基于SiC的裂变靶室中子灵敏度标定技术

陈 亮， 刘金良， 刘林月， 张显鹏， 张忠兵， 欧阳晓平， 阮金陆， 金 鹏， 何世熠

(西北核技术研究所， 西安 710024; 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室， 西安 710024)

裂变靶室中子探测系统利用半导体探测器收集中子与裂变材料作用产生的裂变碎片实现中子探测[1]，对裂变主能区中子能量响应较为平坦，同时具有较高的n/γ分辨能力、较快的时间响应，且中子灵敏度在较宽的范围内可以调节，在脉冲裂变中子总数测量中具有非常重要的应用价值[2]。传统的裂变靶室采用Si-PIN探测器从侧面收集裂变碎片，受Si-PIN探测器直照响应及耐辐照能力的限制，裂变靶室系统在中子灵敏度标定和实际应用中面临信噪比低、屏蔽难度大、器件易受辐照损伤等一系列问题。在裂变靶室系统中子灵敏度标定实验中，为避免Si-PIN探测器被高强度的中子直接照射，不得不采用体积庞大的准直器和屏蔽体，裂变靶与加速器靶头之间的距离比较远，导致测点注量率下降很多。此外，中子与准直器作用会在束流通道上形成大量的散射中子，这部分散射中子与裂变靶作用形成干扰信号，很难从实验上准确扣除，导致裂变靶室系统中子灵敏度标定精度难以提高，低灵敏裂变靶室的中子灵敏度精确标定问题一直未能得到很好解决[3-4]。

为克服Si-PIN探测器存在的问题，西北核技术研究所研制了基于宽禁带半导体探测器SiC的新型裂变靶室中子探测系统[5-7]。与Si器件相比，SiC器件耐高压、耐辐照、暗电流低。此外，通过控制SiC探测器的灵敏层厚度，可以保证裂变碎片能量全部沉积，并降低器件对中子、γ的直照响应。采用SiC探测器的新型裂变靶室不仅大幅度提高了系统的抗辐照能力，而且使系统器件的抗直照干扰能力提高了近一个量级。得益于器件耐辐照能力的提高和直照本底的降低，基于SiC的裂变靶室中子灵敏度标定可以在没有屏蔽体的条件下进行，不仅简化了实验过程，而且缩短了裂变靶与加速器靶头之间的距离，使裂变靶室系统的可标定下限得到拓展。此外，散射本底干扰可以通过挡影锥的方法准确测量和扣除，使得中子灵敏度标定精度也得到提高。低灵敏裂变靶室系统的中子灵敏度精确标定问题在一定程度上得以解决，本文主要对相关标定技术进行研究和讨论。

1 标定原理和方法

根据裂变靶室系统的工作原理，裂变靶室系统的中子灵敏度S(En)可表示为

(1)

2 实验过程

图1 2×2阵列SiC探测器照片Fig.1 Photograph of the 2×2 array SiC detector

高压倍加器的实验布局如图2所示。裂变靶与SiC探测器放置在同一个真空腔室内。裂变靶处在加速器靶头0°方向，垂直于束流，与加速器靶头之间的距离约为50 cm。SiC探测器在与束流成45°方向收集裂变碎片，探测器中心与裂变靶中心的距离为10 cm。SiC探测器信号经前放、主放后，由多道记录。中子产额通过155°伴随α金硅面垒探测器在线监测。测点中子注量根据Φ(En)=KNα-155°/4πL2计算，其中，K=1.251×107；Nα-155°为伴随α计数；L为裂变靶与加速器靶头之间的距离，cm。高压倍加器采用水冷TiT靶，D+离子直接轰击TiT靶产生D-T中子。D+离子加速电压为300 kV，加速器靶头0°方向输出的D-T中子平均能量为14.9 MeV。实验通过挡影锥的方法扣除散射本底，具体过程是：首先在标定靶室和加速器靶头之间放置挡影锥，测量获得单位注量中子产生的裂片碎片数目，该结果主要是环境散射中子的贡献；然后去掉挡影锥重新测量，得到的结果包含了净信号和散射中子贡献；最后将两组数据相减，即可获得系统对D-T中子的绝对探测效率。此外，实验前利用237Np、243Am和244Cm三个不同能量的α源对SiC探测器的多道测量系统进行了能量线性刻度，刻度结果如图3所示。

图2 高压倍加器实验布局示意图Fig.2 Layout of the CPNG experiment

图3 多道系统线性刻度结果Fig.3 Linear calibration of the multi-channel analyzer system

利用西安脉冲反应堆的水平径向孔道进行实验测量，实验照片如图4所示。中子经过厚度为20 cm的含硼聚乙烯和厚度为8 cm的铅准直限束后入射到裂变靶片上，保持电子学系统连接状态和参数设置与高压倍加器实验条件完全一致。标定235U靶时，反应堆运行功率为100 kW，标定238U靶时反应堆功率为2 MW。每次实验，先将反应堆功率提升到预定值，然后打开水平径向孔道，开始测试，当脉冲幅度谱到达一定计数后，关闭水平径向孔道。

图4 西安脉冲反应堆实验照片Fig.4 Photograph of the experiment on the Xi’an pulsed reactor

3 实验结果分析

图5为CPNG上实测的典型裂变碎片幅度谱。其中，图5(a)为235U裂变靶的实测结果，包含了正常条件下的信号谱以及挡影锥条件下的本底谱，每条谱线的测量时间约为3 h。由于总计数有限，各道计数的统计起伏比较大，得到的裂变碎片幅度谱轮廓特征并不明显。图5(a)中信号和本底裂变碎片总计数分别为4 016和1 235，对应的伴随α计数分别为10 870 773和10 881 217，散射本底约占总信号的1/3。扣除本底干扰后得到235U-9#裂变靶与SiC探测器组合对14.9 MeV中子的探测效率为3.01×10-7。Nf引入的不确定度小于2%，基本满足标定需求。从图5(b)可以看出，尽管238U-3#和238U-4#裂变靶的铀面密度有所不同，分别为0.568 mg·cm-2和0.697 mg·cm-2，但两片238U裂变靶的幅度谱形差异并不明显；238U裂变靶与235U裂变靶的实测幅度谱形非常相似。由于238U对中子响应存在阈能，环境散射低能中子与238U裂变靶形成的本底干扰比235U裂变靶明显减少，挡影锥条件下散射带来的计数仅占总信号的约1/10。

(a) 235U target

(b) 238U target

图5CPNG上实测的裂变碎片幅度谱
Fig.5PulseheightspectraofthefissionfragmentmeasuredontheCPNG

综合上述实验结果，可以计算得到不同铀裂变靶与SiC探测器组成的裂变靶室系统对14.9 MeV单能中子的响应灵敏度，如表1所列。实验测量中子灵敏度的相对标准不确定度为7.5%(k=1)，主要包括散射本底、幅度谱中低能干扰、加速器源等引入的不确定度。裂变靶厚度的增加，虽然能够提高探测效率和灵敏度，但是等效平均能量随靶厚度而降低，低能干扰对裂变碎片幅度谱的干扰也会增加，导致中子灵敏度标定不确定度增大。为保证测量精度，本文将裂变靶面密度控制在0.8 mg·cm-2以下。

(a) 235U-9# target

(b) 238U target

图6 西安脉冲反应堆上实测的裂变碎片幅度谱Fig.6 Pulse height spectra of the fission fragment measured on the Xi’an pulsed reactor

同时，上述实验表明，基于SiC裂变靶室系统的中子实验可以在没有准直器和屏蔽体的条件下进行，裂变靶位置处的中子强度较有准直器和屏蔽体的情形提高一个量级以上，低灵敏裂变靶室系统的可标定下限提高一个量级以上，同时，散射本底的影响可以通过挡影锥的方法进行准确测量和扣除，使中子灵敏度标定结果的精度显著提高。

4 结论

根据裂变靶室系统工作原理，提出了对中子探测效率与等效平均能量分别进行实验测量，再合成得到中子灵敏度的方法。分别利用高压倍加器和西安脉冲反应堆开展了实验测量，得到了SiC器件与不同裂变靶组合的14.9 MeV中子灵敏度及其相对标准不确定度为7.5%(k=1)，很好地满足了裂变靶室在脉冲中子测量领域中的应用需求。

致谢

感谢中国原子能科学研究院物理所中子发生器组陈洪涛等提供的中子束流和实验保障。

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