介质内低能区中子能谱测量技术

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    在核工程设计中遇到的一些关键技术和问题需依靠中子基准实验进行研究。中子场效应实验技术是其中重要的实验室模拟手段之一，可为实验研究核装置中子物理规律和校验中子学计算程序与参数打基础。深入研究低能区中子能谱测量技术，可提供宽能区且精度高的实验数据，可以验证中子在相关材料中的输运特性，为中子场效应实验技术研究提供支持。

1  原理

中子能谱的测量通常采用飞行时间法或反冲质子法。中子在介质内输运，能谱测量无法用飞行时间实现。实验室D-T中子与核装置材料作用后产生大量的次级中子和瞬发γ射线，中子探测系统需具备γ射线的甄别功能。而闪烁探测器测量0.5 MeV以下的中子能谱时γ射线甄别效果不佳。含氢正比计数管体积小，对介质内中子场产生影响相对闪烁体探测器较小，γ射线在管中效率低，沉积能量小，有利于强γ环境下的低能中子测量，用不同气压的计数管可以实现介质内低能区中子能谱测量。

含氢管测量中子的原理也是基于反冲质子法，即中子与含氢管中的氢核发生弹性碰撞，将能量全部或部分传递给氢核，氢核具有电荷，在管中发生电离被记录，大量连续能量的中子反冲氢核形成质子谱。反冲谱实际上是各种能量的中子在含氢管中的响应对该能量的中子通量的加权叠加，获取单能中子的响应后即可求解出在不同能量处中子通量的权值，即中子能谱。

2  γ射线的影响和测量系统建立

γ射线在含氢管中产生计数主要是由于γ射线与计数管管壁作用产生的次级电子被记录导致的，其能量沉积很小，实验表明γ射线在10⁶ Pa气压的含氢管中的能量沉积在0.15 MeV以下不能忽略，在5′10⁵ Pa气压的含氢管的沉积能量在0.1 MeV以下不能忽略。因此，0.2~1 MeV中子能区可以用10⁶ Pa气压含氢管测量，而0.05~0.4 MeV中子能区用5′10⁵ Pa气压含氢管测量，根据中子在含氢管中电荷收集的上升时间比γ射线快的特性，用上升时间法甄别质子谱中0.1 MeV以下的γ射线影响。测量系统如图1所示。

3  系统验证和结果分析

用建立的系统测量D-T中子与材料作用后的介质内中子能谱，并与计算相比较，可以验证技术的可行性。实验选在PD-300中子发生器大厅内开展，所用介质装置为贫化铀球。贫铀球壳共5层，每层分为上下半球，总体装置平均密度19 g/cm³，内半径为13.1 cm，外半径为28.5 cm。实验时贫化铀球心与氚靶靶心重合，含氢管探测器置于与氘束成45°方向的孔道内，孔道内侧有一个4 cm长的塞块。实验布局如图2所示。测量的反冲质子谱实验结果见图3。

单能中子在含氢管中的响应用geant4蒙卡程序计算获取：5′10⁵ Pa含氢管的能点为0.025~0.4 MeV，能量间隔为0.025 MeV。10⁶ Pa含氢管的能点为0.05~1 MeV，能量间隔为0.05 MeV。用这些响应求解图3的质子谱得到介质内中子能谱，实验不确定度为15%。与MCNP5结合ENDF/B-VI数据库模拟的介质内中子能谱作比较，如图4所示。由于能量高的中子份额较少，解方程时造成震荡导致中子能谱能量高的部分有较大的波动。10⁶ Pa含氢管的结果与计算比较有些偏差，体现在随能量变化的趋势上比计算衰减得快，分析原因可能是γ射线在150 keV以下的能量沉积影响了高能部分的解谱结果。整体上，实验结果和计算结果符合得比较好，进一步优化γ射线甄别和解谱技术后可以用于各种介质内中子能谱测量。