CN112859145A - 一种预测屏栅电离室测量中子诱发核反应实验结果的方法 - Google Patents
一种预测屏栅电离室测量中子诱发核反应实验结果的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112859145A CN112859145A CN202110056465.9A CN202110056465A CN112859145A CN 112859145 A CN112859145 A CN 112859145A CN 202110056465 A CN202110056465 A CN 202110056465A CN 112859145 A CN112859145 A CN 112859145A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- energy
- charged particles
- sample
- reaction
- measured
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title claims abstract description 130
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 33
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 117
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims abstract description 38
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 61
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 41
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 15
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 5
- YZCKVEUIGOORGS-OUBTZVSYSA-N Deuterium Chemical compound [2H] YZCKVEUIGOORGS-OUBTZVSYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052805 deuterium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 3
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 3
- YZCKVEUIGOORGS-NJFSPNSNSA-N Tritium Chemical compound [3H] YZCKVEUIGOORGS-NJFSPNSNSA-N 0.000 claims description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 2
- 229910052722 tritium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 31
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 abstract description 27
- 238000009472 formulation Methods 0.000 abstract 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 10
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 6
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 125000001967 indiganyl group Chemical group [H][In]([H])[*] 0.000 description 2
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 2
- FKTOIHSPIPYAPE-UHFFFAOYSA-N samarium(III) oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Sm+3].[Sm+3] FKTOIHSPIPYAPE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000342 Monte Carlo simulation Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 238000011545 laboratory measurement Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
- G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
- G01T1/36—Measuring spectral distribution of X-rays or of nuclear radiation spectrometry
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
- G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
- G01T1/36—Measuring spectral distribution of X-rays or of nuclear radiation spectrometry
- G01T1/38—Particle discrimination and measurement of relative mass, e.g. by measurement of loss of energy with distance (dE/dx)
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Measurement Of Radiation (AREA)
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
Abstract
本发明公开了一种预测屏栅电离室测量中子诱发核反应实验结果的方法，通过蒙特卡罗模拟的方法，在获得待测反应以及其他可能发生的干扰反应产生的带电粒子能量、出射方向信息，以及带电粒子的能量损失和射程信息后，定量地得到待测反应出射粒子的能量‑计数关系。通过改变样品厚度、电离室内工作气体种类、气压、中子能量等模拟条件，得到相应的反应出射带电粒子能量‑计数关系，从而通过这种关系较为直观地得到实验的结果，进而优化各类实验条件。本发明可以指导电离室核反应测量实验计划的制订，并且可以确定测量效率。
Description
技术领域
本发明属于辐射探测领域，具体涉及一种电离室测量中子诱发反应实验结果的预测方法。
背景技术
屏栅电离室(以下简称电离室)是测量快中子(中子能量En>1MeV)诱发的轻带电粒子出射核反应，如(n,α)反应的常用探测器。电离室内部充有工作气体(一般为90％以上的惰性气体+10％以下的多原子气体，比如CO2或H2)，并且主要由一个阴极和两个阳极、两个屏蔽极和两个栅极，共7个平行极板构成，形成屏蔽极-阳极-栅极-阴极-栅极-阳极-屏蔽极的结构，在实验测量中主要关注的是阴极和阳极，所以在本说明书中主要讨论阴极和阳极，即简化为阳极-阴极-阳极结构。阴极和阳极的极板间有高电压，其中两个阳极的电位相等，即关于阴极对称。阴极板的中央装有待测的实验样品，为两个背靠背的圆形箔片。实验测量时，入射中子垂直于样品箔片入射，打到样品上，引起核反应，产生的带电粒子若与入射中子的夹角在0-90°范围内，则称为前向出射；若与入射中子的夹角在90-180°范围内，则称为后向出射。带电粒子在工作气体中沉积能量，沉积的能量将工作气体的分子电离，电离产生的电子在极板间高压的作用下向距离电离发生位置更近的阳极板漂移，同时阴极和这个阳极的极板产生感应电荷，由此将核反应产生的出射带电粒子能量转化为电信号输出，完成测量。
待测样品受到中子辐照后，除了会发生待测反应，也会发生其他带电粒子出射反应，例如待测核反应是58Ni核的(n,α)反应，此时待测样品为58Ni样品，待测粒子即为α粒子。但58Ni样品除了会发生(n,α)反应，也会发生(n,p)反应，产生质子(p)，质子也会在工作气体中沉积能量并被探测到，因而对实验测量结果有干扰。粒子的干扰除了来自待测样品的核反应产生的粒子，还有可能来自中子与工作气体、化合物样品中的其他原子核(例如氧化物样品中的氧)产生的核反应，并且电离室不可避免地会有漏气现象，中子与空气中漏到工作气体内的O2、N2等气体的原子核也会作用，产生带电粒子，被电离室探测到。这些干扰反应产生的粒子，都会因在电离室沉积能量并被探测到，从而对电离室最后测量得到的能谱(即电离室的阳极和阴极测量的能量-相应计数关系)有贡献，而电离室测量得到的能谱是待测反应与其他所有干扰反应的贡献之和，所以若干扰反应和待测核反应的能谱重叠，则可能无法鉴别开，使得实验测量得到的能谱完全找不到待测核反应的粒子，最后导致实验失败。除了干扰反应外，实验测量使用的工作气体种类、气压，样品的厚度、密度等参数，都会影响到实验测量的最终结果。实验需要的中子束流需要申请，实验通常要持续一周以上，需要时刻有值班人员在场，且定制样品通常价格不菲，实验对人力、物力消耗较大，所以需要提前计划好实验，保证实验成功率和实验质量，因此上述参数都需要进行提前优化，干扰反应的影响可以接受，且待测反应产生粒子的计数足够。
总结起来，电离室测量某个中子诱发的核反应实验前，需要判断这个实验是否可行，然后给出合适的实验参数，从而制订实验方案。
发明内容
为了能在电离室测量中子核反应实验前得到各个实验条件下的预期结果，从而确定最优化实验条件，本发明提供了一种实验结果的预测方法。
本发明基于蒙特卡罗方法，使用电离室测量中子诱发带电粒子核反应实验中的各种参数和条件，模拟得到预期的实验测量结果，包括前向和后向的阴极-阳极测量能量二维谱，以及前向和后向的阳极测量能量-探测器计数谱(以下简称阳极投影谱)。观察阳极投影谱中，待测粒子的能谱是否被干扰反应覆盖，如果完全覆盖或大部分都被覆盖，则认为实验不可行，反之，认为实验可行。若实验可行，则可以反复调节实验参数，即工作气体种类、气压，样品的厚度、半径、密度等，通过比较在不同条件下的模拟结果，确定正式实验时的参数，保证这些参数是最优化，即待测反应和干扰反应在阳极投影谱中重叠部分最少。通过以上方法，实现对中子诱发带电粒子出射核反应测量结果的预测。
具体的，本发明提供了一种预测屏栅电离室测量中子诱发核反应实验结果的方法，包括如下步骤：
1)计算待测核反应出射带电粒子的能量和角度的核反应信息；
2)计算待测核反应出射带电粒子在样品中和在工作气体中的能量损失和射程信息；
3)随机抽取待测核反应在样品中发生的位置，再加上步骤1)得到的待测核反应出射带电粒子的能量、角度信息，利用步骤2)得到的待测核反应出射带电粒子的能量损失信息，计算朝各个方向出射的带电粒子在样品中的能量损失，从而判断带电粒子能否射出样品，若能够射出样品，则计算射出样品后带电粒子剩余的能量，并进入下一步；若不能射出样品，则结束对带电粒子的追踪；
4)利用步骤2)得到的能量损失信息，计算带电粒子射出样品后，在工作气体中的能量损失，即沉积的能量ED；
5)计算阳极和阴极此时能够测量的能量；
6)对待测样品的非待测核反应进行模拟，方法同步骤1)至步骤5)；
7)对工作气体中的原子核受到中子辐照后发生的干扰反应进行模拟，方法基本同步骤1)至步骤5)，不同点在于：a)抽取核反应发生的位置不在样品处，而是在电离室的任意位置随机抽样；b)不计算出射带电粒子在样品中的能量损失，直接计算在工作气体中沉积的能量，以及阳极和阴极相应能够测量的能量；
8)将待测样品的各个反应模拟结果(包括待测核反应和非待测核反应)、工作气体中的原子核干扰反应模拟结果相加，得到最终的模拟结果。
上述方法中，所述待测核反应是指中子诱发的轻带电粒子出射核反应，即(n,lcp)反应，其中lcp即轻带电粒子(light charged particle)；各反应的出射粒子包括轻带电粒子α、质子、氚粒子、氘粒子、3He等。
上述步骤1)中所述出射带电粒子的能量和角度的核反应信息，指反应发生的概率与出射带电粒子的能量和出射角度(出射带电粒子的出射方向与入射中子的夹角，以下简称出射角)的关系。优选使用Talys-1.9程序计算待测核反应出射带电粒子的能量和角度的核反应信息。
上述步骤2)中所述工作气体通常为惰性气体(Ne、Ar、Kr、Xe中的一种)和少量多原子气体(如CO2、H2、CH4中的一种)，其中多原子气体的占比在10％以下。带电粒子在样品中和在电离室工作气体中的能量损失和射程信息包括：粒子能量-射程关系、粒子能量-能量损失关系，以及带电粒子的电离密度重心。优选使用SRIM程序计算待测核反应出射带电粒子在样品中和在工作气体中的粒子能量-射程关系和粒子能量-能量损失关系。电离密度重心由以下方法计算：
首先按照图1所示的流程来计算出射带电粒子在射程内不同位置的能量沉积，即带电粒子在xi处移动Δx距离时沉积的能量ΔEi+1。i为整数，代表计算的次数；Δx为每次计算的步长，一般设为0.1mm即可满足计算精度要求。因此，带电粒子的射程R被均匀分为
份；其中xi为带电粒子与其产生位置的距离，满足以下关系：
xi+1＝xi+Δx (式1)
以Ei表示带电粒子在xi处的能量，E是带电粒子在产生时的初始能量，
是带电粒子在单位距离的能量损失，优选使用SRIM程序计算；可得：
Ethre是计算停止的条件，一般设为1keV，即0.001MeV。如此，电离密度重心可以通过下面的式子计算：
上述步骤3)中，对朝各个方向出射的带电粒子在样品中的能量损失进行计算时，将带电粒子出射角度和出射能量按照0-180°每2°、0-最高出射能量每0.1MeV作为一个区间，把带电粒子所有可能的出射方向和能量划分为多个区间，每个区间都重复计算至少500次。
上述步骤5)中，可以用以下方法计算阴极和阳极能够测量到的能量：
其中，Ec是阴极测量到的能量，Ea是阳极测量到的能量，θ是带电粒子的出射角，d是相邻的栅极和阴极之间的距离，本发明实施例中d为6.10cm，σ为0.0121，所以
这一项可以忽略，因而有Ea≈ED；
是带电粒子的电离密度重心，通过步骤2)的计算给出。
上述步骤6)中所述待测样品的非待测核反应是指中子诱发的待测核的其他带电粒子出射核反应。
上述步骤8)得到的模拟结果包括前向和后向的阴极-阳极测量能量二维谱，以及前向和后向的阳极投影谱，即阳极测量能量-探测器计数谱。
本发明基于上述模拟方法，开发了模拟程序，可以通过该程序直接对实验测量结果进行预测。
根据本发明的方法，通过在模拟程序中输入实验条件的参数，包括待测的核素、样品的质量、密度、半径、工作气体种类和气压，以及要测量的入射中子能量，实现对要测量的核反应过程的模拟，即对实验测量结果的预测，预测结果以前向和后向的阴极-阳极测量能量二维谱，和前向和后向的阳极投影谱4张谱图给出。反复调节实验条件，比如工作气体气压和种类，得到不同的模拟预测结果，通过对每种结果的比较分析，可以帮助确定实验测量的条件，从而实现对计划实验的指导。其有益效果简述如下：
1、本发明可以在电离室对带电粒子出射核反应的实验测量前，预测实验得到的结果，从而判断实验是否可行，且通过调整参数可以改变实验条件，使得实验结果最优化；
2、本发明的计算方法简单，对计算机资源占用小，且开发了模拟程序，可以在SRIM和Talys-1.9计算得到的相应文件已获得后，直接在程序界面输入参数，即可得到模拟结果，易于实现。
附图说明
图1为计算带电粒子在射程内不同位置的能量沉积的方法流程图，其中：ΔEi+1为带电粒子在xi处移动Δx距离时沉积的能量，即射程内不同位置处的能量沉积，E是带电粒子在产生时的初始能量，Δx为每次计算的步长，
是带电粒子在单位距离的能量损失，Ethre是计算停止的条件，一般设为1keV。
图2为双屏栅电离室实验测量布局的示意图，包含了电离室内部的构造，其中：1为阴极，2为栅极，3为阳极，4为屏蔽极，5为样品，6为中子源，7为前向区域，8为后向区域。
图3为工作气体为Kr+2.74％CO2组合，气压为0.95atm时，模拟得到的5.00MeV入射中子条件下，58Ni(n,α)55Fe反应实验测量的预测结果，分为(a)、(b)、(c)、(d)4张图，其中：(a)和(b)分别为前向和后向的阴极-阳极测量能量二维谱，它们的坐标值意义均相同：横坐标表示阴极测量到的能量，单位为MeV；纵坐标为阳极测量到的能量，单位为MeV，二维谱中颜色表示计数的多少，这是一个相对值，故没有量纲；(c)和(d)分别为前向和后向的阳极测量能量-计数投影谱，横坐标为阳极测量到的能量，单位为MeV；纵坐标为相对计数，故没有量纲；样品条件：两个样品均为58Ni单质箔片，呈背靠背放置，质量分别为8.03mg和9.99mg；密度均为8.90g/cm3；箔片的半径分别为21.00mm和23.00mm。
图4为工作气体为Xe+8.50％H2组合，气压为0.80atm时，模拟得到的5.00MeV入射中子条件下，58Ni(n,α)55Fe反应实验测量的预测结果，分为(a)、(b)、(c)、(d)4张图，其中：(a)和(b)分别为前向和后向的阴极-阳极测量能量二维谱，它们的坐标值意义均相同：横坐标表示阴极测量到的能量，单位为MeV；纵坐标为阳极测量到的能量，单位为MeV，二维谱中颜色表示计数的多少，这是一个相对值，故没有量纲；(c)和(d)分别为前向和后向的阳极测量能量-计数投影谱，横坐标为阳极测量到的能量，单位为MeV；纵坐标为相对计数，故没有量纲；样品条件与图3中完全相同。
图5为按照图4所介绍的参数进行实验后，得到的58Ni(n,α)55Fe反应测量结果，分为(a)、(b)2张图，其中(a)为前向的阴极-阳极测量能量二维谱，横坐标为阴极测量到的能量，纵坐标为阳极测量到的能量，颜色反映了粒子的计数；(b)为后向的阴极-阳极测量能量二维谱，横纵坐标的含义与(a)完全相同。
图6为工作气体为Xe+8.50％H2组合时，9.50MeV入射中子条件下时，144Sm(n,α)141Nd反应实验测量的预测结果，分为(a)、(b)、(c)、(d)4张图，意义与图3和图4中的完全相同；样品条件：两个样品均为144Sm2O3氧化物箔片，呈背靠背放置，质量分别为48.33mg和61.24mg；密度均为3.86g/cm3；箔片的半径均为22.00mm。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的方法进行说明，但本发明并不局限于此。
本实施例使用双屏栅电离室对58Ni(n,α)55Fe反应进行测量，测量的粒子即为58Ni(n,α)55Fe反应产生的α粒子，使用的样品为纯58Ni箔片样品，中子通过北京大学4.5MV静电加速器加速氘离子束流轰击氘气体靶从而发生2H(d,n)3He反应得到，双屏栅电离室测量实验布局如图2所示。实验计划测量中子能量为5.00MeV下的58Ni(n,α)55Fe反应，此即为待测反应，该反应产生的α粒子即为待测粒子。同时，58Ni样品受到5.00MeV的中子辐照后，还会发生58Ni(n,p)58Co干扰反应，产生质子，同样会被电离室探测到。目前具备的工作气体有Kr+2.74％CO2组合和Xe+8.50％H2组合，需要通过模拟来确定更合适的工作气体，以及相应的气压。
由Talys-1.9计算得到58Ni(n,α)55Fe反应出射的能量和角度分布信息，从而得到待测粒子的最大能量；再通过SRIM计算得到的射程信息可以计算出合适的气压：Kr+2.74％CO2组合需要0.95atm(大气压)，Xe+8.50％H2组合需要0.80atm(大气压)，这样的气压下才能使待测粒子的能量全部沉积在电离室内，得到完整的能谱信息。对两种工作气体下的情况分别进行模拟，除了要考虑样品受到中子辐照发生的58Ni(n,α)55Fe反应和58Ni(n,p)58Co反应，也要考虑工作气体和工作气体内杂质带来的反应。对于Kr+2.74％CO2组合，要考虑的有Kr的同位素：78Kr(0.4％)、80Kr(2.3％)、82Kr(11.6％)、83Kr(11.5％)、84Kr(57.0％)、86Kr(17.3％)的(n,α)反应，来自CO2中16O的(n,α)反应，而C的影响很小，在这里可以忽略，另外还有气体中混入的空气杂质，主要是14N和16O的(n,α)反应，模拟中空气杂质的含量根据过往实验经验给出，为工作气体的0.1％。对Xe+8.50％H2组合下的模拟，要考虑的有Xe的同位素Xe：124Xe(0.1％)、126Xe(0.1％)、128Xe(1.9％)、129Xe(26.4％)、130Xe(4.1％)、131Xe(21.2％)、132Xe(26.9％)、134Xe(10.4％)和136Xe(8.9％)的(n,α)反应，来自H2的1H(n,n)1H反应，以及气体中混入的空气杂质，主要是14N和16O的(n,α)反应，模拟中空气杂质的含量根据过往实验经验给出，为工作气体的0.1％。样品在模拟之前已获得，所以直接使用现有的样品参数。根据本发明的方法开发模拟程序，分别对两种工作气体下的实验测量进行模拟预测，操作步骤如下：
1)待测核为58Ni，样品为Ni单质，有两个，呈背靠背放置，均为58Ni箔片。两个样品的质量分别为8.027mg和9.992mg；密度均为8.902g/cm3；两个样品箔片的半径分别为21mm和23mm；工作气体一般用Xe+H2和Kr+CO2两种组合的其中一种，并且这两个组合的成分比例也可以调节，其中Kr+2.74％CO2组合的气压为0.95atm(大气压)，Xe+8.50％H2组合的气压为0.80atm。
用Talys-1.9计算5.00MeV入射中子诱发的所有反应的出射粒子的能量和角度分布信息，包括待测反应58Ni(n,α)55Fe反应，和所有干扰反应，比如58Ni(n,p)58Co反应、14N(n,α)11B反应等，计算好的信息文件放入相应目录下，方便模拟程序读取；
用SRIM计算各种粒子，如α粒子、质子在样品、工作气体中的射程和能量损失信息，计算好的信息文件放入相应目录下，方便模拟程序读取；
2)参数输入完毕后，依次模拟待测反应(58Ni(n,α)55Fe反应)、58Ni(n,p)58Co、14N(n,α)11B反应、16O(n,α)13C反应、Kr同位素的(n,α)反应和来自O2的16O(n,α)13C反应(对Xe+H2组合，则为Xe同位素的(n,α)反应、1H(n,el)1H反应和电离室漏气带来的O2的16O(n,α)13C反应，完成模拟。其中，每个反应的具体模拟方法如下：
①随机抽取待测核反应在样品中发生的位置，再加上反应出射带电粒子能量、角度信息，以及粒子的能量损失信息，计算朝各个方向出射的带电粒子在样品中的能量损失，从而判断带电粒子能否射出样品，若能够射出样品，则计算射出样品后带电粒子剩余的能量，并进入下一步；若不能射出样品，则结束对带电粒子的追踪；
②利用SRIM计算得到的能量损失信息，计算带电粒子射出样品后，在工作气体中的能量损失，即沉积的能量ED；
③通过下列公式计算阳极和阴极此时能够测量的能量：
其中，Ec是阴极测量到的能量，Ea是阳极测量到的能量，ED是待测α粒子沉积在工作气体中的能量，θ是待测α粒子出射方向与入射中子的夹角(简称出射角)，d＝6.1cm，σ＝0.0121，所以
这一项可以忽略。
是电离密度重心，通过步骤2)的计算给出。
④对反应产生的出射粒子出射的出射角度和出射能量按照0-180°每2°、0-最高出射能量每0.1MeV作为一个区间，把粒子所有可能的出射方向和能量划分为多个区间，每个区间都用①-③重复计算至少500次。
⑤对待测样品的其他非待测反应的模拟，基本同步骤①-④。其中工作气体中的干扰反应稍有不同，主要在于a)抽取核反应发生的位置不在样品处，而是在电离室的任意位置随机抽样；b)不计算出射带电粒子在样品中的能量损失，直接计算在工作气体中沉积的能量，以及阳极核阴极相应能够测量的能量；
3)模拟全部完成后，将待测样品的各个反应模拟结果(包括待测核反应和非待测核反应)、工作气体中的原子核干扰反应模拟结果相加，得到最终的模拟结果。得到的最终模拟结果汇总起来，并以4个测量谱预测图的形式呈现：以图3为例，(a)和(b)分别为前向和后向的阴极-阳极测量能量二维谱，(c)和(d)分别为前向和后向的阳极投影谱。
工作气体为Kr+2.74％CO2组合下的模拟结果如图3所示。从图3(c)和(d)中可以看出，来自Kr的(n,α)反应的能谱与待测反应的能谱重合较大，即待测反应受到来自Kr的干扰较大。工作气体为工作气体为Xe+8.50％H2组合下的模拟结果如图4所示。从图4(c)和(d)中可以看出，来自Xe的(n,α)反应的能谱与待测反应的能谱重合较少，待测反应的能谱纯净度较高，受到的干扰小。对比来看，实验应选择Xe+8.50％H2组合作为工作气体。
根据模拟结果的指导，进行了5.00MeV中子诱发的58Ni(n,α)55Fe反应测量，测量的条件与模拟的条件一致，实验后数据处理得到测量的前、后向阴极-阳极二维谱，如图5所示。可以看出，考虑到模拟方法简单，实际实验中的条件更为复杂，不是所有入射中子能量均为严格的5.00MeV，而是以5.00MeV为中心值，在5.00MeV附近的范围内分布等因素，实验与模拟预测符合比较好。
除了58Ni单质样品，本发明还可以用于模拟氧化物样品，例如进行9.50MeV中子诱发的144Sm(n,α)141Nd反应测量，并通过模拟验证其可行性，由于Sm金属的强氧化性，制备Sm2O3样品更为合理。与58Ni(n,α)55Fe反应模拟类似，在模拟程序中输入相应参数，模拟结果如图6所示。模拟反复调整过样品和工作气体参数(和种类)，但对本反应模拟结果影响不大，这里图6中的参数仅为使用过的一种，作为例子展示。可见，来自Xe的干扰极大，完全覆盖了144Sm(n,α)141Nd反应的能谱，所以该实验不可行。
Claims (11)
1.一种预测屏栅电离室测量中子诱发核反应实验结果的方法，包括如下步骤：
1)计算待测核反应出射带电粒子的能量和角度的核反应信息；
2)计算待测核反应出射带电粒子在样品中和在工作气体中的能量损失和射程信息；
3)随机抽取待测核反应在样品中发生的位置，再加上步骤1)得到的待测核反应出射带电粒子的能量、角度信息，利用步骤2)得到的待测核反应出射带电粒子的能量损失信息，计算朝各个方向出射的带电粒子在样品中的能量损失，从而判断带电粒子能否射出样品，若能够射出样品，则计算射出样品后带电粒子剩余的能量，并进入下一步；若不能射出样品，则结束对带电粒子的追踪；
4)利用步骤2)得到的能量损失信息，计算带电粒子射出样品后，在工作气体中的能量损失，即沉积的能量ED；
5)计算阳极和阴极此时能够测量的能量；
6)对待测样品的非待测核反应进行模拟，方法同步骤1)至步骤5)；
7)对工作气体中的原子核受到中子辐照后发生的干扰反应进行模拟，方法基本同步骤1)至步骤5)，不同点在于：a)抽取核反应发生的位置不在样品处，而是在电离室的任意位置随机抽样；b)不计算出射带电粒子在样品中的能量损失，直接计算在工作气体中沉积的能量，以及阳极核阴极相应能够测量的能量；
8)将待测样品的各个反应模拟结果、工作气体中的原子核干扰反应模拟结果相加，得到最终的模拟结果。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待测核反应为中子诱发的轻带电粒子出射核反应，即(n,lcp)反应。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，各反应的出射粒子包括轻带电粒子α、质子、氚粒子、氘粒子、3He。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)使用Talys-1.9程序计算待测核反应出射带电粒子的能量和角度的核反应信息。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)使用SRIM程序计算待测核反应出射带电粒子在样品中和在工作气体中的能量损失和射程信息。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中所述工作气体为惰性气体和少量多原子气体，所述惰性气体选自Ne、Ar、Kr、Xe中的一种，所述多原子气体选自CO2、H2、CH4中的一种。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中所述带电粒子在样品中和在电离室工作气体中的能量损失和射程信息包括：粒子能量-射程关系、粒子能量-能量损失关系，以及带电粒子的电离密度重心。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤2)计算出射带电粒子在射程内不同位置的能量沉积，即带电粒子在xi处移动Δx距离时沉积的能量ΔEi+1，其中i代表计算的次数，Δx为每次计算的步长，则带电粒子的射程R被均匀分为
份；带电粒子与其产生位置的距离xi满足以下关系：
xi+1＝xi+Δx (式1)
以Ei表示带电粒子在xi处的能量，E表示带电粒子在产生时的初始能量，
为带电粒子在单位距离的能量损失，有：
通过下述公式计算得到带电粒子的电流密度重心
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤5)用以下方法计算阴极和阳极能够测量到的能量：
其中，Ec是阴极测量到的能量，Ea是阳极测量到的能量，ED是沉积的能量，θ是带电粒子的出射角，d是相邻的栅极和阴极之间的距离，σ为常数且数值小，忽略
是带电粒子的电离密度重心。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中对朝各个方向出射的带电粒子在样品中的能量损失进行计算时，将带电粒子出射角度和出射能量按照0-180°每2°、0-最高出射能量每0.1MeV作为一个区间，把带电粒子所有可能的出射方向和能量划分为多个区间，每个区间都重复计算至少500次。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤8)得到的模拟结果包括前向和后向的阴极-阳极测量能量二维谱，以及前向和后向的阳极投影谱。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110056465.9A CN112859145B (zh) | 2021-01-15 | 2021-01-15 | 一种预测屏栅电离室测量中子诱发核反应实验结果的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110056465.9A CN112859145B (zh) | 2021-01-15 | 2021-01-15 | 一种预测屏栅电离室测量中子诱发核反应实验结果的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112859145A true CN112859145A (zh) | 2021-05-28 |
| CN112859145B CN112859145B (zh) | 2024-04-12 |
Family
ID=76006968
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110056465.9A Active CN112859145B (zh) | 2021-01-15 | 2021-01-15 | 一种预测屏栅电离室测量中子诱发核反应实验结果的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112859145B (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20020057664A (ko) * | 2001-01-03 | 2002-07-12 | 윤종용 | 플라즈마 장치에 의한 플라즈마 처리 공정의 시뮬레이션방법 |
| WO2007054575A1 (fr) * | 2005-11-14 | 2007-05-18 | Commissariat A L'energie Atomique | Procede de détermination de coefficient d'etalonnage de chambre d'ionisation |
| CN208815032U (zh) * | 2018-07-20 | 2019-05-03 | 山东兆光色谱分离技术有限公司 | 一种利用模拟移动单、双室床连续离交生产山梨醇的系统 |
| CN110277300A (zh) * | 2019-06-27 | 2019-09-24 | 中国人民解放军国防科技大学 | 用于量子模拟和计算芯片离子阱实验的超低温隔振系统 |
| EP3668281A1 (de) * | 2018-10-01 | 2020-06-17 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Neutronenquelle und verfahren zum auffinden eines targetmaterials |
| CN111487671A (zh) * | 2020-05-26 | 2020-08-04 | 北京大学 | 一种中子核反应截面测量中减小中子能量误差的方法 |
-
2021
- 2021-01-15 CN CN202110056465.9A patent/CN112859145B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20020057664A (ko) * | 2001-01-03 | 2002-07-12 | 윤종용 | 플라즈마 장치에 의한 플라즈마 처리 공정의 시뮬레이션방법 |
| WO2007054575A1 (fr) * | 2005-11-14 | 2007-05-18 | Commissariat A L'energie Atomique | Procede de détermination de coefficient d'etalonnage de chambre d'ionisation |
| CN208815032U (zh) * | 2018-07-20 | 2019-05-03 | 山东兆光色谱分离技术有限公司 | 一种利用模拟移动单、双室床连续离交生产山梨醇的系统 |
| EP3668281A1 (de) * | 2018-10-01 | 2020-06-17 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Neutronenquelle und verfahren zum auffinden eines targetmaterials |
| CN110277300A (zh) * | 2019-06-27 | 2019-09-24 | 中国人民解放军国防科技大学 | 用于量子模拟和计算芯片离子阱实验的超低温隔振系统 |
| CN111487671A (zh) * | 2020-05-26 | 2020-08-04 | 北京大学 | 一种中子核反应截面测量中减小中子能量误差的方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 江浩雨、崔增琪等人: "Cross-section measurements for 58, 60, 61Ni(n, α)55, 57, 58Fe reactions in the 4.50–5.50 MeV neutron energy region", 《CHINESE PHYSICS C》, vol. 44, no. 11, 19 August 2020 (2020-08-19), pages 1 - 12 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112859145B (zh) | 2024-04-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Flaska et al. | Modeling of the GELINA neutron target using coupled electron–photon–neutron transport with the MCNP4C3 code | |
| Duke et al. | Fission-fragment properties in U 238 (n, f) between 1 and 30 MeV | |
| Colonna et al. | The fission experimental programme at the CERN n_TOF facility: status and perspectives | |
| Steier et al. | The actinide beamline at VERA | |
| Blaufuss et al. | 16N as a calibration source for Super-Kamiokande | |
| CN111487671A (zh) | 一种中子核反应截面测量中减小中子能量误差的方法 | |
| Sarmento et al. | Measurement of the 236 U (n, f) cross section from 170 meV to 2 MeV at the CERN n _ TOF facility | |
| Tessler et al. | Stellar Ar 36, 38 (n, γ) Ar 37, 39 Reactions and Their Effect on Light Neutron-Rich Nuclide Synthesis | |
| Babich | Relativistic runaway electron avalanche | |
| Strabel | Evaluation of particle yields in 30 GeV proton-carbon inelastic interactions for estimating the T2K neutrino flux | |
| CN112859145B (zh) | 一种预测屏栅电离室测量中子诱发核反应实验结果的方法 | |
| Aduszkiewicz | Energy dependence of negatively charged pion production in proton-proton interactions at the CERN SPS | |
| Sundén et al. | Evaluation of neutron spectrometer techniques for ITER using synthetic data | |
| Barry | Neodymium neutron transmission and capture measurements and development of a new transmission detector | |
| Yang | Measurement of the pion charge exchange differential cross section on Argon with the ProtoDUNE-SP detector | |
| Rykaczewski | Decay Studies of 238U Fission Products at the HRIBF (Oak Ridge) | |
| Bartkoski | Analysis, Prototyping, and Design of an Ionization Profile Monitor for the Spallation Neutron Source Accumulator Ring | |
| Derkin | Installation of a Fixed Angle Short Trajectory Neutron Source at Ohio University | |
| Macías Martínez | HiSPANoS (HiSPAlis Neutron Source) at CNA: installation and commissioning of the rst neutron time of ight beamline in Spain | |
| Kislyakov et al. | Neutral atom analyzers for diagnosing hot plasmas: A review of research at the ioffe physicotechnical institute | |
| Mitaroff | Design, calibration and tests of an extended-range Bonner sphere spectrometer | |
| Lica | Development of the ISOLDE Decay Station and γ spectroscopic studies of exotic nuclei near the N= 20 “Island of Inversion” | |
| Aguerre et al. | Measurement of the double-β decay of 150 Nd to the 0 1+ excited state of 150 Sm in NEMO-3 | |
| Tsintari et al. | Implementation and validation of realistic (n, x) reaction yields in Geant4 utilizing a detailed evaluated nuclear reaction library below 20 MeV | |
| Czeszumska | β-delayed neutron studies of 137–138I and 144–145Cs performed with trapped ions |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |