CN113671556B - 一种铀裂变电离室铀靶铀同位素原子核数量定值方法 - Google Patents

一种铀裂变电离室铀靶铀同位素原子核数量定值方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于铀同位素原子核数量定值技术领域，具体涉及一种铀裂变电离室铀靶铀同位素原子核数量定值方法，包括如下步骤：步骤S1，获得镀靶的铀同位素原子核数量的比值；步骤S2，获取第一alpha谱，第一alpha谱是指铀裂变电离室内的铀靶发射的alpha谱，在第一alpha谱上设定第一甄别阈，获得第一阈上alpha计数；步骤S3，获取第二alpha谱，第二alpha谱是指通过模拟程序得到的模拟的铀裂变电离室内的铀靶发射的模拟alpha谱，在第二alpha谱上设置第二甄别阈，得到第二alpha谱的全谱计数和第二阈上alpha计数的比值；步骤S4，获得总alpha计数；步骤S5，通过总alpha计数、测量获取第一alpha谱的活时间、铀同位素的衰变常数以及铀靶的铀同位素原子核数量的比值推算得到铀靶中的各个铀同位素原子核数量。

Description

一种铀裂变电离室铀靶铀同位素原子核数量定值方法
技术领域
本发明属于铀同位素原子核数量定值技术领域，具体涉及一种铀裂变电离室铀靶铀同位素原子核数量定值方法。
背景技术
U-235裂变电离室(铀裂变电离室)常用于测量低能中子和1MeV以上快中子的注量(率)，采用的是裂变碎片的计数推算中子注量(率)，由于在裂变中裂变碎片能获得168MeV的动能，相比主要本底U同位素衰变放出的alpha(3.9～4.8)MeV的动能，有着极好的信噪比，测量的基本原理可以用公式(1)表示：
式中：
—表示单能中子能量为E时的中子注量率；
nE—表示铀裂变电离室测得的裂变碎片的计数率；
RE—表示铀裂变电离室的注量响应；
ca—表示靶自吸收修正系数；
cl—表示阈下裂变碎片修正系数。
式(1)中RE的确定，首先要获得铀靶中铀同位素原子核数量，这一般通过两步方法测量获得，第一步先用热电离质谱法测量采用的铀靶材料中U-234、235、236、238同位素原子核的比例，第二步定铀靶中U-234、235、236、238同位素的总量，在第二步中，根据文献报道，目前存在3种确定铀靶中U-234、235、236、238同位素总量的方法，第一种方法是称重法[3]，称重法称的是镀在底衬上的铀物质总质量，但镀在底衬上的铀物质的种类是很难确定的，大致可能有以下几种：U(NO3)3、U(NO3)4、U(NO3)5、U(NO3)6、U2O3、U3O8及其他有机质，因此，通过称重很难确定U同位素的总量；第二种方法是通过屏栅电离室测量铀靶衰变发射的总alpha计数确定U同位素的总量[1][4]，由于屏栅电离室通过计数测量alpha总量，必须设置一定的甄别阈以去除噪声的影响，这同时也忽略了脉冲幅度较低的alpha计数，因此，通过屏栅电离室法无法精确定量alpha总数；第三种方法是通过小立体角探测器测量铀靶衰变发射的总alpha计数确定U同位素的总量[1]，这种方法的缺点是探测效率太低，对用于反应堆高注量率中子测量的铀裂变电离室的铀靶铀同位素原子核数量定量需要太长的时间。
小立体角探测器装置的组成如图1所示，图1中的准直光阑对放射源所张的立体角的示意图如图2所示，h为源距准直光阑的距离，R为准直光阑的半径，r为源活性区半径，则活性区半径为r的源对半径为R的准直光阑所张的有效立体角可以用公式(2)表示：
公式(2)中，β＝R2/h2,γ＝r2/h2。根据公式(2)，当源可视为点源，即源的活性区的大小r→0，则：
以某现有的小立体角探测器为例，h＝20cm，R＝1cm，则活性区半径为r的源对半径为R的准直光阑所张的有效立体角为1.248E-3×2π，则探测效率为6.24E-4，对于用于反应堆水平孔道测量的裂变电离室靶，以设计的靶厚10μg/cm2，直径0.5cm的靶为例，要获得10000alpha计数需要28000多小时，这种时间成本太高了，某种意义上来说根本无法实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种全新的、精确的、高效率的确定铀靶铀同位素原子核数量的方法，利用组装好的铀裂变电离室直接测量alpha脉冲幅图谱，由于铀物质是镀在铀靶底衬上的，发射的alpha只有50％能够被探测到，这样测量alpha的效率就比采用小立体角探测器的方法(背景技术中的第三种方法)高了3个量级，能够较好地给出铀靶中的铀同位素总量。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种铀裂变电离室铀靶铀同位素原子核数量定值方法，包括如下步骤：
步骤S1，获得用于镀靶的铀物质中铀同位素原子核数量的比值；镀有所述铀物质的铀靶设置在铀裂变电离室内；
步骤S2，获取第一alpha谱，所述第一alpha谱是指在所述铀裂变电离室内的所述铀靶发射的alpha谱，在所述第一alpha谱上设定第一甄别阈，获得第一阈上alpha计数，所述第一阈上alpha计数是指在所述第一alpha谱中位于所述第一甄别阈之上的alpha计数；
步骤S3，获取第二alpha谱，所述第二alpha谱是指通过模拟程序得到的模拟的所述铀裂变电离室内的所述铀靶发射的模拟alpha谱，在所述第二alpha谱上设置第二甄别阈，得到所述第二alpha谱的全谱计数和所述第二阈上alpha计数的比值；所述第二alpha谱的全谱计数是第二阈上alpha计数和第二阈下alpha计数的总和，所述第二阈上alpha计数是指在所述第二alpha谱中位于所述第二甄别阈之上的alpha计数，所述第二阈下alpha计数是指在所述第二alpha谱中位于所述第二甄别阈之下的alpha计数；
步骤S4，通过“所述第一阈上alpha计数”和“所述第二alpha谱的全谱计数与所述第二阈上alpha计数的比值”获得总alpha计数，所述总alpha计数是指所述第一alpha谱上的alpha总计数；
步骤S5，通过所述总alpha计数、测量获取所述第一alpha谱的活时间、铀同位素的衰变常数以及所述铀靶的铀同位素原子核数量的比值推算得到所述铀靶中的各个铀同位素原子核数量。
进一步，在所述步骤S1中，通过热电离质谱仪采用热电离质谱法获得用于镀靶的所述铀物质中的铀同位素原子核数量之比，铀同位素包括U234、U235、U236和U238。
进一步，在所述步骤S3中，将用于镀靶的所述铀物质的铀同位素发射alpha粒子分支比信息、所述铀裂变电离室的结构信息以及所述铀靶的信息带入所述模拟程序用于模拟所述第二alpha谱。
进一步，在所述步骤S4中，通过公式(4)推算得到所述总alpha计数；
公式(4)中：
NTotal表示所述总alpha计数，
N第一阈上表示所述第一阈上alpha计数，
N第二阈上表示所述第二阈上alpha计数，
N第二阈下表示所述第二阈下alpha计数；
进一步，在所述步骤S5中，通过公式(5)推算得到所述铀靶中的铀同位素原子核数量；
NTotal＝Ntot(U234·λ234+U235·λ235+U236·λ236+U238·λ238)·t 公式(5)
公式(5)中：
NTotal表示所述总alpha计数，
Ntot表示所述铀靶中铀同位素原子核总数，
U234表示所述铀靶中U234所占的比值，
U235表示所述铀靶中U235所占的比值，
U236表示所述铀靶中U236所占的比值，
U238表示所述铀靶中U238所占的比值，
λ234表示U234的衰变常数，
λ235表示U235的衰变常数，
λ236表示U236的衰变常数，
λ238表示U238的衰变常数，
t表示用于测量获取所述第一alpha谱的活时间。
进一步，在所述步骤S3中，所述模拟程序为蒙特卡洛模拟程序。
进一步，在所述步骤S1中，还包括对所述铀靶进行镀靶、组装所述铀裂变电离室以及在所述铀裂变电离室内充入氩甲烷气体。
本发明的有益效果在于：本发明采用直接测量铀靶发射的alpha谱结合蒙卡模拟获得的第二阈上alpha计数和第二阈下alpha计数相结合的方法，能够准确地测量铀靶中各个铀同位素原子核数量，其测量效率比采用小立体角探测器的方法(背景技术中的第三种方法)高3个量级。
附图说明
图1是本发明背景技术部分所述的小立体角探测器装置的组成示意图；
图2是图1中的准直光阑对放射源所张的立体角的示意图；
图3是本发明实施例中所述的铀裂变电离室的示意图；
图4是本发明实施例中所述的第一alpha谱；
图5是本发明实施例中所述的第二alpha谱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
本发明提供的一种铀裂变电离室铀靶铀同位素原子核数量定值方法，包括如下步骤：
步骤S1，获得用于镀靶的铀物质中铀同位素原子核数量的比值；镀有铀物质的铀靶设置在铀裂变电离室内；
步骤S2，获取第一alpha谱，第一alpha谱是指在铀裂变电离室内测量到的铀靶发射的alpha谱，在第一alpha谱上设定第一甄别阈，获得第一阈上alpha计数，第一阈上alpha计数是指在第一alpha谱中位于第一甄别阈之上的alpha计数；
步骤S3，获取第二alpha谱，第二alpha谱是指通过模拟程序得到的模拟的铀裂变电离室内的铀靶发射的模拟alpha谱，在第二alpha谱上设置第二甄别阈，得到第二alpha谱的全谱计数和第二阈上alpha计数的比值；第二alpha谱的全谱计数是第二阈上alpha计数和第二阈下alpha计数的总和，第二阈上alpha计数是指在第二alpha谱中位于第二甄别阈之上的alpha计数，第二阈下alpha计数是指在第二alpha谱中位于第二甄别阈之下的alpha计数；
步骤S4，通过“第一阈上alpha计数”和“第二alpha谱的全谱计数与第二阈上alpha计数的比值”获得总alpha计数，，所述总alpha计数是指所述第一alpha谱上的alpha总计数(也就是铀靶发射的alpha总计数)；
步骤S5，通过总alpha计数、测量获取第一alpha谱的活时间、铀同位素的衰变常数以及铀靶的铀同位素原子核数量的比值推算得到铀靶中的各个铀同位素原子核数量。
在步骤S1中，通过热电离质谱仪采用热电离质谱法获得用于镀靶的铀物质中的铀同位素原子核数量之比，铀同位素包括U234、U235、U236和U238。
在步骤S3中，将铀同位素发射alpha粒子分支比信息和铀裂变电离室的结构信息以及铀靶的信息带入模拟程序用于模拟第二alpha谱。
在步骤S4中，通过公式(4)推算得到所述总alpha计数，
公式(4)中：
NTotal表示总alpha计数，
N第一阈上表示第一阈上alpha计数，是指第一alpha谱中位于第一甄别阈之上的alpha计数，
N第二阈上表示第二阈上alpha计数，是指第二alpha谱中位于第二甄别阈之上的alpha计数，
N第二阈下表示第二阈下alpha计数，是指第二alpha谱中位于第二甄别阈之下的alpha计数；
在步骤S5中，通过公式(5)推算得到铀靶中的铀同位素原子核数量，
NTotal＝Ntot(U234·λ234+U235·λ235+U236·λ236+U238·λ238)·t 公式(5)
公式(5)中：
NTotal表示总alpha计数，
Ntot表示铀靶中铀同位素原子核总数，
U234表示铀靶中U234所占的比值，
U235表示铀靶中U235所占的比值，
U236表示铀靶中U236所占的比值，
U238表示铀靶中U238所占的比值，
λ234表示U234的衰变常数，
λ235表示U235的衰变常数，
λ236表示U236的衰变常数，
λ238表示U238的衰变常数，
t表示用于测量获取第一alpha谱的活时间。
在步骤S3中，模拟程序为蒙特卡洛模拟程序。
在步骤S1中，通过热电离质谱仪采用热电离质谱法获得铀靶的铀同位素原子核数量的比值。
在步骤S1中，还包括对铀靶进行镀靶、组装铀裂变电离室以及在铀裂变电离室内充入氩甲烷气体。
实施例
以下举例说明本发明提供的一种铀裂变电离室铀靶铀同位素原子核数量定值方法的实际操作。
步骤S1，通过热电离质谱仪采用热电离质谱法获得用于镀靶的铀物质中的铀同位素原子核数量的比值(结果如表1所示)，获得铀同位素原子核数量的比值后对铀靶进行镀靶，组装成铀裂变电离室，冲入氩甲烷工作气体。
表1铀同位素所占百分比
同位素名称 所占份额/％
U234 1.262
U235 90.118
U236 0.2294
U238 8.390
铀同位素半衰期信息如表2所示：
表2铀同位素半衰期
同位素名称 半衰期/y
U234 2.455E+5
U235 7.04E+8
U236 2.342E+7
U238 4.468E+9
步骤S2，然后需要测量铀裂变电离室中铀靶发射的alpha谱(第一alpha谱)，以现有的铀裂变电离室为例进行相关说明，铀裂变电离室的结构如图3所示；
图3中铀裂变电离室为背靠背对称的两个子电离室，任一子电离室主要几何结构为，外壳为1mm厚无氧铜，铀靶直径2.5cm，厚度为161.67μg/cm2，底衬为直径3.6cm，厚度0.3mm的铂金，收集极为0.1mm厚无氧铜。内部充有1.56E-3g/cm3的氩甲烷气体(Ar90％，CH410％)。在高压500V时，测得的脉冲幅度谱(第一alpha谱)如图4所示。
测量第一alpha谱的活时间为5471s，图4中靠近0道附近的高计数是由电子学噪声引起的，为了获得由alpha引起的全谱计数，以图4中拐点标记的道址(102道)为第一甄别阈，第一阈上计数(N第一阈上)为6340944，
铀同位素发射alpha粒子分支比信息，如表3、4所示：
表3U-234、235发射alpha分支比
表4 U-236、238发射alpha分支比
步骤3，在蒙特卡洛程序中采用表1到表4的数据和图3中铀裂变电离室的几何结构，采用蒙特卡洛程序模拟alpha粒子在铀裂变电离室中的脉冲幅度谱(第二alpha谱)，结果如图5所示，图中的“模拟甄别阈”即第二甄别阈。
步骤4，由图5获得第二alpha谱的全谱alpha计数(第二阈上alpha计数和第二阈下alpha计数的总和)与第二阈上alpha计数的比值为1.006879，将该比值(1.006879)和第一阈上计数(N第一阈上，数值为6340944)代入公式(4)中，
由此获得总alpha计数(NTotal)为6384563(也就是第一alpha谱上的全谱的alpha计数)，由此算得铀靶alpha发射率为2334s-1。
步骤5，铀靶中铀同位素原子核总数(Ntot)可以由公式(5)计算求得：
NTotal＝Ntot(U234·λ234+U235·λ235+U236·λ236+U238·λ238)·t 公式(5)
将表1中的铀同位素所占百分比(即铀同位素原子核数量的比值)和表2中的铀同位素半衰期代入公式(5)如下：
NTotal＝Ntot(0.01262·λ234+0.90118·λ235+0.002294·λ236+0.0839·λ238)·t
式中：
NTotal为6384563
t为5471s
最后求得Ntot(铀靶中铀同位素原子核总数)为2.011E+18，各同位素原子核数量如表5所示：
表5铀同位素原子核数量
本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (5)

1.一种铀裂变电离室铀靶铀同位素原子核数量定值方法，包括如下步骤：
步骤S1，获得用于镀靶的铀物质中铀同位素原子核数量的比值；镀有所述铀物质的铀靶设置在铀裂变电离室内；
步骤S2，获取第一alpha谱，所述第一alpha谱是指在所述铀裂变电离室内的所述铀靶发射的alpha谱，在所述第一alpha谱上设定第一甄别阈，获得第一阈上alpha计数，所述第一阈上alpha计数是指在所述第一alpha谱中位于所述第一甄别阈之上的alpha计数；
步骤S3，获取第二alpha谱，所述第二alpha谱是指通过模拟程序得到的模拟的所述铀裂变电离室内的所述铀靶发射的模拟alpha谱，在所述第二alpha谱上设置第二甄别阈，得到所述第二alpha谱的全谱计数和第二阈上alpha计数的比值；所述第二alpha谱的全谱计数是第二阈上alpha计数和第二阈下alpha计数的总和，所述第二阈上alpha计数是指在所述第二alpha谱中位于所述第二甄别阈之上的alpha计数，所述第二阈下alpha计数是指在所述第二alpha谱中位于所述第二甄别阈之下的alpha计数；
步骤S4，通过“所述第一阈上alpha计数”和“所述第二alpha谱的全谱计数与所述第二阈上alpha计数的比值”获得总alpha计数，所述总alpha计数是指所述第一alpha谱上的alpha总计数；
步骤S5，通过所述总alpha计数、测量获取所述第一alpha谱的活时间、铀同位素的衰变常数以及所述铀靶的铀同位素原子核数量的比值推算得到所述铀靶中的各个铀同位素原子核数量；
在所述步骤S4中，通过公式(4)推算得到所述总alpha计数，
公式(4)中：
NTotal表示所述总a lpha计数，
N第一阈上表示所述第一阈上alpha计数，
N第二阈上表示所述第二阈上alpha计数，
N第二阈下表示所述第二阈下alpha计数；
在所述步骤S5中，通过公式(5)推算得到所述铀靶中的铀同位素原子核数量，
NTotal＝Ntot(U234·λ234+U235·λ235+U236·λ236+U238·λ238)·t 公式(5)
公式(5)中：
NTotal表示所述总alpha计数，
Ntot表示所述铀靶中铀同位素原子核总数，
U234表示所述铀靶中U234所占的比值，
U235表示所述铀靶中U235所占的比值，
U236表示所述铀靶中U236所占的比值，
U238表示所述铀靶中U238所占的比值，
λ234表示U234的衰变常数，
λ235表示U235的衰变常数，
λ236表示U236的衰变常数，
λ238表示U238的衰变常数，
t表示用于测量获取所述第一alpha谱的活时间。
2.如权利要求1所述的一种铀裂变电离室铀靶铀同位素原子核数量定值方法，其特征是：在所述步骤S1中，通过热电离质谱仪采用热电离质谱法获得用于镀靶的所述铀物质中的铀同位素原子核数量之比，铀同位素包括U234、U235、U236和U238。
3.如权利要求2所述的一种铀裂变电离室铀靶铀同位素原子核数量定值方法，其特征是：在所述步骤S3中，将用于镀靶的所述铀物质的铀同位素发射alpha粒子分支比信息、所述铀裂变电离室的结构信息以及所述铀靶的信息带入所述模拟程序用于模拟所述第二alpha谱。
4.如权利要求1所述的一种铀裂变电离室铀靶铀同位素原子核数量定值方法，其特征是：在所述步骤S3中，所述模拟程序为蒙特卡洛模拟程序。
5.如权利要求1所述的一种铀裂变电离室铀靶铀同位素原子核数量定值方法，其特征是：在所述步骤S1中，还包括对所述铀靶进行镀靶、组装所述铀裂变电离室以及在所述铀裂变电离室内充入氩甲烷气体。
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