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BNCT混合辐射场中子能谱测量

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对于热中子和快中子,能谱测量方法有很大的差异。快中子能谱的测量有4种方法:氢反冲法、核反应法、飞行时间法和阈探测器法。前面两种方法比较简单,应用得最多;飞行时间法的测量精确度最高,但是仪器设备比较复杂;阈探测器是最简单的,但只能作些粗略的测量。热中子能谱测量方法主要是飞行时间法和晶体衍射法。

氢反冲法

氢反冲法是利用中子和含氢物质的氢原子发生碰撞,反冲出来的氢原子核,即质子,它的能量和入射中子能量有关。即可以通过测量反冲质子能量,反推出中子的能量。

当中子源、辐射体和探测器的尺寸和它们之间的距离相比要小的多时,入射中子束可看作平行束,探测器接受到从辐射体来的反冲质子的反冲角都是ϕ。如果入射中子是单能的,探测器测到的反冲质子也将是单能的。然后根据公式,就可以算出中子能量。探测器对辐射体所张的立体角w希望尽量小些,以便计算中子能量时的不确定性小一些。但是探测器总是有一定尺寸,又考虑到要一定的计数率,立体角就不能取得很小。

 

图 1反冲的测量

在上图中的探测器位置上放上核乳胶,这是在早期常用的一种中子测量方法。这种方法,因为质子在射入乳胶前已有一部分能量消耗在辐射体中,能量分辨率较差,可测快中子能量的下限也高(0.9MeV以上),所以应用很少。

另一种方法是利用乳胶本身作为辐射体。这时要把乳胶片放置在沿中子束方向稍成倾角的位置上。由于不用外辐射体,周围物体大为减小,使得中子能谱畸变小,散射本底也较小。乳胶本身就是辐射体,所以反冲质子的记录效率也高。这种方法的测量范围为0.2~10MeV。对能量更高的质子,须要作各向异性的修正。对能量更低的中子,在乳胶中产生的反冲质子射程小于1.7μm,已很难测量了。

利用核乳胶测量无定向快中子能谱则友4π积分法和二面角法等。所谓4π积分法是测量所有反冲质子径迹的射程,由此得到的质子谱相当于中子的积分谱,对二面角作为测量反冲质子径迹的选择条件,避免了测量倾角较大的径迹,因而提高了能量分辨率和测量径迹的效率。

应用乳胶在中子能谱测量方面曾得到很多很有意义的结果,这类方法的最大缺点是工作繁重,得出的结果时间太长,所以正被其他探测器所替代。但是这种方法本身体积小,对中子场畸变小,测得的反冲质子径迹清晰,结果可靠,所以某些场合仍然有使用。

2 核反应法(6Li和3He谱

利用中子和6Li3He发生核反应,记录反应产物的能量从而算出中子能量。近年来,6LiI(Eu)闪烁体和6LiF夹心半导体探测器使用得较多。但是由于6Li(n,α)反应的Q值较大,而闪烁谱仪的分辨较差,所以利用6LiI(Eu)闪烁体只能测量MeV能区的中子。当中子通量很高时,使用6LiF夹心半导体中子谱仪。由于半导体探测器的分辨率高,故可测中子能量下限可达10KeV,并且有相当好的分辨率。

近年来,3He气体探测器使用得愈来愈多,开始时期,以圆柱型正比计数管作为中子能量测量。目前还有一种小型球形电离室,其灵敏度是各向同性的,并由于其体积小,可用于反应堆孔道作能谱测量。

3 飞行时间法

如果知道中子的速度v,就可以算出中子能量E,式中的m为中子质量。当中子能量在30MeV以下,不必引入相对论效应的修正,所以上述计算是很简单的。中子速度的测量可以从中子通过一段固定距离所需的时间的测量得出。这是,只要测出中子的飞行时间就可以得出中子的能量。

要测量飞行时间,必须记录中子从起点出发的时刻和到达飞行距离终点的时刻。后者是由放在路程终点处记录中子的探测器中出现脉冲来决定。起飞的时刻可由下面几种方法来确定:

 

  • 记录放在飞行距离起点处的有机闪烁计数器内中子的散射作用;
  • 伴随粒子法,把与中子同时产生的带电粒子给出的脉冲作起始信号;
  • 脉冲中子源,中子从源飞出的时刻用与中子出现时间相同步的电脉冲来标志。 

在慢中子能谱测量中只采用第三种方法,宽度大约为1μS的中子脉冲在核反应堆上用机械选择器产生,或是在回旋加速器和电子直线加速器上,用脉冲调制束流的方法来获得1μS左右的脉冲中子束。

对于快中子来说实际上三种方法都可以的。离我们您好有机闪烁计数器中产生反冲质子作起始信号的方法简单;但是散射效率太低,使用这种方法有所不便。伴随粒子法在用加速器作中子源时是经常使用的。

 

图 2伴随粒子法飞行时间谱仪原理

例如由T(d,n)4He反应获得中子时,在产生中子时必然伴随有4He,如图所示,入射粒子束打在靶上,产生中子,经过一定飞行距离s(几米)到达探测器1被记录,在探测器2记录在靶上作用打出中子时伴随产生的α粒子,经过延迟电路送到符合电路。调节延迟时间,当中子飞行时间和延迟时间相等时,符合电路才有输出计数。因此逐步改变延迟时间,就可以得到中子按飞行时间的分布。

脉冲束法是目前使用得最广泛的。这种方法只需要用一个探测器记录中子到达的时间。它既可以用于反应堆中子源,也可以用于加速器中子源。


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