裂变室在散裂中子源反角方向束流监视系统中的应用研究

王 琦 鲍 杰 侯 龙 阮锡超 苏晓斌 敬罕涛 李 强

1（中国原子能科学研究院 核数据重点实验室 北京 102413）

2（中国科学院高能物理研究所 北京 100049）

裂变室在散裂中子源反角方向束流监视系统中的应用研究

王 琦1鲍 杰1侯 龙1阮锡超1苏晓斌1敬罕涛2李 强2

1（中国原子能科学研究院 核数据重点实验室 北京 102413）

2（中国科学院高能物理研究所 北京 100049）

将235U与238U两种材料组成的裂变电离室作为散裂中子源反角方向束流监视系统应用的探测器，采用飞行时间方法可以高精度地测量束流的能谱。本文主要介绍整个系统的时间分辨精度对能量分辨的影响以及实际测量中的修正因素，时间分辨引起的能量分辨与能量的3/2幂成正比，能量分辨引起与标准截面的能量差异的修正小于0.1%，实验结果表明该项裂变电离室的设计能满足散裂反角中子能谱测量的要求。

时间分辨，中子能谱，裂变室

散裂中子源(China Spallation Neutron Source, CSNS)是我国正在建设的重大科研装置，在该装置上可以开展多项与中子物理相关的科学研究。为实时监视加速器工作状态，并且为中子核数据的精确测量提供归一因子，我们采用了多种设计方案。其中，裂变电离室具有对γ本底不灵敏、耐辐照稳定性较好等特点，可以优先作为束流监视探测器。本文主要介绍裂变电离室在散裂中子源束流反角方向监视系统中的应用研究。

1 裂变电离室结构设计

散裂中子源利用1.6 GeV脉冲频率25 Hz的质子束流轰击钨靶产生大量中子，其特点是中子能量分布广，从超冷中子（10−7eV以下）直到GeV能区，且强度高。钨靶采用片状结构，包括水冷层、靶和不锈钢包裹层，尺寸为6 cm(w)×16 cm(h)× 60cm(l)。水平钨靶的上方和下方放置3个慢化体，外反射层是Be，放置在316L不锈钢容器内。用FLUKA程序模拟得到散裂中子源反角方向距离靶头55 m与80m的能谱（双对数坐标），见图1。模拟中使用均匀束流分布，钨靶上束流目标区的尺寸为4 cm(w)×16 cm(h)。由模拟结果得到反角方向中子束流不同能量间隔中子的比例，0.53 (1 eV−1MeV)、0.4 (1−20MeV)、0.05 (20−200 MeV)。

裂变室结构如图2所示。为提高强度，裂变室外壳采用0.1 mm钛合金，235U和238U电沉积在0.1mm厚、直径60 mm的白金底衬上，收集极采用0.1 mm厚、直径60 mm的铜片，充一个大气压(99.99%)的CH4。需说明的是源中子的束流经过的准直孔直径标准有两种，分别为30 mm、60mm。为了确定235U和238U的量，因此靶片活性区镀层的面积比束流面积小一些，镀层的活性区直径为26mm。靶片与电极边缘打孔，套在4根有机玻璃柱上，玻璃柱的直径为4 mm，与裂变室外壳通过小螺丝固定，极板间用聚四氟乙烯垫圈间隔，极板间的距离可以由几种不同的垫圈厚度调节，信号极通过lemmon头接前置放大器，并通过前置放大器对信号极加正电压。裂变室初步采用流气式设计，待测试合格后采用密闭式工作方式。

图1 55 m、80 m处中子能谱Fig.1 Neutron spectrum in 55 m, 80 m position.

图2 裂变室结构Fig.2 Structure of fission chamber.

束流监视探测器采用裂变电离室装配235U与238U靶片，国际原子能机构IAEA推荐的235U、238U标准截面其特点和适用能区在表1[1]中给出。

表1 235U、238U截面特点和能区Table 1 Feature of 235U, 238U cross section and energy range.

2 测量原理

n-TOF中子飞行时间法测得中子的飞行时间谱φ(t)，要求出中子能谱还需知道裂变室的探测效率ε(E)，这里的探测效率ε(E)与裂变室靶片的裂变截面σ(Ei)、单位面积靶核数N和裂变碎片的探测效率εf有关。

中子的能谱φ(E)可表示为：

ENDF/B-VI提供的裂变截面值σ(Ei)是一些非连续能点上的截面值，我们把这些非连续能点截面值拟合给出连续截面谱，根据式(2)可求出中子能谱k与飞行距离有关的常数。

3 测量方案

如图3所示，在1#厅的准直孔处放置氟化钡探测器，裂变电离室放置于2#厅中子捕集器前，距离靶头的距离80 m处，裂变室放置于直径30 mm真空管道的末端，裂变室235U靶片的电极在前面，正对着真空管道末端的壁。实验电子学如图4所示，对中子不灵敏的BaF2探测器探测散裂反应发出的γ信号，作为飞行时间的起始信号送入TDC。TDC采用CAEN的V767B，时间分辨0.8 ns，测量时间范围800 μs，通过在一路输入周期为300 μs的信号可以甄别40 ms范围的信号并且没有死时间，这样就可以测量到热中子能量范围的信号。

图3 裂变室的位置Fig.3 Location of the fission chamber.

裂变电离室在中子束流中产生两种信号，一个是235U和238U自发衰变的α信号，另一个是裂变脉冲信号，通过仔细的选择CFD (Constant Fraction Discriminator)恒比定时的阈值，从而甄别α信号和裂变信号，将裂变信号输入TDC (Time to Digital Converter)，另一路信号送入ADC (Analog to Digital Converter)数据获取进行数据存储。获取系统采用VME (VersaModule Eurocard)标准，由专用的获取软件可实时分析监测数据。

散裂中子源反角方向的中子束流是脉冲化束流，加速器能提供能量1.6 GeV、脉冲频率25 Hz的质子束流，tps是质子加速器引出的到达信号时间，t0是质子打在钨靶上的时间，这个时间也是中子束流发生的时间，要比tps落后一点，散裂中子在产生和准直过程中会产生γ光子，这些γ光子按到达探测器的时间快慢可以分为两种：散裂反应过程产生的“快成份”γ射线和中子在铅靶和准直器材料中的俘获反应放出的“慢成份”γ射线。“快成份”英文称为“γ flash”，可精确的标定每个中子束流脉冲的起始时刻，tγ是“快成份”γ射线到达BaF2探测器的时间。实际测量中用镉片滤掉热能区以下的中子成份，因此每个脉冲束流到达裂变室的tstop≈37ms，保证了BaF2探测器与裂变室探测到的是同一个反应来的脉冲信号。中子飞行时间时序图如图5所示，“γ flash”信号tγ先进入BaF2探测器给出飞行时间的起始时刻，然后是各种能量的中子到达裂变室给出飞行时间的终止时刻，加速器的拾取信号给TDC开门。

图5 中子飞行时间时序图Fig.5 n-TOF commissioning time signals.

4 系统的时间分辨测量

如果能量E的单位为MeV，飞行距离的单位为m，飞行时间的单位是ns，可以计算出中子通过一段固定距离L所需要的时间t，有如下关系：

在不考虑源中子产生的能量分散的情况下，用飞行时间法测量中子能谱时，其能量相对分辨率由式(4)给出：

飞行距离L可以十分精确地确定，因此束流监视系统的能量分辨率主要取决于飞行时间t的不确定值Δt。

裂变室的时间分辨性能主要与极间距、裂变室所充气体以及电子学系统有关。为评估前期模拟和设计的结果，我们制作了一个极间距可调节的252Cf源裂变电离室，用该电离室与液闪探测器进行系统的符合分辨时间测量[2]，实验电子学见图6。

图6 飞行时间法的电子学框图Fig.6 Electronics for the n-TOF method.

用裂变室信号作为起始信号，BC501A探测器信号作为停止信号，调节裂变室的极间距为1 mm，所充气体CH4，测量中子与γ的飞行时间谱如图7所示。

图7 裂变信号做起始信号的中子与γ飞行时间谱Fig.7 Spectrum of n, γ-TOF as fission signal start.

图7 中左边加亮的峰为γ信号时间谱，其半高宽为779−940道占161道，该γ峰的半高宽主要由裂变电离室与液闪探测器的时间分辨决定，因此γ峰的半高宽能反映裂变电离室的定时精度。为排除由于液闪与裂变室计数率的差异影响，我们用液闪信号作为起始信号，裂变室信号延迟后接TAC (Time to Amplitude Converter)，测量中子飞行时间谱如图8。

γ峰半高宽为1504−1665道占161道，经时间刻度多道每一道的时间宽度为0.026 ns，从时间谱上读出的半高宽即时间分辨Δt=4.2 ns。

图8 中子信号为起始信号的中子与γ飞行时间谱Fig.8 Spectrum of n, γ-TOF as neutron signal start.

影响时间分辨的因素主要有：(1) 裂变电离室的分辨时间Δt1；(2) 液闪探测器的分辨时间Δt2；(3)电子学的分辨时间Δt3。

总的分辨时间：

在实际测量中我们用对γ时间响应更快的BaF2探测器代替液闪探测器，因此实际测量的时间分辨比现在测量的参数要好，由目前的实验结果推出系统的中子能量分辨：

考虑到将来用TDC代替TAC，对系统的时间分辨贡献也不会超过1 ns，因此该实验能反映出实际测量中时间分辨对能量分辨的影响。

5 各项修正

在裂变室实际测量中，需要考虑影响测量结果的因素[3]主要有：(1) 电子学死时间；(2) 由中子能量分辨引起的与标准截面能量的差异；(3) 裂变碎片在靶材料中的自吸收修正；(4) 中子在底衬材料、探测器外壳上的散射影响。

IAEA给出的235U(n,f)标准截面库[4]的能量为0.0253 eV−200 MeV，在1.0×10−5eV−2.25 keV可分辨共振能区是用SAMMY程序给出的评价值；在2.25−25 keV不可分辨共振能区，ENDF-B/VI给出的是一个评价平均参数，与IAEA的标准截面非常接近。由式(7)可以看出，中子的能量分辨与能量有关，能量越高能量分辨越差，在2.25−25 keV不可分辨能区，截面随能量变化显著，其能量分辨好于5.7 eV。ENDF-B/VI给出的评价值每800 eV变化小于1.4%，在能量分辨最差的高能点200 MeV的能量分辨为4.1 MeV。ENDF-B/VI给出的评价值为每8 MeV变化小于0.7%，整体分析由于系统的能量分辨引起的与标准截面能量差异的修正小于0.1%。

由于铀镀层有一定的厚度（现在用的标准样品约为350 μg·cm−2），所以对于飞行方向接近平行于靶面方向的碎片，将可能不能射出样品表面，我们称这种情况为裂变碎片在样品中的自吸收，需要做自吸收修正。修正采用公式：

式中，t为标准样品镀层的平均厚度；R为裂变碎片在镀层中的平均射程；σ为镀层厚度均匀性的标准偏差。为确定σ的大小，文献[5]测量了所用的标准样品厚度的均匀性在热中子束上用裂变室测量单位重量裂变物质的裂变率随标准样品厚度的变化，得到的斜率为(7±1)%/(mg·cm−2)，与均匀标准样品的斜率(6.7±5)%/(mg·cm−2)相近，因此可认为σ可以忽略。取R=(7.74±0.90) mg·cm−2，实验中所用的标准样品的厚度小于0.36 mg·cm−2，所以标准样品的修正系数F不超过1.0263，所引入的误差小于0.5%。

为说明裂变室的引入对束流的影响，用MCNP4C程序模拟了裂变室在束流方向前后两个面通量对比，输入中子能谱采用散裂源在80 m处的中子能谱，从模拟的结果(图9)可以看到，裂变室的引入对从几个keV到100 keV中子能量范围内的束流影响较为显著，探测器前后两个面中子束流下降了0.729%，其它能量范围的中子通量影响不超过0.1%。

图9 裂变室前后面中子束流对比Fig.9 Neutron flux comparison at fission chamber back and front.

6 结语

235U和238U作为中子转换材料的裂变室可以在较宽的能区对中子能谱进行监测[6]，其截面的不确定度大部分在2%以内，只有在少数共振能区和高能区的截面不确定度较大[7]；用252Cf裂变电离室通过中子飞行时间方法，对裂变室测量系统的时间分辨初步评估，由时间分辨引起的修正在0.1%以内；裂变室的外壳材料、底衬和电极材料对中子束流的影响在1%以内，以后可以考虑用更薄的Mylar膜作为裂变室入射窗材料。

1 丁大钊, 叶春堂, 赵志祥, 等. 中子物理学[M]. 北京:原子能出版社, 2000: 208

DING Dazhao, YE Chuntang, ZHAO Zhixiang, et al. Neutron physics[M]. Beijing: Atomic Energy Press, 2000: 208

2 李建胜, 张翼, 金宇, 等.252Cf快裂变室研制[J]. 核电子学与探测技术, 2001, 21(4): 264−267

LI Jiansheng, ZHANG Yi, JIN Yu, et al. Development of252Cf fast fission chamber[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2001, 21(4): 264−267

3 Gayther D B. International intercomparison of fast neutron fluence-rate measurements using fission chamber transfer instruments[J]. Metrologia, 1990, 27: 221−231

4 Carlson A, Poenitz W P, Hale G M, et al. The ENDF/B-6 neutron cross section measurements standards[DB]. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD May 1993

5 杨毅.235U裂变产额随入射中子能量变化的实验研究[D].中国原子能科学研究院, 2005

YANG Yi. The experimental study of235U fission yield change with incidence neutron energy[D]. China Institute of Atomic Energy, 2005

6 Colonna N, Andriamonje S, Andrzejewski J, et al. Neutron measurements for advanced nuclear systems: the n-TOF project at CERN[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 2011, 269: 3251−3257

7 Barbagallo M, Guerrero C, Tsinganis A, et al. High-accuracy determination of the neutron flux at n-TOF[J]. European Physical Journal A, 2013, 49: 156−167

CLC TL818

Study of fission ionization chamber in CSNS flux monitor system

WANG Qi1BAO Jie1HOU Long1RUAN Xichao1SU Xiaobin1JING Hantao2LI Qiang2
1(Key Laboratory of Nuclear Data Measurement and Evaluation Technology, China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413, China)
2(Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background: The fission ionization chamber is constituted by235U and238U materials as monitor in China Spallation Neutron Source (CSNS) reverse angle. Purpose: This paper mainly introduces the whole system time precision influence on the energy resolution and the actual measurement corrections. Method: The flux energy spectrum is measured accurately using n-TOF method. Results: The time resolution which is caused by energy resolution is proportional to 3/2 power energy, and the correction is induced less than 0.1% due to differences of the standard cross section energy. Conclusion: The experimental results show that the design of the ionization chamber can meet the requirements of CSNS neutron flux measurements.

Time resolution, Neutron spectrum, Fission ionization chamber

TL818

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.100403

王琦，男，1981年出生，2009年于兰州大学获硕士学位，研究领域为实验核物理

2015-01-19，

2015-05-12