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基于CSNS反角白光中子源的中子俘获反应截面测量技术研究

张奇玮, 栾广源, 任杰, 阮锡超, 贺国珠, 鲍杰, 孙琪, 黄翰雄, 王朝辉, 顾旻皓, 余滔, 解立坤, 陈永浩, 安琪, 白怀勇, 鲍煜, 曹平, 陈昊磊, 陈琪萍, 陈裕凯, 陈朕, 崔增琪, 樊瑞睿, 封常青, 高可庆, 韩长材, 韩子杰, 何泳成, 洪杨, 黄蔚玲, 黄锡汝, 季筱璐, 吉旭阳, 蒋伟, 江浩雨, 姜智杰, 敬罕涛, 康玲, 康明涛, 李波, 李超, 李嘉雯, 李论, 李强, 李晓, 李样, 刘荣, 刘树彬, 刘星言, 穆奇丽, 宁常军, 齐斌斌, 任智洲, 宋英鹏, 宋朝晖, 孙虹, 孙康, 孙晓阳, 孙志嘉, 谭志新, 唐洪庆, 唐靖宇, 唐新懿, 田斌斌, 王丽娇, 王鹏程, 王琦, 王涛峰, 文杰, 温中伟, 吴青彪, 吴晓光, 吴煊, 羊奕伟, 易晗, 于莉, 于永积, 张国辉, 张林浩, 张显鹏, 张玉亮, 张志永, 赵豫斌, 周路平, 周祖英, 朱丹阳, 朱科军, 朱鹏, 朱兴华

Cross section measurement of neutron capture reaction based on back-streaming white neutron source at China spallation neutron source

Zhang Qi-Wei, Luan Guang-Yuan, Ren Jie, Ruan Xi-Chao, He Guo-Zhu, Bao Jie, Sun Qi, Huang Han-Xiong, Wang Zhao-Hui, Gu Min-Hao, Yu Tao, Xie Li-Kun, Chen Yong-Hao, An Qi, Bai Huai-Yong, Bao Yu, Cao Ping, Chen Hao-Lei, Chen Qi-Ping, Chen Yu-Kai, Chen Zhen, Cui Zeng-Qi, Fan Rui-Rui, Feng Chang-Qing, Gao Ke-Qing, Han Chang-Cai, Han Zi-Jie, He Yong-Cheng, Hong Yang, Huang Wei-Ling, Huang Xi-Ru, Ji Xiao-Lu, Ji Xu-Yang, Jiang Wei, Jiang Hao-Yu, Jiang Zhi-Jie, Jing Han-Tao, Kang Ling, Kang Ming-Tao, Li Bo, Li Chao, Li Jia-Wen, Li Lun, Li Qiang, Li Xiao, Li Yang, Liu Rong, Liu Shu-Bin, Liu Xing-Yan, Mu Qi-Li, Ning Chang-Jun, Qi Bin-Bin, Ren Zhi-Zhou, Song Ying-Peng, Song Zhao-Hui, Sun Hong, Sun Kang, Sun Xiao-Yang, Sun Zhi-Jia, Tan Zhi-Xin, Tang Hong-Qing, Tang Jing-Yu, Tang Xin-Yi, Tian Bin-Bin, Wang Li-Jiao, Wang Peng-Cheng, Wang Qi, Wang Tao-Feng, Wen Jie, Wen Zhong-Wei, Wu Qing-Biao, Wu Xiao-Guang, Wu Xuan, Yang Yi-Wei, Yi Han, Yu Li, Yu Yong-Ji, Zhang Guo-Hui, Zhang Lin-Hao, Zhang Xian-Peng, Zhang Yu-Liang, Zhang Zhi-Yong, Zhao Yu-Bin, Zhou Lu-Ping, Zhou Zu-Ying, Zhu Dan-Yang, Zhu Ke-Jun, Zhu Peng, Zhu Xing-Hua
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  • 中子俘获反应截面数据在核天体物理研究、先进核能开发中具有非常重要的应用, 由于缺乏合适的白光中子源和探测装置, 国内在keV能区(1 eV—100 keV)中子俘获反应截面的实验数据几乎是空白. 中国原子能科学研究院核数据重点实验室建造了国内第一台γ全吸收型探测装置, 由40块BaF2探测器单元组成厚度为15 cm, 内半径为10 cm的BaF2晶体球壳, 共覆盖了95.2%的立体角. 利用升级后的装置在中国散裂中子源的反角白光中子源上建立了中子俘获反应截面在线测量技术. 在不规则的ϕ30 mm中子束斑的实验条件下, 完成首次197Au中子俘获反应截面的在线测量, 利用加和能谱和多重数分布扣除本底, 反演飞行时间谱得到keV能区197Au中子俘获反应截面的实验数据. 通过与ENDF评价数据库相关数据的比较, 共振峰位置能够很好地吻合, 从而验证了测量装置和测量技术的可靠性, 为下一步高精度截面数据的获取奠定基础.
    The data of neutron capture cross section are very important for the research of nuclear astrophysics, advanced nuclear energy development. Owing to the limitation of neutron source and detector, the experimental data of neutron capture cross section in an energy range of 1 eV–10 keV were almost blank in China. The first Chinese gamma-ray total absorption facility has been constructed in the key laboratory of nuclear data at China institute of atomic energy, which consists of 40 BaF2 detector units. The BaF2 crystal shell with a thickness of 15 cm and an inner radius of 10 cm covers 95.2% of the solid angle. On-line measurement method of neutron capture reaction cross section is established on the back-streaming white neutron source of China spallation neutron source by using the upgraded facility. The cross section of 197Au neutron capture reaction is measured for the first time under the experimental condition of irregular 30 mm neutron beam spot. The measured position of resonance peak is well consistent with the relevant data of ENDF evaluation database, which verifies the reliability of the measurement device and measurement technology, and thus laying the foundation for the acquisition of high precision cross section in future.
      通信作者: 栾广源, lgyciae@hotmail.com
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 11605294, 11675268, 11790321, 11975317)和国家重点研发计划((批准号: 2016YFA0401601) 资助的课题.
      Corresponding author: Luan Guang-Yuan, lgyciae@hotmail.com
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11605294, 11675268, 11790321, 11975317) and the National Key Research and Development Program of China (Grant No. 2016YFA0401601).
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  • 图 1  中子俘获反应测量原理

    Fig. 1.  Measurement principle of neutron capture reaction.

    图 2  CSNS反角白光中子源布局

    Fig. 2.  Arrangement of Back-n at CSNS.

    图 3  实验测得的实验厅2的中子束流能谱

    Fig. 3.  Experimental result of neutron energy spectrum at End-station 2.

    图 4  中子束斑剖面及其在水平和垂直方向的分布

    Fig. 4.  Neutron beam profile and distribution in horizontal and vertical directions.

    图 5  (a) BaF2探测器单元; (b) GTAF-II谱仪

    Fig. 5.  (a) BaF2 detector unit; (b) GTAF-II spectrometer.

    图 6  BaF2探测器单元探测到的信号波形

    Fig. 6.  Signal waveform detected by BaF2 detector.

    图 7  GTAF-II谱仪电子学电路图

    Fig. 7.  Electronic diagram of GTAF-II spectrometer.

    图 8  过阈触发原理示意图

    Fig. 8.  Schematic diagram of over threshold trigger.

    图 9  (a)飞行时间谱的比较; (b)加和能谱的比较

    Fig. 9.  (a) Comparison of time-of-flight spectrum; (b) comparison of sum energy spectrum.

    图 10  晶体多重数的比较

    Fig. 10.  Comparison of crystal multiplicity.

    图 11  197Au中子俘获反应截面的实验结果

    Fig. 11.  Experimental results of neutron capture cross section of 197Au.

    表 1  不同准直器孔径下实验厅2中子束斑尺寸的模拟结果

    Table 1.  Simulation result of neutron beam spot size at End-station 2 with different collimator aperture.

    中子束斑
    尺寸
    中子开关
    孔径
    准直器1#
    孔径
    准直器2#
    孔径
    ϕ30 mmϕ12 mmϕ15 mmϕ40 mm
    ϕ60 mmϕ50 mmϕ50 mmϕ58 mm
    90 mm × 90 mm78 mm × 62 mm76 mm × 76 mm90 mm × 90 mm
    下载: 导出CSV

    表 2  实验样品参数

    Table 2.  The characteristics of experimental samples.

    样品密度/(g·cm–3)直径/mm厚度/mm纯度/%
    197Au19.32250.299.99
    natC2.2525199.99
    下载: 导出CSV
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    [6] 蒋伟, 江浩雨, 易晗, 樊瑞睿, 崔增琪, 孙康, 张国辉, 唐靖宇, 孙志嘉, 宁常军, 高可庆, 安琪, 白怀勇, 鲍杰, 鲍煜, 曹平, 陈昊磊, 陈琪萍, 陈永浩, 陈裕凯, 陈朕, 封常青, 顾旻皓, 韩长材, 韩子杰, 贺国珠, 何泳成, 洪杨, 黄翰雄, 黄蔚玲, 黄锡汝, 季筱璐, 吉旭阳, 姜智杰, 敬罕涛, 康玲, 康明涛, 李波, 李超, 李嘉雯, 李论, 李强, 李晓, 李样, 刘荣, 刘树彬, 刘星言, 栾广源, 穆奇丽, 齐斌斌, 任杰, 任智洲, 阮锡超, 宋朝晖, 宋英鹏, 孙虹, 孙晓阳, 谭志新, 唐洪庆, 唐新懿, 田斌斌, 王丽娇, 王鹏程, 王琦, 王涛峰, 王朝辉, 文杰, 温中伟, 吴青彪, 吴晓光, 吴煊, 解立坤, 羊奕伟, 于莉, 余滔, 于永积, 张林浩, 张奇玮, 张显鹏, 张玉亮, 张志永, 赵豫斌, 周路平, 周祖英, 朱丹阳, 朱科军, 朱鹏, CSNS Back-n合作组 . 基于反角白光中子源次级质子的探测器标定. 物理学报, 2021, 70(8): 082901. doi: 10.7498/aps.70.20201823
    [7] 任杰, 阮锡超, 陈永浩, 蒋伟, 鲍杰, 栾广源, 张奇玮, 黄翰雄, 王朝辉, 安琪, 白怀勇, 鲍煜, 曹平, 陈昊磊, 陈琪萍, 陈裕凯, 陈朕, 崔增琪, 樊瑞睿, 封常青, 高可庆, 顾旻皓, 韩长材, 韩子杰, 贺国珠, 何泳成, 洪杨, 黄蔚玲, 黄锡汝, 季筱璐, 吉旭阳, 江浩雨, 姜智杰, 敬罕涛, 康玲, 康明涛, 李波, 李超, 李嘉雯, 李论, 李强, 李晓, 李样, 刘荣, 刘树彬, 刘星言, 穆奇丽, 宁常军, 齐斌斌, 任智洲, 宋英鹏, 宋朝晖, 孙虹, 孙康, 孙晓阳, 孙志嘉, 谭志新, 唐洪庆, 唐靖宇, 唐新懿, 田斌斌, 王丽娇, 王鹏程, 王琦, 王涛峰, 文杰, 温中伟, 吴青彪, 吴晓光, 吴煊, 解立坤, 羊奕伟, 易晗, 于莉, 余滔, 于永积, 张国辉, 张林浩, 张显鹏, 张玉亮, 张志永, 赵豫斌, 周路平, 周祖英, 朱丹阳, 朱科军, 朱鹏. 中国散裂中子源反角白光中子源束内伽马射线研究. 物理学报, 2020, 69(17): 172901. doi: 10.7498/aps.69.20200718
    [8] 王勋, 张凤祁, 陈伟, 郭晓强, 丁李利, 罗尹虹. 基于中国散裂中子源的商用静态随机存取存储器中子单粒子效应实验研究. 物理学报, 2020, 69(16): 162901. doi: 10.7498/aps.69.20200265
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    [10] 鲍杰, 陈永浩, 张显鹏, 栾广源, 任杰, 王琦, 阮锡超, 张凯, 安琪, 白怀勇, 曹平, 陈琪萍, 程品晶, 崔增琪, 樊瑞睿, 封常青, 顾旻皓, 郭凤琴, 韩长材, 韩子杰, 贺国珠, 何泳成, 何越峰, 黄翰雄, 黄蔚玲, 黄锡汝, 季筱路, 吉旭阳, 江浩雨, 蒋伟, 敬罕涛, 康玲, 康明涛, 兰长林, 李波, 李论, 李强, 李晓, 李阳, 李样, 刘荣, 刘树彬, 刘星言, 马应林, 宁常军, 聂阳波, 齐斌斌, 宋朝晖, 孙虹, 孙晓阳, 孙志嘉, 谭志新, 唐洪庆, 唐靖宇, 王鹏程, 王涛峰, 王艳凤, 王朝辉, 王征, 文杰, 温中伟, 吴青彪, 吴晓光, 吴煊, 解立坤, 羊奕伟, 杨毅, 易晗, 于莉, 余滔, 于永积, 张国辉, 张旌, 张林浩, 张利英, 张清民, 张奇伟, 张玉亮, 张志永, 赵映潭, 周良, 周祖英, 朱丹阳, 朱科军, 朱鹏. 更正:中国散裂中子源反角白光中子束流参数的初步测量. 物理学报, 2019, 68(10): 109901. doi: 10.7498/aps.68.109901
    [11] 胡志良, 杨卫涛, 李永宏, 李洋, 贺朝会, 王松林, 周斌, 于全芝, 何欢, 谢飞, 白雨蓉, 梁天骄. 应用中国散裂中子源9号束线端研究65 nm微控制器大气中子单粒子效应. 物理学报, 2019, 68(23): 238502. doi: 10.7498/aps.68.20191196
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    [13] 鲍杰, 陈永浩, 张显鹏, 栾广源, 任杰, 王琦, 阮锡超, 张凯, 安琪, 白怀勇, 曹平, 陈琪萍, 程品晶, 崔增琪, 樊瑞睿, 封常青, 顾旻皓, 郭凤琴, 韩长材, 韩子杰, 贺国珠, 何泳成, 何越峰, 黄翰雄, 黄蔚玲, 黄锡汝, 季筱路, 吉旭阳, 江浩雨, 蒋伟, 敬罕涛, 康玲, 康明涛, 兰长林, 李波, 李论, 李强, 李晓, 李阳, 李样, 刘荣, 刘树彬, 刘星言, 马应林, 宁常军, 聂阳波, 齐斌斌, 宋朝晖, 孙虹, 孙晓阳, 孙志嘉, 谭志新, 唐洪庆, 唐靖宇, 王鹏程, 王涛峰, 王艳凤, 王朝辉, 王征, 文杰, 温中伟, 吴青彪, 吴晓光, 吴煊, 解立坤, 羊奕伟, 杨毅, 易晗, 于莉, 余滔, 于永积, 张国辉, 张旌, 张林浩, 张利英, 张清民, 张奇伟, 张玉亮, 张志永, 赵映潭, 周良, 周祖英, 朱丹阳, 朱科军, 朱鹏. 中国散裂中子源反角白光中子束流参数的初步测量. 物理学报, 2019, 68(8): 080101. doi: 10.7498/aps.68.20182191
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-04-19
  • 修回日期:  2021-07-05
  • 上网日期:  2021-08-16
  • 刊出日期:  2021-11-20

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