积分实验系统的标准样品法检验

张 凯 聂阳波 鲍 杰 阮锡超 任 杰韩 瑞 黄翰雄 李 霞 周祖英

1（中国原子能科学研究院 核数据重点实验室 北京 102413）

2（中国科学院近代物理研究所 兰州 730000）

评价中子核数据是核装置设计中的基础数据，如反应堆，为了确保评价数据的准确性，国际上通常通过积分实验来对评价数据进行检验[1−3]，一个可靠的积分实验系统成为开展评价数据检验的重要前提。由于中子和氢(H)只有弹性散射一个反应道，国际上也通常将这个反应道截面作为一个标准截面使用[4−5]，因此，通过测量含氢物质（标准样品）的泄漏中子谱成为检验积分实验系统的主要手段，常用的标准样品主要是聚乙烯和水。

中国原子能科学研究院目前已经建立了一套用于评价核数据检验的积分实验系统，为了验证该系统测量数据的可靠性，通过测量聚乙烯和水样品的泄漏中子谱来对系统进行检验。检验结果证明积分实验系统可靠，该系统可成为开展评价中子核数据检验工作的实验平台。

1 测量角度选择

该研究主要利用中子与氢(n-p)散射峰面积来检验系统，因此，获得一个干净的n-p散射中子峰是非常重要的。由于氢气的密度很小，单位体积的氢原子很少，利用氢气作为标准样品很难达到统计要求。聚乙烯和水是最常见的含氢比重高的材料，但在实验测量中，中子与聚乙烯中的碳(C)或与水中的氧(O)作用后，总有些反应道的出射中子能量近似等于n-p散射中子能量。由于n-p散射出射中子能量随角度变化非常灵敏，选择合适的测量角度可以尽量减少其他反应道出射中子对n-p散射峰的干扰。

图1 标准样品泄漏中子飞行时间谱模拟结果Fig.1 Simulation results of the neutron leakage spectrum for the standard samples.

为了确定最佳测量角度，利用MCNP5程序分别模拟了聚乙烯和水不同角度的出射中子谱，典型模拟结果如图1所示。由图1可以看出，对聚乙烯在47°方向，n-p散射中子正好位于n-C第一非弹性散射峰与第三非弹性散射峰之间；对水样品在 30°方向，n-p散射中子正好位于n-O弹性散射峰与第一非弹性散射峰之间。因此，选择测量了聚乙烯样品(10 cm×10 cm×5 cm)在47°方向泄漏中子谱，水样品(⌀10 cm×5 cm)在 30°方向泄漏中子谱。

2 积分实验系统介绍

实验在中国原子能科学研究院600 kV高压倍加器上进行，具体实验布局如图2所示。

中子通过 T(d,n)4He反应产生，其中入射氘束Ed=300 keV，氚靶厚度约 1 mg·cm−2，束流平均流强约30 μA，脉冲频率为1.5 MHz，脉宽约为2.5 ns(Full Width Half Maximum, FWHM)，束斑大小约⌀5mm。T(d,n)4He反应每产生一个中子，同时也会在质心系中的相反方向有一个α粒子出射，利用金硅面垒探测器测量某一方向产生的α粒子可以间接推出产生的总中子数。将主探测器置于高压倍加器大厅2 m厚的墙体之外，墙体可有效地降低实验大厅漫散射的中子成分对测量的影响。为更好地降低散射中子本底和直接来自中子源的影响，在样品和墙体准直器之间增加了一套前级准直系统。

图2 标准样品法检验积分实验系统实验布局图Fig.2 Experimental arrangement for inspecting the integral experimental system by the standard sample method.

图3为实验测量的聚乙烯样品的效应谱和本底谱，本底谱所占份额很低。主探测器使用 BC501A型液闪探测器(⌀5.08 cm×2.54 cm)，通过飞行时间方法测量样品在不同角度的泄漏中子时间到达谱。在与D束成0°的方向放有一个与主探测器相同大小的液闪探测器，用来监视加速器的脉冲束形状。

图3 聚乙烯样品的效应谱和本底谱Fig.3 Background spectrum and effect spectrum for the polyethylene sample.

3 归一系数计算

MCNP5模拟得到的是单位源中子被探测器探测到的几率，而实验测量得到的是探测器上中子的个数。因此，在计算数据和实验数据比较之前要将实验数据归一至单位源中子上，归一系数可通过伴随测量管道(图4)的尺寸以及 D-T源中子的各向异性因子计算得到[6−7]，135°伴随离子测量管道的结构如图4所示，计算公式如下：

图4 伴随粒子靶管示意图Fig.4 Schematic diagram of associated particle target tube.

即每测量一个 α粒子表示靶头产生 1.508×106个中子。考虑到靶点漂移和微分截面等引起的误差，该系数总的不确定度约3%。

4 系统检验结果

利用伴随粒子计数以及式(5)给出的归一系数完成标准样品实验谱的归一；用MCNP5程序模拟得到相应的模拟谱（采用 ENDF/V-II库数据），模拟过程中细致考虑了源中子能谱角分布、探测器效率以及脉冲中子形状。结果如图5所示，其中，图5(a)为阈值0.5Cs（等效239 keV电子能量，等效约1.14 MeV中子能量）条件下聚乙烯样品的泄漏中子飞行时间谱，图5(b)为阈值0.5Cs条件下水样品的泄漏中子谱。计算了各自n-p散射峰面积，并给出了模拟数据与实验数据之间的比值(C/E)，结果如表1所示。实验结果总不确定度均小于6%（主要考虑统计误差、归一系数不确定度(约3%)和探测器绝对效率不确定度（约4%，包括截面误差2%、光响应函数引起的误差 3%以及探测器尺寸引入的误差1%））。从结果可以看出，标准样品的C/E值都很接近1，模拟结果与实验结果相差小于2%。

图5 聚乙烯样品(a)和水样品(b)的泄露中子谱Fig.5 Neutron leakage spectrum for the polyethylene sample (a) and the water sample (b).

表1 标准样品n-p散射峰面积比较Table 1 Comparison of n-p scattering peak area for the standard samples.

5 结语

实验不仅充分证明了实验系统的可靠性，保证了该系统上开展的其他核素积分检验实验测量数据的准确性，且通过标准样品的n-p散射峰面积可以得到一个相对归一系数（实验谱n-p散射峰面积除以α粒子计数再除以模拟谱n-p散射峰面积），利用相对归一计数对实验谱进行归一可以直接抵消掉大部分系统误差。

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