235U裂变碎片在PIN探测器中沉积能量的实验研究

王立宗 朱学彬 杨建伦 张建华 冯璟华 李波均 杨高照

（中国工程物理研究院 核物理与化学研究所 绵阳 621900）

235U裂变碎片在PIN探测器中沉积能量的实验研究

王立宗 朱学彬 杨建伦 张建华 冯璟华 李波均 杨高照

（中国工程物理研究院 核物理与化学研究所 绵阳 621900）

利用中子与235U发生裂变反应的截面在裂变中子能区基本不变这一特点，可设计研制裂变靶室探测系统，该系统中子能量响应较平坦，在脉冲中子总数测量中有广阔的应用前景。利用K-400加速器稳态DT中子源，实验标定了235U裂变碎片在PIN探测器中的平均沉积能量，并与理论计算结果进行了比较。裂变靶室系统探测效率可通过数值计算准确给出，与平均沉积能量实验测量值相结合，可得到准确的中子灵敏度数据，进而获得裂变靶室探测系统中子能量响应曲线。

裂变碎片，裂变靶室，PIN探测器，沉积能量

利用中子与235U发生裂变反应的截面在裂变中子能区基本不变这一特点，可设计研制裂变靶室探测系统，该系统中子能量响应较平坦[1-3]，在脉冲中子总数测量中有广阔的应用前景。对裂变靶室探测系统中子能量响应的研究需采用理论计算结合实验标定的方法。

裂变靶室系统的中子灵敏度与裂变碎片在探测器中的沉积能量等因素有关[4]。235U裂变碎片在PIN探测器中的平均沉积能量可利用加速器稳态中子源进行实验研究，利用多道谱仪记录PIN探测器中的裂变碎片能谱，分析计算裂变碎片在探测器灵敏层中的平均沉积能量，并与数值计算的探测效率相结合，可以获得裂变靶室探测系统的中子灵敏度能量响应。

1 实验原理和方法

加速器DT中子源产生的稳态中子经过前端中子准直器后，照射在真空靶室内的235U裂变靶上发生裂变反应，飞出235U裂变靶的裂变碎片在PIN探测器灵敏体积内电离损失能量，产生电子-空穴对并被收集，输出电荷信号。信号通过前置放大器、主放大器后进入多道分析器并被记录。

根据测出的裂变碎片能谱由多道能量刻度结果，计算平均沉积能量

式中，Edep为裂变碎片在PIN探测器灵敏层内的平均沉积能量，MeV；Ni为多道分析器第i道的计数；Ei为第i道对应的碎片能量，MeV。

2 实验系统

实验系统由中子准直屏蔽系统、裂变靶室探测系统及多道记录系统组成。

2.1 中子准直屏蔽系统

裂变靶室前设计方形中子准直器，内径ø35mm，材料为铁，长度10 cm。

中子屏蔽系统的设计基于MCNP程序对裂变靶室探测器处散射本底水平的模拟计算结果，在散射本底贡献较大的方向设计使用更多的屏蔽材料。中子屏蔽系统与裂变靶室主体紧密配合，将裂变靶室系统包围，外层材料为含硼聚乙烯，内层材料为铅。计算结果表明，探测器处信号与本底粒子的贡献在10:1以上。在裂变靶室实验标定中，由于裂变碎片能量较高，达到几十MeV，在记录的多道谱中与散射本底粒子可明显区分，因此屏蔽系统的设计可满足实验测量要求。

2.2 中子裂变靶室

裂变靶和探测器都位于真空中子裂变靶室内，支管里探测器灵敏面到裂变靶中心距离为150 mm。235U裂变靶在入射中子作用下产生裂变反应，每次裂变的两个裂变碎片向相反的方向运动，可假设各向同性分布。飞出裂变靶的裂变碎片在PIN探测器灵敏体积内电离损失能量，同时产生电子-空穴对被收集并输出脉冲电流信号，由传输电缆传输到记录系统进行记录。

235U裂变靶，材料为U3O8，活性区直径为ø20mm，厚度为340 μg·cm-2，靶片用两根垂直交叉的金丝固定。裂变靶室实验标定示意图见图1。

图1 裂变靶室实验标定示意图Fig.1 Experimental calibration sketch of fission target chamber.

2.3 多道记录系统

多道谱仪记录系统包括前置放大器、主放大器、多道分析器以及计算机数据采集系统。

3 实验研究

3.1 PIN死层厚度测量

中国工程物理研究院电子工程研究所研制的PIN电流型半导体探测器作为裂变碎片探测器，实验用PIN灵敏直径为ø30mm，灵敏层厚度为(300±15) μm，前死层厚度小于1 μm。PIN探测器的前死层厚度对裂变碎片的沉积能量有影响，裂变碎片平均沉积能量随PIN死层厚度变化的计算结果如图2所示。

图2 碎片沉积能量随死层厚度变化关系Fig.2 Relation between average deposit energy and dead-layer thickness.

实验前测量了PIN探测器的前死层厚度，死层的测量原理如图3所示。利用226Ra源发射的几种能量α粒子以不同的入射角从探测器表面进入探测器，通过记录不同的能量损失而得到。实验利用α粒子垂直入射及以60°角入射到PIN探测器情况下，多道系统记录的峰位道数差获得探测器前死层厚度。直径ø30 mm PIN探测器死层厚度测量结果见表1。

图3 PIN前死层测量原理图Fig.3 Measurement principle sketch of PIN dead-layer thickness.

3.2 多道能量刻度

实验前需要对多道谱仪系统进行能量刻度，系统保持标定时的状态参数，利用226Ra源产生的四种能量α粒子，能量分别为4.7845 MeV、5.4897MeV、6.0026 MeV和7.6871 MeV，对多道谱仪进行刻度，建立道数与对应能量的关系。图4给出了多道谱仪系统的能量刻度结果，可以看出系统在刻度能区有较好的线性。

设多道分析器峰位道数i与对应能量Ei的关系如下：式中，i为多道分析器的道数；Ei为第i道对应的能量，MeV；G为每道对应的能量间隔，MeV；E0为0道所对应的能量，MeV。

通过线性拟合获得能量Ei与对应道数i的关系如下：

图4 多道系统能量刻度结果(a) 226Ra源α粒子多道谱，(b) 能量线性刻度结果Fig.4 Energy calibration of multi-channel analyzer system.(a) Measured alpha spectrum from 226Ra source, (b) Linear calibration of energy

表1 PIN死层厚度测量结果Table 1 Experimental data of PIN dead-layer thickness.

3.3 实验布局

实验布局见图5。准直器和靶室主体通过激光对心，确保裂变靶位于准直后的中子辐射通道上。

图5 实验系统布局Fig.5 Experimental measurement layout.

3.4 裂变碎片能谱测量

多道系统能量刻度后，安装235U裂变靶和PIN探测器，完成中子准直屏蔽系统的安装，对靶室系统抽真空，靶室内部为动态真空，实验测量期间靶室内部真空度保持好于10-2Pa水平。

实验系统各部分工作正常后，运行加速器，开始记录裂变碎片能谱。由于受加速器中子源强所限，探测器记录的裂变碎片计数率较低，实验采用长时间分段记录裂变碎片谱相加的方式进行测量，实验总计测量时间为19 h，分别获得了裂变碎片谱和本底粒子谱(图6)。

将图6中实测裂变碎片谱及本底粒子谱中电子学噪声贡献扣除，然后两个能谱相减，根据多道系统能量刻度结果，获得裂变碎片能谱(图7)。

图6 实验测量的裂变碎片谱及本底谱(a) 裂变碎片谱，(b) 本底粒子谱Fig.6 Fission fragment spectrum and background spectrum measured by PIN detector. (a) Measured fission fragment spectrum, (b) Background particle spectrum

图7 处理后的裂变碎片能谱Fig.7 Experimental results of fission fragment kinetic energy spectrum after background is subtracted.

4 测量结果与比较

4.1 裂变碎片平均沉积能量实验结果

多道系统记录的裂变碎片能谱经处理可得到平均沉积能量。把式(2)代入式(1)得：

定义：

则：

数据处理时，在整个多道谱中截取裂变碎片能谱部分，求出i后，代入式(6)即可求出相应的裂变碎片平均沉积能量。计算获得裂变碎片平均沉积能量为47.05 MeV。

4.2 裂变碎片能谱及平均沉积能量计算

利用MC抽样方法结合带电粒子输运程序TRIM计算上述裂变靶室结构条件下，探测器记录的裂变碎片能谱如图8所示。

图8 裂变碎片能谱计算结果Fig.8 Calculated kinetic energy spectrum of fission fragment.

文献[5]中提出了一种计算裂变碎片平均沉积能量的方法：

式中，ρs为裂变靶面密度，mg·cm-2；d 为PIN探测器死层厚度，μm；A为复合核质量，z2/A1/3一般取1370。

实验条件下靶面密度340 μg·cm-2，PIN死层测量结果为0.34 μm。平均沉积能量计算结果为67.61MeV。

4.3 实验与计算结果比较

由于加速器中子源强较低，探测器记录的裂变碎片计数率较低，采用单粒子计谱方法实验测量裂变碎片沉积能量所需时间较长，因此实验仅标定了一种质量厚度235U裂变靶条件下碎片平均沉积能量。表2列出了上述裂变靶室结构条件下，裂变碎片平均沉积能量实验与计算结果的比较。

表2 实验与计算结果比较Table 2 Comparison between experimental and theoretical results.

裂变碎片平均沉积能量实验结果与理论计算相比低约30%，存在差异的原因主要由于裂变碎片在PIN探测器灵敏层中的电离损失密度大，存在“脉冲幅度亏损”现象的影响。另外还包括靶厚测量误差、靶厚不均匀性、PIN死层厚度测量误差、死层厚度不均匀性、多道分析系统在高能区的非线性等因素带来的影响。

由于裂变靶室系统可通过数值计算给出准确的探测效率，与平均沉积能量实验标定值相结合，可得到准确的中子灵敏度。裂变靶室中子能响可通过程序计算，在特定能量点由实验结果校正，获得系统中子能响曲线(图9)。

图9 裂变靶室中子能响曲线Fig.9 Neutron energy response curve of fission target chamber.

5 结语

利用K-400加速器稳态DT中子源，通过单粒子计数的方法实验测量了裂变靶室系统235U裂变碎片在PIN探测器中的平均沉积能量，并与理论计算结果进行了比较。实测结果与计算结果相比低约30%，存在差异的原因在于“脉冲幅度亏损”现象的影响以及靶厚、PIN死层厚度测量误差、不均匀性、多道分析系统在高能区的非线性等因素的影响。

裂变靶室系统探测效率可通过数值计算准确给出，与平均沉积能量实验测量值相结合，可得到准确的中子灵敏度。裂变靶室中子能响曲线可通过理论计算，在特定能量点由平均沉积能量实验结果校正获得，处理结果可为裂变靶室结构设计提供理论和实验依据。

1 欧阳晓平, 李真富, 王群书, 等. 狭缝式高灵敏裂变中子探测系统[J]. 物理学报, 2005, 54(10): 4643-4647 OUYANG Xiaoping, LI Zhenfu, WANG Qunshu, et al. A high sensitive fission neutron detector system with a lead slot collimator[J]. Acta Physica Sinica, 2005, 54(10): 4643-4647

2 张小东, 张显鹏, 李宏云, 等. 狭缝式裂变探测系统的中子灵敏度解析计算方法[J]. 强激光与粒子束, 2011, 23(2): 559-562 ZHANG Xiaodong, ZHANG Xianpeng, LI Hongyun, et al. Analytical calculation of neutron sensitivity of fission detector system with slot collimator[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2011, 23(2): 559-562

3 马彦良, 欧阳晓平, 王群书, 等. 狭缝式脉冲裂变中子靶室对γ的抑制能力[J]. 核技术, 2005, 28(8): 617-620 MA Yanliang, OUYANG Xiaoping, WANG Qunshu, et al. A study of γ suppression ability for a slot-collimated PIN fission chamber[J]. Nuclear Techniques, 2005, 28(8): 617-620

4 欧阳晓平. 低强度脉冲裂变中子探测技术研究[D]. 博士学位论文, 复旦大学, 2002 OUYANG Xiaoping. Studies on the detection of pulsed ission neutrons from low-intensity radiation sources[D]. PhD Thesis, Fudan University, 2002

5 Brown W K, Seeger P A, Silbert M G. Neutron flux determination in time-of-flight cross-section measurements using underground nuclear explosions. LA-4095, UC-34, Physics TID-4500

CLCTL816.3

Experimental research of235U fission fragment deposit energy in PIN detector

WANG Lizong ZHU Xuebin YANG Jianlun ZHANG Jianhua FENG Jinghua LI Bojun YANG Gaozhao
(Institute of Nuclear Physics and Chemistry, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

Background:Because235U fission cross-section with neutrons remains almost constant in the fission neutron energy region, the neutron-induced fission fragments detection system with flat neutron energy response will be widely used in pulsed fission neutron yield measurement.Purpose:The neutron-induced fission target chamber detection system consisting of235U target and PIN detector is designed and investigated experimentally.Methods:The fission fragment energy spectrum and average energy deposited in the PIN detector are calculated by Monte Carlo simulation coupling with TRIM2000. Average deposit energy of235U fission fragment in PIN detector is measured by recording fragment energy spectrum at K-400 accelerator neutron source.ResultsThe experimental results are compared with theoretical calculation. The calculated average deposited energy is in fact over-estimated because of pulse height defect of fission fragments in PIN detector. With the calculated neutron detecting efficiency and the calibrated average effective deposited energy available, the neutron sensitivity can be determined, and neutron energy response curve of fission target chamber detection system can be obtained.Conclusion:The present results can furnish theoretical and experimental indication for design of fission target chamber detection system.

Fission fragment, Fission target chamber, PIN detector, Deposit energy

TL816.3

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.110403

王立宗，男，1980年出生，2004年于中国工程物理研究院获硕士学位，研究领域为粒子探测技术

2014-07-04，

2014-09-12