CN109164479A - 用于裂变碎片物理测量的双屏栅气体探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于裂变碎片物理测量的双屏栅气体探测器，该探测器包括两端开口、内部中空的筒体，该筒体两端开口分别通过上底板、下底板对接封口，所述筒体侧壁上设有电离气体进气口、出气口，且在上底板至下底板方向上，所述筒体内依次设有第一阳极板、第一栅极圈、阴极板、第二栅极圈、第二阳极板；所述阴极板中心处设为用于盛放待裂变的阴极靶材料位置，该位置与所述上底板上所设的中子入射窗正对。本发明探测器避免了传统测量技术化学处理和分步测量带来的误差，具有耐辐射损伤、可测量初始裂变碎片信息等优点，探测器分辨率将小于1原子质量单位，能够更为准确、完整地测量裂变碎片的质量分布信息和裂变碎片的动能分布信息。
Description
技术领域
本发明属于原子核物理探测技术领域，尤其涉及一种对中子诱发重核裂变的裂变碎片动能测量、质量测量的双屏栅气体探测器。
背景技术
近年来提出的新型核能利用系统，利用可裂变核232Th、238U产生能量，具有安全性好、经济性高、核废料产量小、嬗变核乏料、防核扩散的优点，已成为世界核电发展的最新方向。新型核能利用系统的研发对中子诱发232Th、233，235，238U、237Np、239Pu、241Am等锕系重核裂变的评价数据提出了更高的精度要求，其中，裂变碎片产额分布数据、裂变碎片动能分布数据亟待细致研究。
目前，常见的测量裂变产物信息的实验方法有，放化法(Radiochemistry，RC)、质谱法(Mass Spectrometry，MS)、直接γ能谱法、双动能法和双速度法。
放化法(RC)即放射化学方法，是将化学分离和放射性测量相结合的方法。裂变产物核多数将通过发射β-及γ射线进行衰变，针对不同的衰变链，设计不同的放化流程，将待测裂变产物分离、提纯、制样，再用合适的探测手段测量样品中的特定放射性。此种方法的缺点是分离流程相当繁琐，对于半衰期很短的裂变碎片核素的测量很困难。此测量方法的测量精度约为5％～10％。
质谱法(MS)是将辐照后的靶材料溶解成溶液，并向其中加入一定量的待测核素的稳定同位素，再制作成样品，然后将样品置于离子源或焙烧炉中加温电离，将离子加速并通过分析磁铁将质量不同的核素分离，可以在焦面上测量得到待测产物核与加入的稳定同位素之间的相对比例。由于加入的稳定同位素的量是已知的，近而可以推算裂变产物的量，得到产物产额。此种方法测量得到的产额精度可达2％。
直接γ能谱法又叫活化法，即通过测量裂变产物核素的特征γ射线能谱，同时根据探测器的探测效率、产物核衰变半衰期、γ射线衰变分支比等数据推算得到照射结束零时刻产物核的数量，再根据监测得到的裂变事件数，进而算出裂变产额。此方法由于中子诱发裂变后样品发出的γ射线能谱的复杂性，此方法所能测到的裂变产物数量十分有限。
双动能法是将少量样品均匀地镀在薄膜上，然后在样品膜两侧各放置一个半导体探测器用于测量裂变碎片动能。裂变反应生成的一对碎片会相向飞离，然后被置于膜两边的探测器测量并记录碎片动能。此种方法的主要缺点在于由于发射中子会引起初级碎片一定的能量和质量展宽。
双速度法是用飞行时间法做符合测量可同时测得来自同一裂变核的两个初级碎片的速度(发射中子前后裂变碎片速度变化不大)，运用动量守恒进而可算得裂变碎片的质量，此种方法的缺点是对探测器、电子学系统的要求较高，数据修正困难。
综上所述，现有技术存在的问题是：裂变产物需重新化学处理，再通过单独的探测器系统测量裂变信息，测量精度强烈地依赖于化学处理过程和探测器精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对中子诱发重核裂变的裂变碎片动能测量、质量测量的双屏栅气体探测器，该探测器具体为耐辐射、4π方向立体角测量、裂变样品无需化学处理的中子诱发裂变在线测量装置，旨在解决现在探测方法和探测装置中所存在测量精度强烈地依赖于化学处理过程和探测器精度，进而导致探测结果较大的误差等问题。
本发明是这样实现的，一种用于裂变碎片物理测量的双屏栅气体探测器，该探测器包括两端开口、内部中空的筒体，该筒体两端开口分别通过上底板、下底板对接封口，所述筒体侧壁上设有电离气体进气口、出气口，且在上底板至下底板方向上，所述筒体内依次设有第一阳极板、第一栅极圈、阴极板、第二栅极圈、第二阳极板；所述阴极板中心处设为用于盛放待裂变的阴极靶材料位置，该位置与所述上底板上所设的中子入射窗正对。
优选地，所述探测器还包括对称分别在筒体内的若干支撑绝缘杆，所述阳极板、栅极圈、阴极板均安装在支撑绝缘杆上，所述支撑绝缘杆与筒体轴心平行，且所述支撑绝缘杆两端分别固定在上底板、下底板上。
优选地，所述探测器还包括设有筒体上的压力表头。
优选地，所述阴极靶材料包括薄聚酰亚胺有机材料层、位于薄聚酰亚胺有机材料层两侧的金涂层以及位于一侧金涂层上的待裂变重核材料。
优选地，所述薄聚酰亚胺有机材料层的质量厚度为30μg/cm2，金涂层质量厚度为50μg/cm2，待裂变重核材料质量厚度为100μg/cm2，电极直径为φ175mm。
优选地，所述中子入射窗的厚度为0.5mm。
优选地，在所述第一阳极板、第一栅极圈、阴极板、第二栅极圈、第二阳极板之间，栅极-阴极和阳极-栅极之间存在均匀强电场，栅极-阴极间电场为EG-C＝0.05kV/mm，阳极-栅极间电场为EA-G＝0.18kV/mm。
本发明克服现有技术的不足，提供一种用于裂变碎片物理测量的双屏栅气体探测器，其中，阴极板采用“三明治”结构，将金原子蒸镀在薄聚酰亚胺有机材料两侧，形成“三明治”结构，其中一侧，将待裂变的重核材料蒸镀在金表面。相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：本发明探测器能实现对中子诱发重核裂变的在线测量，避免了传统测量技术化学处理和分步测量带来的误差；本发明探测器具有耐辐射损伤，4π方向全立体测量，可测量初始裂变碎片信息等优点，可以实时获得裂变碎片信息，探测器分辨率将小于1原子质量单位，能够更为准确、完整地测量裂变碎片的质量分布信息和裂变碎片的动能分布信息。
附图说明
图1是本发明双屏栅气体探测器的结构示意图；
图2是本发明双屏栅气体探测器在剖视状态下的结构示意图；
图3本发明技术中阴极靶材料结构示意图；
图4是本发明技术用于裂变测量的气体探测器结构示意图；
图5本发明技术的阳极、栅极系统采集及输出系统；
图6是本发明技术在2MeV中子诱发U-234裂变碎片动能分布实验结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1～6所示，其中，图1是本发明双屏栅气体探测器的结构示意图；图2是本发明双屏栅气体探测器在剖视状态下的结构示意图；图3本发明技术中阴极靶材料结构示意图；图4是本发明技术用于裂变测量的气体探测器结构示意图；图5本发明技术的阳极、栅极系统采集及输出系统；图6是本发明技术在2MeV中子诱发U-234裂变碎片动能分布实验结果。
本发明公开了一种用于裂变碎片物理测量的双屏栅气体探测器，该探测器包括两端开口、内部中空的筒体1，该筒体1两端开口分别通过上底板2、下底板3对接封口，所述筒体1侧壁上设有电离气体进气口4-1、出气口4-2，且在上底板2至下底板3方向上，所述筒体1内依次设有第一阳极板5、第一栅极圈6、阴极板7、第二栅极圈8、第二阳极板9；所述阴极板中心处设为用于盛放待裂变的阴极靶材料10位置，该位置与所述上底板2上所设的中子入射窗11正对。
在本发明的实施过程中，为便于安装定位各阳极板、栅极圈、阴极板，更具体的，所述探测器还包括对称分别在筒体1内的若干支撑绝缘杆12，所述阳极板、栅极圈、阴极板均安装在支撑绝缘杆12上，所述支撑绝缘杆12与筒体1轴心平行，且所述支撑绝缘杆12两端分别固定在上底板2、下底板3上。
在本发明的实施过程中，更具体的，为便于对筒体1内压力进行实时监测，更具体的，所述探测器还包括设有筒体1上的压力表头13。
在本发明的实施过程中，阳极板、栅极圈、阴极板、筒体1、上底板2、下底板3、中子入射窗11应当均是具有共同轴心的圆形。
在本发明的实施过程中，为提供一种适用于本发明探测器应用的待裂变的阴极靶材料10，更具体的，所述阴极靶材料10包括薄聚酰亚胺有机材料层10-1、位于薄聚酰亚胺有机材料层两侧的金涂层10-2以及位于一侧金涂层上的待裂变重核材料10-3。
在本发明的实际应用过程中，探测器高为175mm，直径为φ285mm；薄聚酰亚胺有机材料层的质量厚度为30μg/cm2，金涂层质量厚度为50μg/cm2，待裂变重核材料质量厚度为100μg/cm2，电极直径为φ175mm；中子入射窗11的厚度为0.5mm，以减小对中子散射影响；在所述第一阳极板5、第一栅极圈6、阴极板7、第二栅极圈8、第二阳极板9之间，栅极-阴极和阳极-栅极之间存在均匀强电场，栅极-阴极间电场为EG-C＝0.05kV/mm，阳极-栅极间电场为EA-G＝0.18kV/mm。将待裂变的重核材料置于阴极板的中心位置，栅极板的作用是用于屏蔽电子在阴极与阳极之间漂移运动对阳极产生的感应电荷。中子穿过中子入射窗11打到待裂变重核材料上，中子与待裂变重核材料相互作用，发生裂变核反应，裂变碎片向各个方向散射，裂变碎片电离探测器中的电离气体(P-10气体：90％Ar+10％CH4)，由于栅极-阴极间和阳极-栅极间存在强电场，形成阳离子和电子向两极漂移，阳极板收集感应电荷信号，通过后续电子学系统输出。电子学信号输出如图5所示，由前置电荷灵敏放大器14、数字化仪15、计算机系统16组成，其中，前置电荷灵敏放大器14采用ORTEC公司生产的142AH，数字化仪15采用CAEN公司生产的DT5725B(DPP-SUP 8ch×725)。探测器输出信号经前置电荷灵敏放大器(ORTEC，142AH)初步放大，与Digitizer数字化仪(CAEN，DT5725B)相连接，将模拟信号转化为数字信号，CAEN开发的DPP固件能够从输入信号中获取裂变碎片的动能信息，在线对信号进行弹道亏损、基线恢复以及拒绝粒子堆积等修正，最终获得中子诱发重核裂变后裂变碎片的动能信息，以2MeV中子诱发U-234重核裂变碎片动能分布为例，结果如图6所示。
本发明探测器，能实现对中子诱发重核裂变的在线测量，避免了传统测量技术化学处理和分步测量带来的误差；本发明探测器具有耐辐射损伤，4π方向全立体测量，可测量初始裂变碎片信息等优点，可以实时获得裂变碎片信息，探测器分辨率将小于1原子质量单位，能够更为准确、完整地测量裂变碎片的质量分布信息和裂变碎片的动能分布信息。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于裂变碎片物理测量的双屏栅气体探测器，其特征在于，该探测器包括两端开口、内部中空的筒体，该筒体两端开口分别通过上底板、下底板对接封口，所述筒体侧壁上设有电离气体进气口、出气口，且在上底板至下底板方向上，所述筒体内依次设有第一阳极板、第一栅极圈、阴极板、第二栅极圈、第二阳极板；所述阴极板中心处设为用于盛放待裂变的阴极靶材料位置，该位置与所述上底板上所设的中子入射窗正对。
2.如权利要求1所述的用于裂变碎片物理测量的双屏栅气体探测器，其特征在于，所述探测器还包括对称分别在筒体内的若干支撑绝缘杆，所述阳极板、栅极圈、阴极板均安装在支撑绝缘杆上，所述支撑绝缘杆与筒体轴心平行，且所述支撑绝缘杆两端分别固定在上底板、下底板上。
3.如权利要求2所述的用于裂变碎片物理测量的双屏栅气体探测器，其特征在于，所述探测器还包括设有筒体上的压力表头。
4.如权利要求3所述的用于裂变碎片物理测量的双屏栅气体探测器，其特征在于，所述阴极靶材料包括薄聚酰亚胺有机材料层、位于薄聚酰亚胺有机材料层两侧的金涂层以及位于一侧金涂层上的待裂变重核材料。
5.如权利要求4所述的用于裂变碎片物理测量的双屏栅气体探测器，其特征在于，所述薄聚酰亚胺有机材料层的质量厚度为30μg/cm2，金涂层质量厚度为50μg/cm2，待裂变重核材料质量厚度为100μg/cm2，电极直径为φ175mm。
6.如权利要求5所述的用于裂变碎片物理测量的双屏栅气体探测器，其特征在于，所述中子入射窗的厚度为0.5mm。
7.如权利要求6所述的用于裂变碎片物理测量的双屏栅气体探测器，其特征在于，在所述第一阳极板、第一栅极圈、阴极板、第二栅极圈、第二阳极板之间，栅极-阴极和阳极-栅极之间存在均匀强电场，栅极-阴极间电场为EG-C＝0.05kV/mm，阳极-栅极间电场为EA-G＝0.18kV/mm。
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| 王涛峰;孟庆华;王黎明;朱丽萍;韩洪银;夏海鸿;: "适用于研究低能裂变碎片电荷分布的探测器装置", 原子能科学技术, no. 04, 20 July 2007 (2007-07-20) * |
| 王涛峰等: "屏栅电离室+ΔE-E望远镜探测器系统", 原子核物理评论, vol. 23, no. 3, 20 September 2007 (2007-09-20), pages 2 * |
| 陈迎棠等: "用于快中子引起带电粒子核反应研究的屏栅电离室及双参数测量系统", 核电子学与探测技术, vol. 15, no. 2, 20 March 1995 (1995-03-20), pages 1 - 2 * |
| 韩洪银, 包宗渝, 陈锦华, 黄胜年: "一个适用于裂变关联实验的孪生屏栅电离室", 原子能科学技术, no. 04, 20 July 1992 (1992-07-20) * |
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