我国核数据实验研究进展

阮锡超

（中国原子能科学研究院 核数据重点实验室 北京 102413）

核数据是用于描述具有一定能量的入射粒子与原子核相互作用的核反应数据及描述单个核素基本性质的核结构和放射性衰变数据的统称。其中，核反应数据主要包括反应截面、次级粒子出射的角分布及能谱、双微分截面、γ 产生截面、裂变产物产额等；核结构与衰变数据主要包括：原子核质量、半衰期、衰变分支比、能级纲图等。中子诱发核反应的核数据在核能开发（包括裂变能与聚变能）与核技术应用具有最重要的应用价值［1-5］。核数据的产生流程是：1）利用核物理实验方法获得关键的核反应及核结构实验数据，实验数据虽然是第一性的，但往往是离散、不完整的，单靠实验数据无法构建完整、成套的核数据库；2）利用已有实验数据，结合核反应、核结构理论模型，确定和优化模型参数，在此基础上通过模型计算获得成套、完整的核数据库；3）利用核数据宏观检验实验数据配合粒子输运计算，对核数据库进行宏观检验，以确保数据库质量。从核数据的工作流程可以看出，核数据的实验研究是核数据工作中最重要、最基础的工作。鉴于核数据实验工作的重要性，各核强国都投入了大量的人力和物力开展实验工作，国际上的核数据实验工作开始于20世纪40 年代，为当时的核武器设计、研制与测试起到了强大的支撑作用。此后，为满足国防建设、核能开发及核技术应用的需求，各国持续进行核数据实验工作，为现有国际上几个主要核数据库的研制做出了重要贡献。我国的核数据实验工作始于20 世纪50 年代，为不同时期我国的国防建设、核能开发及核技术应用做出了重要贡献，经过数十年的发展，已建立了具有一定规模、较高水平、有特色的实验研究体系，为我国自主的核数据库《中国评价和数据库——CENDL》［6］研制提供了重要支撑，CENDL 库也奠定了我国成为国际上的核数据大国地位。

本文将介绍我国核数据测量方面的进展，同时也尝试给出一些展望。核数据测量工作的支撑条件包括中子源、探测器、测量方法和样品制备等方面。因此本文将首先介绍核数据测量用中子源及探测系统情况，然后介绍核数据测量进展，最后给出展望与总结。

1 用于核数据测量的中子源

目前，我国用于核数据测量的中子源主要包括：1）反应堆中子源，如中国先进研究堆、绵阳研究堆等，主要提供热中子束流；2）静电加速器中子源，如中国原子能科学研究院的HI-13 串列加速器、600 kV 高压倍加器、5SDH-2 串列加速器，北京大学的4.5 MV 静电加速器，四川大学的2×3 MV 串列加速器，中国工程物理研究院核物理与化学研究所、兰州大学及中国科学院核能安全研究所的高压倍加器等，主要提供从几十keV至40 MeV的单能及准单能中子；3）电子加速器中子源，如中国科学院上海应用物理研究所的TMSR-PNS［7］，可提供热中子至keV能区的白光中子；4）中国散裂中子源反角白光中子源（CSNS Back-n）［8-9］，可提供热中子至300 MeV 能区的白光中子。这些中子源构成了我国核数据测量的主要设施，他们的主要参数如表1所示。

表1 我国用于核数据测量的主要中子源装置及参数Table 1 Main neutron sources and parameters for nuclear data measurement in China

2 核数据实验设施情况

基于上述中子源，建成了一系列核数据实验设施，主要包括以下设施。

2.1 HI-13 串列加速器上的多探测器快中子飞行时间谱仪

该谱仪[10]主要用于中子弹性及非弹性散射微分截面、次级中子双微分截面等数据的测量。如图1所示，谱仪由三个主中子探测器、一个监视器和一套转角谱仪组成，探测角度可以覆盖-30°~160°，飞行距离可达7 m，时间分辨可达1 ns。该谱仪配有氘气体靶和氚气体靶系统，可在中子能量5~42 MeV 能区开展相关实验工作。

图1 中国原子能科学研究院的快中子飞行时间谱仪Fig.1 The fast neutron TOF spectrometer at the China Institute of Atomic Energy (CIAE)

2.2 HI-13串列加速器上的HPGe探测器阵列

该探测器阵列[11]主要用于中子非弹伽马产生截面、（n，xn）反应的伽马产生截面等数据的测量。如图2所示，探测器阵列由6个Clover探测器和6个小平面探测器组成，每个Clover 探测器由4 个相对探测效率为38%的高纯锗探测器组成，并配有BGO反康环。

图2 HPGe探测器阵列Fig.2 HPGe detector array

2.3 原子能院高压倍加器上的氦-3 球型中子探测器阵列

主要用于（n，2n）反应截面的在线测量，即通过直接测量（n，2n）反应出射的两个中子获得（n，2n）反应截面。图3 为该探测系统[12]的照片，探测系统由110根氦-3管均匀地镶嵌在球形的聚乙烯慢化体中，探测系统对252Cf 自发裂变中子的探测效率可达30%，一方面具有较高的探测效率，另一方面与常用的大液体闪烁探测器相比，具有对伽马不灵敏的优点。

图3 氦-3球形中子探测器阵列Fig.3 Spherical He-3 detector array

2.4 原子能院的裂变碎片鉴别谱仪

如图4 所示，该谱仪[13]主要用于裂变碎片质量分布测量，谱仪主要由一套高分辨的飞行时间探测器和高能量分辨的裂变碎片能量探测器组成，飞行时间探测器的时间分辨可达150 ps，能量探测器的能量分辨可好于0.5%（Cu离子，80 MeV），系统的质量分辨对于A=90 左右的轻峰可好于1，对于A=140左右的重峰可达1.4。

图4 裂变碎片鉴别谱仪Fig.4 Fission fragment identification spectrometer

2.5 CSNS Back-n上的氟化钡探测器阵列（GTAFII）

如图5 所示，该装置[14]主要用于（n，γ）反应截面测量，由12 块五棱台和28 块六棱台BaF2晶体组成一个球形探测器阵列，内空腔直径为20 cm，用于放置样品。每块晶体的厚度为15 cm，最大直径为14 cm。系统对（n，γ）反应后级联γ 射线的总探测效率接近100%。

图5 GTAF-II照片Fig.5 The GTAF-II facility

图6 C6D6谱仪Fig.6 C6D6 detector system

图7 LPDA谱仪Fig.7 The LPDA facility

图8 FIXM谱仪Fig.8 FIXM spectrometer

2.6 CSNS Back-n上的C6D6谱仪

该谱仪[15]也主要用于（n，γ）反应截面测量，由4个尺寸为Ø12.7 cm×7.62 cm的氘代液体闪烁体探测器及配套的电子学与数据获取系统组成。该谱仪与GTAF-II 谱仪可以形成互补关系，C6D6谱仪主要用于反应截面较大、稳定核素的（n，γ）反应截面测量，而GTAF-II 由于具有很高的探测效率，主要用于小截面或微量样品（如稀有同位素、不稳定核素等）的（n，γ）反应截面测量。

2.7 CSNS Back-n上的LPDA谱仪

该谱仪[16]主要用于中子引起的带电粒子出射反应的核数据测量。谱仪由16 单元的ΔE-ΔE-E望远镜组成，整个望远镜系统安装在直径为1 m 的真空靶室内，每个望远镜单元由1个低气压多丝正比室、1个300 μm厚的Si探测器及1个3 cm厚的CsI晶体探测器组成。对于质子，该谱仪可探测的能量范围为0.5~100 MeV，具有很宽的动态范围。

2.8 CSNS Back-n上的裂变截面测量谱仪FIXM

该谱仪[16]主要用于裂变截面测量，由一个8 单元的多层快裂变电离室组成，裂变室内可以安装8片裂变样品，用于裂变截面的同时测量，裂变样品通过电镀方法镀到20 μm 厚的不锈钢底衬或100 μm厚的铝底衬上，样品直径约5 cm。配合快前放，该裂变电离室的信号上升时间可达30 ns左右，适用于快中子的飞行时间测量。

2.9 其他设施

除了以上核数据测量设施外，也有其他不少实验设施用于核数据测量，如北京大学用于（n，α）反应截面测量的屏栅电离室、中国工程物理研究院核物理与化学研究所及中国原子能科学研究院的中子核数据积分实验装置、中国科学院上海应用物理研究所的核数据测量设施、中国科学院近代物理研究所的带电粒子诱发核反应的核数据测量设施等。

3 核数据实验研究进展

依托上述中子源及核数据实验设施，多年来开展了大量的核数据实验工作，取得了丰硕的成果，主要成果介绍如下。

3.1 次级中子微分及双微分截面测量

次级中子微分及双微分截面是核数据理论模型检验及确定模型参数的重要数据，同时也是核装置设计中子输运计算的重要数据。早期基于我国的第一台回旋加速器，建立了快中子飞行时间谱仪，后来基于高压倍加器也建立了快中子飞行时间谱仪，完成了一些重要核素的次级中子双微分截面测量。HI-13 串列加速器及多探测器快中子飞行时间谱仪建成后，完成了大量核素在一系列能点的实验测量。尤其是在8~14 MeV能区，由于常用中子源（如p+T、d+D反应中子源）在这一能区有破裂中子的存在，次级中子能谱在低能区受到破裂中子的严重干扰，因此，8~14 MeV能区的次级中子双微分截面测量成为国际难题。中国原子能科学研究院在国际上首次提出了非常规快中子飞行时间谱仪方法［17］，通过常规谱仪与非常规谱仪的结合，可有效避免破裂中子的影响，同时也保证测量结果的能量分辨。所完成的主 要 工 作 列 于 表2［18-19］。图9 为10.27 MeV 中 子与6Li反应的部分次级中子双微分截面结果。

图9 10.27 MeV中子与6Li反应的部分次级中子双微分截面测量结果Fig.9 Part of the measured DDX results for 6Li induced by 10.27 MeV neutrons

图10 热中子诱发235U裂变的裂变碎片质量分布测量结果（amu为原子质量单位）Fig.10 Measured results of mass distribution for 235U induced by thermal neutrons (amu means atomic mass unit)

表2 完成的次级中子双微分截面测量工作Table 2 DDX measurements achieved at CIAE

3.2 裂变产额测量

裂变产物产额数据是裂变物理研究、反应堆设计与运行、核材料检测等方面的重要数据。我国先后建立了裂变产额测量的放化法及直接伽马能谱法，完成了大量的实验测量（表3）。近年来，中国原子能科学研究院、西北核技术研究院及中国工程物理研究院核物理与化学研究所都在发展裂变碎片质量分布测量技术，其中中国原子能科学研究院利用FFIS谱仪已完成热中子诱发235U及239Pu裂变的裂变碎片质量分布测量［20］，获得了高质量的实验数据。

表3 完成的裂变累积产额测量工作Table 3 Cumulative fission yield measurements finished at CIAE

3.3 激发函数测量

（n，2n）、（n，3n）、（n，γ）、（n，p）、（n，α）等反应激发函数在核物理基础研究、中子场参数诊断、核技术应用等领域有重要应用价值，如（n，2n）及（n，γ）反应截面在核装置设计的中子学计算中有重要作用，同时也广泛用于中子注量率及中子能谱测量等。对激发函数的测量大体分为离线和在线两种测量方法。离线法即活化法，把待测样品放在中子场中辐照，然后通过测量生成核的活度获得相应的反应截面，这种方法的优点是简单、结果也比较可靠，缺点是只能开展单能点或者特定能谱（如裂变谱）条件下的反应截面测量，此外不是所有的核素都可以采用活化法，只有生成核是放射性的、具有合适的半衰期且适合测量的核素才可以采用此方法。在线法是通过测量反应时瞬发的粒子产额来获得反应截面的方法，在线法的优点是普适性强，而且可以利用白光中子源一次实验获得较宽能区的激发函数，大大提高实验测量的效率，缺点是对样品的纯度要求高，通常需要用同位素样品开展实验。我国早期大多采用活化法测量激发函数数据，完成了大量的实验测量，包括一系列核素的（n，2n）、（n，γ）、（n，p）、（n，α）等100多个反应道的实验测量（如文献［21-22］等），这些数据部分填补了空白、部分澄清了数据分歧，为我国激发函数库的研制提供了重要支撑。近年来，在线法得到了快速发展，包括基于直接中子法［12］及瞬发伽马射线法的（n，2n）反应截面测量方法、基于白光中子源的（n，γ）反应截面测量方法［23-24］、基于白光中子源及北京大学的（n，xn）反应数据测量方法等［25］，取得了丰硕的成果。

3.4 其他类型的核数据测量

除上述核数据外，我国在γ 产生截面、裂变截面、中子全截面、积分数据、带电粒子诱发的核反应数据等方面也取得了大量的实验成果。γ产生截面主要利用中国原子能科学研究院的HI-13串列加速器及HPGe探测器阵列，完成大量7~11 MeV能区的中子非弹及（n，2nγ）产生截面测量。裂变截面则主要基于中国散裂中子源，完成了eV 至百MeV 能区的235U、236U、238U 及239Pu 的裂变截面测量［26-27］。中子全截面也是基于中国散裂中子源，完成了Al、Be、C等材料的实验测量［28］。积分数据则主要由中国工程物理研究院核物理与化学研究所及中国原子能科学研究院开展，完成大量的球状及板状样品的屏蔽积分实验［29-30］，为核数据库的宏观检验提供了重要的积分实验数据。带电粒子诱发的核反应数据则主要基于HI-13串列加速器及中国科学院近代物理研究所的加速器进行，也完成了许多实验测量。

4 总结与展望

我国的核数据测量长期以来以满足国防需求为主，最初为国防建设的急需完成了235，238U、239Pu 关键核数据、d+6Li反应截面、6Li（n，t）反应激发函数等的实验测量，为我国“两弹”的研制做出了重要贡献。随后，根据相关需求完成了大量激发函数、裂变产额、次级中子微分及双微分截面、γ产生截面、衰变数据、积分数据的测量与评价，填补了一些数据空白，澄清了许多数据分歧，有力地支持了我国核事业的发展。

近年来，出于新型核能系统研发的需求，国内对核数据测量的投入也越来越多，如针对聚变堆、钍基熔盐堆、ADS 等研发需求，各单位对核数据的关注度越来越高。此外，近年来国内各种先进辐射源平台（如中国散裂中子源、中国科学院上海应用物理研究所的TMSR-PNS、中国科学院上海高等研究院的上海激光电子伽马源（Shanghai Laser Electron Gamma Source，SLEGS）等）的建设也大大促进了我国核数据测量基础能力的提升，使得我国的核数据测量能力得到大幅提升。随着各大装置的陆续建成并投入使用，必将进一步促进我国核数据实验研究的发展。

作者贡献声明本文由阮锡超单独撰写完成。