氘氘中子产额铟活化诊断方法_宋仔峰

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1、第２４卷第５期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２４，Ｎｏ．５２０１２年５月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＭａｙ，２０１２文章编号：１００１－４３２２（２０１２）０５－１１６５－０４＊氘氘中子产额铟活化诊断方法宋仔峰，陈家斌，唐琦，詹夏宇（中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川绵阳６２１９００）摘要：提出了活化法测量ＤＤ中子产额的实验方法，该方法可提高ＤＤ中子产额测量的精度。方法基于铟同位素１１５Ｉｎ与ＤＤ中子的非弹性散射反应，活化反应释放的γ射线被ＨＰＧｅ探测器记录，根据活化系统标定灵敏度推算出中子产额。分析了探测器记录的活化γ射线数与中子

2、产额间的关系。介绍了一套活化测量的系统设计。通过蒙特卡罗方法模拟了活化样品出射的γ射线数与样品厚度的关系，模拟结果表明：样品厚度取为１ｃｍ可兼顾活化效率和测量精度。在加速器上对铟活化样品进行了标定实验，实验结果表明：在聚变中子产额大于２×１０９的实验中可使用铟活化诊断方法，中子产额测量的相对标准误差在１０％以内。随着聚变中子产额的不断提高，铟活化测量中子产额的精度可进一步提高。关键词：ＤＤ中子产额；铟活化；实验标定；蒙特卡罗模拟中图分类号：ＴＬ８１６．３文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１２２４０５．１１６５在ＩＣＦ实验装置中进行的内爆实验多以

3、充纯氘燃料为主。对于低产额ＩＣＦ实验，常使用高灵敏度的塑料４［１］闪烁探测器（中子产额大于１０）。塑料闪烁探测器的信号记录常使用示波器测量，内爆中子与间接驱动中的γ本底飞行一定距离所需的时间不同，可在示波器上区分出中子信号与γ本底信号。标定工作一般在脉冲中子源上进行，而目前脉冲中子源上的中子监视器一般是采用Ａｇ活化计数器，Ａｇ活化计数器是一种慢化型［２－３］计数器。脉冲中子经过慢化体后活化Ａｇ样品，通过活化样品放出的β射线计数给出中子产额。实验大厅中的散射中子也会进入慢化体活化样品，监视器给出的中子产额不准确，对塑料闪烁探测器的标定结果影响很大。活化测量法可以提

4、高测量精度，活化测量法的标定工作可在加速器上进行，加速器上的中子产额利用伴随粒子法通过半导体探测器记录的质子数给出。质子监视器给出的中子产额准确度高，精度大于１．６％，可进行［４－５］精密标定。活化测量法还具有不受γ射线影响、有一定阈能、中子通量测量没有上限、活化放射性与中子入［６］８［７－８］射方向关系极小等优点，一般对中子产额要求较高（中子产额大于１０），活化法在测量高产额的内爆中子产额上具有优势。本文提出一种基于１１５Ｉｎ同位素活化测量ＤＤ中子产额的实验方法，分析了探测器记录的活化γ射线数与中子产额间的关系，并在加速器上对活化测量系统进行了灵敏度的标定。１

5、测量原理和方法活化法测量中子产额的原理：选择合适大小的活化样品在内爆中子源下接受辐照后，探测器记录活化衰变［９－１０］产生的特定能量的射线，经过标定可知每个中子诱发的放射性事件数，就可推算出中子产额。对于ＤＤ聚变反应产生的２．４５ＭｅＶ的中子，一般可选择的活化材料有１１５５８４７５４２０７Ｉｎ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｆｅ和Ｐｂ。其中１１５２０７２０７Ｉｎ和Ｐｂ的活化灵敏度较高，可用于目前产额不高的ＩＣＦ实验。Ｐｂ半衰期很短（０．８０６ｓ），为了记录足够多的活化γ放射性事件数，需配以ＮａＩ探测器在线测量活化γ谱。在间接驱动实验中，ＤＤ中子活化γ射线和辐射场γ射线同时存在，使

6、用２０７Ｐｂ活化存在辐射场无法去除γ射线的困难。使用的铟样品主要是同位素１１５１１３１１５Ｉｎ和Ｉｎ，天然丰度分别为９５．７１％和４．２９％，由ＩＡＥＡ核数据库查得Ｉｎ和１１３１１５１１３１１５Ｉｎ与ＤＤ中子的主要活化反应及衰变情况如表１所示。由表可知，Ｉｎ活化灵敏度比Ｉｎ高。Ｉｎ中子活化反应主要有（ｎ，ｎ′）和（ｎ，γ）反应两种，由于辐射俘获（ｎ，γ）反应存在慢中子共振区，实验大厅散射环境下的低能散射中子活化灵敏度要高出ＤＤ中子几个量级，因此不能用（ｎ，γ）来测量ＤＤ中子产额。１１５１１５１１５ｍ１１５ｍＤＤ中子产额测量是根据Ｉｎ与中子的非弹性散射反应（Ｉｎ＋

7、ｎ→Ｉｎ＋ｎ′），利用其产物Ｉｎ退激发时产生的γ辐射，通过测量γ射线强度，根据标定灵敏度回推中子产额。非弹性散射反应阈值３３６ｋｅＶ，活化反应释放的γ射线能量为３３６．２４ｋｅＶ，半衰期为４．４９ｈ。这个时长的半衰期可离线测量活化样品，从而去＊收稿日期：２０１１－１０－１７；修订日期：２０１２－０３－２３作者简介：宋仔峰（１９８５—），男，硕士研究生，从事核诊断技术研究；ｍｐｈｙｓｚｆ＠ｑｑ．ｃｏｍ。通信作者：陈家斌（１９６０—），男，研究员，从事核诊断技术研究；ｊｂｃｈｅｎ１９７８＠１６３．ｃｏｍ。１１６６强激光与粒子束第２４卷表１同位素１１５Ｉｎ和１１３Ｉｎ

8、的活化反应及衰变情况Ｔａ