CSNS反角白光中子实验终端本底及中子准直系统模拟计算

散裂中子源可产生白光中子,具有中子注量率高、热功率小、可脉冲化等优点,其应用十分广泛。其中一个重要的应用是核数据测量。目前,中国缺少白光中子源,因此一直没有开展基于白光中子源的核数据测量工作。目前在建的中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source,CSNS)的反角中子束线,在距散裂靶80 m处的中子强度约为9.25×106n·cm-2·s-1,时间分辨率为0.3%-0.9%,能够较好地用于核数据测量工作。本文介绍了该白光中子束线及实验终端的概况,并重点介绍该实验终端本底计算结果、中子准直系统和束斑参数。通过计算结果得出,CSNS反角白光中子源物理终端具有较低的实验本底和较好的中子束斑,可以开展较高精度的核数据测量工作。     

基于中国散裂中子源的核数据测量

正中子核数据是先进核能系统研发、核天体物理、基础物理研究及国防科技发展中用到的关键数据。国际上自20世纪80年代以来,基于中高能强流脉冲质子加速器的散裂中子源已成为开展各种高水平中子核数据测量的重要手段。中国散裂中子源(CSNS)反角白光中子束线(图1)是我国首条基于散裂中子源的白光中子束线,将为我国开展高水平的中子核数据测量提供很好的条件,该束线已于2017年8月建成并投入使用,在11     

中国第一台高性能白光中子源——CSNS反角白光中子源及其应用

基于中国散裂中子源（CSNS）建设的我国第一台高性能白光中子源--反角白光中子源（Back-n）是国际上综合性能最好的白光中子源之一，能区范围覆盖meV～百MeV，飞行时间测量分辨率可在全能区达到1%以内，中子注量率国际领先。自2018年3月建成以来，Back-n已开展了一系列的核数据测量实验、探测器标定实验、中子辐射效应实验和中子照相研究，科研产出效率非常高，实验数据质量达到了研究要求，为我国多领域的科学研究和应用研究提供了一个强大的平台。本文对该白光中子源的性能特点、已投入运行和规划中的核数据测量实验谱仪进行了综述，并指出了主要应用方向。     

^238U裂变电离室修正因子及探测响应的蒙特卡罗模拟计算

利用蒙特卡罗(MC)粒子输运程序MCNPX分别计算了用238U裂变电离室测量由加速器产生的14.8 MeV和25.5 MeV准单能中子注量率以及将其推广应用于测量散裂中子源和宇宙中子源的中子注量率时,由电离室结构、电离室气体、空气等引起的对探测器裂变计数率的修正因子,并给出了探测器在各种情况下的探测响应.为解决蒙特卡罗模拟中探测片太薄、统计误差过大的问题,计算中采用了Dxtran球和强迫碰撞两种方差减少技巧,以降低统计误差、提高计算效率.对于源中子谱覆盖范围较宽、抽样效率低的情况,采用了高能和低能两部分能谱分别计算的方法,以提高计算效率.将模拟计算得到的修正因子应用于探测响应的理论公式,得到相应的探测响应,并与MC模拟计算直接得到的探测响应进行了比较,对模拟计算进行自洽性验证.利用伴随α粒子测量装置和电离室同时测量14.8 MeV准单能中子注量率,得出238U裂变电离室对串列加速器上14.8 MeV准单能中子场的探测响应,与MC模拟计算结果进行比较,对模拟计算进行实验验证.     

γ全吸收型探测装置探测效率的实验与模拟

为精确测量keV能区中子俘获反应截面,中国原子能科学研究院核数据重点实验室基于中国散裂中子源反角白光中子源建成了国内首套γ全吸收型BaF₂探测装置。为获得重要的实验参数装置对γ射线的探测效率曲线,对单个BaF₂探测器模块能谱的测量数据与模拟结果进行比较。结果表明,测量¹³⁷Cs和⁶⁰Co源得到的实验结果与MCNP和GEANT4的模拟结果吻合较好,验证了模拟计算得到的探测效率曲线的可靠性,可用于中子俘获反应截面的在线测量。     

小型平板铀裂变电离室研制

为了测量特定实验条件下狭小空间内中子注量率分布,研制了小型平板浓缩铀裂变电离室,该裂变室具有体积小、结构材料少等优点。论文叙述了裂变电离室的结构和制作工艺,通过测量自发衰变α粒子谱、裂变碎片谱对裂变电离室的性能进行了测试和评定,并标定了裂变电离室测量裂变碎片的探测效率。从指标上看,裂变电离室能达到设计要求和目的,可用于中子注量率的测量。     

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

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。     

伴随粒子法测量T(d,n)4He中子源注量率中的本底处理

T(d，n)^4He反应单能中子源广泛应用于14MeV中子的各种物理实验。采用伴随粒子法测量中子注量率，用金硅面垒探测器测量α粒子，用1μm厚Al箔屏蔽散射的d束，经过各种条件下的调节，系统可很好地直接在能谱上分辨各种粒子，从而获得较高精度的中子注量率。     

中国第一台高性能白光中子源——CSNS反角白光中子源及其应用

基于中国散裂中子源(CSNS)建设的我国第一台高性能白光中子源——反角白光中子源(Back-n)是国际上综合性能最好的白光中子源之一,能区范围覆盖meV～百MeV,飞行时间测量分辨率可在全能区达到1%以内,中子注量率国际领先。自2018年3月建成以来,Back-n已开展了一系列的核数据测量实验、探测器标定实验、中子辐射效应实验和中子照相研究,科研产出效率非常高,实验数据质量达到了研究要求,为我国多领域的科学研究和应用研究提供了一个强大的平台。本文对该白光中子源的性能特点、已投入运行和规划中的核数据测量实验谱仪进行了综述,并指出了主要应用方向。     

中国散裂中子源反角白光中子束斑测量

中国散裂中子源（CSNS）反角白光中子（Back-n）束斑品质是核数据测量和其他物理实验的基础。利用像增器脉冲选通特性和飞行时间法搭建了一套具有时间分辨能力的成像系统，其空间分辨小于1 mm，初步实现了束斑轮廓、尺寸和非均匀性等特性参数的测量和定量分析。在距散裂靶约55、75 m处测得束斑FWHM分别为55、63 mm，对应峰值强度约75%处束斑直径分别为50、60 mm，且束斑边缘陡峭，呈台阶状。分析表明，束斑轮廓、尺寸和非均匀性等特性参数均与中子能量无关，在束斑中心区域80%范围内非均匀性小于10%。测量结果表明，CSNS反角白光中子源物理终端具有较好的中子束斑品质，可开展较高精度的核数据测量。     

IHNI-1中子束快中子注量率测量

为检验和确定用于硼中子俘获治疗(BNCT)的医院中子照射器(IHNI-1)的快中子污染源项,设计了用于快中子注量率测量的包硼~(235)U裂变电离室。利用MCNP程序对电离室的注量响应进行优化设计,计算包裹不同厚度硼壳时电离室的注量响应曲线,最终选择35mm厚B4C壳作为低能中子屏蔽层。利用该电离室测量IHNI-1热中子和超热中子束的快中子注量率,并与模拟计算值比较。结果显示,实测的中子束比模拟计算结果具有更多的快中子成分,低于国际原子能机构(IAEA)推荐的目标值。     

238U裂变电离室测量25.5MeV中子注量率

在飞行时间谱仪测量中子能谱的基础上，利用²³⁸U裂变电离室测量了中国原子能科学研究院HI-13串列加速器产生的25.5MeV中子注量率。为验证该裂变电离室测量快中子注量率的可靠性，在中国原子能科学研究院5SDH-2串列加速器上，利用该电离室和伴随α粒子装置同时测量14.8MeV中子注量率，结果在不确定度范围内一致。     

能谱变化对239Pu裂变室测量快中子注量的影响

热中子和共振区的中子在快中子临界装置中所占的份额很小,但是由于其相对大的截面,在慢化物存在的情况下,热中子和共振中子份额的微小变化,对^239Pu裂变室测量中子注量的结果影响很大。通过测量^239Pu裂变电离室在包镉和包硼、周围有无慢化物等情况下的反应率,Au、In活化片的镉比,S活化片在能谱变化下与^239。Pu的反应率比等,分析了快中子临界装置中热中子和共振区中子的分布,讨论了中子能谱变化对^239Pu裂变室测量快中子注量的影响及解决办法。     

A study of beryllium moderator thickness for a fission chamber with fast neutron measurements

The detection efficiency of the fission chamber(FC) is very important for studying the neutron flux measurement(NFM) system in ITER. In this article, we mainly focus our attention on the influence of the moderator. With the Monte Carlo particle transport simulation tool named Geant4, we make a simulation of FC detection efficiency with different levels of thickness of a beryllium moderator.Two manufactured FCs for ITER-NFM systems are then used to test the parameters and performance. The test results agree well with our simulation.     

一种基于~(103)Rh(n,n′)~(103)Rh~m反应的快中子注量监测方法

给出了一种基于~(103)Rh(n,n′)~(103)Rh~m反应监测快中子注量的方法。根据干扰核素半衰期不同的特点,选取合适的冷却和测量时间,降低了~(103)Rh(n,n′)~(103)Rh~m活化率测量中干扰核素的影响。根据152Eu标定实验结果,利用遗传算法优化探测器尺寸,建立探测器蒙特卡罗算法模型。利用模型校正~(99)Mo-~(99)Tcm放射源实验效率,解决了探测器效率标定和射线自吸收问题。开展了快中子注量监测,实验结果与铁、硫、镍等快中子监测箔一致性较好,测量不确定度约为13.1%。     

基于SCA波形采样读出电子学的CSNS Back-n中子飞行时间测量

中国散裂中子源(CSNS)反角白光中子束线(Back-n)对中子核数据测量和核技术应用等多个领域均有重要意义。为监测其中子束斑轮廓、束流密度及束流能量，研制了由镀硼微网格气体(Micromegas)探测器构成的束流剖面监测装置，并通过测量中子的飞行时间(TOF)来获得能量信息。采用基于开关电容阵列(SCA)专用集成电路(ASIC)的波形采样电子学系统，实现了128路Micromegas探测器阳极条信号的低噪声放大、成形和波形数字化，在现场可编程逻辑门阵列(FPGA)芯片中实现了对信号过阈时间的实时测量，其量程为650 ns～10 ms，电子学时间分辨好于10 ns。在CSNS Back-n上开展实验，成功获得了中子束流剖面及10.65 μs～10 ms范围的飞行时间谱，对应的中子能量范围约为0.16 eV～0.14 MeV。利用钽、钴等吸收体进行了中子共振吸收峰的检验，验证了读出电子学系统的功能及飞行时间测量的正确性。     

^252Cf微型快裂变室

本文叙述的快裂变室主要用于~(252)Cf裂变中子飞行时间谱测量。该裂变室具有重量轻(1.65g)、上升时间快(6ns)、对裂变碎片探测效率>99％等特点。针对裂变中子能谱测量的特殊要求,详细论述了裂变室设计应遵循的基本原则及其对能谱测量可能带来的影响。     

先进裂变核能的关键核数据测量和CSNS白光中子源

在设计加速器驱动的次临界系统（ADS）、核废料嬗变装置及钍基熔盐堆时亟需一些关键核数据,当前核数据库受实验条件或中子能区的限制,存在核数据精度不高甚至少部分核素数据缺失的情况。本文综述了国内外相关的核数据研究和相应的白光中子源情况。基于中国散裂中子源(CSNS)的反角通道白光中子源实验终端的中子束流具有非常宽的能谱（0.01 eV~200 MeV）和很好的时间特性。模拟得到距靶80 m处的实验终端的中子注量率为9.3×10⁶cm^-2•s^-1,1 eV ~ 1 MeV能量间隔内的中子数占总中子数的53%;同时,加速器运行在双束团模式或单束团模式,时间分辨率均在0.3%～0.9%之间,适合开展核数据测量。     

一种高灵敏度裂变室的研制

介绍了一种高灵敏度裂变室的研制,探讨了其设计方案、制造工艺和性能。这种裂变室灵敏区较宽、热中子灵敏度较高、抗γ能力较强,可作为核反应堆堆外中子注量率测量探测器,可在反应堆启动和不同功率运行时给出功率监测的信号。该裂变室通过了LOCA工况试验测试,可用于事故后监测。