中子譜學

中子譜學即中子能譜學，是核反應能譜學的一部分。通過測量出射中子的能譜、截面、角分布等，或反應產物的各種參量隨入射中子能量變化的規律，獲得有關核結構和核反應機制的信息及有實際套用價值的核參量。

基本介紹

• 中文名：中子譜學
• 外文名：Neutron spectroscopy 
• 內容：中子譜學即中子能譜學
• 譜學：核反應能譜學的一部分
• 學科：原子物理學

簡介

中子譜學具體研究內容包括中子共振研究，即中子被靶核AX吸收,形成複合核A+1X，當複合核的能量接近某一激發態的能量時，中子同靶核相互作用的幾率急劇增加，出現共振。靶核吸收中子生成的複合核處於高激發態，是不穩定的。它可以放出一個中子回到初始核的基態（彈性散射），也可能發射一個或接連發射幾個γ光子最終到達A+1X核的基態(輻射俘獲)。對一些重核還可能發生裂變反應。對某些輕核有可能發射α粒子或質子，而且截面相當大。分析共振能區(En=100keV) 的截面數據可以得到共振能級的能量、寬度(壽命)、自旋、宇稱等參量。當入射中子能量較高時，由於實驗上能量解析度不夠高或者由於複合核能級互相重疊而測量不出單個的共振，這時可以研究共振能級的平均性質：平均能級間距、強度函式（見中子核反應）等。

內容概括

中子能譜測量

測量裂變中子譜，反應堆中子能譜以及各種產生中子的反應〔例如 (α,n)、(p,n)、(n,2n)等〕的中子能譜，通過這些能譜的測量可以得到有實際套用價值的數據和獲得核結構和核反應機制的一些有關知識。

反應截面測量

包括共振區以上的快中子能區的各種中子引起的和帶電粒子引起的、產生中子的反應截面（包括微分截面）的測量。這類截面測量可以提供有實用價值的實驗數據，也為核理論研究提供數據。

角分布測量

包括共振中子、快中子和帶電粒子引起的核反應的出射中子的角分布研究。角分布可以相對測量，也可以絕對測量。通過角分布數據的理論分析可以獲得例如共振能級的自旋宇稱等參量。不少核的中子角分布數據具有實用價值。
在實驗中，常用的探測方法有以下幾種（見中子探測）。
①飛行時間法：通過中子飛行時間測量定出中子的能譜，是當前主要使用的中子能譜測量方法（見飛行時間技術）。
②反衝質子法：通過反衝質子的數目和能譜測量，定出中子的數目和能譜。其中常用的有含氫的各種氣體和固體探測器、帶含氫輻射體的望遠鏡系統以及核乳膠等。
③核反應探測法：通過用⁶Li玻璃、³He正比管等，測量⁶Li(n，α)T和³He(n，p)T反應的帶電粒子產物的脈衝幅度，獲得中子能量的信息。
④閾探測器法：一些核素的(n,2n)，(n,p)，(n,α)等反應的剩餘核具有放射性且其激發曲線具有不同的反應閾值。可以用多種具有不同反應閾值、反應類型的核素在中子場中進行照射後測量其剩餘核的活性，通過適當的數據處理獲得此中子場的中子能譜數據。所用的閾探測器種類越多，閾探測器的激發曲線數據越精確，獲得的能譜數據就越精確。

飛行時間法測量脈衝堆熱柱孔道熱中子能譜

在反應堆的設計、安全運行及各種套用實驗研究(如核儀器標定、核反應截面測量和核醫學劑量學等)中，都需要精確了解反應堆輻射場中子能譜分布。因此，自上世紀四十年代以來，人們探索發展了各種中子能譜探測方法，如核反應法、核反衝法、飛行時間法、活化法和慢化球方法等。在熱中子能譜測量中，飛行時間法是一種最直接、最經典的測量方法，在上世紀四、五十年代曾有很廣泛的套用。從五十年代開始，飛行時間法已套用到快中子能譜測量方面。其測量的精確性和套用範圍遠遠超過了其它中子能譜測量方法。根據脈衝堆熱柱孔道幾何特點，設計了飛行時間法能譜測量系統，較為全面地考慮了實驗系統和環境因素對測量能譜準確性的影響，為脈衝堆安全運行及其套用研究提供了較為精確的熱中子能譜參數。

基本原理

（1）解譜基本原理

飛行時間法能譜測量是根據不同能量的中子飛行一定的距離所需飛行時間不同來分析中子能量，因此，中子按能量的分布就變成了按時間的分布，即只要測出中子飛行時間就可算出中子能量。

（2）中子飛行時間的確定

中子飛行時間是由時問分析器來測量的。為測量中子飛行時間，須記錄中子起飛及到達終點的時刻，後者通常由放在終點的中子探測器給出。而起飛的參考時刻則可由多種方式給出，有：

1)在周期性脈衝源條件下，可由與中子脈衝同步的電脈衝作為中子飛出的參考時刻；

2)在非脈衝化中子源條件下，可由記錄與中子同時產生的帶電粒子或7射線作為起飛的參考時刻；

3)對於既無同步脈衝，又無適當伴隨粒子射線用作參考時刻的情形，可通過記錄中子在一個有機閃爍體內中子的散射作用獲得起飛的參考時刻。

數據解譜處理

考慮到測試電子學系統延遲、環境大氣對飛行中子和測量飛行時間的不確定性以及³He探測效率等因素的影響，將上述飛行時間譜測量結果轉換成孔道對應的飛行時間譜和中子能譜分布時，需根據實驗測量條件和解譜原理，確定以下各參量。

（1）系統時間零點的確定

由於起始信號和終止信號經過了不同的電子線路，主要是給出起飛信號的光敏三極體對光回響有較長的馳豫時間，使得起飛信號有相當的延遲。為確定時間零點t₀，實驗上可在不同飛行距離下去測量同一能量的中子，用所測到的不同飛行時間來進行推算。

（2）時間分辨修正

根據實驗條件，由於轉子狹縫具有一定的寬度，因此，形成的中子起飛信號具有一定的脈寬。同時考慮到中子探測器、多道譜儀和時幅轉換器具有一定的分辨時間，因此，需對多道譜儀測量的飛行時問譜進行分辨時間修正。

（3）³He正比計數管探測效率

圖1 3He管探測幾何示意圖

根據實驗所用³He管(型號18NH10)技術指標(有效長度為100mm，氣體壓力為6×10⁵Pa，熱中子探測效率為75%)和探測效率定義，導出³He管探測效率。³He管探測幾何示意圖如圖1所示。設中子束沿垂直於紙面的方向入射，將³He管幾何沿垂直於紙面的方向平行切分。

圖2 熱中子譜與 20℃時Thermal Maxwellian理論譜對比

根據上述各參量計算分析和解譜原理，利用自行研製的解譜程式求解的熱柱孔道實驗測量能譜(歸一化)與SNAD-II譜資料庫提供的Thermal Maxwellian(20℃)理論譜(歸一化處理)曲線的對比如圖2所示。求解的實驗測量中子能譜峰對應的中子最可幾能量值為(0.0248±0.0072)eV；與理論譜峰對應的最可幾能量值0.025eV相吻合，測量譜平均中子能量為(0.042±0.01)eV，Thermal Maxwellian理論譜平均中子能量為0.045eV。在高能段熱柱孔道測量譜較理論譜偏軟。