測(cè)量天然鎳(n,xα)反應(yīng)α粒子發(fā)射的能譜和角分布

1、第33卷第3期1999年5月原子能科學(xué)技術(shù)AtomicEnergyScienceandTechnology.33,No.3VolMay1999測(cè)量天然鎳(n,x)(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系,合肥,230027)反用中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的多路望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)測(cè)量了天然鎳在1416MeV中子能量下的(n,x應(yīng)發(fā)射粒子的雙微分截面。使用多重二維粒子鑒別技術(shù)有效地鑒別了p、粒子和射線;使用厚靶技術(shù)提高了事件率、減少了統(tǒng)計(jì)誤差。測(cè)量了從2415°165°的16個(gè)反應(yīng)角,并由此得到了粒子的角度積分能譜、角分布和總發(fā)射截面,并與美國(guó)B26庫(kù)評(píng)價(jià)結(jié)果和其它實(shí)驗(yàn)小組結(jié)果進(jìn)行了比較。關(guān)鍵詞14MeV中

2、子天然鎳雙微分截面多路望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中圖法分類號(hào)O571.434O571.435測(cè)量強(qiáng)中子場(chǎng)中結(jié)構(gòu)材料的帶電粒子發(fā)射反應(yīng)數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)聚變堆中具有重要意義。結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部在強(qiáng)中子的照射下將發(fā)生變異,并產(chǎn)生氫氣和氦氣泡,直接影響結(jié)構(gòu)材料的使用壽命。帶電粒子的能譜和角分布在核理論模型計(jì)算和核數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)中也相當(dāng)重要。目前國(guó)際上能夠測(cè)量帶電粒子發(fā)射的實(shí)驗(yàn)小組僅有幾家,所測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很少,對(duì)某些反應(yīng)各家的數(shù)據(jù)存在較大差異,一些重要的核素甚至無(wú)可用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。世界各大數(shù)據(jù)庫(kù)的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)差異也較大1。國(guó)際原子能委員會(huì)要求加強(qiáng)這方面的工作,特別是粒子發(fā)射核數(shù)據(jù)的測(cè)量和評(píng)價(jià)工56nat58nat作,組織了IAEA協(xié)調(diào)研究項(xiàng)

3、目(CRP),主要目標(biāo)是測(cè)量Fe、Fe、Ni和Ni等核的粒子發(fā)射雙微分截面2。為了達(dá)到這個(gè)目的,最近國(guó)際上一些研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始加強(qiáng)這方面的工作。日本的大阪大學(xué)3、東北大學(xué)4和美國(guó)的LosAlamos實(shí)驗(yàn)室5都建立了專門(mén)的探測(cè)系統(tǒng),用于測(cè)量帶電粒)反應(yīng)的粒子子發(fā)射的能譜和角分布,北京大學(xué)在5113MeV能點(diǎn)用屏柵電離室對(duì)58Ni(n,能譜和角分布進(jìn)行了測(cè)量研究6。中國(guó)科技大學(xué)的測(cè)量小組專門(mén)設(shè)計(jì)了1套用于測(cè)量帶電粒子發(fā)射的多路望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)7,該系統(tǒng)可以同時(shí)測(cè)量2415°165°的16個(gè)反應(yīng)角,并可以同時(shí)測(cè)量反應(yīng)譜和本底譜。系統(tǒng)使用多重二維粒子分辨技術(shù),可以有效地分辨帶電粒子和射線。使

4、用厚靶技術(shù)既提高了事件率,又減少了本底的影響;提高了能譜高能端的可靠性,同時(shí)也減少了統(tǒng)計(jì)誤差。從1992年至今,本工作已經(jīng)測(cè)量了一些結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)子發(fā)射的能譜和角分布,如3中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)青年基金資助項(xiàng)目葉邦角:男,36歲,核物理與核技術(shù)專業(yè),副教授收稿日期:1997212204收到修改稿日期:199820322719493原子能科學(xué)技術(shù)第33卷8nat9nat1011Nb(n,xp)、Fe(n,xp)、Ni(n,xp)和不銹鋼的(n,xp)反應(yīng)。現(xiàn)在本工作將第1次進(jìn)行粒子發(fā)射的雙微分截面的測(cè)量,以獲得粒子發(fā)射的能譜和角分布,并由此得到粒子的總發(fā)射截面。1實(shí)驗(yàn)12。外32損失信號(hào),每1根陽(yáng)極絲對(duì)

5、應(yīng)于1個(gè)反應(yīng)角。,用于打開(kāi)線性門(mén)電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行在線選擇,不致使前端電路產(chǎn)生嚴(yán)重的脈沖堆積。中心CsI(Tl)探測(cè)器除了產(chǎn)生能量信號(hào)外,還產(chǎn)生脈沖形狀分辨信號(hào),用于鑒別粒子13。由于粒子在多絲室中的能量損失較大,因此多絲室的工作電壓不需要太高,故選擇-620V。系統(tǒng)采用95%Ar+5%CO2混合氣體,工作氣壓為100Pa,采用流氣式工作模式。輻照時(shí),中心探測(cè)CsI(Tl)晶體的直徑為25.4mm,厚度為1mm,足以停止最大能量的粒子。器用厚為20cm的鐵屏蔽,天然鎳靶的尺寸為0.5mm×40mm×289mm,正好覆蓋16個(gè)反應(yīng)室,鉛箔作為襯底,無(wú)靶的半邊也采用鉛箔同時(shí)測(cè)量本底

6、,這是因?yàn)殂U有極小的粒子產(chǎn)生截面(<1×10-27cm2)。系統(tǒng)放置時(shí),使CsI(Tl)的中心與T2Ti中子源的距離為400mm,整個(gè)系統(tǒng)在強(qiáng)度為3×109s-1的中子場(chǎng)中輻照大約120h。中子通量由伴隨粒子法測(cè)量。多絲室內(nèi)用于本底測(cè)量的1個(gè)室中裝有弱241Am源,用于監(jiān)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)由多個(gè)單道定標(biāo)器監(jiān)測(cè)各重要參數(shù)的計(jì)數(shù)穩(wěn)定性。當(dāng)輻照進(jìn)行到大約一半時(shí),靶轉(zhuǎn)動(dòng)180°,以消除可能由幾何不對(duì)稱造成的影響。)核反應(yīng)事件,有5整個(gè)數(shù)據(jù)采集工作用智能CAMAC機(jī)箱控制器控制。對(duì)每1個(gè)(n,x個(gè)參數(shù)被同時(shí)記錄下來(lái),并按一定的格式存儲(chǔ)在CAMAC控制器的緩沖區(qū)中

7、。即能量損失E信號(hào)、絲地址信號(hào)、能量E信號(hào)、脈沖形狀分辨PSD信號(hào)和帶電粒子從外層絲到中心探測(cè)器的飛行時(shí)間TOF信號(hào)。由于5個(gè)參數(shù)到達(dá)ADC的時(shí)間略有差別,采用峰保持器使五參數(shù)同步地被記錄在機(jī)箱控制器的緩沖區(qū)中。當(dāng)緩沖區(qū)記滿或采集完成時(shí),數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸給計(jì)算機(jī)。在線計(jì)算機(jī)能監(jiān)控整個(gè)工作系統(tǒng),并能顯示各絲的采集狀況、直方圖和散點(diǎn)圖等。2數(shù)據(jù)處理和結(jié)果數(shù)據(jù)的離線分析過(guò)程由以下幾步組成。第1步進(jìn)行粒子鑒別,用PSD譜可以很圖1二維E2E粒子分辨譜好地把射線引起的計(jì)數(shù)從數(shù)據(jù)中刪除。由PSD、E和E3個(gè)譜可以組合成3個(gè)二Fig.1Two2dimensionalE2Espectrumofidentifica

8、tionparticles維分辨譜,能有效地鑒別質(zhì)子和粒子。圖E、E均用道數(shù)表示13分別是E2E、E2PSD和E2PSD譜。)反應(yīng)粒子發(fā)射的能譜和角分布第3期葉邦角等:測(cè)量天然鎳(n,x195由圖1可知:在低能端E2E有較好的分辨,而在高能端由圖2可知E2PSD譜有較好的分辨,3個(gè)二維譜的組合正好能有效地鑒別p和粒子。第2步進(jìn)行本底扣除,每個(gè)反應(yīng)角都有對(duì)應(yīng)的反應(yīng)譜和本底譜,兩者相減即可得到凈能譜。第3步進(jìn)行厚靶譜的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,過(guò)程類似于參14考文獻(xiàn)7中的過(guò)程,其中d dx采用J.F.Ziegler的結(jié)果,16個(gè)反應(yīng)角的雙微分截面。圖4示出反應(yīng)角為88.3成:一是系統(tǒng)誤差,它由各部分誤差組成,2;

9、,取1值。圖2二維E2PSD粒子分辨譜Fig.2Two2dimensionalE2PSDspectrumofidentificationparticlesE、PSD均用道數(shù)表示圖3二維E2PSD粒子分辨譜Fig.3Two2dimensionalE2PSDspectrumofidentificationparticlesPSD、E均用道數(shù)表示)反應(yīng)在88.3°圖4natNi(n,x時(shí)的雙微分截面Fig.4Double2differentialcrosssectionsofnat)reactionat88.3°Ni(n,x196原子能科學(xué)技術(shù)第33卷由雙微分截面可以得到角分布。

10、為了更清楚地顯示角分布隨出射粒子能量的變化,把數(shù)據(jù)分成3個(gè)能區(qū):37、711和1115MeV(圖5)。圖中的曲線是二階勒讓德函數(shù)擬合的結(jié)果。由圖可見(jiàn):隨著出射粒子能量的增加,角分布前傾不十分明顯,說(shuō)明在此核反應(yīng)過(guò)程中復(fù)合核反應(yīng)占主導(dǎo)地位。由雙微分截面得到的角度積分圖。由圖可見(jiàn):在低中能端,B2626。作為比較,圖中給出美國(guó)S1Grim15M.,他們的結(jié)果略低于本結(jié)果,。)反應(yīng)的角分布圖5natNi(n,xFig.5Angulardistributionsofnat)反應(yīng)的出射粒子能譜圖6natNi(n,xFig.6Energyspectraofemittedparticlefromnat)re

11、actionNi(n,x)reactionNi(n,x711MeV;37MeV;1115MeVS.M.Grimes的結(jié)果;M.Baba的結(jié)果;本實(shí)驗(yàn)結(jié)果;實(shí)線ENDF B26的評(píng)價(jià)結(jié)果60nat)反應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)果。表作為比較,表2列出了世界幾個(gè)主要評(píng)價(jià)庫(kù)對(duì)58Ni、Ni和Ni(n,x17中還給出了S.Grimes、各實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其相互M.Baba和R.Fischer的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。各評(píng)價(jià)庫(kù)、之間都存在一些差異,這有待于更精確的測(cè)量予以澄清。表1natNi(n,x)核反應(yīng)角度積分截面Table1Theangle-integratedcrosssectionsofMeV4.05.05.06.06.07.0

12、7.08.08.09.09.010.01027cm2MeV-d1.89±0.344.34±0.8710.24±1.3416.46±2.7122.09±3.4216.96±2.471natNi(n,x)reaction1027cm2MeV-d12.82±1.347.96±0.874.60±0.562.87±0.481.86±0.270.36±0.091MeV10.011.011.012.012.013.013.014.014.015.015.016.0)反應(yīng)粒子發(fā)射的能譜和角分

13、布第3期葉邦角等:測(cè)量天然鎳(n,x197表2粒子發(fā)射總截面比較Table2Comparisonoftheparticleemissioncrosssections評(píng)價(jià)庫(kù)或測(cè)量組ENDF B26JENDL23BROND22CENDL22S.GrimesM.BabaR.Fischer69±3102±876±12581027 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

14、.40121.0397±1685±9本工作本工作是在中國(guó)核數(shù)據(jù)中心的支持下完成的。作者特別感謝日本東北大學(xué)的M.Baba教授提供他們的和美國(guó)S.Grimes的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。參考文獻(xiàn)1BabaM.StatusofNeutronInduced2productionCrossSectionData.Procofthe1995SymposiumonNu2clearData.JAERI,Tokai,Japan.1995.1042VonachH,ChibaS,PashchenkoAB.ReportontheIAEACoordinatedResearchProgramon“Improve2m

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16、earData.JAERI,Tokai)CrossSectionsofFe,Ni,4BabaM,ItoN,MatsuyamaI,etal.MeasurementofDouble2differential(n,Cuand50.ProcIntConfonNuclearDataforSciTech.Gatlinburg.Crfor4.5-14.1MeVNeutrons561994.9415SterbenzSM,BatemanFB,LeeTM,etal.The)ReactionFromThresholdto30MeV.ProcFe(n,IntConfonNuclearDataforSciTech.Ga

17、tlinburg.1994.9256TangGY,BaiXH,ShiZ.MeasurementofAngularDistributionat5.13MeVforReactionofM,etal58)55Fe.CommunNuclDataProg,1994,10:14Ni(n,7YeBJ,FanYM,WangZ.DevelopmentofaMultitelescopeSystemforMeasurementofDifferen2M,etaltial(n,ChargedParticle)Reaction.CommunNuclDataProg,1993,10:198YeBJ,FanYM,WangZ.

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20、HeliumStoppingPowersandRangesinalllemMatter.PergamonPress,1997.767815Gri.mesSM,HaightRC,AlvarKR,etalinonsof15MeVNeutronsWithIsotopesofCh.C19:212716ItoN,MaS,al.LAngle2spectrometerfortheMeasurementsDifferential(n,.NuclInstrumMethodsA,1994,337:474)ons17FischerR,TlerG,UhlM,etal.RevC,1984,30:7356)53Crand60Ni(n,)57FeReactionsatEn=14.1MeV.PhysFe(n,MEASUREMENTOFTHEENERGYSPECTRUMANDANGULARDISTRIBUTIONOF-PARTICLESnatEMITTEDFROMNi(n,x)REACTIONYeBangjiaoFanYangmeiHanRongdianWangZhongminYuXiaoqiDuHuaijiang(DepartmentofModernPhysics,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei,230027)ABSTRACT2Thedouble