CARR热中子能谱测量装置研制 及物理实验 报告人：余周香 中国原子能科学研究院中子散射实验室

报告目录 1.研究背景 2.热中子能谱测量装置研制 3.物理实验及VITESS模拟 4.总结与展望

报告目录 1.研究背景 2.热中子能谱测量装置研制 3.物理实验及VITESS模拟 4.总结与展望

中子散射：一束中子被样品散射后，通过测量其动量和能量的变化来研究在原子、分子尺度上各种物质的结构和微观运动规律。 k0, E0 k, E D S 中子散射实验示意图（S.样品；D.探测器） 国内开展中子散射研究的三大中子源 开展中子散射实验要求中子源的热中子注量率不小于1014n/cm2/s，并要有合适的中子能谱。 随着国内外对中子散射技术的需求日渐增高，我国政府已经认识到发展中子散射技术的重要意义，先后投资兴建了主要用于开展中子散射研究的中国先进研究堆和中国散裂中子源。 色散关系 晶格振动谱 声子态密度 声子谱 在材料科学、生命科学、纳米材料、凝聚态物理、化学与化工、能源及军工等领域应用广泛 中国先进研究堆(CARR) 中国散裂中子源(CSNS) 中国绵阳研究堆（CMRR）

+ 强中子源 中子散射谱仪 中子散射实验 选题背景：热中子能谱测量的作用及意义 CARR A B C1 D C2 E 反应堆物理大厅 冷中子导管大厅 低灵敏度探测器：热中子探测效率低 加探测器狭缝：尺寸可调，限制入射探测器中子数 选题背景：热中子能谱测量的作用及意义 中子能谱是中子束流的关键数据,为谱仪的模拟、设计及性能指标验证提供依据和参考 根据测得中子能谱求出平均反应截面是测量中子注量率的必要参数 检测中国先进研究堆冷中子源装置及冷中子导管的性能指标 反应堆物理理论计算的实验检验及改进

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物理需求 装置结构及关键参数选择 测量中子波长范围0.5～20Å （能量范围0.2 ～ 327.2meV） CNGA导管出口处VITESS模拟 加冷源 测量中子波长范围0.5～20Å （能量范围0.2 ～ 327.2meV） 波长分辨好于0.1Å(非严格要求) 装置结构及关键参数选择

机械斩波器狭缝尺寸：宽1mm，径向长2mm，与圆心距离130mm 限束狭缝尺寸：宽1mm 斩波器(chopper) 限束狭缝 飞行距离：1m 机械斩波器转速：5000r.p.m（7000） 周期：12mS 半周期：6mS 中子波长范围： 0.4～23.7Å 机械斩波器狭缝尺寸：宽1mm，径向长2mm，与圆心距离130mm 限束狭缝尺寸：宽1mm 镉能吸收掉能量小于0.5eV的热中子 限束狭缝镉片厚4mm机械斩波器镉片厚1.5mm

机械斩波器厚度对测量的影响（发现） ①不考虑chopper厚度 ②考虑chopper厚度（1.5mm） ③修正公式 脉冲束中子数： 14.69 脉冲束中子数： ③修正公式

装置探测系统设计：数据获取电子学选择 文献 ORTEC Product Catalog: Limitation for TAC application This will ensure that the number of suppressed pulses in the analyzed time range will be less than 0.5% of the number of accepted pulses on the respective input. This condition is adequate to ensure less than a 1% distortion of the time spectrum. unacceptable! TAC MCS (multichannel scaler) 一起一停 一起多停

参数设置 道宽：2.5 μs 分析道数：2200 周期：5.5ms （中子波长范围0.4～21.8Å） 探测系统电子学线路 甄别器1-BH1299N；甄别器2-BH1299A 参数设置 道宽：2.5 μs 分析道数：2200 周期：5.5ms （中子波长范围0.4～21.8Å） 多道时间分析器MCS(委托四川大学研制)

√ 装置探测系统设计：探测器计数率限制 根据泊松分布公式，实际计数率为m的脉冲在t时间内出现脉冲数为n的概率为 ①扩展型分辨时间 ②非扩展型分辨时间 m实际产生的脉冲计数率，n记录下来的脉冲计数率；漏计数率 计数/周期数/道宽；漏计数校正公式 将峰位漏计数率限制在5%，可得m<2000，峰展宽<2% 不同测量点不同工作条件中子通量跨度范围106～1011

波长分辨计算 措施：根据通量大小采用不同效率的探测器，探测器前加限束狭缝 机械斩波器狭缝与限束狭缝产生的分辨时间29.38us 机械斩波器狭缝的安装误差(0.5mm)产生的分辨时间14.69us 甄别器在甄别主放大器输出信号时产生的定时误差3us MCS道宽2.5us

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实验条件及数据处理 测量位置：CNGA末端 堆功率：15MW 冷源位置：轻水 chopper距离CNGA出口 ：3.7m 探测器：He3管 中子飞行距离：97cm

起始时间偏移(光电开关+MCS)75.03us 0.3 ～22.73Å 去本底 探测效率修正 斩波器厚度对测量影响修正 原始数据：飞行时间谱 起始时间偏移(光电开关+MCS)75.03us 0.3 ～22.73Å 去本底 探测效率修正 斩波器厚度对测量影响修正 峰位信噪比大于200，探测器计数率400n/s，中子通量估算8×106n/cm2/s，考虑镉片厚度影响8.47×106n/cm2/s，束流对中调节 3.7m流强是0m时的61%金箔活化法5.47×107n/cm2/s（时间不严格，值偏大），5.47×107× 61%=3.34×107，计算值8.47×106，相差3.94倍（束流对中安装误差，空气衰减） 光电开关触发时间触发的晚，晚了75.03us（里面含0.1us的MCS延时/晚），时间谱需向右偏移75.03us 气体探测器2.57636×10-5atm-1barn-1cm-1，1-exp(-1.52663643λ) L为洛喜密脱常数，P=10，g=1，

结果讨论及应用 wavelength distribution Energy spectrum 2.0823（6.27Å） Energy monitor 设置1.362（7.75Å） 15.047meV（2.3Å） 中子主要分布在1～4Ǻ波长区间，最可几波长在1.7Ǻ。红线为140K温度Vitess模拟的源出口处中子波长分布(麦克斯韦分布)。 能量范围2.0823～82meV，最可几能量15.047meV，平均能量

从评价核数据库ENDF/B查出Au-197反应截面，拟合出解析式，利用测得的中子能谱可计算出Au-197的平均反应截面 根据金箔活度测量结果可计算出中子通量的准确值

+ 源？ 导管？ 源 导管？ CNGA output with cold neutron source CNGA source/1.21Å + 源？ 导管？ 源 导管？ CNGA output with cold neutron source 反应堆物理理论计算(MCNP模拟源中子能谱) 提拉门处导管移开，测量提拉门处中子能谱 安装冷源后，再次测量CNGA output，评价冷源性能

output 8 17, 1248 2 2.5 1.2 moderator 以CNGA output处为源，将测量结果作为VITESS等模拟软件输入文件，用于谱仪模拟设计 利用测量结果反推CNGA source处数据作为VITESS等模拟软件输入文件，用于谱仪模拟设计

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总结与展望 研制出了中国先进研究堆上(CARR)直接测量热中子能谱的唯一实验装置，在前人设计基础上开展了一些创新研究（引入漏计数率计算指导装置探测系统设计，研究机械斩波器厚度对测量的影响） 开展了物理实验测量验证了装置的设计，并将结果应用于中子通量测量及谱仪模拟设计 结合CNGA源中子能谱MCNP模拟、测量提拉门处中子能谱给出实验结果的合理解释，评价CNGA导管性能并改进反应堆物理理论计算，评价冷源性能 测量CNGB出口处中子能谱，反推源处中子能谱，与CNGA测量结果作对比（相互验证） 尝试测量谱仪单色器的波长展宽和级次污染

谢谢！