241Am(n,γ)242m,gAm反應實驗新方法研究.pdf

1、高精度的中子輻射俘獲截面是核反應理論研究、核天體物理學研究和核反應堆設計中的重要參數之一。然而，隨著核物理實驗研究的深入，人們面對的常常是小反應率、高本底、大γ射線多重性問題，使得精確測量中子輻射俘獲截面的核物理實驗越來越復雜。
　　在含Pu的核燃料中，總是存在一定量的Am、Cm等次錒系核素。在核能生產與核燃料循環(huán)中，241Am的中子輻射俘獲反應截面數據對乏燃料的管理和處置至關重要，人們迫切需要更高精度的241Am中子輻射俘獲反應

2、截面和可靠的242Am的m/g值。目前，文獻報道的241Am(n,γ)實驗測量數據以熱中子能點處的結果較多，數據的一致性不是很好，在其它能區(qū)的實驗數據也有幾家，主要集中在300keV以下，各家數據分歧也非常明顯。國際上的幾個主要中子評價數據庫中所給出的結果在1keV~10keV能區(qū)相差5~15％，300keV以上能區(qū)，因實驗測量數據非常少，各庫的評價結果偏差達50%，甚至更大。因此，利用近來發(fā)展的一些新探測器技術對241Am的中子輻射俘

3、獲反應截面進行實驗測量研究，進一步提高數據精度是非常有意義的。
　　活化法是測量中子輻射俘獲反應截面的一種常用方法，但是這種方法要求剩余核具有放射性，同時要求剩余核的半衰期必須適當，其測量結果依賴半衰期和衰變分支比數據等。對于241Am，目前的實驗數據除熱能點外，在其它能點因中子俘獲反應的截面小，難以采用活化法進行測量。瞬發(fā)γ射線法是通過直接測量剩余核退激發(fā)射的瞬發(fā)γ射線來測量中子輻射俘獲反應截面，它利用級聯(lián)γ的總能量為固定值這一

4、特點進行反應道鑒別，相比活化法這種方法具有更好的普適性。鑒于BaF2晶體具有快慢兩種發(fā)光成分、對γ射線探測效率較高、時間分辨率好、對中子敏感度低、不易潮解、易封裝等優(yōu)點。在本研究中將研究采用基于BaF2晶體的全吸收型探測器裝置（GTAF）測量241Am(n,γ)242m+gAm的反應總截面的可行性?？紤]到 CLOVER探測器具有良好的能量分辨本領，同時較常用的單塊HPGe晶體探測器具有更高的探測效率。因此，在本研究中提出采用8個CLOV

5、ER型的探測器組合來測量241Am(n,γ)242m/gAm的截面比m/g。
　　通過本論文的研究是想要回答以上方案的可行性問題，主要完成了以下幾方面的研究工作：
　?。?）選擇采用GEANT4作為模擬計算程序的開發(fā)平臺，建立了一個模擬計算程序（GTAFandCLOVER），該程序包含對中國原子能院在建的全吸收型探測器裝置（GTAF）和由8個CLOVER探測器組合而成的探測裝置幾何描述。
　?。?）為了解決目前版本的G

6、EANT4程序所自帶的中子數據庫不含原子序數z>92的核素截面數據問題，我們在加強對程序理解的基礎上，解決了模擬計算所需的241Am的中子輻射俘獲截面數據，同時重新制作了242Am的能級數據。編寫了一個數據格式轉換程序（ENDF2G4），可用于將ENDF格式的數據轉換成G4所需格式的數據，該程序也可適用其它核或其它來源于不同評價庫的中子數據。
　?。?）模擬計算得到采用GTAF裝置，對2MeV以下的單能γ射線的探測效率可達到90%

7、以上，對6MeV以下的單能γ射線，探測效率也能達到85%以上。整個GTAF探測裝置對12.5keV~100keV的中子吸收率低于10%，說明BaF2晶體具有中子靈敏度低的特點。中子在BaF2晶體中平均需要經過10多次散射才被俘獲，因此BaF2晶體俘獲散射中子的時間要比樣品俘獲中子的時間滯后很多。模擬計算發(fā)現理論的γ多重數分布與利用GTAF測量到的多重數（也即晶體多重數）是有差別的，不能簡單地把晶體多重數分布看作復合核退激的理論γ多重數分

8、布。本論文對時間無關性本底和時間相關性本底也作了簡要分析，本底的主要來源是樣品上的散射中子進入探測器和其周圍物質被俘獲后產生的γ射線本底。關于中子吸收體的選擇問題，計算結果表明6LiH的中子吸收效果最好。當用該裝置測量241Am(n,γ)242m+gAm的總截面，且總能譜的閾值設在2.5MeV時，用4cm6LiH會使效應計數損失約7.5%，用8cm6LiH時會使效應計數損失約12.2%。通過利用γ射線和α粒子在BaF2晶體中產生的信號其

9、快慢成分比差異，結合Flash ADC技術，可以較好地剔除BaF2晶體本身存在的α本底。為避免前一脈沖中由樣品散射中子引起的本底與后一個脈沖的效應疊在一起，加速器脈沖中子源的頻率應不超過250kHz。在實驗中，注意以上問題的解決，利用GTAF探測裝置對241Am(n,γ)242m+gAm反應總截面進行測量是可行的。
　?。?）模擬計算了CLOVER探測器與束流線之間的夾角θ對探測效率的影響情況，結果表明對1MeV的單能γ射線，θ角

10、越大，整個裝置的探測效率也越高。當θ角為80o，對應束流入口大小為12.4cm×12.4cm時，整個裝置的探測效率可達16%；對應束流入口大小為12.4cm×6.2cm時，探測效率可達21%。通過模擬計算在θ角為80o時，241Am(n,γ)反應后的γ總沉積能譜，從初步得到的模擬計算結果來看，效率確實很低，但基本還是可以在總能量譜上將5.537MeV（來自241Am(n,γ)242gAm）和5.489MeV（來自241Am(n,γ)24