测量天然镍nxα反应α粒子发射的能谱和角分布解析.docx

1、测量天然镍nx反应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,x)(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,x应发射粒子的双微分截面。使用多重二维粒子鉴别技术有效地鉴别了p、粒子和射线;使用厚靶技术提高了事件率、减少了统计误差。测量了从2415165的16个反应角,并由此得到了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

2、。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O571.434O571.435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,特别是粒子发射核数据的测量和评价工56nat58nat作,组织

3、了IAEA协调研究项目(CRP),主要目标是测量Fe、Fe、Ni和Ni等核的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,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2415165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射线。使用厚

4、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:199820322719493原子能科学技术第33卷8nat9nat1011Nb(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次进行粒子发射的双微分截面的测量,以获得粒子发射的能谱和角分布,并由此得到粒子的总发射截面。1实验12。外32损失信号,每1根阳极丝对应于

5、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粒子。器用厚为20cm的铁屏蔽,天然镍靶的尺寸为0.5mm40mm289mm,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粒子产生

6、截面(110-27cm2)。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3109s-1的中子场中辐照大约120h。中子通量由伴随粒子法测量。多丝室内用于本底测量的1个室中装有弱241Am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,x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

7、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E2E粒子分辨谱好地把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.1Two2dimensionalE2Espectrumofidentificationparticles维分辨谱,能有效地鉴别质子和粒子。图E、E均用

8、道数表示13分别是E2E、E2PSD和E2PSD谱。)反应粒子发射的能谱和角分布第3期叶邦角等:测量天然镍(n,x195由图1可知:在低能端E2E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d dx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1值。图2二维E2PSD粒子分辨谱Fig.2Two2dimensio

9、nalE2PSDspectrumofidentificationparticlesE、PSD均用道数表示图3二维E2PSD粒子分辨谱Fig.3Two2dimensionalE2PSDspectrumofidentificationparticlesPSD、E均用道数表示)反应在88.3图4natNi(n,x时的双微分截面Fig.4Double2differentialcrosssectionsofnat)reactionat88.3Ni(n,x196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粒子能量的变化,把数据分成3个能区:37、711和1115MeV(图

10、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图。由图可见:在低中能端,B2626。作为比较,图中给出美国S1Grim15M.,他们的结果略低于本结果,。)反应的角分布图5natNi(n,xFig.5Angulardistributionsofnat)反应的出射粒子能谱图6natNi(n,xFig.6Energyspectraofemittedparticlefromnat)reactionNi(n,x)reactionNi(n,x711MeV;37MeV;1115MeVS

11、.M.Grimes的结果;M.Baba的结果;本实验结果;实线ENDF B26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,x17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1natNi(n,x)核反应角度积分截面Table1Theangle-integratedcrosssectionsofMeV4.05.05.06.06.07.07.08.08.09.09.010.01027cm2MeV-d1.890.344.340.871

12、0.241.3416.462.7122.093.4216.962.471natNi(n,x)reaction1027cm2MeV-d12.821.347.960.874.600.562.870.481.860.270.360.091MeV10.011.011.012.012.013.013.014.014.015.015.016.0)反应粒子发射的能谱和角分布第3期叶邦角等:测量天然镍(n,x197表2粒子发射总截面比较Table2Comparisonoftheparticleemissioncrosssections评价库或测量组ENDF B26JENDL23BROND22CENDL22S.

13、GrimesM.BabaR.Fischer69310287612581027 cm2)Ni(n,x113.12102.98161.8760)Ni(n,x68.9571.3259.61)Ni(n,x47.9039.2362)Ni(n,x1800.64)Ni(n,x5.534.78nat)Ni(n,x96.5290.11127.40121.039716859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1BabaM.StatusofNeutronInduced2productionCrossSection

14、Data.Procofthe1995SymposiumonNu2clearData.JAERI,Tokai,Japan.1995.1042VonachH,ChibaS,PashchenkoAB.ReportontheIAEACoordinatedResearchProgramon“Improve2mentsofMeasurements,TheoreticalComputationsandEvaluationsofNeutronInducedHeliumProduc2.ProcIntConfonNuclDataforSciTech.Gatlinburg.1994.925tionCrossSect

15、ions”3Kokooo,MurataI,TakahashiA.DoubleDifferentialChargedParticleEmissionCrossSectionsofVana2.1996.24diumfor14.1MeVIncidentNeutron.1996SymposiumonNuclearData.JAERI,Tokai)CrossSectionsofFe,Ni,4BabaM,ItoN,MatsuyamaI,etal.MeasurementofDouble2differential(n,Cuand50.ProcIntConfonNuclearDataforSciTech.Gatlinburg.Crfor4.5-14.1MeVNe