利用LR1152B274GeV质子束轰击铅靶的散裂中子源外表面中子分布

利用LR1152B274GeV质子束轰击铅靶的散裂中子源外面中子分布 利用LR1152B27.4GeV质子束轰击铅靶的 散裂中子源外表面中子分布 第25卷第7期 2002年7月 核技术 NUCLEARTECHNIQUES Vo1.25,No.7 July2002 利用LR1152B研究7.4GeV质子束轰击 铅靶的散裂中子源外表面中子分布 万俊生张颖张利兴Hashemi—NezhadSRBrandtR夏海鸿丁大钊 1(西北核技术研究所西安710024) 2(Kemchemie,FB15,Philipps—University,Marburg,Gemumy) 3(中国原子能科学研究院北京102413) 摘要利用LR1152B探测器研究了68cm×20cm的铅靶在7.4GeV质子的轰击下,散裂中子在 实验装置外表面的分布,对实验结果进行了模拟解析,同时利用中子活化法验证了LR1152B探 测结果及理论模拟结果. 关键词固体径迹探测器,LR1152B,散裂中子源 中图分类号TLSI5.7,TL41I.I 9O年代初,Rubbia等?提出了加速器驱动的反应堆.该类反应堆由一散裂中子源驱 动-4J,由于驱动堆的性能很大部分将由散裂中子源决定,因此,人们进行了散裂中子源一'以 及利用散裂中子源进行长寿命核废料嬗变的研究?. 散裂中子源外表面的中子分布是决定驱动堆理论的重要因素之一,本文利用 理论模 拟,LR1152B探测器和活化法研究了散裂源中子在实验装置外表面的分布. 1实验装置 实验是在JINR(JointInstituteforNuclearresearch,Dubna)研究所Synchrophasotron加速器 上进行的,质子能量为7.4GeV,在75min的时间内加速器共提供8.7×10个质子轰击在 ~bScm×20cm的铅靶上,铅靶由2O片lcm厚,8cm直径的铅饼构成,外层是6cm厚的石蜡组成 的中子慢化层,径迹探测器置于慢化剂外表层,实验装置见图1. II I 20era J 1L 图1实验装置 Fig.1Experimentalset—up 30cm 国家重点基础研究(973)资助项目(G1999022600) 第一作者:万俊生,男,1963年出生,1999毕业于德国Marburg大学,从事核化学,加速器驱动的反应堆和核泵浦激光工 作,博士,副研究员 收稿日期:2002—01—29 核技术第25卷 图中的固体径迹探测器由贴在2mm有机玻璃基质上的12txm厚的LR1152B构成.照射 后,LR1152B用2.5mol/LNaOH溶液在60~C的温度下刻蚀2h. 2结果和讨论 LR1152B中对中子敏感的物质是mB,它在热中子和超热中子的作用下发生下列 反应: 0B+n_++Li 反应产物粒子由LR1152B记录下来,并在LR1152B上留下径迹.上述反应的反应 截面如图2所示"],其热中子(O.025eV)的反应截面为3745×10rill,快中子的反应截面很 低;中子能量大于1MeV时,反应截面只有2×10--3×10m,相对于热中子和超热中子 反应,快中子反应可忽略不计,因此可认为LR1152B只探测低能中子. 刻蚀后的LR1152B用径迹扫描器扫描统计径迹数,并用目测法验证,详细的统计过程请 参阅文献[12],实验结果见图3.图中的径迹密度是指0.87×10"个质子轰击在铅靶上,每平 方厘米LR1152B上产生的径迹数,图中理论结果是模拟7.4GeV质子轰击该铅靶时,该LR 1152B探测器所在位置上的散裂中子数?|D. 图2B(n,o【)Li反应截面 Fig.2.B(n,o【)Liexcitationfunction 图3实验与理论计算结果 Fig.3Thetheoreticalandexperimentalresults 本文所有的计算是基于核内核间级联(Inter/intranuclearcascade)反应模型,运用蒙卡方 法完成的.在这样一个由高能质子轰击重靶的系统中,靶核的散裂反应利用俄罗斯Dubna核 技术联合研究所的CEM程序来进行模拟-4J,该程序采用(CascadeEvaporationMode1)模型由 多步完成:首先,在高能质子和靶核发生弹性或非弹性作用之前,根据Stemheimer的模拟 高能质子因诱发靶原子电离而本身损失能量使其运动速度放慢的过程;接着质子与靶核发生 作用,其中有些作用将会使靶核发生散裂反应(质子进入靶核与核内核子碰撞,把核子碰出核 外)而释放粒子如中子,质子等;这些被释放的粒子将继续与其他靶核作用,直到其能量损失 到不足以与其他核发生作用或被靶核捕获或脱离靶区为止.而那些由于发生过核反应而处于 不稳定状态(激发态)的剩余核将发生裂变或粒子的蒸发等过程而退激. 理论模拟结果也列于图3.由图3可见,LR1152B探测器测到的核散裂中子分布形状与 理论模拟结果基本吻合.实验装置外表面的这种散裂中子分布规律也由中子活化法验证了. 在实验装置外表面距前端分别为5,15,25cm处安置氧化镧样品,辐照后测量"La的活化产 物川La,川La的半衰期合适(40.27h),射线主要有328.8,487.0,537.3,815.8和1596.5 keV,非常适合于测量,详细的测量过程请参阅文献[4].图4显示了La的中子活化产物IJa 产额B在实验装置外表面的分布. lill Hg草0,b 第7期万俊生等:利用LR1152B研究7.4GeV质子束轰击铅靶的散裂中子源外表面中子分布495 IJa(n,g)?La反应截面见图5,热中子(0.025eV)截面为9×10I2.nl,在低能区(< 50eV)共振点少且截面小,与.B(n,仅)'Li反应截面相似.在中子能量大于50eV后,两者不 尽相似,但除IJa在7leV能量处有一较大共振吸收峰外,两者的反应截面均较小,因此只要 中子能谱分布一定,La(n,g)?La反应与.B(n,)Li反应的分布应该相同. 0 × , ? 图4"La(n,g)'加La产额在实验装置外表面的分布 Fig.4Thedistributionofproductionfromthe reaction"La(n'g)?.La 暑 篇 6 × \ b O'0l010Sl0 /eV 图5"La(n,g)?.La反应截面 Fig.5"La(n,g)?.Laexcitationfunction 比较图3和图4,我们认为LR1152B探测到的中子分布形状是真实的散裂中子在实验装 置外表面的分布趋势. 3结论 本文利用LR1152B探测器研究了铅靶在7.4GeV质子轰击下产生的散裂中子在实验装 置外表面的分布情况,铅的散裂中子在实验装置外表面呈有规律分布,散裂中子在靶中心处外 表面的中子分布较多,两端分布较少.理论模拟计算及实测活化产额分布支持了LR1152B 的实验结果. 参考文献 1RubbiaC,RubioJA,GonazlezE,eta1.Aconceptualdesignofafastneutronoperatedhighpo werenergyamplifier. CERN/ AT/95—44(ET),preprintfromCERN.Geneva.1995 2VoronkovVA,DyaehenkoVM,KostinVYa,eta1.Neutrongenerationinextendedleadtargetsusingthesynchrophasotron (LHE,JINR)beams.Atomn.Energia(inRussian),1990,68:449-_453 3BowmanCD,ArthurED,LisowskiPW,eta1.NuclInstrMeth. 1992.A320:336—341 4WanJS.StudiesonSpallationinMassiveTargetsandtheTransmutationof.29Iand23'NpinaSubcriticalSystem.Goerich& Weiershaeuser,Germany,ISBN3—89703—310—0(1999) 5BrandtR.Measurementsofneutronyieldsandradioactiveisotopetransmutationincollisionofrelativisticionswithheavynuclei. Reportforthe85thSessionoftheJINRScientificCouncil,January13— 16,1999,Dubna,Russia.publishedasJINR—E1—99 — 251(1999)inDubna.Russia 6PerelyginVP.KulakovBA,WanJS,eta1.RadiatMeas. 572 1999.31:567— 7HilscherD,GoldenbaumF,JahnkeU,eta1.NeutronMultiplicityDistributionforGeVProtonInducedSpallationReactionson ThinandThickTargetsofPbandU ,Proc.Intem.WorkshoponNuclearMethodsforTransroutationofNuclearWaste.1996 Dubna,176 8WanJS,OchsM.Bran&R,eta1.Transmutationofradioactivewastebyme~tnsofrelativisticheavyions.Kemtechnik.1998. 63:167—177 496核技术第25卷 9WanJS.SehmidtTh,LangroekEJ,eta1.NuclInturMeth.2001,A463(3):634—_652 10BrandtR.WanJS,OchsM,et.RadiatMeas,1999,31:497--506 11OECDNuclearEnergyAgency:JEF—PCNuclDataBank,France,1985 12Hashemi—NezlmdSR,BrandtR,WanJS,eta1.Rad/atMeas,1999,31:537--544 StudiesontheneutrondistributiontllLR1152Bdetectorforthe spallationneutronsourceofleadtargetbombardedby7.4GeVprotons WANJunshengZHANGYinZHANGLixinHashemi—NezhadSR BrandtRXIAHaihong'DINGDazhao' 1(NorthwestInstituteD,NuclearTechnology.an710024) 2(Kemchemie.FB15,尸^越一Uni~rsity,朋口r6l,Germany) 3(ChinaInstituteD,AtomicE~rgy,102413) Abstract Theneutrondistributionforaspallationneutronsourceof(~b8cm× 20cm)leadtargetbombar- dedby7.4GeVprotonbeamwasstudiedusingLR1152Bdetector.ThetheoreticalcodeofCEM wasusedtointerprettheexperimentalresuks,meanwhile,theactivationmethodwasexploite dto checktheexperimentalresultsofLR1152Bandthetheoreticalsimulation. KeywordsSSNTD,LR1152B,SpallationneutronSOUrce CLCTL815.7.TL411.1