測量天然鎳(n,xα)反應(yīng)α粒子發(fā)射的能譜和角分布

1、第33卷第3期1999年5月原子能科學(xué)技術(shù)AtomicEnergyScienceandTechnology.33,No.3VolMay1999測量天然鎳(n,x)(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系,合肥,230027)反用中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的多路望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)測量了天然鎳在1416MeV中子能量下的(n,x應(yīng)發(fā)射粒子的雙微分截面。使用多重二維粒子鑒別技術(shù)有效地鑒別了p、粒子和射線;使用厚靶技術(shù)提高了事件率、減少了統(tǒng)計誤差。測量了從2415°165°的16個反應(yīng)角,并由此得到了粒子的角度積分能譜、角分布和總發(fā)射截面,并與美國B26庫評價結(jié)果和其它實(shí)驗(yàn)小組結(jié)果進(jìn)行了比較。關(guān)鍵詞14MeV中

2、子天然鎳雙微分截面多路望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中圖法分類號O571.434O571.435測量強(qiáng)中子場中結(jié)構(gòu)材料的帶電粒子發(fā)射反應(yīng)數(shù)據(jù)在設(shè)計聚變堆中具有重要意義。結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部在強(qiáng)中子的照射下將發(fā)生變異,并產(chǎn)生氫氣和氦氣泡,直接影響結(jié)構(gòu)材料的使用壽命。帶電粒子的能譜和角分布在核理論模型計算和核數(shù)據(jù)評價中也相當(dāng)重要。目前國際上能夠測量帶電粒子發(fā)射的實(shí)驗(yàn)小組僅有幾家,所測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很少,對某些反應(yīng)各家的數(shù)據(jù)存在較大差異,一些重要的核素甚至無可用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。世界各大數(shù)據(jù)庫的評價數(shù)據(jù)差異也較大1。國際原子能委員會要求加強(qiáng)這方面的工作,特別是粒子發(fā)射核數(shù)據(jù)的測量和評價工56nat58nat作,組織了IAEA協(xié)調(diào)研究項(xiàng)

3、目(CRP),主要目標(biāo)是測量Fe、Fe、Ni和Ni等核的粒子發(fā)射雙微分截面2。為了達(dá)到這個目的,最近國際上一些研究機(jī)構(gòu)開始加強(qiáng)這方面的工作。日本的大阪大學(xué)3、東北大學(xué)4和美國的LosAlamos實(shí)驗(yàn)室5都建立了專門的探測系統(tǒng),用于測量帶電粒)反應(yīng)的粒子子發(fā)射的能譜和角分布,北京大學(xué)在5113MeV能點(diǎn)用屏柵電離室對58Ni(n,能譜和角分布進(jìn)行了測量研究6。中國科技大學(xué)的測量小組專門設(shè)計了1套用于測量帶電粒子發(fā)射的多路望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)7,該系統(tǒng)可以同時測量2415°165°的16個反應(yīng)角,并可以同時測量反應(yīng)譜和本底譜。系統(tǒng)使用多重二維粒子分辨技術(shù),可以有效地分辨帶電粒子和射線。使

4、用厚靶技術(shù)既提高了事件率,又減少了本底的影響;提高了能譜高能端的可靠性,同時也減少了統(tǒng)計誤差。從1992年至今,本工作已經(jīng)測量了一些結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)子發(fā)射的能譜和角分布,如3中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)青年基金資助項(xiàng)目葉邦角:男,36歲,核物理與核技術(shù)專業(yè),副教授收稿日期:1997212204收到修改稿日期:199820322719493原子能科學(xué)技術(shù)第33卷8nat9nat1011Nb(n,xp)、Fe(n,xp)、Ni(n,xp)和不銹鋼的(n,xp)反應(yīng)?，F(xiàn)在本工作將第1次進(jìn)行粒子發(fā)射的雙微分截面的測量,以獲得粒子發(fā)射的能譜和角分布,并由此得到粒子的總發(fā)射截面。1實(shí)驗(yàn)12。外32損失信號,每1根陽極絲對

5、應(yīng)于1個反應(yīng)角。,用于打開線性門電路對信號進(jìn)行在線選擇,不致使前端電路產(chǎn)生嚴(yán)重的脈沖堆積。中心CsI(Tl)探測器除了產(chǎn)生能量信號外,還產(chǎn)生脈沖形狀分辨信號,用于鑒別粒子13。由于粒子在多絲室中的能量損失較大,因此多絲室的工作電壓不需要太高,故選擇-620V。系統(tǒng)采用95%Ar+5%CO2混合氣體,工作氣壓為100Pa,采用流氣式工作模式。輻照時,中心探測CsI(Tl)晶體的直徑為25.4mm,厚度為1mm,足以停止最大能量的粒子。器用厚為20cm的鐵屏蔽,天然鎳靶的尺寸為0.5mm×40mm×289mm,正好覆蓋16個反應(yīng)室,鉛箔作為襯底,無靶的半邊也采用鉛箔同時測量本底

6、,這是因?yàn)殂U有極小的粒子產(chǎn)生截面(<1×10-27cm2)。系統(tǒng)放置時,使CsI(Tl)的中心與T2Ti中子源的距離為400mm,整個系統(tǒng)在強(qiáng)度為3×109s-1的中子場中輻照大約120h。中子通量由伴隨粒子法測量。多絲室內(nèi)用于本底測量的1個室中裝有弱241Am源,用于監(jiān)測整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時由多個單道定標(biāo)器監(jiān)測各重要參數(shù)的計數(shù)穩(wěn)定性。當(dāng)輻照進(jìn)行到大約一半時,靶轉(zhuǎn)動180°,以消除可能由幾何不對稱造成的影響。)核反應(yīng)事件,有5整個數(shù)據(jù)采集工作用智能CAMAC機(jī)箱控制器控制。對每1個(n,x個參數(shù)被同時記錄下來,并按一定的格式存儲在CAMAC控制器的緩沖區(qū)中

7、。即能量損失E信號、絲地址信號、能量E信號、脈沖形狀分辨PSD信號和帶電粒子從外層絲到中心探測器的飛行時間TOF信號。由于5個參數(shù)到達(dá)ADC的時間略有差別,采用峰保持器使五參數(shù)同步地被記錄在機(jī)箱控制器的緩沖區(qū)中。當(dāng)緩沖區(qū)記滿或采集完成時,數(shù)據(jù)自動傳輸給計算機(jī)。在線計算機(jī)能監(jiān)控整個工作系統(tǒng),并能顯示各絲的采集狀況、直方圖和散點(diǎn)圖等。2數(shù)據(jù)處理和結(jié)果數(shù)據(jù)的離線分析過程由以下幾步組成。第1步進(jìn)行粒子鑒別,用PSD譜可以很圖1二維E2E粒子分辨譜好地把射線引起的計數(shù)從數(shù)據(jù)中刪除。由PSD、E和E3個譜可以組合成3個二Fig.1Two2dimensionalE2Espectrumofidentifica

8、tionparticles維分辨譜,能有效地鑒別質(zhì)子和粒子。圖E、E均用道數(shù)表示13分別是E2E、E2PSD和E2PSD譜。)反應(yīng)粒子發(fā)射的能譜和角分布第3期葉邦角等:測量天然鎳(n,x195由圖1可知:在低能端E2E有較好的分辨,而在高能端由圖2可知E2PSD譜有較好的分辨,3個二維譜的組合正好能有效地鑒別p和粒子。第2步進(jìn)行本底扣除,每個反應(yīng)角都有對應(yīng)的反應(yīng)譜和本底譜,兩者相減即可得到凈能譜。第3步進(jìn)行厚靶譜的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,過程類似于參14考文獻(xiàn)7中的過程,其中d dx采用J.F.Ziegler的結(jié)果,16個反應(yīng)角的雙微分截面。圖4示出反應(yīng)角為88.3成:一是系統(tǒng)誤差,它由各部分誤差組成,2;

9、,取1值。圖2二維E2PSD粒子分辨譜Fig.2Two2dimensionalE2PSDspectrumofidentificationparticlesE、PSD均用道數(shù)表示圖3二維E2PSD粒子分辨譜Fig.3Two2dimensionalE2PSDspectrumofidentificationparticlesPSD、E均用道數(shù)表示)反應(yīng)在88.3°圖4natNi(n,x時的雙微分截面Fig.4Double2differentialcrosssectionsofnat)reactionat88.3°Ni(n,x196原子能科學(xué)技術(shù)第33卷由雙微分截面可以得到角分布。

10、為了更清楚地顯示角分布隨出射粒子能量的變化,把數(shù)據(jù)分成3個能區(qū):37、711和1115MeV(圖5)。圖中的曲線是二階勒讓德函數(shù)擬合的結(jié)果。由圖可見:隨著出射粒子能量的增加,角分布前傾不十分明顯,說明在此核反應(yīng)過程中復(fù)合核反應(yīng)占主導(dǎo)地位。由雙微分截面得到的角度積分圖。由圖可見:在低中能端,B2626。作為比較,圖中給出美國S1Grim15M.,他們的結(jié)果略低于本結(jié)果,。)反應(yīng)的角分布圖5natNi(n,xFig.5Angulardistributionsofnat)反應(yīng)的出射粒子能譜圖6natNi(n,xFig.6Energyspectraofemittedparticlefromnat)re

11、actionNi(n,x)reactionNi(n,x711MeV;37MeV;1115MeVS.M.Grimes的結(jié)果;M.Baba的結(jié)果;本實(shí)驗(yàn)結(jié)果;實(shí)線ENDF B26的評價結(jié)果60nat)反應(yīng)的評價結(jié)果。表作為比較,表2列出了世界幾個主要評價庫對58Ni、Ni和Ni(n,x17中還給出了S.Grimes、各實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其相互M.Baba和R.Fischer的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。各評價庫、之間都存在一些差異,這有待于更精確的測量予以澄清。表1natNi(n,x)核反應(yīng)角度積分截面Table1Theangle-integratedcrosssectionsofMeV4.05.05.06.06.07.0

12、7.08.08.09.09.010.01027cm2MeV-d1.89±0.344.34±0.8710.24±1.3416.46±2.7122.09±3.4216.96±2.471natNi(n,x)reaction1027cm2MeV-d12.82±1.347.96±0.874.60±0.562.87±0.481.86±0.270.36±0.091MeV10.011.011.012.012.013.013.014.014.015.015.016.0)反應(yīng)粒子發(fā)射的能譜和角分

13、布第3期葉邦角等:測量天然鎳(n,x197表2粒子發(fā)射總截面比較Table2Comparisonoftheparticleemissioncrosssections評價庫或測量組ENDF B26JENDL23BROND22CENDL22S.GrimesM.BabaR.Fischer69±3102±876±12581027 cm2)Ni(n,x113.12102.98161.8760)Ni(n,x68.9571.3259.61)Ni(n,x47.9039.2362)Ni(n,x1800.64)Ni(n,x5.534.78nat)Ni(n,x96.5290.11127

14、.40121.0397±1685±9本工作本工作是在中國核數(shù)據(jù)中心的支持下完成的。作者特別感謝日本東北大學(xué)的M.Baba教授提供他們的和美國S.Grimes的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。參考文獻(xiàn)1BabaM.StatusofNeutronInduced2productionCrossSectionData.Procofthe1995SymposiumonNu2clearData.JAERI,Tokai,Japan.1995.1042VonachH,ChibaS,PashchenkoAB.ReportontheIAEACoordinatedResearchProgramon“Improve2m

15、entsofMeasurements,TheoreticalComputationsandEvaluationsofNeutronInducedHeliumProduc2.ProcIntConfonNuclDataforSciTech.Gatlinburg.1994.925tionCrossSections”3Kokooo,MurataI,TakahashiA.DoubleDifferentialChargedParticleEmissionCrossSectionsofVana2.1996.24diumfor14.1MeVIncidentNeutron.1996SymposiumonNucl

16、earData.JAERI,Tokai)CrossSectionsofFe,Ni,4BabaM,ItoN,MatsuyamaI,etal.MeasurementofDouble2differential(n,Cuand50.ProcIntConfonNuclearDataforSciTech.Gatlinburg.Crfor4.5-14.1MeVNeutrons561994.9415SterbenzSM,BatemanFB,LeeTM,etal.The)ReactionFromThresholdto30MeV.ProcFe(n,IntConfonNuclearDataforSciTech.Ga

17、tlinburg.1994.9256TangGY,BaiXH,ShiZ.MeasurementofAngularDistributionat5.13MeVforReactionofM,etal58)55Fe.CommunNuclDataProg,1994,10:14Ni(n,7YeBJ,FanYM,WangZ.DevelopmentofaMultitelescopeSystemforMeasurementofDifferen2M,etaltial(n,ChargedParticle)Reaction.CommunNuclDataProg,1993,10:198YeBJ,FanYM,WangZ.

18、The93Nb(n,xp)ReactionatEn=14.6MeV.NuclSciEng,1994,M,etal67:1179YeBJ,FanYM,WangZ.ProtonEmissioninReactionof14.6MeVNeutronsWithNaturalM,etalIron.NuclSciEng,1996,122:13610YeBJ,WangZ.MeasurementofDouble2differential(n,xp)CrossSectionsofNaturalM,FanYM,etalNickelin14.6MeVNeutronEnergy.NuclearPhysicsA,1997

19、,612:21311FanYM,YeBJ,WangZ.ProtonEmissionCrossSectionsforBombardmentofStainlessSteelM,etal198by:14.6MeVNeutron.FusionTechnology,unpublished原子能科學(xué)技術(shù)第33卷12YeBJ,FanW,FanYM,etal.DevelopmentofaPulseDiscriminationCircuit.NuclInstrumMethodsA,1994,345:11513葉邦角,范揚(yáng)眉,虞孝麒,等1一個五參數(shù)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的研制1,1995,25:2514ZieglerJZ.

20、HeliumStoppingPowersandRangesinalllemMatter.PergamonPress,1997.767815Gri.mesSM,HaightRC,AlvarKR,etalinonsof15MeVNeutronsWithIsotopesofCh.C19:212716ItoN,MaS,al.LAngle2spectrometerfortheMeasurementsDifferential(n,.NuclInstrumMethodsA,1994,337:474)ons17FischerR,TlerG,UhlM,etal.RevC,1984,30:7356)53Crand60Ni(n,)57FeReactionsatEn=14.1MeV.PhysFe(n,MEASUREMENTOFTHEENERGYSPECTRUMANDANGULARDISTRIBUTIONOF-PARTICLESnatEMITTEDFROMNi(n,x)REACTIONYeBangjiaoFanYangmeiHanRongdianWangZhongminYuXiaoqiDuHuaijiang(DepartmentofModernPhysics,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei,230027)ABSTRACT2Thedouble