基于γ全吸收型BaF_2探测装置的波形分析和定时方法研究

中国原子能科学研究院正在建造的γ全吸收型BaF2探测装置用于精确测量keV能区的中子俘获反应截面。本文应用FlashADC采集得到装置输出的脉冲信号,通过波形的面积积分获取60 Co和137 Cs源的能谱,并与传统电子学测量结果进行比较。结果表明,应用3种数字化波形分析方法(脉冲形状鉴别、基线补偿和时间窗限定)有效剔除了BaF2探测器自身固有的α粒子和电子学噪声的本底。采用多种定时方法研究了γ射线到达BaF2探测器的时刻,比较了时间分布谱的半高宽(FWHM),结果表明,恒比定时法和数字化恒比定时法更适用于在线实验。

基于Gamma全吸收型BaF_2探测装置的数据获取系统

为精确测量keV能区的中子俘获反应截面,研制了一套基于Gamma全吸收型BaF_2探测装置的数据获取系统。数据获取系统工作在Linux环境下,应用FlashADC采集探测器的脉冲信号。程序控制、数据存储、在线监控与分析程序基于Root平台。通过测量60 Co和137 Cs源,得到了数据获取系统主要性能的测试结果,其满足GTAF装置精确测量中子俘获反应截面的要求。

γ全吸收型探测装置中子束流监视器的Geant4模拟

利用Geant4模拟了γ全吸收型探测装置中用于中子束流监视的锂玻璃探测器的相对探测效率,给出了锂玻璃探测器在10 keV^1 MeV区间的中子探测效率,并对影响探测效率的相关因素进行了分析,讨论了弹性散射引起的时间滞后对TOF(time-of-flight)测量的影响和不同厚度锂玻璃探测器的n-γ分辨效果。在未来使用锂玻璃探测器作为keV中子源监视器时,这项工作将为更好地理解相关中子飞行时间谱和能谱提供依据。

基于白光中子源的γ全吸收型探测装置的性能测试

中国原子能科学研究院核数据重点实验室建成了国内首套γ全吸收型探测装置(GTAF)。基于HI-13串列加速器上的中子源,应用瞬发γ法测量^(197)Au样品,建立了(n,γ)反应截面在线测量方法。由于中子源注量率偏低,实验结果不确定度较大。2018年出束的中国散裂中子源反角白光中子源能够提供注量率为7.03×10^(6) s^(-1)·cm^(-2),能量为0.3 eV到几百兆电子伏的中子束,为核数据测量提供了较好的平台。通过重新加工支架和重新封装BaF_(2)探测器模块的方式,将GTAF搬迁至反角白光中子源的实验厅2,中子飞行距离为75.9 m。使用公用电子学系统和数据获取系统测试了GTAF的性能,包括单个BaF_(2)探测器模块的能量分辨率、探测装置整体的时间分辨率和对^(60)Co级联γ射线符合测量的探测效率。测试结果表明,GTAF的性能指标已满足在线实验要求,后续将利用飞行时间方法在反角白光中子源上开展(n,γ)反应截面测量工作。

γ全吸收型探测装置探测效率的实验与模拟

为精确测量keV能区中子俘获反应截面,中国原子能科学研究院核数据重点实验室基于中国散裂中子源反角白光中子源建成了国内首套γ全吸收型BaF_(2)探测装置。为获得重要的实验参数装置对γ射线的探测效率曲线,对单个BaF_(2)探测器模块能谱的测量数据与模拟结果进行比较。结果表明,测量^(137)Cs和^(60)Co源得到的实验结果与MCNP和GEANT4的模拟结果吻合较好,验证了模拟计算得到的探测效率曲线的可靠性,可用于中子俘获反应截面的在线测量。

4π BaF_2装置的触发系统研究

设计了一套γ全吸收型BaF_2探测装置,用于中子辐射俘获反应截面的在线测量,其中信号测量部分采用了基于高速采集卡的数字化脉冲波形采集技术。并设计了一套触发系统,由触发单元产生的信号作为数据获取系统的外触发控制数据采集,以在数据测量过程中剔除绝大多数本底事件。触发系统采用了符合测量技术,通过多通道、多参数之间的符合测量,实现释放瞬发级联γ射线的中子俘获反应事件的判选和本底的剔除。本文对触发系统的电路设计和实验测试进行了阐述。

Gamma全吸收型BaF_(2)探测装置中子屏蔽体与吸收体的研究

中国原子能科学研究院已经建造完成了我国第一套全吸收型BaF2探测装置,采用瞬发γ测量法,精确测量中子俘获反应截面。中子源是利用HI-13串列加速器产生的脉冲化质子束,通过^(7)Li(p,n)^(7)Be反应建立。为了有效降低周围环境材料和探测器产生的散射中子本底,约束中子束流的形状,使用MCNP程序模拟设计了屏蔽体,采用含硼聚乙烯(B_(4)C质量分数为5%)包裹5 cm铅的方案,以及准直器采用平行孔的方案。该设计使样品处的中子束斑平整均匀,直径约为2 cm,束斑外的中子注量降低5个数量级,γ注量降低3个数量级。同时设计了中子吸收体(外半径为10 cm,厚度为^(7)cm)用于吸收待测样品产生的散射中子。MCNP和GEANT4程序的模拟结果表明:选择含硼聚乙烯(^(10)B_(4)C质量分数为10%)作为中子吸收体的加工材料,其中子吸收率达到了80%,并设置1 MeV的能量加和阈,能够满足在线测量中子俘获反应截面的实验要求。

大体积氟化钡探测器的性能测试

中国原子能科学研究院正在研制建立的γ全吸收型探测装置(GTAF)由40个氟化钡(BaF2)探测器单元组成。对单个大体积氟化钡晶体探测器单元的主要相关性能,诸如单个探测器的组装、晶体封装条件和探测器能量分辨、时间分辨及其长期稳定性等进行测试。测试结果表明,40个氟化钡(BaF2)探测器单元的能量分辨和时间分辨符合基于γ全吸收型探测装置的中子辐射俘获核反应截面测量需求。

中子俘获反应截面在线测量技术研究

利用γ全吸收型4πBaF2探测装置,对中子俘获反应截面进行了在线测量。基于HI-13串列加速器提供的脉冲化质子束,通过7 Li(p,n)7Be反应产生中子,构建了keV能区中子源实验条件,经屏蔽准直后的中子轰击样品,应用4πBaF2装置在线测量(n,γ)反应复合核退激时释放的瞬发γ射线级联,测量了Au、C、Nb、空白等样品。通过计算93 Nb(n,γ)94 Nb和197 Au(n,γ)198 Au两个反应的截面数据比值并与文献数据比对,检验了4πBaF2探测装置和(n,γ)反应截面在线测量技术,为在中国散裂中子源(CSNS)上顺利开展(n,γ)反应截面数据测量工作提供了技术支持。

基于HI-13串列加速器的中子俘获反应截面测量方法

利用BaF2晶体对γ射线探测效率高、时间分辨率好的特点,研制了国内首套由40个BaF2探测器单元组成的γ全吸收型探测装置,用于在线测量中子俘获反应截面。在HI-13串列加速器上建立250~850 keV的中子源,其0°角的源强约为5.09×10^(6) n/(Sr·s),使用γ全吸收型探测装置,通过瞬发γ射线法测量了^(93)Nb、^(197)Au、^(nat)C和空样品的实验数据。根据BaF2探测器信号的特征,采用了基线补偿、软件阈值设置、时间窗限定、脉冲幅度积分增长率设置和快慢成分比设置等多种数字化波形分析方法,剔除噪声信号以提高效应本底比。以^(197)Au样品数据为标准,^(nat)C样品数据为样品相关性本底,空样品数据为样品无关性本底,采用相对测量法得到了^(93)Nb的中子俘获反应截面实验数据。通过与ENDF评价库数据的比较,验证了测量装置和技术方法的可行性。

基于CSNS反角白光中子源的中子俘获反应截面测量技术研究

中子俘获反应截面数据在核天体物理研究、先进核能开发中具有非常重要的应用,由于缺乏合适的白光中子源和探测装置,国内在keV能区(1 eV-100 keV)中子俘获反应截面的实验数据几乎是空白.中国原子能科学研究院核数据重点实验室建造了国内第一台γ全吸收型探测装置,由40块BaF_(2)探测器单元组成厚度为15 cm,内半径为10 cm的BaF_(2)晶体球壳,共覆盖了95.2%的立体角.利用升级后的装置在中国散裂中子源的反角白光中子源上建立了中子俘获反应截面在线测量技术.在不规则的φ30 mm中子束斑的实验条件下,完成首次197Au中子俘获反应截面的在线测量,利用加和能谱和多重数分布扣除本底,反演飞行时间谱得到keV能区197Au中子俘获反应截面的实验数据.通过与ENDF评价数据库相关数据的比较,共振峰位置能够很好地吻合,从而验证了测量装置和测量技术的可靠性,为下一步高精度截面数据的获取奠定基础.

锂玻璃探测器中子探测效率的刻度

为了精确测量keV能区的中子俘获截面,中国原子能科学研究院正在建造一台4π全吸收型γ探测装置GTAF,锂玻璃探测器将会作为中子束流监视器测量中子能谱。利用5SDH-2加速器刻度了锂玻璃探测器在两个入射中子单能点(250和565 keV)的探测效率,并使用GEANT4和MCNP程序模拟计算了锂玻璃探测器的相对探测效率。通过归一化实验数据和模拟结果,得到了锂玻璃探测器在10keV～1 MeV能区的中子探测效率曲线。对于把锂玻璃探测器测量得到的飞行时间谱转化为中子束流能谱,是一项非常重要的工作,同时为探测器效率刻度提供了新方法。