2. 中国工程物理研究院
固体核径迹探测器是一种积分型探测器, 当带电粒子射入固体径迹探测器时, 在它们穿过的路径上产生辐射损伤, 这种辐射损伤称为潜伏径迹, 经化学试剂蚀刻后, 径迹直径达到几千埃, 可以在光学显微镜下看到。通过观测径迹的密度、深度等物理参数可以推知被探测粒子的种类、密度等相关性质[1]。因此固体核径迹探测器中起主要作用的是用一定探测材料做成的探测片。
但是, 固体核径迹探测器具有对弱电离辐射(如β射线、γ射线等)不灵敏的特性, 而中子是电中性, 当它通过探测片时不留下痕迹。因此必须考虑采用转换的方法, 将它转变成次级带电粒子, 或其他放射性核素才能被测量[2]。在此, 我们在固体核径迹中加装转换靶, 在靶上均匀镀上一层放射性核素235U或238U, 当中子入射到探测器内时, 首先与放射性核素发生碰撞, 使其发生裂变, 产生的裂变碎片再打到核径迹探测片上, 被记录下来, 由探测到的裂变碎片径迹数可以计算出中子的注量值。
1 SSNTD的设计和测量原理SSNTD(固体核径迹探测器solid state nuclear track detector)设计中的主要部件是裂变源和核径迹探测片。一个裂变源和一个探测片组成组合构成固体核径迹探测器的基本单元, 其结构如下图所示。
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图 1 固体核径迹探测器示意图 1.金属铝帽2.裂变源3.核径迹记录片4.金属镉片 |
实际设计过程中, 可以含有不止一个探测单元, 以分别测量不同能区中子注量。因为热中子测量需要通过镉上与镉下核径迹计数差来获得热中子核径迹计数, 金属镉具有良好的吸收热中子能力[3], 因此它需要两个探测单元; 而中能中子和裂变中子可以通过镉片后的探测单元来测量, 用两种不同的裂变核素可使核径迹探测片记录到不同数量的中能中子和裂变中子所产生的核径迹数, 通过解方程组可以分别获得中能中子和裂变中子注量。因此中能中子和裂变中子测量需要两个探测单元。实际加工设计中, 我们将用于测量热中子的镉下固体核径迹探测单元同时作为中能中子和裂变中子探测的单元之一。因此一个全能区中子谱的固体核径迹探测系统由三个探测单元组成, 探测器两端用金属铝支架支撑, 铝不影响中子射线的测量, 核径迹探测片为聚碳酸酯材料。
SSNTD结构示意图如下图所示, 在SSNTD的外部用金属镉包裹, 防止热中子由侧面进入探测器, 只在前端开口以供全能区中子进入探测器。
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图 2 SSNTD固体核径迹探测系统结构示意图 |
整个装置呈圆柱形, 直径为1.7 cm, 厚度约1 cm。中能中子和裂变中子注量也可由后两个核径迹片上的径迹数来通过解下述方程组获得[4]。热中子注量值也可由核径迹数通过相应公式算出:
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(1) |
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(2) |
式中:Ntrj, Ntrk -分别表示转换靶j(235U)、k(238U)所对应的探测片上的裂变径迹数, tr·cm-2; φe、φf -分别表示中能中子和裂变中子注量; σjie、σkif -分别表示转换靶j、k内第i种核素对中能中子和裂变中子的中子平均截面, 单位:10-24 cm2; lji, lki -分别表示转换靶j、k内第i种核素的质量厚度, g·cm-2; η-探测片对裂变径迹的探测效率, 4π; NA -阿伏加德罗常数。
2 SSNTD参数的确定热中子和裂变中子的平均裂变截面值可以通过文献检索获得。已有资料只提供了235U、238U对中能中子的裂变反应图谱, 平均裂变截面值必须自行计算。计算方法是:将整个能区内中能中子(0.4 eV~1.5 MeV)划分成7个能区, 用线性回归方法拟合出各能区截面与能量间函数关系, 再通过公式(3)计算平均裂变截面值[4]。
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(3) |
将0.4 eV~1.5 MeV分成7个能区, 各能区能量范围见表 1。在每一个能区内, 取5至6个有代表性的点读出其截面值和相应的能量值, 输入计算机拟合出二者之间的函数关系[5]。其中4、6、7能区的截面与能量关系图为直线, 截面函数为一定值。
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表 1 235U对1/E谱(0.4 eV~1.5MeV)中子的平均裂变截面计算结果 |
归一化常数κ计算:
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(4) |
同理计算了238U对1/E中子的平均裂变截面, 计算结果得:σ=3.19 ×10-3 cm2。其他参数如转换靶的质量厚度及探测效率由厂家提供, 实验后的核径迹数在光学显微镜下读出。
3 中子注量测量实验为验证上述SSNTD对中子注量的测量效果, 我们选择已知中子注量率的Am-Be中子源进行测量效果实验, 其中子注量率为2.20 ×107 n/s, 以中子源为中心, 分别在半径为9.50 cm和19 cm的圆弧上布放固体核径迹探测器, 布放情况如图。根据点源中子注量与距离平方成反比关系:N=N0/4 πr2, 可以计算出9.5 cm和19 cm两个距离处的中子注量理论值分别为:6. 83 ×1010 n/cm2·s和1.71 ×1010 n/cm2·s。见表 2。
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图 3 SSNTD在Am-Be中子源上布放示意图 |
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表 2 中子注量测量实验结果 |
探测器从2004年7月12日16:10布放并开始照射, 直至2004年8月26日14:55结束, 中间停止照射244 min, 总照射时间为:38 721 min=3.52 ×106s。
照射后的固体核径迹探测器取出核径迹片, 在6.5 MKOH溶液中蚀刻120 min, 蚀刻温度50℃(水浴加热), 晾干, 在光学显微镜下读数[6]。分别读出三个探测单元中核径迹片上的核径迹数, 最后的计算结果取平均值, 测量精度均在0.5%以内。
4 结论两个距离处的测量相对误差值均在10%以内, 证明固体核径迹方法可以准确地测量中子注量值。另外用固体核径迹探测器测量中子注量值时, 相对有机积分闪烁谱仪和ROSPEC旋转中子谱仪等中子探测仪器而言具有探测器体积小, 对被测中子场干扰小, 便于携带和安放的明显优点; 而且可测中子能区较宽, 同时核径迹片对于常与中子射线相伴的γ射线具有不灵敏特点, 也避免了中子测量中常发生的γ射线干扰问题。
| [1] |
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