不同厚度镥样品中子俘获反应实验研究

王德鑫; 张苏雅拉吐; 蒋伟; 任杰; 王金成; 唐靖宇; 阮锡超; 王宏伟; 陈志强; 黄美容; 唐鑫; 胡新荣; 李鑫祥; 刘龙祥; 刘丙岩; 孙慧; 张岳; 郝子锐; 宋娜; 李雪; 牛丹丹; 利国; 蒙古夫

doi:10.7498/aps.71.20212051

摘要

C₆D₆闪烁体探测系统结合脉冲权重技术被广泛应用于中子俘获反应截面测量研究. 实验中采用的样品厚度直接影响中子束流时间, 同时也影响实验数据的可靠性. 本文基于中国散裂中子源反角白光束线(CSNS Back-n) C₆D₆探测系统, 对比研究了不同厚度的镥(Lu)样品中子俘获反应截面的实验测量. 利用GEANT4蒙特卡罗程序模拟了考虑样品厚度的探测系统光响应, 计算出精确的脉冲权重函数. 实验中, 通过采用较长中子飞行距离和本底测量, 得到了高精度的共振区产额分布. 通过R矩阵理论分析产额分布, 得到了相应的实验共振参数. 结果发现, 较厚Lu样品因其厚度效应导致共振曲线发生变化, 实验共振参数与ENDF/B-VIII.0评价数据库差距较大; 然而, 较薄Lu样品实验结果能够很好地再现ENDF/B-VIII.0评价数据.

关键词:

Abstract

The C₆D₆ detection system coupling with the pulse height weighting technique is widely used for experimentally measuring the neutron capture cross section. The thickness of sample used in the experiment directly affects the neutron beam time and the reliability of the experimental data. In the present work, we compare the lutetium (Lu) neutron capture reaction cross sections among the samles with different thickness, obtained by the C₆D₆ detection system of the back-streaming white neutron beam line at China spallation Neutron Source (CSNS back-n). The light response of the detection system is simulated with the consideration of the sample thickness by GEANT4 Monte Carlo simulation code. The 4^th order polynomial pulse weight functions for different samples are determined by using the above light response function. In the experiment, the high precision capture yield distributions in the resonance energy region are obtained by measuring the longer flight distance and background. The experimental resonance parameters are deduced by analyzing the capture yield distribution with the R-matrix theory. The comparisons of the results of capture yield and the resonance parameters between the two groups show that the resonance curve of 1.06mm ^natLu sample changes due to its thickness effect, and there is a large difference between the experimental resonance parameters and ENDF/B-VIII.0 database. However, the experimental results of 0.207mm ^natLu sample can well accord with the ENDF/B-VIII. 0 data.

Keywords:

作者及机构信息

1.
内蒙古民族大学数理学院, 通辽　028000

2.
内蒙古民族大学核物理研究所, 通辽　028000

3.
中国科学院高能物理研究所, 北京　100049

4.
散裂中子源科学中心，东莞　523803

5.
中国原子能科学研究院核数据重点实验室, 北京　102413

6.
中国科学院上海应用物理研究所, 上海　201800

7.
中国科学院近代物理研究所, 兰州　730000

通信作者: 张苏雅拉吐, zsylt@imun.edu.cn

基金项目: 内蒙古自然科学基金(批准号: 2019JQ01, 2018MS01009)和国家自然科学基金(批准号: U2032146, 11865010, 11765014, 11605097)资助的课题

Authors and contacts

1.
College of Mathematics and Physics, Inner Mongolia Minzu University, Tongliao 028000, China

2.
Institute of Nuclear Physics, Inner Mongolia Minzu University, Tongliao 028000, China

3.
Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

4.
Spallation Neutron Source Science Center, Dongguan 523803, China

5.
Key Laboratory of Nuclear Data, China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413, China

6.
Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China

7.
Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China

Corresponding author: Zhang Su-Ya-La-Tu, zsylt@imun.edu.cn

Funds: Project supported by the Natural Science Foundation of Inner Mongolia, China (Grant Nos. 2019JQ01, 2018MS01009) and the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. U2032146, 11865010, 11765014, 11605097)

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施引文献

图 1 C₆D₆ 探测器实验光输出谱与模拟谱的比较

Fig. 1. Comparison of C₆D₆ detector light output and Geant4 simulation results.

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图 2 C₆D₆ 探测器的能量刻度结果

Fig. 2. Energy calibration of C₆D₆ detector.

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图 3 (a) γ光输出谱; (b)权重函数; (c)原始探测效率曲线; (d)权重后的探测效率曲线

Fig. 3. (a) Light output spectra; (b) weight function; (c) original detection efficiency; (d) weighted detection efficiency.

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图 4 权重计数谱对比, 黑线、绿线和红线分别表示Au靶、空靶和空靶归一到小于0.3 eV能区Au靶的权重计数谱

Fig. 4. Comparisons of weighted counts spectrum. Black, green and red lines indicate the spectrum of Au target, empty target and normalized empty target as Au target below 0.3 eV energy region, respectively.

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图 5 (a)本底形状分析; (b) ^natLu靶加吸收片的权重计数谱

Fig. 5. (a) Background shape analysis; (b) weighted counting spectrum of ^natLu with filters.

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图 6 不同厚度^natLu靶的中子俘获产额比较和SAMMY拟合结果

Fig. 6. Comparison of capture yield with SAMMY fits of ^natLu targets with different thicknesses.

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图 7 1.25—1.85 eV范围内 ^natLu中子俘获产额分布, 其中, 黑色实心点为实验数据、红色实线为SAMMY拟合结果、绿色实线为ENDF/ B-VIII.0评价数据的SAMMY计算. 图(a)和(b)分别为0.207和1.06 mm厚的^natLu结果

Fig. 7. Neutron capture yield of ^natLu. Black solid circles indicate the experimental data, red and green lines indicate SAMMY fit of experimental data and SAMMY calculations of ENDF/B-VIII.0 evaluation data from 1.25 eV to 1.85 eV. Panel (a) and panel (b) show 0.207 and 1.06 mm thickness of ^natLu, respectively.

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图 8 1.85—6.5 eV范围内^natLu中子俘获产额分布, 其中, 黑色实心点为实验数据、红色实线为SAMMY拟合结果、绿色实线为ENDF/ B-VIII.0评价数据的SAMMY计算. 图(a)和(b)分别为0.207和1.06 mm厚的^natLu结果. 红色、粉色和蓝色箭头分别表示¹⁷⁵Lu, ¹⁷⁶Lu和 ¹⁸¹Ta的共振能量

Fig. 8. Neutron capture yield of ^natLu. Black solid circles indicate the experimental data, red and green lines indicate SAMMY fit of experimental data and SAMMY calculations of ENDF/B-VIII.0 evaluation data from 1.85 eV to 6.5 eV. Panel (a) and panel (b) show 0.207 and 1.06 mm thickness of ^natLu, respectively. Red, pink, and blue arrows indicate the energies of the ¹⁷⁵Lu, ¹⁷⁶Lu, and ¹⁸¹Ta resonances, respective.

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图 9 不同厚度^natLu靶的共振因子比例及其高斯函数拟合结果

Fig. 9. Resonance kernel ratio and its gaussian function fitting of ^natLu targets with different thicknesses.

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表 1 实验样品信息

Table 1. Sample information.

靶	厚度/mm	直径/mm	质量/mg	面密度/(atom·b^–1)
^natLu	1.06	30	7373.11	3.58820 × 10^–3
^natLu	0.207	30	1439.84	7.00715 × 10^–4
¹⁹⁷Au	0.1	30	1357.17	5.86721 × 10^–4
^natPb	0.53	30	4249.75	1.74678 × 10^–3
⁵⁹Co	0.4	80	17894.51	3.63240 × 10^–3
^natAg	0.4	80	21091.40	2.34173 × 10^–3

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表 2 本实验结果与ENDF/B-VIII.0数据库及Noguere等^[23]的共振因子对比

Table 2. Comparisons of resonance kernels of present experiment, ENDF/B-VIII.0 libraries and Noguere et al.^[23].

E_R/eV	Element	I	J	g	ENDF/B-III.0 $ {R}_{\rm{k}} $	^natLu-0.207 mm $ {R}_{\rm{k}} $	^natLu-1.06 mm $ {R}_{\rm{k}} $	Noguere-2019^[23] $ {R}_{\rm{k}} $
1.56	¹⁷⁶Lu	7.0	7.5	0.53	0.252	0.257 ± 0.005	0.242 ± 0.002	—
2.59	¹⁷⁵Lu	3.5	4.0	0.56	0.100	0.111 ± 0.004	0.073 ± 0.006	0.117 ± 0.005
4.28	¹⁸¹Ta	3.5	4.0	0.56	2.034	2.821 ± 0.004	0.647 ± 0.003	—
4.75	¹⁷⁵Lu	3.5	4.0	0.56	0.145	0.167 ± 0.005	0.104 ± 0.002	0.167 ± 0.006
5.22	¹⁷⁵Lu	3.5	3.0	0.44	0.690	0.730 ± 0.004	0.735 ± 0.007	0.732 ± 0.017
6.13	¹⁷⁶Lu	7.0	7.5	0.53	0.709	0.792 ± 0.012	0.807 ± 0.016	—

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[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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