蔡興鋼 聶陽波 鮑 杰 魯彥霞 劉劍韜 阮錫超

1（南華大學(xué) 衡陽 421001）

2（中國原子能科學(xué)研究院 核數(shù)據(jù)重點實驗室 北京 102413）

1 研究目的

利用中國原子能科學(xué)研究院的高壓倍加器(CNPG)開展了一系列聚變中子學(xué)積分實驗研究[1–4]，取得了較為理想的實驗結(jié)果。尤其近幾年來，我們利用改進的實驗大廳和積分實驗裝置，開展了238U的積分實驗，檢驗了CENDL3.0庫中238U數(shù)據(jù)存在的一些問題，為CENDL評價庫數(shù)據(jù)的改進提供了重要的實驗數(shù)據(jù)。

目前的實驗裝置布局如圖1所示。中子源為高壓倍加器T(d,n)4He反應(yīng)產(chǎn)生14.8 MeV單能脈沖中子，采用伴隨粒子法監(jiān)視源中子強度。為了降低大廳散射中子本底的影響，提高效應(yīng)/本底比，將主探測器(BC501A型液閃探測器)置于高壓倍加器大廳2 m厚的墻體準(zhǔn)直孔之外，同時在高壓倍加器大廳安放了一個簡單的前級準(zhǔn)值系統(tǒng)，以便進一步減少探測器的本底中子計數(shù)。圖2為目前條件下實驗測得的典型時間飛行譜，其中無樣品時的測量譜為本底譜。由圖2，在高能區(qū)(150 ns)附近，效應(yīng)/本底比明顯偏低，經(jīng)分析認(rèn)為主要是前級準(zhǔn)直器洞口散射造成的。因此有必要重新設(shè)計一套專門的前級準(zhǔn)直系統(tǒng)。

2 設(shè)計方案

為了解決由于目前前準(zhǔn)直器口散射造成的高能區(qū)效應(yīng)/本底比明顯偏低的問題，設(shè)計了新的前準(zhǔn)直器口系統(tǒng)。該前級準(zhǔn)直系統(tǒng)主要由準(zhǔn)直器和陰影錐組成。準(zhǔn)直器置于中子探測器和樣品之間，準(zhǔn)直進入探測器的次級中子束，只允許從樣品發(fā)射出的中子在探測器對樣品所張的立體角內(nèi)進入探測器，阻止源中子以及其他倍加器大廳結(jié)構(gòu)的散射中子進入探測器。陰影錐置于中子源與準(zhǔn)直器之間，目的是阻止源中子與準(zhǔn)直器材料(尤其是準(zhǔn)直器洞口材料)發(fā)生作用，產(chǎn)生次級中子進入探測器而造成嚴(yán)重的中子本底。

2.1 準(zhǔn)直器設(shè)計

由于目前高壓倍加器實驗大廳是一個公用設(shè)備，前級準(zhǔn)直器只作為積分實驗的必要設(shè)備，而其他用戶實驗時，它又是一個干擾源，必須移開。因此我們必須將準(zhǔn)直器設(shè)計為輕便簡單，易于安裝、定位、拆卸的裝置?？傮w設(shè)計思路是：內(nèi)徑足夠小，但不能影響樣品出射中子到探測器的入射路徑；外徑足夠小，但要起到充分的屏蔽效果；長度足夠短，但要充分減少源中子穿透的可能性。

2.1.1 準(zhǔn)直器材料與尺寸

根據(jù)中子能量來選擇不同的慢化材料，對于T(d,n)4He反應(yīng)產(chǎn)生的14.8 MeV快中子，首先用中重元素通過非彈性散射能很快地慢化到 1 MeV以下，然后用輕核材料通過彈性散射慢化成熱中子，最后通過熱中子吸收材料吸收產(chǎn)生的熱中子[5]?？紤]使用以下幾種材料：鐵、含吸收材料的氫物質(zhì)、鉛。

第一層選擇用鐵[6]，因非彈性截面比較大，且比較經(jīng)濟，45 cm左右的鐵能使1 MeV以上的中子降低兩個量級(圖3)；第二層采用含硼聚乙烯[7]，中子被含氫物質(zhì)繼續(xù)慢化到熱中子能區(qū)附近，然后靠硼吸收熱中子，厚度為45 cm的鐵加上60 cm的含硼聚乙烯，能使0.4 MeV以上的中子降低5–6個量級(圖4)；第三層采用10 cm的鉛來屏蔽反應(yīng)過程中產(chǎn)生的γ射線。其他物質(zhì)如鎢等材料屏蔽效果雖好但價格貴，不適合大量使用。

圖1 板狀238U樣品中子泄漏譜測量布局圖Fig.1 Experimental arrangement for measuring the neutron leakage spectra from uranium slab.

圖2 實驗測量得到的有樣譜、本底譜以及效應(yīng)譜Fig.2 The measured sample in, sample out and net spectrum.

2.1.2 準(zhǔn)直器位置

使用準(zhǔn)直器主要是為了盡量阻止樣品之外的其他中子進入探測器，尤其是阻止源中子直接進入探測器。準(zhǔn)直器上的大部分材料都在探測器的立體角范圍內(nèi)，準(zhǔn)直器距離中子源和樣品太近會加大中子與準(zhǔn)直器材料散射進入探測器的本底計數(shù)，因此，準(zhǔn)直器應(yīng)盡量遠離中子源。

圖3 1 MeV以上中子相對計數(shù)隨Fe厚度的變化情況Fig.3 Attenuation of the neutrons above 1 MeV with the thickness of iron.

圖4 0.4 MeV以上中子相對計數(shù)隨聚乙烯厚度的變化情況(穿透45 cm鐵后)Fig.4 Attenuation of the neutrons above 0.4 MeV with the thickness of boron loaded polyethylene (after 45 cm iron shielding).

2.1.3 準(zhǔn)直孔形狀

準(zhǔn)直孔越小越能降低大廳內(nèi)的散射中子本底，但太小會影響樣品出射中子到探測器的路徑。根據(jù)實驗計劃，待測樣品的最大尺寸是10 cm×10 cm×10 cm，通過 MCNP程序進行模擬計算，假設(shè)樣品為一個體中子源，改變4 m處準(zhǔn)直孔徑的大小(孔徑外重要性設(shè)為0)，計算8 m處面探測器通量(面探測器半徑為2.54 cm)，然后與不放準(zhǔn)直器情況下面探測器通量比較(孔徑外設(shè)為真空，重要性不為0)，結(jié)果如圖5所示。直徑為9 cm的準(zhǔn)直孔幾乎不會影響樣品到探測器的出射路徑，考慮到擺放樣品時可能會有誤差，將準(zhǔn)直孔的大小設(shè)定為Ф10 cm。在4 m位置，墻體準(zhǔn)直器已將探測器立體角限制在一個較小的范圍內(nèi)，準(zhǔn)直器外徑設(shè)置為Ф40 cm時完全能滿足散射中子屏蔽。

圖5 有無準(zhǔn)直器面探測器中子通量比隨準(zhǔn)直孔大小的變化Fig.5 Whether the collimator Plane detector neutron flux ratio changes with the size of the collimator hole.

探測器對樣品所張的立體角之外的中子，包括源中子以及樣品散射中子打到準(zhǔn)直器的前端材料上產(chǎn)生散射后進入探測器而造成測量中子譜發(fā)生畸變，這些干擾效應(yīng)稱為孔口散射效應(yīng)。將準(zhǔn)直孔設(shè)計成雙錐型，可有效降低樣品散射中子造成的畸變(圖6)。計算表明，長度為110 cm的準(zhǔn)直器在4 m位置，前端內(nèi)徑為10 cm，后端內(nèi)徑為17 cm時，能使內(nèi)壁散射中子降低到最小。為進一步降低其他位置出射中子與準(zhǔn)直孔內(nèi)壁發(fā)生作用，在準(zhǔn)直器的前端再加上一層15 cm厚的圓柱鐵，其圓錐形孔徑由內(nèi)向外從Ф10 cm變化到Ф10.8 cm。

圖6 前級準(zhǔn)直器尺寸Fig.6 Size of the Pre-collimator.

2.2 陰影錐設(shè)計

雖然準(zhǔn)直器與中子源的距離已經(jīng)很長，但仍會有部分源中子與準(zhǔn)直器(尤其是準(zhǔn)直孔洞口)發(fā)生作用后進入探測器，它是孔口散射效應(yīng)的主要貢獻。因此，在準(zhǔn)直孔孔口與中子源之間使用陰影錐是非常有必要的。

2.2.1 陰影錐材料與尺寸

因陰影錐的體積較小，所以選擇了比鐵具有更好屏蔽效果的Cu，經(jīng)計算，對于14.8 MeV的源中子，50 cm厚的Cu能夠使1 MeV以上的中子降低兩個數(shù)量級，而90 cm厚的Cu能夠使1 MeV以上的中子降低五個數(shù)量級，結(jié)果如圖7所示。

2.2.2 陰影錐形狀與位置

陰影錐的功能是靠錐的陰影面積覆蓋需要屏蔽的物體來實現(xiàn)。因此，錐的設(shè)計一般是靠近源中子的前截面要求稍大于中子靶面積即覆蓋中子源；后截面決定陰影面積的大小，它與錐的長度，放置位置，前級準(zhǔn)直器大小有關(guān)。中子源與影錐距離很近，影錐材料會有大量散射中子泄漏。陰影錐位置擺放的總體思路是：陰影面積盡量覆蓋前級準(zhǔn)直器，尤其是準(zhǔn)直器洞口；為了減少陰影錐與樣品之間中子散射的影響，兩者距離應(yīng)該盡量拉遠；此外必需盡量避免陰影錐上泄漏的中子直接進入探測器，探測器所張立體角內(nèi)盡量不要有陰影錐材料。

圖7 1 MeV以上中子相對計數(shù)隨Cu厚度的變化情況Fig.7 Relative count of above 1 MeV neutron changes with the Cu thickness.

3 準(zhǔn)直器系統(tǒng)模擬結(jié)果

加上前級準(zhǔn)直系統(tǒng)后，整個實驗的布局如圖 8所示。模擬程序采用的是MCNP 4C程序，將源中子能譜和角分布，探測器效率，脈沖中子源寬度直接寫入MCNP輸入卡，并且盡可能的對實驗布局進行精確模擬，以求得到準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。通過模擬有無前級準(zhǔn)直器及影錐的情況，得到不同條件下的泄露中子譜。

圖8 前級準(zhǔn)直器與陰影錐Fig.8 The pre-collimator and the shadow cone.

由圖 9，單獨使用墻體準(zhǔn)直器情況下，本底譜特別高，甚至高于238U樣品的泄漏中子效應(yīng)譜；使用前級準(zhǔn)直器配合墻體準(zhǔn)直器，本底譜降低兩個數(shù)量級以上，但由于前級準(zhǔn)直器洞口散射的影響，彈性峰位置本底譜和238U樣品的泄漏中子效應(yīng)譜相當(dāng)接近；使用前級準(zhǔn)直器和影錐配合墻體準(zhǔn)直器，本底譜再降低一個數(shù)量級。此時，彈性峰位置的中子主要是空氣散射的中子。

圖9 模擬得到不同條件下泄漏中子譜Fig.9 The neutron leakage spectra under various conditions(simulated by MCNP-4C code).

4 結(jié)語

根據(jù)中國原子能科學(xué)研究院積分實驗組目前的實驗條件設(shè)計了一套前級準(zhǔn)直系統(tǒng)，考慮實際待測樣品大小及位置，設(shè)計的前級準(zhǔn)直系統(tǒng)不僅能夠有效地提高積分實驗測量數(shù)據(jù)的效應(yīng)/本底比，而且不會影響樣品出射中子直接入射到探測器的路徑。通過MC模擬計算發(fā)現(xiàn)，使用該前級準(zhǔn)直系統(tǒng)配合之前的墻體準(zhǔn)直器，模擬結(jié)果除了彈性峰區(qū)間稍小于10，其他各個時間段的效應(yīng)/本底比均大于 10。彈性峰位置本底主要來自空氣的散射，這對大角度中子泄漏譜測量會有一定影響(大角度彈性散射截面較低)，因此在進行大角度泄漏譜測量時，建議使用鎢進行屏蔽，可進一步提高效應(yīng)/本底比。

1 沈冠仁. 關(guān)于聚變中子學(xué)積分實驗研究[J]. 核物理動態(tài), 1995, 12(1): 29–33 SHEN Guanren. Integral experimental study on fusion neutronics[J]. Trends in Nuclear Physics. 1995, 12(1):29–33

2 NIE Yangbo, BAO Jie. Benchmarking of evaluated nuclear data for uranium by a 14.8 MeV neutron leakage spectra experiment with slab sample[J]. Annals of Nuclear Energy, 2010, 37: 1456–1460

3 聶陽波, 鮑杰. 準(zhǔn)直 D-T中子源穿過大塊板狀聚乙烯樣品積分實驗[J]. 原子能科學(xué)技術(shù), 待出版NIE Yangbo, BAO Jie. Integral experiment of large slab polyethylene samples with 14.8 MeV collimated neutron beams[J]. Atomic Energy Science and Technology, In press

4 聶陽波, 鮑杰. 氘氚中子源穿過聚乙烯樣品泄漏中子譜的測量與模擬[J]. 原子核物理評論, 待出版NIE Yangbo, BAO Jie. Measurement and simulation of leakage spectra on polyethylene slab irradiated with D-T neutrons[J]. Nuclear Physics Review, In press

5 羅鵬, 姚澤恩. T(d,n)4He反應(yīng)快中子屏蔽體優(yōu)化設(shè)計的蒙特卡羅模擬[J]. 核技術(shù), 2008, 31(10): 756–759 LUO Peng, YAO Ze’en. M-C simulation to optimize the shielding design for a T(d,n)4He neutron source[J]. Nucl Tech, 2008, 31(10): 756–759

6 楊化中, 姚澤恩. 天然鐵屏蔽快中子的Mente Carlo模擬研究[J]. 蘭州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 1997, 33(4):60–65 YANG Huazhong, YAO Ze’en. Monte Carlo simulation of fast neutrons shielded by natural iron[J]. Journal of Lanzhou University (Natural Sciences), 1997, 33(4):60–65

7 朱連芳, 宋文杰. 簡易中子防護準(zhǔn)直器的研制和性能[J]. 輻射防護, 1981, 1(4): 22–28 ZHU Lianfang, SONG Wenjie. Development of simple neutron protection collimator and its performance[J].Radiation Protection, 1981, 1(4): 22–28