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中子诱发铁 / 铅等金属材料的瞬发能谱测量

报告人：何铁报告人：何铁

核物理与化学研究所 204室

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目录

一 引言二 实验安排三 实验研究四 结论与展望

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引言（一）

14 MeV 中子与材料原子核的非弹散射 A(n, n′)A是一个重要的反应道。测量反应产生的射线对深入了解中子与原子核的反应机制有重要意义。

测量中子与材料作用产生的特征瞬发能谱，可获取材料的元素组成信息。这在工业无损检测、爆炸物及毒品的检测上有重要应用。

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引言（二）

在中子场中，本底非常复杂。如何降低复杂环境本底的干扰，是此类测量工作需要解决的关键问题。

伴随粒子技术可以有效的降低环境本底。已有的文献表明可将环境本底降低两个量级以上。

基本原理：

D-T 反应中，中子与粒子一一对应，通过测量粒子“标记”中子，在空间上选择一个呈圆锥体形状的中子束。

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引言（三）

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引言（四）

样品的特征射线将集中在一个很窄的时间窗内。

通过时间窗可以选出与 粒子相关联的中子产生的瞬发 ，获得样品的特征 γ 能谱。

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引言（五）

中子诱发有机物元素（ C 、 N 、 O ）的特征谱，国外做了大量的实验，所见的报道较多。

有关金属元素的报道较少，所见的报道中实验的结果与理论计算有较大的出入，并且所得能谱的能量下限较高。

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一 引言二 实验安排三 实验研究四 结论与展望

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实验安排

中中中中在 ns-200 加速器上，将 D+ 离子束加速到 120KeV 轰击氚靶，获得源强约为 2×107/4·s 的中子。

探测器：采用 15 mm×0.1 mm 的塑料闪烁体，与光电倍增管耦

合。阳极输出信号的上升时间达到 2 ns 。信号的上升时间比较短，对系统的时间晃动较小，有利于系

统整体时间分辨的提高。 探测器前放置一厚度约 7 m 的铝箔，用于挡住散射的氘

粒子。

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实验安排

光导：为了消除光阴极不均匀性的影响，将闪烁体的闪光扩展而覆盖整个光阴极。同时也为了隔断真空。

通常所用的光导为有机玻璃，但有机玻璃无增透膜，透光性较差。

本实验改用长春光机所研制的 k9玻璃光导。 k9玻璃光导的折射率为 1.516，表面有增透膜，透光率达到 98%。

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实验安排

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实验安排

探测器：采用的是 Saint-Gobain公司生产的 5“×8”NaI(Tl)闪烁体配型号为 XP4512B的光电倍增管。

该探测器的特点是：具有较高的探测效率、优良的能量及时间分辨、较强的抗中子辐照能力。

探测器对快信号的上升时间约为 40 ns ，对能量 4.439 MeV 射线的能量分辨好于 5%。

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实验安排

电子学框图：

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目录

一 引言二 基本原理三 实验结果及讨论四 结论与展望

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实验结果及讨论

时间谱、能谱的测量结果与样品的性质密切相关，表 1列出了实验用的样品的形状、质量等特性 。

样品 元素符号 形状及摆放方式 质量 /克

铁 Fe 长方体，较大的面垂直于中子方向

500

铝 Al 柱体，立起放置 300

铅 Pb 长方体，较大的面垂直于中子方向

4000

镍 Ni 粉末，装入柱形塑料盒中，立起放置

500

表 1

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实验结果及讨论 表 2依据 FENDL-1 核数据库列出了 14MeV 中子与几种金属

元素发生核反应的类型、能量及截面大小。这对于实验测得的能谱起到检验作用。

元素 能量 /keV 反应类型 反应截面 /mb

Fe 847 56Fe(n, n')56Fe 526

1238 259

1811 37

2113 9.7

Al 844 27Al(n, n')27Al 79

1014 152

1809 233

2211 170

Pb 583 208Pb (n, n')208Pb 104

839 26

2615 208

Ni 1004 59 Ni (n, n')59 Ni 60

1173 81

1334 211

1454 129

表 2

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实验结果及讨论 时间谱：

以铁为样品的时间谱； 峰的分辨很好半高宽（ FWHM ）达到了 2 ns ； 较低的一个峰是由于中子与样品的散射作用引起的，由于样品比

较小，且中子和金属材料的散射截面也较小，所以散射峰较低。

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实验结果及讨论

采用传统方法，直接测量得到铁的中子诱发特征能谱：

由于本底很强，铁的各特征峰其乎都被掩盖掉了，在能量较高的部分，这种现象尤其明显。

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实验结果及讨论采用伴随粒子法及飞行时间符合技术后，

铁、铅、铝、镍的中子诱发特征能谱：

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实验结果及讨论

中中中中中中中中中中中 0.847MeV和 1.238MeV

的中子诱发截面比较大，所以峰的高度明显比其他峰高。

能谱的下限得到延伸，可测到 0.5MeV 。

对于铝和铅，同样具有这样的特点。

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实验结果及讨论

中中中中中中中中中中中除了 1.334MeV 的峰稍微高一点以外，其它三个峰的

高度基本是一样的。与表 2 所列的截面数据相一致。与文献的理论计算较为一致。

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一 引言二 基本原理三 实验研究四 结论与展望

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结论与展望

采用伴随粒子法和飞行时间技术，配合以相应的电路和多道系统，可实现在复杂中子场条件下，中子诱发材料特征瞬发能谱的测量。

基于伴随粒子法的测量技术能够获得信噪比更高的能谱。

本工作参照 FENDL-1 核数据库对于能谱的处理还处于定性的阶段，如果采用更精确的定量处理方法，则有可能实现对截面的测量。

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