真实的存在偏差。对偏离与偏差需要验证、修正、评估，催生了中子在介质（大块物质）中的输运问题研究，称之宏观检验。宏观实验、中子积分实验构成了中子学宏观检验的主体部分。,2020/6/2,16,从现代质量管理和核安全角度看，对核装置物理设计（中子学设计）要有设计验证或设计检验，提高物理设计水平也需要有检验。中子学计算的检验可以采用对前人已反复验证过的同类型模型（标准模型）和测试结果的再计算；或采用基准性、模拟性装置的实验检验。如今，无论是微观中子核数据或宏观中子核数据，都需要评价、需要可靠、精密的宏观检验。,2020/6/2,17,两类积分实验按功能（目的）不同分为两类，一类叫基准实验，另一类叫工程模拟实验。基准实验用来检验与验证推荐的微观中子核数据的可信性、可靠性，检验和评价按使用要求由中子微观核数据经计算制作的中子群常数的可信性、可靠性。工程模拟实验用来检验核反应区及其关键关联区物理设计的中子输运方法的计算程序或评估核系统特定工程设计的有效性、可信性。工程模拟实验具有极强的针对性。,2020/6/2,18,三要素中子源实验装置（样品）探测器、探测元,2020/6/2,19,中子源同位素中子源Cf-252自发裂变中子加速器中子源（倍加型）加速器氘氚、氘氘束靶中子反应堆中子源快中子临界装置中子源产生的中子，在积分实验中俗称源中子,2020/6/2,20,Cf-252自发裂变中子主要技术性能,具有裂变谱的同位素中子源,#按注量给出，按剂量给出,2020/6/2,21,（倍加型）加速器中子源需要考察的要点中子能量及单色性，中子强度及角分布，源强（产额）随时间变化（稳定性），源斑尺度及稳定性，伴生射线，孳生中子加速器厅容积、靶室、靶、周围（附近）物质源中子数测量及随时间的变化监测，定时信号拾取运行工况（脉冲，直流）、运行参数、运行质量,2020/6/2,22,束靶中子能量，由核反应运动学关系式给出，与入射束（粒子）能量、反应能、出射中子方向（相对入射束）相关，只有反应能是固定值。入射束（粒子）能量有变化，如进入靶膜不同深度的能量损失不同；其次，束靶中子穿透靶底衬、靶室、靶冷却水层，都导致中子能量非单色，第三，不同出射方向的中子能量有差异。由此，束靶中子能量在4方向呈一定的分布。束靶中子发射角分布，由核反应的角微分截面决定，一般入射束（粒子）方向取值最大，以此方向呈轴对称分布，即中子发射不各向同性。,2020/6/2,23,束靶中子源强度（产额）及稳定性，与加速器离子源引出束流大小与品质、离子加速电压高低（离子能量）、靶参数（吸氘、氚量）、靶使用时间等有关。中子源斑大小及源点稳定性，与加速器性能、光栏设置、运行调控等有关。伴生射线主要来自中子与靶（底衬）、靶室结构材料非弹射线；来自产生中子核反应道同时产生的射线。伴生往往集中在靶头处，通常用距靶室一米处空气的吸收剂量率或剂量当量率来衡量伴生射线的强弱。,2020/6/2,24,积分实验中使用最普遍的氘氚反应中子源，实质上能量为非单色、强度为非各向同性，使用薄靶（膜厚度）、不太高的入射粒子能量、简洁的靶室结构等，均有利于中子源能量向准单色性靠近。倍加型加速器氘氚中子源，几乎都是加速氘离子轰击氚靶，一部分氘离子可被靶膜俘获，在氚靶上沉积氘，由此产生氘氘核反应，形成少量孳生中子；氘离子轰击氚靶，其能量沉积在靶膜上，可使部分氚从靶膜中逸出，由此氘氚中子强度下降。这两种因素在一些积分实验中需要注意，一种有效的措施是尽量使用新氚靶，同时缩短氚靶更换时间。,2020/6/2,25,加速器氘氘反应束靶中子能量与发射的非各向同性,2020/6/2,26,倍加型加速器（中子发生器）束流管道,2020/6/2,27,实验装置（样品）装置构成：需检验的介质（大块物质），支撑架，测量孔道、固定件，塞块一定构型的介质俗称样品，可以是单种介质或多种介质的组合支撑架：支撑样品，可移动、可调节样品位置测量孔道：插入探测器、探测元塞块：填充测量孔道内探测器、探测元未占用的空间，采用与样品相同的介质制作,2020/6/2,28,样品材料选用、加工含所需检验的核素（元素），如该核素不是该元素的唯一同位素，宜采用经该核素丰度富集的材料，即提高该核素在该元素中的丰度。不得已才选用化合物、合金，尽可能选用单质原材料加工样品，选用化学纯度高的原材料（杂质含量低）。由原材料加工为样品件（毛坯）的工艺选择：密度均匀性好、内部缺陷少、无偏析、引入杂质少。样品不可能为整件，由若干部件拼装成，机械设计需考虑拼装的安全、简易、还原性，样品中心部位应设计安放加速器靶室、支叉管和靶冷却水管的引入空间。在环境中易锈蚀、潮解的样品部件（塞块）应作表面处理，化学性质活泼的样品部件（塞块）需封装。,2020/6/2,29,完整的样品参数样品原材料成分（常量、微量、痕量）经分析测试给出；每一样品部件密度检测；每一样品部件内部可能缺损、缺陷无损检测，必要的偏析检测；每一样品部件的尺寸、重量测定；如有表面处理，应给出处理工艺及相关信息；如封装，应给出封装材料成分、尺寸、厚度信息；测量孔道方位、几何尺寸；拼组装完毕的样品尺寸；其他（计算、修正所需）。原则上塞块的上述参数亦应给出,2020/6/2,30,球形样品是积分实验使用最普遍几何形状，亦可采用圆柱形，板形、矩形。选用的原材料经工艺加工成毛坯，按设计尺寸经机加工，得到样品部件，进行拼组装，是获得实验样品的主要途径。采用诸如板块、棒条、立方块等堆砌方式，构成一定尺度的样品亦是一种获得实验样品的途径。积分实验需要多种尺度（厚度）的样品，当检验核素不是该元素的唯一同位素，当无法获得单质材料情况下，往往还需要不同丰度、不同成分原材料的样品，开展系列实验、配套实验。,2020/6/2,31,积分实验样品基本涵盖核能利用核系统中子学设计最关心的堆芯区、转换区、增殖区、慢化区所涉及的核燃料、可转换材料、构件（结构）材料、中子吸收材料、中子增殖材料、中子慢化剂材料、中子反射体材料、中子屏蔽体材料。另一大类有意义的中子学参数，如中子寿命、缓发中子有效份额、中子增殖系数、瞬发中子衰减常数、微扰系数、反应率比，利用快中子临界、次临界装置上开展，俗称宏观实验。,2020/6/2,32,部分不同材料不同尺度积分实验球形样品实物照,2020/6/2,33,探测器、探测元积分实验欲给出的积分量，一般不是直接可测量，它由源中子在样品内与介质核相互作用的各种核反应产物，通过布放在样品内或放置在样品外探测器、探测元对反应产物测量，经处理导出。采用探测器的测量叫在线测量，由探测器探测反应产物，输出信号经电缆传输至记录设备。探测器、传输电缆、记录设备构成在线探测系统。采用探测元的测量叫离线测量，由探测元载带反应产物信息，探测元转移至实验室，完成载带信息获取，探测元、实验室信息获取设备构成离线探测系统。,2020/6/2,34,反应产物：次级（生）中子转换（变）核放射性核（活化核）射线（瞬发，缓发）氚裂变碎片（裂变产物）依据需测量反应产物和实验方案选择探测器、探测元,2020/6/2,35,次级（生）中子探测可选探测器气体电离型：含氢、含氦-3、含硼-10的正比计数管，外形有圆柱形、球形、矩形；含裂变物质的裂变电离室，多为平板型、圆柱型。有机闪烁型：富氢有机液体闪烁体（封装），富氢固体（塑料）有机闪烁体，有机晶体，圆柱形居多。无机闪烁型：富锂-6的碘化锂晶体，富锂-6的锂玻璃体。可选探测元活化片；转换体+径迹片或捕获片,2020/6/2,36,含氢正比计数管（质子反冲探测器），充氢气的适合于0.01-1MeV、充甲烷的适合于0.5-1.5MeV中子测量，充气压可常压也可高压，高气压有利于增大中子探测效率；充3He的正比计数管，适合于0.1-1MeV中子测量，为提高中子探测效率一般采用充高气压，并掺入少量重惰性气体。,H(n,n)H作用截面,3He(n,p)T作用截面,2020/6/2,37,10B(n,)7Li、10B(n,0)7Li、10B(n,1)7Li作用截面,6Li(n,t)4He作用截面,2020/6/2,38,球形阴极含氢正比计数管结构示意,2020/6/2,39,各种类型商品化中子探测器：BF3中子探测器3He中子探测器硼沉积中子探测器裂变室反冲质子探测器,2020/6/2,40,裂变电离室含沉积裂变物质的灵敏层，并构成电极，用来探测中子，采用电沉积法制作薄涂层，单面涂或双面涂；为进一步提高探测中子灵敏度，采用多板极并联式结构或同轴式结构，增大涂层总面积（裂变物质量），不采用增厚涂层厚度的途径，厚涂层易发生裂变物质脱落，增大裂变碎片输出能谱畸变。涂层可选用：233U、235U、239Pu、232Th、238U、237Np等，前三种为无阈裂变反应，后三种为有阈裂变反应，适合于中子通量测量，裂变电离室可制作成较小体积，对射线不灵敏，使用中以平板型居多。,2020/6/2,41,闪烁探测器由闪烁体、光收集部件和光电转换器件组成，在闪烁体内经中子核反应产生的荷电粒子，使闪烁体原子或分子受激而产生荧光，光导和光漫散（反）射体等光收集部件使荧光尽量多射到光电转换器件的光敏层上打出光电子，光电子可直接或经过倍增后，由输出级收集形成电脉冲。闪烁体形态：固体、液体、气体三类；材料：有机、无机两类。闪烁探测器特点：探测效率高、灵敏体积大、定时性能，中子与分辨能力。,2020/6/2,42,有机闪烁体具有氢浓度大、时间响应快的特点。有机晶体、有机液体闪烁体还具备很好的粒子分辨能力，塑料闪烁体易加工成不同形状和尺寸。,某些有机晶体主要特性,2020/6/2,43,某些有机液体闪烁体主要特性,2020/6/2,44,某些塑料闪烁体主要特性,2020/6/2,45,无机闪烁体，采用掺入6Li制作，将富6Li的锂掺入锂玻璃（Ce激活）或LiBaF3(Ce、Rb)或LiI(Eu)等无机闪烁体内，制成富6Li的锂玻璃闪烁体或富6Li的无机闪烁体。闪烁型探测器较适合于中子能量（分布）测量。,6Li锂玻璃闪烁探测器结构示意,2020/6/2,46,转换体+径迹片探测元由转换体+径迹片组成探测元，再与径迹读出设备一起构成固体径迹探测器（电介质探测器）。径迹片采用各种绝缘介质：结晶固体（如云母、石英），非结晶固体（如各种玻璃），聚合物材料（如硝酸纤维、醋酸纤维、聚脂膜、聚碳酸酯薄片、聚乙烯膜）等，荷电粒子可在其内产生潜在径迹；转换体为富氢材料制作的箔材或可（易）裂变物质电沉积镀片，其功能是将中子转换为反冲质子或裂变碎片（荷电粒子）。适用于中子通量测量，具有对射线不灵敏，体积小、布放灵活、离线测量等特点。,2020/6/2,47,活化片（箔）探测元中子辐照靶片，通过靶核与中子核反应产生核衰变性质合适的放射性核的过程，为中子活化，对应的靶片称为活化片（箔）。中子活化技术最初用于材料痕量元素高灵敏分析，移植到中子学研究，通过选用一种或多种具有不同有效阈能且中子核反应截面已知的活化片（箔），用于中子通量或中子能谱测量。活化片（箔）探测元体积小、布放受限制小、离线测量，使用高纯材料的活化片（箔），其活度测量不确定度小。活化片（箔）探测元与实验室谱仪测量系统或射线测量设备，构成完整的中子测量系统。,2020/6/2,48,常用活化片举例,2020/6/2,49,转换（变）核和放射性核（活化核）探测离线测量特征射线：NaI(Tl)无机（晶体）闪烁探测器HPGe半导体探测器、LaBr3化合物探测器、平面硅半导体探测器离线测量特征射线：正比计数管，液体闪烁探测器射线（瞬发，缓发）探测（在线测量）NaI(Tl)无机（晶体）闪烁探测器HPGe半导体探测器、LaBr3化合物探测器,2020/6/2,50,氚探测富锂-6的无机闪烁体，富锂-6的玻璃体探测器，在线探测；含锂-6测试样（封装）探测元，经离线处理，用有机液体闪烁装置或充气式正比计数器测氚释放的射线。裂变碎片（裂变产物）探测裂变电离室，在线探测；电沉积裂变物质的镀片+径迹片，离线读数径迹。,2020/6/2,51,高纯锗探测器,NaI（Tl）探测器,射线探测用无机、半导体、化合物探测器实物照,2020/6/2,52,LaBr3探测器,三种射线探测器能量分辨能力比较,2020/6/2,53,闪烁探测器剖面,闪烁探测器,闪烁探测器输出信号谱图,2020/6/2,54,典型实验俘获率裂变率造氚率倍增率穿透率,2020/6/2,55,一、俘获率积分实验由源中子在样品内引起的与介质核发生中子俘获反应的几率。源中子与介质核直接俘获反应和源中子与介质核产生次生中子核反应，由次生中子引起的俘获反应，都归于介质核的中子俘获几率。源中子采用Cf-252自发裂变中子，加速器氘氚、氘氘束靶中子，加速器工作在直流工况。,2020/6/2,56,样品分裂变材料、非裂变材料两类。裂变材料重点检验可裂变核铀-238的中子俘获率。铀-238俘获一个中子形成铀-239核，经两次衰变，嬗变为钚-239核，是易裂变核。铀-238的中子俘获率又叫造钚率。非裂变材料核中子俘获反应形成质量数后移一位的同位素核，它们可能是稳定核，可能是放射性核。对非裂变材料，关心点是形成放射性核时的射线量。下面叙述铀样品内可裂变核铀-238的中子俘获率积分实验。,2020/6/2,57,样品材料：天然铀、贫化铀，金属（单质）样品形状：球形、圆柱形、立方形、其它样品尺度：有效厚度1-5个铀平均自由程（样品内源中子发生核反应前走过路程的平均值）源中子位置：球形、圆柱形、立方形样品，置于几何中心；板形样品，样品外。,2020/6/2,58,源中子数测量积分实验需要给出实验全部测量时段内的源中子总数（样品内或外注入），需要给出每一测量点时段内的源中子数（用于归一处理）。使用Cf-252自发裂变中子的源中子数测量：中子源供应商提供的产品技术说明书中列有该源某时刻的源强，使用者只需记录积分实验每一测点数据获取时段的起始时刻与终点时刻，由衰变公式即可计算出对应时段的源中子数。全部测点时段内中子数之和，即为全部实验的源中子数。,2020/6/2,59,使用（倍加型）加速器氘氚、氘氘束靶中子数测量：之一：伴随粒子法氘氚、氘氘核反应式如下d+3H4He+n+17.6MeVd+2H3He+n+3.27MeV产生中子的同时，出射带电粒子4He、3He（伴随粒子）。测量4He量，给出氘氚中子数；测量3He量，给出氘氘中子数。设计与靶室一体化的伴随粒子测量叉管，在端部安装金-硅面垒型探测器，测量伴随粒子。由测量伴随粒子谱，经处理给出测量时段内的源中子数。,2020/6/2,60,方法的优点：能给出不同时段源中子数、能随时发现源中子数（强度）的变化或波动。是积分实验最常采用的源中子数测量方法。,之二：活化法选择有阅反应活化片置于加速器靶室处，经源中子辐照，活化片稳定核转变为放射性核，取下，在实验室内测量活化片放射性活度，推算辐照时段内源中子数。活化片与反应道举例：19F（n,2n）、45Sc(n,2n)、65Cu(n,2n)、27Al(n,)方法的不足：无法实时跟踪源中子数及其变化。,半导体探测器给出的伴随粒子谱,2020/6/2,61,反应产物测量选择之一：俘获核铀-239一次衰变核镎-239之二：俘获核铀-239二次衰变核钚-239镎-239测量方案：选用与样品相同的材料制作活化片探测元，置于样品测量孔道内距源中子不同位置（俗称测点），启动源运行，经一定时间辐照，取出探测元，在实验室内采用低本底射线谱仪系统测量谱，解谱，给出探测元中的镎-239核数。,2020/6/2,62,钚-239测量方案：选用与样品材料相同的活化片探测元，置于测量孔道内距源中子不同位置，启动源运行，经一定时间辐照，取出探测元，在放化实验室进行钚元素分离操作：溶解活化片、定量加钚-238或-242标准稀释剂到溶解液、提取钚、制作电沉积测量源，采用2栅网电离室或面垒型半导体谱仪测量钚谱，给出探测元中的钚-239核数。,2020/6/2,63,一般，采用每0.3-0.4个平均自由程布一探测元选取2-3个测量方位或更多根据测点实际测量给出的镎-239或钚-239核数随测点距离走势，适当补充测点或调整测点位置测点数据处理要对活化片铀-238量、辐照时段源中子数归一。由某一方位的测点数据拟合得到样品内俘获率分布曲线，对样品空间积分，导出俘获率。,2020/6/2,64,大尺度球形金属贫化铀样品氘氚中子俘获率分布采用Np-239谱测量法,2020/6/2,65,二、裂变率积分实验已知的裂变核中，由裂变谱中子、氘氚中子和氘氘中子诱发大块介质铀材料的238U核裂变较受关注。因为可裂变核裂变率是聚变-裂变，或裂变-聚变-裂变核系统的一个重要参量。裂变率积分实验样品：天然铀或贫化铀、金属（单质），球形、矩形、立方体、圆柱形、其他。样品尺度：有效厚度约1-5个铀平均自由程。源中子：Cf-252自发裂变中子，加速器氘氚、氘氘束靶中子。加速器工作在直流工况，源置于几何中心。,2020/6/2,66,源中子数测量：伴随粒子法、活化法。反应产物测量选择：裂变碎片、裂变产物，以裂变碎片为主。裂变碎片测量方案之一：转换体+径迹片探测元离线测量转换体采用与样品材料相同的天然铀或贫化铀制作电沉积镀片，涂层薄均匀、进行铀及其同位素丰度定量。将涂层面紧贴径迹片构成探测元（或夹心式），置于测量孔道，启动源运行，经一定时间辐照，取出探测元，径迹片经化学蚀刻处理，在实验室内用显微镜或火花读数仪读取径迹信息，推算裂变碎片数。,2020/6/2,67,之二：裂变电离室在线测量采用天然铀、贫化铀涂层为电极的小型平板型或圆柱型裂变电离室，置于样品测量孔道内，启动源运行，当中子进入电离室，与涂层天然铀或贫化铀发生裂变反应，裂变碎片从涂层逸出，在电离室内产生电脉冲信号，经电缆传输至信号采集、记录设备，同时记录该测量时段内源中子数。由电离室输出信号与源中子数比，经涂层铀-238量归一，得出该测点位置样品铀-238裂变率。在测量孔道内，由外向里或由里向外，逐点测量，经各测点裂变率数据拟合，得出该测量孔道方位裂变率分布表达式（曲线）。对样品空间求积，导出裂变率。,2020/6/2,68,裂变产物测量方案思路：裂变产物是放射性核，按一定衰变率发射特征射线，由高分辨率谱仪测量谱，借助解谱软件，给出裂变产物核数，由该产物核裂变产额，推算裂变数。难点：裂变产额不是常数，是诱发裂变的入射中子能量函数。样品内诱发铀-238发生裂变的中子能量呈分布且未知。因此，仅测量一个或若干个裂变产物，由裂变产额推算裂变数，用什么样的产额值是大难题。设想：将天然铀或贫化铀制作的转换片与捕集片紧贴，置于样品测量孔道内，启动源运行，经一定时间辐照，取出，在实验室内用高分辨率谱仪，分时段测量捕集片谱，由专门开发的解谱软件，求解出几十种裂变产物核数，使它们对应的产额之和，接近200%，则它们的核数之和近为裂变数。,2020/6/2,69,作为质量数函数的裂变碎片质量分布,裂变核裂变产物的质量分布曲线随裂变核种类和诱发裂变中子能量而变，全部裂变产物产额之和为百分之二百。,2020/6/2,70,由裂变碎片测量给出的大尺度金属铀样品内裂变数分布。左上：U-238裂变数分布右下:贫化铀裂变数分布,2020/6/2,71,大尺度金属贫化铀积分实验装置实物照,2020/6/2,72,三、造氚率积分实验核能利用与核工程中的氚产生（增殖）途径包括反应堆产氚和加速器产氚，裂变堆采用含6Li合金靶件产氚，聚变堆采用含6Li陶瓷或含6Li液态金属增殖氚，加速器采用散裂中子轰击含6Li靶件产氚。积分实验测量的造氚率，定义为一个源中子在实验样品内的氚产生量。造氚离不开含锂的材料（介质），下面叙述锂造氚率积分实验。,2020/6/2,73,Li-6中子造氚反应截面6Li+nt+4He+4.78MeV,Li-7中子造氚反应截面7Li+nt+4He+n-2.47MeV,2020/6/2,74,样品材料：金属Li含Li的氢化物，不同6Li同位素丰度的氢化锂、氘化锂、不同氢氘比的氢氘化锂含Li氟化物、氧化物含Li锂陶瓷样品部件加工：锂及其化合物的化学性状，要求样品密封、防潮解金属Li装入一定尺寸的容器元，密封封装Li的氢化物原料经等静压工艺，制作成毛坯，机加工，形成样品部件，表面防潮解处理,2020/6/2,75,实验样品组装经封装的金属LI样品部件，对号插入一定构型栅格，拼装成完整的实验样品经表面防潮处理的化合物样品部件，按设计编号拚装成完整的实验样品实验样品一般采用球形，亦可立方体、其他样品内设置测量孔道样品中心区留空间，供加速器靶室及其附属支管、叉管、冷却水流道安放或同位素中子源插入。,2020/6/2,76,中子源选用Cf-252自发裂变中子加速器氘氚、氘氘束靶中子，加速器工作在直流工况源置于中心位置，或外部注入方式源中子数测量：伴随粒子法、活化法反应产物选择：氚,2020/6/2,77,测量方案之一：含锂-6测试样（封装）探测元离线测量含锂-6测试样选用：与实验样品材料相同的测试样，如金属Li、含Li的氢化物，不同6Li同位素丰度氢化锂、氘化锂、不同氢氘比的氢氘化锂或氟化锂、或氧化锂、或碳酸锂、或其它含锂化合物探测元制作：用铝、铜材质加工小体积容器（盒）、或用石英材料制作小安瓿瓶、秤量，装入选用的测试样，焊封，秤量，构成探测元。为更稳妥，亦可将金属小盒再装入石英安瓿小瓶。,2020/6/2,78,在测量孔道内辐照：探测元置于测量孔道预先设定的各测量点，启动源运行，辐照一定时间，记录辐照时段内源中子数。探测元（测试样）经源中子辐照产生的氚测量方案：A在放化实验室，将探测元接入专门的真空系统，加热金属小盒焊口，使其熔化，继续提升加热温度，测试样内氚被赶出，用工作气体载带，转移至正比计数管内，测量氚活度，给出该测点的氚产生量。如用石英安瓿封装，需先在真空系统内击破石英安瓿瓶。B在放化实验室，将探测元接入专门的真空系统，加热金属小盒焊口，使其熔化，继续提升加热温度，测试样内氚被赶出，至收集室，将气态氚转换为液态氚水，注入液体闪烁探测器，测量氚活度，给出该测点的氚量。,2020/6/2,79,之二：探测器在线测量采用含6Li的锂玻璃（Ce激活）探测器或含6L无机闪烁体探测器如LiI(Eu)，置于测量孔道内，启动源运行，当中子进入锂玻璃或碘化锂内并与6Li发生6Li(n,t)4He反应，带电粒子t、在锂玻璃或LiI(Eu)中产生荧光，经光电倍增管光电转换与倍增，探测器输出电脉冲信号，由信号电缆传输至谱仪系统记录，解谱，给出发生6Li(n,t)4He反应数，即该测点的氚产生量。逐点测量，得出测量孔道方位的氚产生量，用源中子数归一，给出该方位的造氚数随距离走势，拟合处理，给出分布曲线，空间积分，得出样品全空间的造氚率。,2020/6/2,80,中子与锂-6、锂-7核反应，都能造氚，前者为无阅反应，后者为有阅反应。需要采用不同同位素丰度的锂样品进行造氚积分实验，给出两种同位素的各自造氚率。比较而言，造氚积分实验技术难度较高。,2020/6/2,81,氘氚中子在富6Li氘化锂样品内造氚分布，90方位测量孔道，探测元，正比计数器离线测量氚,上：单位球壳造氚分布下：测点造氚分布,2020/6/2,82,同一样品氘氘中子造氚分布90方位，LiI(Eu闪烁探测器在线测量氚,2020/6/2,83,四、倍增率积分实验物理上，由(n,2n)、(n,3n)核反应产生的中子倍增大于(n,x)核反应（x为各种带电粒子出射）中子吸收的核素所组成的单质材料（裂变材料除外）都具备中子增殖功能。从有利于造氚和裂变燃料再生，或纯聚变或聚变-裂变混合核能装置核（物理）设计，增殖材料应用都十分必要。铍是核性能优良的中子增殖材料，（n,2n）反应阈能1.85MeV，14MeV能点（n,2n）截面485mb，热能点中子俘获截面9mb。下面叙述铍的倍增率实验。,2020/6/2,84,样品材料：金属铍样品尺度：1-5个自由程样品形状：球形、立方体样品件：半球壳、板块，组装成不同厚度中子源：氘氚中子，氘氘中子，252Cf自发裂变中子，置于样品几何中心测量对象：中子测量技术途径：锰浴法，全吸收法,2020/6/2,85,锰浴法测量概要将中子源置于装有硫酸锰水溶液的缸内，氢慢化中子，慢化中子与55Mn发生中子俘获反应，生成放射性核56Mn（半衰期约2.58h），由产生的56Mn量指示有源有样品和有源无样品两种情况下的中子数。其比值经修正，即为倍增率。56Mn测量方案：之一：辐照全过程不断搅拌溶液，使缸内溶液的56Mn分布均匀，定量取出少量溶液，在实验室内用低本底射线谱仪测量56Mn核数。之二：辐照过程借助外部循环泵使溶液在缸内外双向循环，对外部支管借助低本底射线谱仪测量56Mn核数。,2020/6/2,86,需要用伴随粒子法，对有源无样品和有源有样品两种情况的源中子数进行监测并归一化处理，即两种情况使用同样数量的源中子。锰浴缸有效厚度应近5个中子平均自由程，辐照以56MMn核数达到平衡为好，约13-15小时。,2020/6/2,87,硫酸锰水溶液大缸内布置示意,2020/6/2,88,用于伴随粒子测量的大反向角锥形靶室结构示意,大反向角锥形靶室实物照,2020/6/2,89,全吸收法测量概要一个大直径中心有空腔的富氢介质中子慢化球，包围中子源和样品、即中子源同时处于慢化球中心和样品中心位置，球形样品亦处于慢化球中心，中子进入慢化球被氢核慢化、俘获（吸收），物理设计上使绝大多数中子被氢吸收。在有源有样品和有源无样品两种情况下，采用1/v中子探测器测量慢化球内的慢化中子分布，得出分布曲线，空间求积，两种情况下的积分量之比经修正，即为样品的中子倍增率。测量的本质是相对测量，两种情况的测点吸收中子数空间积分比代表了中子倍增。,2020/6/2,90,1/v探测器采用中子截面随中子能量变化呈1/v规律，通过核反应产物（带电粒子）测量探测中子的探测器俗称1/v探测器。如：3He(n,p)T反应，6Li(n,t)4He反应，10B(n,)7LI反应，在低能区至热能范围的中子截面随中子能量变化呈1/v规律，且与氢的俘获（吸收）截面相似。3He正比计数器、富10B的BF3正比计数器、富6Li的LiI(Eu)或锂玻璃闪烁探测器，属于探测低能中子的1/v探测器。氢核俘获中子变为氘并释放射线，两者均难以测量，借助1/v探测器布放在慢化球内，测量慢化中子分布，给出有源有样品和有源无样品两种情况在慢化球内的中子数，替代氢的中子俘获过程。,2020/6/2,91,2020/6/2,92,慢化球+1/v探测器构成全吸收法测量的全吸收探测器慢化球材料选择：聚乙烯，去离子水慢化球尺度：内径40-60cm（用于放置样品），有效厚度45-60cm主要修正：非氢核（聚乙烯为碳核，水为氧核）的中子吸收中子从慢化球外表面泄漏中子从样品穿透被慢化球内表面反射且进入样品,2020/6/2,93,倍增率率积分实验装置实物照,2020/6/2,94,2020/6/2,95,2020/6/2,96,左：去离子水慢化球内1/v探测器给出的中子分布曲线,右：聚乙烯慢化球内1/v探测器给出的中子分布曲线,2020/6/2,97,氘氚中子铍倍增率实验结果与模拟计算值,2020/6/2,98,五、穿透率积分实验样品内源中子可直穿或散射泄漏出样品，由源中子引起的穿透中子数经源中子数归一，叫该源中子对该样品（介质）的穿透率，或泄漏率。大尺度、非增殖材料实验样品，穿透率主要反映经散射的中子泄漏。穿透率积分实验的源中子一般都处于样品中心，源中子包括氘氚中子，氘氘中子，或252Cf自发裂变中子。穿透中子能量范围约在15MeV到热能，呈连续谱，俗称穿透率谱，穿透中子注量率则处于低或较低范围。,2020/6/2,99,样品材料：核能工程经常用到的裂变材料、轻元素介质、结构材料、屏蔽材料、其他功能材料。样品厚度：等（或不等）厚度、不同内（外）径的球壳，配套构成不同厚度实验样品。穿透率积分实验布局：在样品外的实验（加速器）厅内离源中子某距离处测量穿透中子谱，给出穿透中子能谱信息，由此导出一定能量限以上的中子穿透率。一般不需要多个方位测量。,2020/6/2,100,中子注量测量与能量测量不可分割，除非单色中子。IAEA推荐了11个标准截面用于测量中子注量（率），实质上就是中子的能量注量相关测量。,图中标出适用中子能区及相应可达到的最高不确定度,2020/6/2,101,穿透率谱测量方案之一H(n,n)H反应：在1keV-20MeV中子能区截面误差0.2%，采用富氢有机闪烁探测器，俗称反冲质子探测。3He(n,p)T反应：热能到50keV，截面误差在0.2%-4%范围，采用3He正比计数器。10B(n,)反应：热能-200keV中子能区，采用富集10B的BF3正比计数器。6Li(n,t)4He反应：热能-100keV能区，富6Li的锂玻璃或LiI(Eu)无机闪烁探测器即：探测器为正比计数器和有机、无机闪烁体两类。,2020/6/2,102,正比计数器（管）的特点探测效率较高，对不灵敏，具有一定的中子能量分辨特性。只要准确标定灵敏体积及单位体积中的核数，计算反冲质子理论谱，其总误差可好于2%。,正比计数器的一种结构示意,氢正比计数器测量的反冲质子谱,2020/6/2,103,测量方案若选用H(n,n)H反应，则通过富氢有机闪烁探测器或含氢正比计数器构成的谱仪系统，获取反冲质子谱，解谱，反演中子能谱（氢核反冲最佳）。适合于1MeV以上能段。测量方案若选用3He(n,p)T反应和6Li(n,t)4He反应，则通过3He正比计数器、富6Li的锂波澜、LiI(Eu)闪烁探测器构成的谱仪系统，获取核反应法产物谱，解谱，给出中子能谱。适合于1MeV以下能段。为此，对气体电离型探测器，为了缩短带电粒子射程，往往还要充入重原子气体，如氩、氪、氙等，并使管内压力达到几个大压。,2020/6/2,104,在聚乙烯（石蜡）中子慢化体中插入富集10B的BF3正比计数管，经优化结构，成为长（全波）中子计数器，是一种简便而又可靠的中子注量测量装置，具有探测效率高而且即时，在相当宽范围内，探测效率随中子能量变化缓慢等特点。,典型的长中子计数器示意及其效率曲线,2020/6/2,105,全波（长）计数装置及其探测效率曲线,2020/6/2,106,不同尺度贫化铀球氘氚中子穿透谱,2020/6/2,107,纯聚乙烯（上左）、含10%B4C聚乙烯（上右）、含50%B4C聚乙烯（下）样品球不同尺度的氘氚中子穿透率（不同下限能量）,2020/6/2,108,上图：氘氚中子穿透不同尺度铝样品球的穿透率（不同下限能量）,下图：氘氚中子穿透不同尺度铁样品球的穿透率（不同下限能量）,2020/6/2,109,氘氚中子穿透贫化铀球形样品不同能量下限给出的穿透率曲线,2020/6/2,110,中美实验室氘氚中子穿透贫化铀样品穿透率结果比较,2020/6/2,111,穿透率谱测量方案之二选用若干个有反应阈和无反应阈活化片，组成活化探测器，由活化核特征（）射线强度、活化反应截面等，解谱，求解穿透中子能谱，导出中子穿透率。穿透率谱测量方案之三使用脉冲中子源，中子飞行时间法测量穿透中子能谱。,2020/6/2,112,加速器氘氚中子穿透率积分实验装置实物照,上左：铁球样品下右：铝球样品,2020/6/2,113,小结,2020/6/2,114,一个核大国、核强国，需要自主开展宏观实验（积分实验）支撑本国的核计划，核武器、舰艇核动力装置研制如此，核能民用，如核电，同样需要有自己的宏观实验（积分实验）支撑创新研发。国际上，美国、欧盟、俄罗斯、日本等国家（地区），均有自己的核数据工作，包括中子学宏观实验计划。,2020/6/2,115,美国近期动向（举例）临界实验：含硼装置、高浓铀钒反射层装置的测量次临界实验：钚球加聚乙烯、有机玻璃、铜、铅、钨、锰、镍等材料作反射层的测量结构材料的积分反应性测量：混凝土、Fe、Ni、Pb、Zr、Al、Cu、Ti、Mn、Cr、MoAl和SiO2反射层实验,2020/6/2,116,临界实验装置重启计划Comet;Godiva;Flattop升级实验能力，特别是次临界实验能力提升电子学和数据获取系统能力；增强噪声分析和次临界实验技术；新252Cf源，探测器响应刻度，探测系统测试；在次临界实验中开发和应用方差减小技术宏观实验（检验）向系统化、系列化发展,2020/6/2,117,欧盟动向（举例）开展镍球裂变谱中子屏蔽基准实验（下图）,2020/6/2,118,ITERTBM实验计划产氚包层技术（第一