测量天然镍nxα反应α粒子发射的能谱和角分布解析.docx

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测量天然镍nxα反应α粒子发射的能谱和角分布解析

　第33卷第3期

　1999年5月原子能科学技术AtomicEnergyScienceandTechnology.33,No.3VolMay1999

测量天然镍（n,xΑ）（中国科学技术大学近代物理系,合肥,230027）

）反用中国科学技术大学的多路望远镜系统测量了天然镍在1416MeV中子能量下的（n,xΑ

应发射Α粒子的双微分截面。

使用多重二维粒子鉴别技术有效地鉴别了p、Α粒子和Χ射线;使用厚靶技术提高了事件率、减少了统计误差。

测量了从2415°～165°的16个反应角,并由此得到了Α粒子的角度积分能谱、角分布和总发射截面,并与美国B26库评价结果和其它实验小组结果进行了比较。

关键词　14MeV中子　天然镍　双微分截面　多路望远镜系统

中图法分类号　O571.434　O571.435

测量强中子场中结构材料的带电粒子发射反应数据在设计聚变堆中具有重要意义。

结构材料内部在强中子的照射下将发生变异,并产生氢气和氦气泡,直接影响结构材料的使用寿命。

带电粒子的能谱和角分布在核理论模型计算和核数据评价中也相当重要。

目前国际上能够测量带电粒子发射的实验小组仅有几家,所测得的实验数据很少,对某些反应各家的数据存在较大差异,一些重要的核素甚至无可用的实验数据。

世界各大数据库的评价数据差异也较大[1]。

国际原子能委员会要求加强这方面的工作,特别是Α粒子发射核数据的测量和评价工

56nat58nat作,组织了IAEA协调研究项目（CRP）,主要目标是测量Fe、Fe、Ni和Ni等核的Α粒子

发射双微分截面[2]。

为了达到这个目的,最近国际上一些研究机构开始加强这方面的工作。

日本的大阪大学[3]、东北大学[4]和美国的LosAlamos实验室[5]都建立了专门的探测系统,用于测量带电粒

）反应的Α粒子子发射的能谱和角分布,北京大学在5113MeV能点用屏栅电离室对58Ni（n,Α

能谱和角分布进行了测量研究[6]。

中国科技大学的测量小组专门设计了1套用于测量带电粒

子发射的多路望远镜系统[7],该系统可以同时测量2415°～165°的16个反应角,并可以同时测量反应谱和本底谱。

系统使用多重二维粒子分辨技术,可以有效地分辨带电粒子和Χ射线。

使用厚靶技术既提高了事件率,又减少了本底的影响;提高了能谱高能端的可靠性,同时也减少了统计误差。

从1992年至今,本工作已经测量了一些结构材料的质子发射的能谱和角分布,如3中国科学技术大学青年基金资助项目

叶邦角:

男,36岁,核物理与核技术专业,副教授

收稿日期:

1997212204　收到修改稿日期:

1998203227

19493原子能科学技术　　第33卷[8]nat[9]nat[10][11]Nb（n,xp）、Fe（n,xp）、Ni（n,xp）和不锈钢的（n,xp）反应。

现在本工作将第1次进行Α粒子发射的双微分截面的测量,以获得Α粒子发射的能谱和角分布,并由此得到Α粒子的总发射截面。

1　实验

[12]。

外32损失信号,∃,每1根阳极丝对应于1个反应角。

用于打开线性门电路对信号进行在线选择,不致使前端电路产生严重的脉冲堆积。

中心CsI（Tl）探测器除了产生能量信号外,还产生脉冲形状分辨信号,用于鉴别粒子[13]。

由于Α粒子在多丝室中的能量损失较大,因此多丝室的工作电压不需要太高,故选择-620V。

系统采用95%Ar+5%CO2混合气体,工作气压为100Pa,采用流气式工作模式。

辐照时,中心探测CsI（Tl）晶体的直径为25.4mm,厚度为1mm,足以停止最大能量的Α粒子。

器用厚为20cm的铁屏蔽,天然镍靶的尺寸为0.5mm×40mm×289mm,正好覆盖16个反应室,铅箔作为衬底,无靶的半边也采用铅箔同时测量本底,这是因为铅有极小的Α粒子产生截面（<1×10-27cm2）。

系统放置时,使CsI（Tl）的中心与T2Ti中子源的距离为400mm,整个系统在强度为3×109s-1的中子场中辐照大约120h。

中子通量由伴随Α粒子法测量。

多丝室内用于本底测量的1个室中装有弱241AmΑ源,用于监测整个系统的稳定性。

同时由多个单道定标器监测各重要参数的计数稳定性。

当辐照进行到大约一半时,靶转动180°,以消除可能由几何不对称造成的影响。

）核反应事件,有5整个数据采集工作用智能CAMAC机箱控制器控制。

对每1个（n,xΑ

个参数被同时记录下来,并按一定的格式存储在CAMAC控制器的缓冲区中。

即能量损失∃E信号、丝地址信号、能量E信号、脉冲形状分辨PSD信号和带电粒子从外层丝到中心探测器的飞行时间TOF信号。

由于5个参数到达

ADC的时间略有差别,采用峰保持器使五

参数同步地被记录在机箱控制器的缓冲区

中。

当缓冲区记满或采集完成时,数据自动

传输给计算机。

在线计算机能监控整个工

作系统,并能显示各丝的采集状况、直方图

和散点图等。

2　数据处理和结果

数据的离线分析过程由以下几步组

成。

第1步进行粒子鉴别,用PSD谱可以很

图1　二维E2∃E粒子分辨谱好地把Χ射线引起的计数从数据中删除。

由PSD、E和∃E3个谱可以组合成3个二　Fig.1　Two2dimensionalE2∃Espectrumof

identificationparticles维分辨谱,能有效地鉴别质子和Α粒子。

图

E、∃E均用道数表示1～3分别是E2∃E、E2PSD和∃E2PSD谱。

）反应Α粒子发射的能谱和角分布第3期　　叶邦角等:

测量天然镍（n,xΑ195

由图1可知:

在低能端E2∃E有较好的分辨,而在高能端由图2可知E2PSD谱有较好的分辨,3个二维谱的组合正好能有效地鉴别p和Α粒子。

第2步进行本底扣除,每个反应角都有对应的反应谱和本底谱,两者相减即可得到净能谱。

第3步进行厚靶谱的数据转换,过程类似于参

[14]考文献[7]中的过程,其中dΕdx采用J.F.Ziegler的结果,

16个反应角的双微分截面。

图4示出反应角为88.3成:

一是系统误差,它由各部分误差组成,

2;,取1Ρ值。

图2　二维E2PSD粒子分辨谱

Fig.2

　Two2dimensionalE2PSDspectrumof

identificationparticles

E、PSD均用道数表示图3　二维∃E2PSD粒子分辨谱Fig.3　Tw

o2dimensional∃E2PSDspectrumofidentificationparticlesPSD、∃E均用道数表示

）反应在88.3°图4　natNi（n,xΑ时的双微分截面

Fig.4　Double2differentialcrosssectionsofnat）reactionat88.3°Ni（n,xΑ

196原子能科学技术　　第33卷

由双微分截面可以得到角分布。

为了更清楚地显示角分布随出射Α粒子能量的变化,把数据分成3个能区:

3～7、7～11和11～15MeV（图5）。

图中的曲线是二阶勒让德函数拟合的结果。

由图可见:

随着出射Α粒子能量的增加,角分布前倾不十分明显,说明在此核反应过程中复合核反应占主导地位。

由双微分截面得到的角度积分Α图。

由图可见:

在低中能端,B2626。

作为比较,图中给出美国S1Gri

m[15]M.[,他们的结果略低于本结果,。

）反应的角分布图5　natNi（n,xΑ

Fig.5　Angulardistributionsof

nat

）反应的出射Α粒子能谱图6　natNi（n,xΑ

Fig.6　EnergyspectraofemittedΑparticlefrom

nat

）reactionN

i（n,xΑ）reactionNi（n,xΑ

●——7～11MeV;△——3～7MeV;▲——11～15MeV　

△——S.M.Grimes的结果;○——M.Baba的结果;●——本实验结果;实线——ENDFB26的评价结果

60nat

）反应的评价结果。

表作为比较,表2列出了世界几个主要评价库对58Ni、Ni和Ni（n,xΑ[17]

中还给出了S.Grimes、各实验数据及其相互M.Baba和R.Fischer的实验结果。

各评价库、

之间都存在一些差异,这有待于更精确的测量予以澄清。

表1　natNi（n,xΑ）核反应角度积分截面

Table1　Theangle-integratedcrosssectionsof

ΕMeVΑ

4.0～5.05.0～6.06.0～7.07.0～8.08.0～9.09.0～10.0

1027

cm2・MeV-dΕ

1.89±0.344.34±0.8710.24±1.3416.46±2.7122.09±3.4216.96±2.47

1

nat

Ni（n,xΑ）reaction

1027

cm2・MeV-dΕ

12.82±1.347.96±0.874.60±0.562.87±0.481.86±0.270.36±0.09

1

ΕMeVΑ

10.0～11.011.0～12.012.0～13.013.0～14.014.0～15.015.0～16.0

）反应Α粒子发射的能谱和角分布第3期　　叶邦角等:

测量天然镍（n,xΑ197

表2　Α粒子发射总截面比较

Table2　ComparisonoftheΑparticleemissioncrosssections

评价库或　测量组　

ENDFB26JENDL23BROND22CENDL22S.GrimesM.BabaR.Fischer

69±3

102±8

76±12

58

1027Ρcm2

）Ni（n,xΑ113.12102.98161.87

60

）Ni（n,xΑ68.9571.3259.61

）Ni（n,xΑ47.9039..23

62

）Ni（n,xΑ1800.64

）Ni（n,xΑ5.534.78

nat

）Ni（n,xΑ96.5290.11

127.40121.0397±1685±9

本工作

本工作是在中国核数据中心的支持下完成的。

作者特别感谢日本东北大学的M.Baba教

授提供他们的和美国S.Grimes的实验数据。

参　考　文　献

1　BabaM.StatusofNeutronInducedΑ2productionCrossSectionData.Procofthe1995SymposiumonNu2clearData.JAERI,Tokai,Japan.1995.104

2　VonachH,ChibaS,PashchenkoAB.ReportontheIAEACoordinatedResearchProgramon“Improve2mentsofMeasurements,TheoreticalComputationsandEvaluationsofNeutronInducedHeliumProduc2.ProcIntConfonNuclDataforSciTech.Gatlinburg.1994.925tionCrossSections”

3　Kokooo,MurataI,TakahashiA.DoubleDifferentialChargedParticleEmissionCrossSectionsofVana2.1996.24diumfor14.1MeVIncidentNeutron.1996SymposiumonNuclearData.JAERI,Tokai

）CrossSectionsofFe,Ni,4　BabaM,ItoN,MatsuyamaI,etal.MeasurementofDouble2differential（n,ΑCuand

50

.ProcIntConfonNuclearDataforSciTech.Gatlinburg.Crfor4.5-14.1MeVNe