中子核作用截面的实验测量DOC.docx

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中子核作用截面的实验测量DOC

中子—核作用截面的实验测量

一、核数据库

1.1核数据库介绍

核数据是不可缺少的重要科学数据，在基础科研、国防建设、国民经济的很多方面发挥着越来越重要的作用。

目前国际上许多核国家都十分重视核数据的测量和评价工作。

经过几十年的艰苦努力，相继建立起并不断完善的核数据库。

核数据库可以分为两大类，一类是核与其他核或射线发生相互作用的数据，称作核反应数据；第二类是单个核的性质的数据，称作核结构和放射性衰变数据。

对于中子核数据是核反应数据的一部分，此外光核反应数据、带电粒子反应数据都是核反应数据。

1.2核数据库应用领域

早期核数据的运用主要在核反应装置的应用方面。

随着科技的发展，对核数据运用领域也在不断扩大，于此同时对核数据的全面以及精度要求越来越高。

目前其运用的领域主要有：

（1）裂变、聚变反应堆设计；

（2）加速器设计；

（3）辐射防护设计；

（4）核医学；

（5）地质探测；

（6）环境监测；

（7）核天体研究等等。

对于反应堆设计而言，可以通过中子评价核数据来对设计的反应堆的某些参数进行模拟计算，如有效增值系数、相对功率分布等量，通过最终的模拟计算结果来衡量设计的合适与否，在此基础上进行一定的优化，最终实现各方面综合最优化。

1.3核数据获取方法

核数据获取方法主要有两种：

实验测量法和理论计算法。

实验法是目前核数据的主要来源，通过实验测量具有一定的客观性，但是实验测量方法存在各种问题：

（1）核数据数据量大，实验工作量大；

（2）实验费用过高；（3）有许多实验要求苛刻无法完成。

因为实验方法存在一定的问题，所以主要的数据由实验来完成，次要的由理论计算完成。

现如今计算机的发展已经可以满足一些模拟计算的需求，通过计算机可以省时、经济的完成一些数据的获取。

两种方法之间，实验为主，理论计算为辅。

实验方法离不开理论计算，理论计算可以填补一些目前实验存在的空白，还可以指导实验数据的选取和评价。

对模拟计算方法而言，其输入的数据必须是已经成熟的核数据，而这些数据来源于实验的测量，所以两者缺一不可。

1.4评价核数据库

1.4.1评价数据库介绍

实验测量与模拟计算都需要借助于已有的核数据，而这些已有的数据之间存在着一定的差别，如何更好的集中统一以及正确利用这些数据，则形成了评价核数据库。

核数据库就是由核物理专家通过大量的编纂（收集、整理、鉴定、理论处理等）和评价（分析、比较、鉴定和理论处理等）工作，甚至还需要通过一系列的积分实验与理论计算得到的结果进行比较来检验这些数据的可靠性、自洽性与精确性，最后得到全套的数据存入库中以方便用户使用。

1.4.2国际几大核数据中心

自上世纪60年代以来，国际上先处理的4个核数据中心，并建立和发展了各自的评价评价数据库，这四个分别是：

国际原子能机构的核数据科（IAEA-NDS）、美国国家核数据中心（NNDC）、欧共体核能数据中心（OECD）、俄罗斯核数据中心（CJD）。

继而，日、德、中国等国相继建立了自己的评价数据库。

表1.1国际主要评价中子数据库

核数据中心

中子评价数据库

最新更新时间

IAEA-NDS

FENDL/E-2.0

2014

中国CNDC

CENDL-3.1

2009

欧洲OECD

JEFF-3.2

2014

美国NNDC

ENDF/B-VII.1

2013

日本JANDC

JENDL-4.0

2012

俄罗斯CJD

BROND-2.2

2010

1.5核数据的获取

核数据的获取一般主要有以下几种：

第一，查有关的核数据手册，通常各大评价数据库都会出版评价数据册，方便用户查询；第二，查询相关的期刊，国际上一些著名的期刊或者国际会议文集会收录最新的核数据；第三，借助互联网进行检索，大部分评价数据库都有自己专门的网站，在这些网站不仅可以检索到自身的数据库，还能获取其他核数据库的数据。

主要的评价数据库所对应的网址分别如表1.2。

表1.2主要评价核数据库对应的网址

核数据中心

网址

IAEA-NDS

https:

//www-nds.iaea.org/

美国NNDC

http:

//www.nndc.bnl.gov/

欧洲OECD

https:

//www.oecd-nea.org/

俄罗斯CJD

http:

//www.ippe.obninsk.ru/

二、中子—核作用截面的实验方法

2.1透射法

透射法就是通过直接测量入射粒子经过一定厚度的靶后的透射粒子的数目来计算中子与核作用的反应截面。

2.1.1方法原理

当一束强度为的中子打在厚度为t的样品上，样品中单位体积的核数目为N。

因为中子与样品发生核反应和弹性散射，造成中子在束流方向上强度衰减，衰减的程度直接与中子的截面有关。

如图2.1，假设在样品厚度为处的，中子束的强度为，在处中子束的强度变为,所以应该正比于处，中子束的强度为和单位面积上的样品核数目，可以写成：

（2-1）

上式，就是中子与样品靶核作用的全截面。

经过厚度t的样品后的中子强度与初始中子的强度之比可以定义为透射率，可以将公式2-1进行积分，得：

（2-2）

从而可以得到总截面为：

（2-3）

由此，可以在已知的样品的厚度和样品中单位体积的核数目，用中子探测器在有样品和无样品两种情况下对中子束进行测量，来得到透射率，从而可以得到全截面的数值。

图2.1中子束通过样品衰减示意图

2.1.2实验条件

图2.2是利用全透射法测量全截面的典型几何。

在试验中，对中子源，样品和探测器的大小都有一定的要求。

在中子源方面，要求中子束的强度具有稳定性，而且要就具有合适的入射中子的能量范围。

原始的通过低能加速器来测量，但是加速器状态相对稳定性较差，而且需要不断调整中子的能量。

但随着其他加速器的发展，使得产生白光源具有最佳的应用价值。

在样品的大小和位置的选择上，使得探测器的不能直接检测到没有通过样品的中子，即为“好几何”条件，在此种情况下中子源与样品距离和样品与探测器距离的关系如下：

（2-4）

图2.2全截面测量的实验几何

2.1.3实验修正

在实际的实验过程中存在着大量因素，影响着结果的准确性。

对一些主要的影响因素需要对其进行适当的修正。

主要需要修正的因素以及修正方法如下：

1）本底

对于绝大部分实验，都存在着环境本底。

在探测器周围中或多或少的存在一些的不是来自中子束的中子，这些中子会严重影响中子的准确性，所以减小环境本底的影响是必要的。

目前普遍采用的降低环境本底的方法是：

选择中子截面大的材料做成一个锥体，放在中子源与探测器之间，锥体的长度要使得中子束通过锥体的透射率为零。

关于摆放位置遵守的原则是中子源、样品和探测器同轴，且样品阴影正好遮住探测器的前端面。

这样下，探测器探测到的仅是来自周围环境物质中散射的中子，用表示本底计数率，那么实验测量到的透射率为：

（2-5）

2）内散射

探测器探测到的中子来自两个部分，一是透射的中子，主要的；二是源中子与样品核发生弹性碰撞并在零度角附近散射的中子，影响了中子透射率。

而在实验上无法将散射出的中子区分开来，只能通过估算来修正，则内散射的中子强度为：

（2-6）

上式中，：

中子源在样品方向的单位时间单位立体角内发射的中子数；

：

弹性散射在零度角附近的微分截面；

:

样品中单位体积内的核数目；

：

样品暴露在源中子的面积；

上式假设的是样品中不存在多次散射的可能，就可以通过该式来估算内散射的影响。

3）多普勒效应

靶核的热运动随着温度的增加而增强，所以共振峰的宽度将随着温度的上升而增加，同时峰值截面也逐渐减小，这种现象叫做多普勒效应。

虽然温度的变化，共振截面峰值虽然发生变化，但是曲线下面的面积却与温度无关。

但是这不是意味着共振吸收的中子数与介质温度无关。

因为被共振吸收的中子数一方面取决于吸收截面的大小，另一方面，还与中子通量密度能谱分布有关，而当温度发生变化时中子通量密度的能谱也发生变化。

所以在中子截面测量的过程中，需要保持温度的稳定性。

通过以上的修正可以很好的降低误差，当然也存在一些其他因素，如共振自屏蔽效应等。

将修正的数值带入式2-3中，可以得到修正后的全截面为：

（2-7）

2.1.4运用范围

在透射法中不需要考虑中子与样品发生的核反应，主要测量透过样品后的中子数，所以该种方法只能运用在中子与核反应的总截面的测量上。

这种方法的优点是不需要绝对测量中子的注量率，因而不需要绝对的去刻度探测器效率，仅需要测量注量率的比值，所以测量精度比较高。

目前该种方法技术比较成熟，绝大部分的全截面数据都是通过该种方法来测量的。

2.2飞行时间法

2.2.1方法原理

目前没有一种方法，可以直接测量中子的能量，但是可以通过测量中子的速度来解决这个问题。

中子速度是通过测量中子穿过一定的距离所需要的时间来得到的，中子能量为：

（2-8）

则：

（2-9）

如果中子能量在30Mev以下，则可以忽略相对论影响，而中子的质量是一定的，可以直接测量出来，那么最终可以化简为：

（2-10）

2.2.2实验条件

要想获得中子的飞行时间，需要精确的测量中子的起飞时间和到达时间，到达时间可以中子探测器直接给出，起飞时间的确定方法有：

伴随粒子法、加速器脉冲调制法、双闪烁体法等。

伴随粒子法是指随着中子的产生，在过程中伴随着产生一些带电粒子或者γ射线，可以通过相对应的探测器来进行监测。

2.2.3实验影响因素

实验存在的各种影响因素很多，如环境本底、角分辨、样品的几何大小、刻度等，在这里将不具体分析。

在飞行时间法测量中子能量的时候，能量分辨率是飞行时间谱仪的重要衡量指标，在这里能量分辨率由以下公式给出：

（2-11）

由上式可以看出，能量的不确定想来自三方面：

一是飞行距离的不确定，它是由中子源和探测器在中子飞行路径上的长度贡献的；二是中子飞行时间的不确定性，它是来自于脉冲束宽度和探测器、电子学系统定时带来的不确定性；第三项是产生中子源反应的带电粒子的能量不确定以及靶厚和中子初射角带给中子的能量分散，所以综合起来，在实验过程中要尽量降低三方面的不确定性，这样才能更好的保障飞行时间谱仪的能量分辨率。

2.2.4运用范围

微分截面是指单位时间内入射到某立体角内的粒子数，它包括弹性散射和非弹性散射和角分布，连续区中子能谱和角分布，它主要来自非弹性散射以及其他的出射中子的反应道。

测量微分截面的实质在于准确的测量出射中子的能量、角度和数目，其中关键的是能量，所以可以通过飞行时间法来测量中子的微分截面。

同样对于其他的测量中子能量的也可以适当选择飞行时间法。

2.3活化法

2.3.1方法原理

对于中子引起的反应的截面测量，可以利用探测器测量剩余核B的活度来给出B的数目，从而可以计算得到中子与样品发生核作用的截面，这种方法称为活化法，所测量的反应截面也可以称作活化截面。

2.3.2实验条件

实验的过程一般可以分为两步，首先将制成的样品放在所需测量的中子场中辐照，然后测量其产物核的活度。

在这个过程中，活化截面的测量归结于中子注量的精确测量和产物核的绝对活度测量。

对于中子注量的测量可以利用绝对测量或相对测量，绝对测量法有金活化片法、裂变电离室法、对应的正比计数管法等，而相对测量方法主要是伴随粒子法。

对产物核的测量，目前高分辨率的高纯锗探测器在产物核的鉴别和特征活性测量的准确性方向都大大优于其他方法，所以，在这类实验中被广泛应用。

2.3.3实验修正

1）与样品大小相关的修正

样品的大小和厚度引起中子注量率在样品中衰减、多次反应所以要修正。

此项修正与样品、几何尺寸、中子能量有关，目前普遍采用的是M-C模拟计算修正。

同时还有就是γ射线在样品中自吸收问题，对于这个问题的修正方法是：

测量通过不同厚度的活性，绘制自吸收曲线，然后外推到零厚度得到此项修正系数。

2）与