1、1裂变截面及全截面首批实验准备进展 刘 荣中国工程物理研究院核物理与化学研究所中国工程物理研究院核物理与化学研究所2023年年2月月9日日2目录目录 科学目标科学目标 对探测器对探测器及束流及束流的要求的要求 样品选择和准备样品选择和准备 数据处理准备数据处理准备 实验计划安排实验计划安排 实验预期成果实验预期成果 存在的问题存在的问题3科学目标科学目标 首批首批实验实验物理物理目标目标：n 校验基于WNS的裂变截面及全截面测量谱仪性能n 校对U-235与U-238相对裂变截面值n 获取U-236或Th-232在1eV-20MeV上相对裂变截面测量值n 获取铝和石墨在1eV-20MeV上全截面
2、测量值 期望通过测量重点观察：期望通过测量重点观察：1.25keV附近的三共振峰2-50keV共振峰情况裂变阈值以下截面U-236裂变截面裂变截面4对探测器的要求对探测器的要求裂变截面及全截面谱仪能够满足以上要求裂变截面实验裂变截面实验全截面实验全截面实验类型多层裂变室多层裂变室能区范围1eV-20MeV1eV-20MeV能量确定方法飞行时间法飞行时间法响应时间30ns3无要求采集信号幅度谱+波形幅度谱+波形最大计数率大于500Hz/通道大于500Hz/通道5对束流的要求对束流的要求此为对束流的最低要求，期望在强度和脉宽上尽量提高性能参数，以期得到更好的实验结果。裂变截面实验裂变截面实验全截面
3、实验全截面实验中子能区范围1eV-20MeV1eV-20MeV探测器处中子注量率1E5cm-2s-11E5cm-2s-1束流模式单束团单束团束流稳定性波动20%波动10%束流截面直径6cm9cmES22cm10d15d脉冲宽度50ns20MeV50ns20MeV6样品选择和准备样品选择和准备裂变截面实验裂变截面实验全截面实验全截面实验样品核素U-235/U-238；U-236或Th-232Al-27或高纯石墨（C-12&13）样品形态镀片圆柱样品准备用铀及钍同位素电镀工艺将高纯核素电镀至100m厚度铝底衬上，再进行精确定量和均匀性检测采用纯度99.999%以上的铝和99.99%以上的高纯石墨进
4、行加工，形成直径7cm，厚度2-10cm的多套样品样品状态U-236同位素采购中，电镀工艺基本定型。Th-232首批电镀完成，定量完成，数据分析中。交付中7数据处理准备数据处理准备探测器计数预估探测器计数预估裂变计数预估裂变计数预估105cm-2s-1注量率注量率能区1000ns能点数10天累计计数每能点计数统计误差1eV-1keV6.E+036.76E+061.21E+032.876%1keV-100keV2.E+022.86E+061.74E+040.759%100keV-1MeV1.E+011.89E+061.51E+050.257%1MeV-10MeV4.E+001.74E+064.4
5、1E+050.151%10MeV-100MeV1.E+001.10E+068.79E+050.107%能区1000ns能点数10天累计计数每能点计数统计误差1eV-1keV6.E+031.35E+052.42E+0120.340%1keV-100keV2.E+021.14E+046.95E+0111.999%100keV-1MeV1.E+019.43E+037.55E+023.640%1MeV-10MeV4.E+001.39E+063.53E+050.168%10MeV-100MeV1.E+005.49E+054.39E+050.151%能区1000ns能点数10天累计计数每能点计数统计误差1
6、eV-1keV6.E+031.35E+002.42E-046431.947%1keV-100keV2.E+025.71E+003.47E-02536.628%100keV-1MeV1.E+013.77E+013.02E+0057.554%1MeV-10MeV4.E+008.72E+052.21E+050.213%10MeV-100MeV1.E+001.10E+068.79E+050.107%U235U236U238估算估算表明：表明：U-236U-236样品样品在在1eV-100keV1eV-100keV范围内统计误差高达范围内统计误差高达10-20%10-20%，100keV100keV以上
7、能区统计误差较小以上能区统计误差较小，普遍，普遍1%1%以下，以下，但能量分辨率较差但能量分辨率较差；U-235U-235标样标样的统计误差较低，预计实验结果较为可靠。的统计误差较低，预计实验结果较为可靠。8数据处理准备数据处理准备本底影响预评估本底影响预评估 探测器测量到的信号中，将含有本底信号，其部分无法通过技术办法消除，因此进行了模拟计算预估。中子捕集器反照中子影响中子捕集器反照中子影响 结果显示通过添加镉片后在0.01MeV能点得到的数值需要修正energyU235U236U23820MeV0.999965110.99998715MeV0.999975210.99999310MeV0.
8、99997560.999980.9999975MeV0.99978040.9998970.9999331MeV0.99984080.9999410.9999720.1MeV0.99267790.9972020.01MeV0.97203210.9261110.001MeV111E-4MeV111E-5MeV11不同核素有效信号比例9数据处理准备数据处理准备其他本底影响其他本底影响其他本底影响其他本底影响U-235同位素影响同位素影响U-235裂变截面大约为U-236的一万倍，其影响对校正裂变阈以下的截面至关重要，且可能是造成先前各实验数据差异大的主要原因；粒子影响粒子影响衰变粒子考虑核素(n,)
9、截面,有中子束及无裂变核素实时测得10数据处理准备数据处理准备不确定度预估不确定度预估 分析了主要不确定度来源，总不确定度会因束流强度而不同，在流强保证的情况下，裂变截面不确定度3.5%，全截面不确定度2%(有的能区约1%)不确定度来源不确定度来源裂变截面测量裂变截面测量全截面测量全截面测量本底消除高能忽略，低能5%高能忽略，低能0.1%样品质量1.5%忽略探测效率2%忽略死时间首批实验忽略首批实验忽略标准截面1%无统计误差1MeV以上小于1%，其他较高1MeV以上小于1%，其他较高11实验结果处理实验结果处理共振区共振区 裂变截面在裂变截面在100keV附近基本都存在共振附近基本都存在共振，
10、对于大部分窄共振峰现有能量分辨率都无法分辨，因此只能测得平均截面，再利用模型对共振区截面进行计算。首批实验首批实验除某些分开较明显的共振峰以外，其他共振区将需求与原子能院相关部门合作，利用测得平均截面数据配合计算程序，对共振能区截面进行理论计算。12数据处理准备数据处理准备数据分析算法及程序数据分析算法及程序 确定了基于标准核素相对测量的裂变截面分析方案；确定了基于有/无样品信号比值的全截面分析方案；确定了“过阈值+谱形分析”的综合分析算法；过阈记录有效信号，离线分析每个信号的波形，甄选异常信号；编写了初步数据获取LABVIEW程序并进行了测试；编写了基于MATLAB的波形离线分析DEMO程序
11、；正在策划基于ROOT的离线数据处理程序编制。13实验计划安排实验计划安排裂变截面测量实验裂变截面测量实验实验准备：束流、镀片、谱仪等本底测量样品测量数据分析及总结p实验时间：实验时间：2017年10月1-31日 谱仪带束调试2017年11月1-30日 裂变截面第一批实验p人员安排：人员安排：刘荣研究员实验总负责人温中伟副研究员装置搭建及实验羊奕伟助理研究员数据获取及分析秦建国助理研究员数据获取及分析郑雷研究生实验参与刘竹君研究生实验参与14实验计划安排实验计划安排全截面测量实验全截面测量实验p实验时间：实验时间：2017年11月1-30日 谱仪带束调试2017年12月1-31日 全截面第一批
12、实验p人员安排：人员安排：实验准备：束流、样品、谱仪等本底测量无样品测量石墨样品循环测量铝样品循环测量数据分析及总结刘荣研究员实验总负责人羊奕伟助理研究员装置搭建及数据获取分析温中伟副研究员裂变室探测器搭建赖财锋助理研究员数据获取及分析郑雷研究生实验参与刘竹君研究生实验参与15实验预期成果实验预期成果p 裂变截面实验裂变截面实验得到谱仪性能标定情况，发表文章对谱仪进行综合介绍（拟NIM）。获得U-236或Th-232裂变截面实验结果，及U-235/U-238截面相对比值对实验数据进行总结，与其他实验及数据库对比，发表文章。p全截面实验全截面实验得到谱仪性能标定情况，发表文章对谱仪进行综合介绍（拟NIM）获得铝或石墨的全截面实验结果对实验数据进行总结，与其他实验及数据库对比，发表文章16存在的问题和建议存在的问题和建议 现有工艺尚无法确保基于高纯核素的大面积高均匀度镀片成功率 建议：加强工艺摸索，备选使用小面积镀片 低束流强度带来的高统计不确定度问题 建议：增加束流时间/强度，或同种核素样品装量倍增17
