中子谱学

核反应能谱学的一部分

中子谱学即中子能谱学，是核反应能谱学的一部分。通过测量出射中子的能谱、截面、角分布等，或反应产物的各种参量随入射中子能量变化的规律，获得有关核结构和核反应机制的信息及有实际应用价值的核参量。

简介

中子谱学具体研究内容包括中子共振研究，即中子被靶核AX吸收,形成复合核A+1X，当复合核的能量接近某一激发态的能量时，中子同靶核相互作用的几率急剧增加，出现共振。靶核吸收中子生成的复合核处于高激发态，是不稳定的。它可以放出一个中子回到初始核的基态（弹性散射），也可能发射一个或接连发射几个γ光子最终到达A+1X核的基态(辐射俘获)。对一些重核还可能发生裂变反应。对某些轻核有可能发射α粒子或质子，而且截面相当大。分析共振能区(En=100keV) 的截面数据可以得到共振能级的能量、宽度(寿命)、自旋、宇称等参量。当入射中子能量较高时，由于实验上能量分辨率不够高或者由于复合核能级互相重叠而测量不出单个的共振，这时可以研究共振能级的平均性质：平均能级间距、强度函数（见中子核反应）等。

内容概括

中子能谱测量

测量裂变中子谱，反应堆中子能谱以及各种产生中子的反应〔例如 (α,n)、(p,n)、(n,2n)等〕的中子能谱，通过这些能谱的测量可以得到有实际应用价值的数据和获得核结构和核反应机制的一些有关知识。

反应截面测量

包括共振区以上的快中子能区的各种中子引起的和带电粒子引起的、产生中子的反应截面（包括微分截面）的测量。这类截面测量可以提供有实用价值的实验数据，也为核理论研究提供数据。

角分布测量

包括共振中子、快中子和带电粒子引起的核反应的出射中子的角分布研究。角分布可以相对测量，也可以绝对测量。通过角分布数据的理论分析可以获得例如共振能级的自旋宇称等参量。不少核的中子角分布数据具有实用价值。

在实验中，常用的探测方法有以下几种（见中子探测）。

①飞行时间法：通过中子飞行时间测量定出中子的能谱，是当前主要使用的中子能谱测量方法（见飞行时间技术）。

②反冲质子法：通过反冲质子的数目和能谱测量，定出中子的数目和能谱。其中常用的有含氢的各种气体和固体探测器、带含氢辐射体的望远镜系统以及核乳胶等。

③核反应探测法：通过用6Li玻璃、3He正比管等，测量6Li(n，α)T和3He(n，p)T反应的带电粒子产物的脉冲幅度，获得中子能量的信息。

④阈探测器法：一些核素的(n,2n)，(n,p)，(n,α)等反应的剩余核具有放射性且其激发曲线具有不同的反应阈值。可以用多种具有不同反应阈值、反应类型的核素在中子场中进行照射后测量其剩余核的活性，通过适当的数据处理获得此中子场的中子能谱数据。所用的阈探测器种类越多，阈探测器的激发曲线数据越精确，获得的能谱数据就越精确。

飞行时间法测量脉冲堆热柱孔道热中子能谱

在反应堆的设计、安全运行及各种应用实验研究(如核仪器标定、核反应截面测量和核医学剂量学等)中，都需要精确了解反应堆辐射场中子能谱分布。因此，自上世纪四十年代以来，人们探索发展了各种中子能谱探测方法，如核反应法、核反冲法、飞行时间法、活化法和慢化球方法等。在热中子能谱测量中，飞行时间法是一种最直接、最经典的测量方法，在上世纪四、五十年代曾有很广泛的应用。从五十年代开始，飞行时间法已应用到快中子能谱测量方面。其测量的精确性和应用范围远远超过了其它中子能谱测量方法。根据脉冲堆热柱孔道几何特点，设计了飞行时间法能谱测量系统，较为全面地考虑了实验系统和环境因素对测量能谱准确性的影响，为脉冲堆安全运行及其应用研究提供了较为精确的热中子能谱参数。

基本原理

（1）解谱基本原理

飞行时间法能谱测量是根据不同能量的中子飞行一定的距离所需飞行时间不同来分析中子能量，因此，中子按能量的分布就变成了按时间的分布，即只要测出中子飞行时间就可算出中子能量。

（2）中子飞行时间的确定

中子飞行时间是由时问分析器来测量的。为测量中子飞行时间，须记录中子起飞及到达终点的时刻，后者通常由放在终点的中子探测器给出。而起飞的参考时刻则可由多种方式给出，有：

1)在周期性脉冲源条件下，可由与中子脉冲同步的电脉冲作为中子飞出的参考时刻；

2)在非脉冲化中子源条件下，可由记录与中子同时产生的带电粒子或7射线作为起飞的参考时刻；

3)对于既无同步脉冲，又无适当伴随粒子射线用作参考时刻的情形，可通过记录中子在一个有机闪烁体内中子的散射作用获得起飞的参考时刻。

数据解谱处理

考虑到测试电子学系统延迟、环境大气对飞行中子和测量飞行时间的不确定性以及3He探测效率等因素的影响，将上述飞行时间谱测量结果转换成孔道对应的飞行时间谱和中子能谱分布时，需根据实验测量条件和解谱原理，确定以下各参量。

（1）系统时间零点的确定

由于起始信号和终止信号经过了不同的电子线路，主要是给出起飞信号的光敏三极管对光响应有较长的驰豫时间，使得起飞信号有相当的延迟。为确定时间零点t0，实验上可在不同飞行距离下去测量同一能量的中子，用所测到的不同飞行时间来进行推算。

（2）时间分辨修正

根据实验条件，由于转子狭缝具有一定的宽度，因此，形成的中子起飞信号具有一定的脉宽。同时考虑到中子探测器、多道谱仪和时幅转换器具有一定的分辨时间，因此，需对多道谱仪测量的飞行时问谱进行分辨时间修正。

（3）3He正比计数管探测效率

根据实验所用3He管(型号18NH10)技术指标(有效长度为100mm，气体压力为6×105Pa，热中子探测效率为75%)和探测效率定义，导出3He管探测效率。3He管探测几何示意图如图1《3He管探测几何示意图》所示。设中子束沿垂直于纸面的方向入射，将3He管几何沿垂直于纸面的方向平行切分。

根据上述各参量计算分析和解谱原理，利用自行研制的解谱程序求解的热柱孔道实验测量能谱(归一化)与SNAD-II谱数据库提供的Thermal Maxwellian(20℃)理论谱(归一化处理)曲线的对比如图2《热中子谱与 20℃时Thermal Maxwellian理论谱对比》所示。求解的实验测量中子能谱峰对应的中子最可几能量值为(0.0248±0.0072)eV；与理论谱峰对应的最可几能量值0.025eV相吻合，测量谱平均中子能量为(0.042±0.01)eV，Thermal Maxwellian理论谱平均中子能量为0.045eV。在高能段热柱孔道测量谱较理论谱偏软。

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