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基于中国散裂中子源反角白光中子束线的天然锂中子全截面测量

张江林 姜炳 陈永浩 郭子安 王小鹤 蒋伟 易晗 韩建龙 胡继峰 唐靖宇 陈金根 蔡翔舟

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基于中国散裂中子源反角白光中子束线的天然锂中子全截面测量

张江林, 姜炳, 陈永浩, 郭子安, 王小鹤, 蒋伟, 易晗, 韩建龙, 胡继峰, 唐靖宇, 陈金根, 蔡翔舟

Measurement of total neutron cross section of natural lithium at China Spallation Neutron Source Back-n facility

Zhang Jiang-Lin, Jiang Bing, Chen Yong-Hao, Guo Zi-An, Wang Xiao-He, Jiang Wei, Yi Han, Han Jian-Long, Hu Ji-Feng, Tang Jing-Yu, Chen Jin-Gen, Cai Xiang-Zhou
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  • 锂是熔盐堆燃料载体盐的主要材料之一, 其中子核反应截面数据是熔盐堆芯中子物理设计及堆芯长期安全运行中的重要基础数据. 本工作基于中国散裂中子源反角白光中子束线(CSNS Back-n)飞行时间谱仪, 利用中子全截面测量谱仪(NTOX), 采用透射法测量了天然锂中子全截面. 实验中, 中子飞行距离约为76.0 m, 采用15.0 mm和8.00 mm两种厚度的天然锂金属样品, 在0.4 eV—20 MeV中子能量范围内测得了统计计数较好的中子全截面. 特别是在keV及以下能区增补了实验数据, 为锂的核数据评价工作提供了更加丰富和可靠的实验数据. 在此基础上, 采用1/v律和R矩阵理论对MeV以下能区的新测量数据进行了理论分析, 获得了7Li和6Li在260 keV能量附近的中子共振参数.
    Lithium is one of the main materials of fuel carrier salt in molten salt reactors. Its neutron cross section provides an important basic datum for physical design of molten salt reactor core and for evaluating the safety of the core during operation. The total neutron cross sections of natural lithium samples with thickness values of 8.00 mm and 15.0 mm are measured, respectively, in an energy range from 0.4 eV to 20 MeV by using a neutron total cross section spectrometer (NTOX) with the transmission method at the Back-n white neutron source of China Spallation Neutron Source (CSNS Back-n) with a 76.0 m time-of-flight path. High quality experimental data are obtained, especially in the energy region of keV and below, which supply a significative supplement of the data, thereby providing more abundant and reliable experimental data for nuclear data evaluation of lithium. Additionally, a theoretical analysis is carried out under the guidance of 1/v law and the multilevel R-matrix theory. And the resonance parameters of n+6,7Li reaction around the energy of 260 keV are extracted from the measured data.
      通信作者: 韩建龙, hanjianlong@sinap.ac.cn ; 胡继峰, hujifeng@sinap.ac.cn
    • 基金项目: 中国科学院战略性先导科技专项(批准号: XDA02010000)、中国科学院前沿科学重点研究项目(批准号: QYZDY-SSW-JSC016)和国家自然科学基金重大项目(批准号: 11790321)资助的课题.
      Corresponding author: Han Jian-Long, hanjianlong@sinap.ac.cn ; Hu Ji-Feng, hujifeng@sinap.ac.cn
    • Funds: Project supported by the Chinese TMSR Strategic Pioneer Science and Technology Project (Grant No. XDA02010000), the Frontier Science Key Program of Chinese Academy of Sciences (Grant No. QYZDY-SSW-JSC016), and the Major Program of the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 11790321).
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  • 图 1  实验布局示意图

    Fig. 1.  Schematic drawing of the layout of the measurement.

    图 2  第一层235U裂变层时间-幅度二维谱 (a) 无束流空靶; (b) 有束流空靶

    Fig. 2.  Amplitude-energy distribution in the first 235U cell: (a) Empty target without beam; (b) empty target with beam.

    图 3  裂变室输出的时间信号示例

    Fig. 3.  Signal of flight time in the fission chamber.

    图 4  裂变层第1层235U共振裂变峰的高斯拟合

    Fig. 4.  Gaussian fit of the resonance peaks in the first 235U cell.

    图 5  裂变室测得的归一后的中子能谱

    Fig. 5.  Normalized neutron energy spectrum measured by the fission chamber.

    图 6  测得的天然锂样品的中子透射率

    Fig. 6.  Measured transmission of the natural lithium samples.

    图 7  实验测得的天然锂中子全截面数据与IRDFF评价数据库中的数据 (1 b = 10–28 m2)

    Fig. 7.  The measured neutron total cross section of the natural lithium and the data from IRDFF (1 b = 10–28 m2).

    图 8  1/v律拟合天然锂在0.4 eV—0.1 MeV中子能区全截面测量结果

    Fig. 8.  Fitting results of the measured neutron total cross section of the natural lithium with 1/v law in the energy range of neutron from 0.4 eV to 0.1 MeV.

    图 9  R矩阵理论拟合15.0 mm样品靶中子透射率结果

    Fig. 9.  R-matrix analysis of the measured transmission of 15.0 mm natural lithium sample.

    表 1  裂变层第1层235U共振峰高斯拟合峰值结果

    Table 1.  Parameters of the Gaussian fit of the resonance peaks of the first 235U.

    共振峰/eV裂变峰中心值对应的
    信号输出时间 $ T_{\rm ff}^* $/ns
    TOF/ns
    8.771892730 ± 341893569
    12.401592672 ± 561593511
    19.31276160 ± 461276999
    注: *对应的误差为高斯拟合的误差, 即标准差.
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    表 2  Li同位素中子核反应共振参数

    Table 2.  Resonance parameters of neutron reaction for 7Li and 6Li.

    IsotopeJ$^{\text{π }}$$ \ell $ReferenceEres/keVΓγ/eVΓn/eVΓα/eV
    7Li3+1Ajzenberg-Selove [23]261.20.07 ± 0.0336.5
    Tilley[24]254 ± 30.07 ± 0.0331 ± 7
    TENDL[25]2590.1232
    本工作261.560.0734.44
    6Li${\dfrac{5}{2}^ - }$1Willaid [26]2558243
    Tilley[27]26211836
    TENDL [25]25492
    本工作255.50110.3031.53
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    [11] 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
    [12] 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
    [13] 王勋, 张凤祁, 陈伟, 郭晓强, 丁李利, 罗尹虹. 中国散裂中子源在大气中子单粒子效应研究中的应用评估. 物理学报, 2019, 68(5): 052901. doi: 10.7498/aps.68.20181843
    [14] 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
    [15] 温志文, 祁辉荣, 张余炼, 王海云, 刘凌, 王艳凤, 张建, 李玉红, 孙志嘉. 用于中国散裂中子源多功能反射谱仪的高气压多丝正比室探测器的研制. 物理学报, 2018, 67(7): 072901. doi: 10.7498/aps.67.20172618
    [16] 唐彬, 曹超, 尹伟, 孙勇, 刘斌. 样品转动方式对中子全息成像结果的影响. 物理学报, 2015, 64(24): 242801. doi: 10.7498/aps.64.242801
    [17] 沈飞, 梁泰然, 殷雯, 于全芝, 左太森, 姚泽恩, 朱涛, 梁天骄. 中国散裂中子源多功能反射谱仪屏蔽设计. 物理学报, 2014, 63(15): 152801. doi: 10.7498/aps.63.152801
    [18] 王胜, 邹宇斌, 温伟伟, 李航, 刘树全, 王浒, 陆元荣, 唐国有, 郭之虞. 基于小型加速器的编码中子源成像研究. 物理学报, 2013, 62(12): 122801. doi: 10.7498/aps.62.122801
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-09-05
  • 修回日期:  2021-10-31
  • 上网日期:  2022-02-26
  • 刊出日期:  2022-03-05

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