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样品的中子俘获反应发生在GTAF探测器球壳的中心处,样品处的散射中子是本底的一个主要来源。在样品与探测器球壳之间放置中子吸收体,是为了减少散射中子引起的本底,同时要求中子吸收体尽量不影响中子俘获事件的采集。40块BaF2探测器模块围成了1个半径为10 cm的球形空腔,考虑到样品的尺寸、中子束斑以及束晕的大小,中子吸收体允许设计成一个外半径为10 cm,厚度最大为7 cm的球壳,选择含有6Li和10B的材料能够满足实验要求[11-12]。
由于样品与keV能区的中子主要发生弹性散射,MCNP程序模拟使用的散射中子能谱也采用上述的入射中子谱,含6Li和10B材料的中子吸收率见图8所示,其中6LiH材料6Li在Li元素中含量为90%,10B4C材料10B在B元素中含量为95%,含硼聚乙烯(10B4C)材料10B4C的质量分数为10%,作为对比,还模拟了含有天然Li和B材料的中子吸收效果。由模拟数据可以看到,厚度为7 cm的6LiH、10B4C和含硼聚乙烯(10B4C)的中子吸收率都能达到80%左右,而天然材料的中子吸收效果较差。从表1中可以看到,这三种材料(厚度为7 cm)对1 MeV以上的γ射线也有很好的透射率,由于次生γ射线的影响,甚至还出现了增值,因此上述三种材料可作为中子吸收体的候选材料。
表 1 中子吸收体材料对不同能区γ射线的透射率
γ射线能量/MeV 6LiH 10B4C 含硼聚乙烯(10B4C) < 0.1 0.830 0.407 0.627 0.1 ~ 1 1.006 0.986 1.006 1 ~ 5 1.024 1.077 1.039 5 ~ 10 1.043 1.160 1.081 -
为了更好地评估中子吸收体对γ射线能谱的影响,本研究使用单个BaF2探测器模块测量了137Cs和60Co源的γ射线能谱[13-14],并与无吸收体时GEANT4(版本10.4)[15]的模拟结果(设置探测器的能量分辨率为20%)进行了对比。如图9所示,两者很好得吻合验证了模拟数据的可靠性。实验结果在能量大于1.5 MeV的位置出现了四个峰,这是由BaF2晶体材料中Ra的α衰变引起的,属于探测器自身的本底,可以通过符合测量的方法去除,同时为了降低电子学噪声的影响,探测器模块的阈值设为50 keV。通过模拟对比发现,三种候选吸收体材料对137Cs和60Co源γ射线能谱的影响排序为:6LiH<含硼聚乙烯(10B4C)<10B4C。
在线测量中子俘获反应截面时,待测样品的中子结合能等于级联γ射线的能量总和,范围是6~9 MeV,级联γ射线条数的最可几值在4~5之间,绝大部分级联γ射线的能量大于1 MeV。因此GTAF采用符合测量的方式,当两个或者两个以上的探测器同时测量到γ射线时(符合时间窗为48 ns),记录为一个俘获事件。这种方法可以去除绝大多数的本底,包括BaF2晶体自身的α粒子、电子学噪声、宇宙射线的影响等。
放置60Co源在GTAF探测器球壳的中心,通过40块BaF2探测器模块符合测量它的两条级联γ射线(1.17,1.33 MeV),得到的加和能谱如图10(a)所示,其中加和峰的位置在2.5 MeV,而能量大于3 MeV的位置也出现了计数,分析原因主要是级联γ射线与α粒子或者其它本底偶然符合的结果[16]。GEANT4不放置吸收体的模拟结果也与实验结果吻合得较好,证明了模拟结果的可靠性。因此,本研究使用GEANT4程序分别模拟了三种不同吸收体材料下,GTAF测量60Co源和197Au中子俘获反应的加和能谱(图10),6LiH的效果最佳,含硼聚乙烯(10B4C)与6LiH比较接近,而10B4C的效果最差。
文献[17]的研究结果表明,在线实验时,加和能谱的低能部分(<1 MeV)会存在很高的本底计数,为了提高效应本底比,需要设置一个能量加和阈,即在符合测量中,所有探测器模块测得的γ射线能量相加后高于能量加和阈,才被记录为中子俘获事件。表2列出GTAF测量197Au中子俘获事件探测效率的模拟结果,可见能量加和阈设置的越低,探测效率越高,因此在线实验的能量加和阈值选择为1 MeV。
表 2 中子吸收体材料对GTAF测量197Au中子俘获事件探测效率的影响
能量加和阈/MeV 无吸收体 6LiH 10B4C 含硼聚乙烯(10B4C) 1 0.991 0.918 0.801 0.895 1.5 0.987 0.904 0.776 0.878 2 0.978 0.885 0.747 0.857 2.5 0.965 0.864 0.722 0.836
Study of Neutron Shield and Absorber for Gamma Total Absorption Facility
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摘要: 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7Li(p, n)7Be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(B4C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(10B4C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。
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关键词:
- γ全吸收型BaF2探测装置 /
- 中子屏蔽体 /
- 中子吸收体 /
- MCNP /
- GEANT4
Abstract: The first gamma total absorption facility (GTAF) in China has been constructed in China Institute of Atomic Energy, which will be used to accurately measure the neutron capture cross section by prompt gamma method. A neutron source is established by 7Li(p, n)7Be reaction using pulsed proton beams generated by HI-13 tandem accelerator of CIAE. In order to effectively reduce the scattering neutron background produced by surrounding materials and detectors, and restrain the shape of neutron beam, neutron shield with boron-containing polyethylene (5% of B4C) coated with 5 cm lead and collimator of parallel hole are designed by MCNP program. The design makes spot of neutron beam flat and uniform, the diameter is about 2 cm, the flux of neutron outside the beam spot is reduced by 5 orders of magnitude, and the flux of gamma is reduced by 3 orders of magnitude. At the same time, neutron absorber (the outer radius is 10 cm, the thickness is 7 cm) is designed, which is used to absorb the scattered neutrons produced by the sample to be measured. The simulation results of MCNP and GEANT4 show that the boron containing polyethylene (10B4C mass fraction is 10%) is selected as the processing material of neutron absorber, in which the rate of neutron absorption reaches 80%, and the threshold of sum energy is set to 1 MeV, which meets the requirement of on-line experiment about the measurement of neutron capture cross section.-
Key words:
- gamma-ray total absorption BaF2 Detector facility /
- neutron shield /
- neutron absorb /
- MCNP /
- GEANT4
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表 1 中子吸收体材料对不同能区γ射线的透射率
γ射线能量/MeV 6LiH 10B4C 含硼聚乙烯(10B4C) < 0.1 0.830 0.407 0.627 0.1 ~ 1 1.006 0.986 1.006 1 ~ 5 1.024 1.077 1.039 5 ~ 10 1.043 1.160 1.081 表 2 中子吸收体材料对GTAF测量197Au中子俘获事件探测效率的影响
能量加和阈/MeV 无吸收体 6LiH 10B4C 含硼聚乙烯(10B4C) 1 0.991 0.918 0.801 0.895 1.5 0.987 0.904 0.776 0.878 2 0.978 0.885 0.747 0.857 2.5 0.965 0.864 0.722 0.836 -
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