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

doi:10.7498/aps.70.20210742

摘要

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.

关键词:

Abstract

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.

Keywords:

作者及机构信息

1.
中国原子能科学研究院核数据重点实验室，北京　102413

2.
中国科学院高能物理研究所，北京　100049

3.
散裂中子源科学中心，东莞　523803

4.
核探测与核电子学国家重点实验室，北京　100049，合肥　230026

5.
中国科学技术大学近代物理系，合肥　230026

6.
北京大学物理学院，核物理与核技术国家重点实验室，北京　100871

7.
中国工程物理研究院核物理与化学研究所，绵阳　621900

8.
西北核技术研究院，西安　710024

9.
中国科学院大学，北京　100049

10.
中国科学技术大学工程与应用物理系，合肥　230026

11.
北京航空航天大学物理学院，北京　100083

12.
华能山东石岛湾核电有限公司，荣成 264312

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.

Authors and contacts

1.
Key Laboratory of Nuclear Data, China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413, China

2.
Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences (CAS), Beijing 100049, China

3.
Spallation Neutron Source Science Center, Dongguan 523803, China

4.
State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics, Beijing 100049, Hefei 230026, China

5.
Department of Modern Physics, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China

6.
State Key Laboratory of Nuclear Physics and Technology, School of Physics, Peking University, Beijing 100871, China

7.
Institute of Nuclear Physics and Chemistry, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China

8.
Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi’an 710024, China

9.
University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

10.
Department of Engineering and Applied Physics, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China

11.
School of Physics, Beihang University, Beijing 100083, China

12.
Huaneng Shandong Shidao Bay Nuclear Power Co.Ltd, Rongcheng 264312, China

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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施引文献

图 1 中子俘获反应测量原理

Fig. 1. Measurement principle of neutron capture reaction.

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图 2 CSNS反角白光中子源布局

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

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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.

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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.

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图 5 (a) BaF₂探测器单元; (b) GTAF-II谱仪

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

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图 6 BaF₂探测器单元探测到的信号波形

Fig. 6. Signal waveform detected by BaF₂ detector.

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图 7 GTAF-II谱仪电子学电路图

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

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图 8 过阈触发原理示意图

Fig. 8. Schematic diagram of over threshold trigger.

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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.

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图 10 晶体多重数的比较

Fig. 10. Comparison of crystal multiplicity.

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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.

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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 mm ϕ12 mm ϕ15 mm ϕ40 mm
ϕ60 mm ϕ50 mm ϕ50 mm ϕ58 mm
90 mm × 90 mm 78 mm × 62 mm 76 mm × 76 mm 90 mm × 90 mm

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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/%

¹⁹⁷Au 19.32 25 0.2 99.99
^natC 2.25 25 1 99.99

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[8]	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
[9]	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
[10]	詹霞, JoeKelleher, 高建波, 马艳玲, 初铭强, 张书彦, 张鹏, SanjooramPaddea, 贡志锋, 侯晓东. 英国散裂中子源工程材料原位加载衍射实验高温样品环境优化设计. 物理学报, 2019, 68(13): 132901. doi: 10.7498/aps.68.20182295
[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]	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
[17]	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
[18]	于全芝, 殷雯, 梁天骄. 中国散裂中子源靶站重要部件的辐照损伤计算与分析. 物理学报, 2011, 60(5): 052501. doi: 10.7498/aps.60.052501
[19]	姚立山, 靳玉玲, 蔡敦九. 14MeV中子(n,T)与(n,3He)反应截面的系统学研究. 物理学报, 1993, 42(1): 17-24. doi: 10.7498/aps.42.17
[20]	傅德基, 蔡廷璜, 夏克定. Th²³²与U²³⁸中子俘获截面的计算. 物理学报, 1974, 23(3): 52-60. doi: 10.7498/aps.23.52-2

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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