[科普中國(guó)]-裂變碎片

基本概念

對(duì)于鉍等較輕的核以及更重的核257Fm只出現(xiàn)一個(gè)峰，其對(duì)稱(chēng)裂變占優(yōu)勢(shì)。裂變碎片分開(kāi)時(shí)由于庫(kù)侖斥力作用，可以具有很大的動(dòng)能，例如熱中子導(dǎo)致235U裂變，碎片的平均動(dòng)能可達(dá)170兆電子伏特(MeV)左右，占裂變釋放總能量的80%以上。裂變產(chǎn)物大部分是一些很不穩(wěn)定的豐中子同質(zhì)異位素，它們連續(xù)地進(jìn)行一系列衰變，或者是發(fā)射中子，或者是β-衰變并伴隨γ躍遷。

裂變碎片的γ射線(xiàn)研究中子測(cè)量技術(shù)中子的探測(cè)方法之一就是核裂變法，它是指中子與重核作用可以發(fā)生核裂變，通過(guò)記錄重核的輕重裂變碎片來(lái)探測(cè)中子。中子引起裂變放出的能量很大，其中兩個(gè)裂變碎片的能量共約165MeV。通過(guò)記錄裂變碎片的電離作用產(chǎn)生的信號(hào)易與γ射線(xiàn)分開(kāi)。用裂變材料，可制成探測(cè)中子的探測(cè)器，如裂變室。對(duì)裂變碎片的測(cè)量，較為廣泛地使用裂變室、固體徑跡探測(cè)器等手段直接記錄裂變碎片。然而對(duì)于在狹小空間內(nèi)的測(cè)量，裂變室的使用受到了限制。在我們進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中需要一種更小體積的探測(cè)器，并用核裂變法測(cè)量中子。所以，可用聚脂膜夾鈾片做成小探測(cè)器，通過(guò)測(cè)量聚脂膜上俘獲的裂變碎片的γ活性，來(lái)間接測(cè)量裂變碎片。1

測(cè)量原理在實(shí)驗(yàn)中，14MeV源中子與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)作用后，在鐵球表面不同測(cè)點(diǎn)上測(cè)量中子?？蛇x用鈾裂變室測(cè)量。鈾裂變室用來(lái)直接記錄裂變碎片，得到裂變計(jì)數(shù)。裂變計(jì)數(shù)經(jīng)修正后便可得到裂變反應(yīng)率。裂變碎片也可通過(guò)間接的方法來(lái)記錄，就是采用鈾薄片和聚脂膜組合通過(guò)測(cè)量裂變碎片的γ活性，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換得到裂變計(jì)數(shù)。裂變碎片的γ射線(xiàn)，分為瞬發(fā)γ射線(xiàn)和緩發(fā)γ射線(xiàn)。緩發(fā)γ射線(xiàn)是中子與裂變材料發(fā)生裂變反應(yīng)后在小于10－11s這樣短的時(shí)間內(nèi)發(fā)射出來(lái)的，實(shí)驗(yàn)上不易觀(guān)測(cè)到。緩發(fā)γ射線(xiàn)是不穩(wěn)定的裂變碎片發(fā)射β射線(xiàn)變成穩(wěn)定同位素時(shí)發(fā)射出來(lái)的。緩發(fā)γ射線(xiàn)發(fā)射率的衰減近似與時(shí)間t－1.2成正比，所以實(shí)驗(yàn)上易觀(guān)測(cè)到。實(shí)驗(yàn)上測(cè)量裂變碎片的緩發(fā)γ射線(xiàn)。裂變碎片所發(fā)射的在某一能閾以上的積分γ計(jì)數(shù)正比于裂變碎片數(shù)。因此，裂變反應(yīng)數(shù)Nf與裂變碎片所發(fā)射的積分γ計(jì)數(shù)Nγ有如下關(guān)系 。式中系數(shù)K可預(yù)先由裂變室刻度出，K也稱(chēng)為轉(zhuǎn)換系數(shù)。

為了測(cè)量Nγ可將發(fā)射出鈾片的裂變碎片收集起來(lái)，即用俘獲法。用俘獲片(聚脂膜)緊貼鈾薄片兩面，裂變碎片由俘獲片吸收或收集。照射后，拿掉鈾片，測(cè)量?jī)善@片上的積分γ活性，由上式給出裂變反應(yīng)數(shù)，經(jīng)修正后得到絕對(duì)裂變反應(yīng)率。這樣做成的探測(cè)器也叫俘獲探測(cè)器，由于其體積更小，可在狹小的空間內(nèi)測(cè)量反照中子。
通過(guò)俘獲探測(cè)器測(cè)量，一方面可在特定場(chǎng)合下(如有限空間內(nèi))替代裂變室測(cè)量，另一方面其計(jì)數(shù)較強(qiáng)，對(duì)于弱中子場(chǎng)，其計(jì)數(shù)效率較高。

探測(cè)器構(gòu)成俘獲探測(cè)器是由聚脂膜和鈾片組成的。聚脂膜與鈾片可組成夾心餅干式。這里要求聚脂膜與鈾片要緊貼；俘獲片的直徑大于鈾片的直徑，以減少邊界效應(yīng)的影響。并且照射中確保使鈾片和俘獲片間的邊界效應(yīng)不變。若用多個(gè)鈾片，鈾片要對(duì)心，不能錯(cuò)位等，為了解決這些問(wèn)題，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了一對(duì)鋁壓環(huán)。鋁壓環(huán)內(nèi)徑22mm，外徑31 mm，成對(duì)使用。俘獲探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，鈾片選用貧化鈾，其尺寸為24 mm×0.5 mm。俘獲片30mm，厚50μm。

圖1所示的結(jié)構(gòu)不論探測(cè)器如何擺放，多個(gè)鈾片都不會(huì)錯(cuò)位，且能壓緊，聚脂膜取放方便，可減少冷卻時(shí)間。俘獲片上裂變碎片的γ射線(xiàn)用NaI(Tl)探測(cè)器測(cè)量。俘獲片取出后放在定位盒中，以確保俘獲片不錯(cuò)位，且要壓緊。定位盒放在NaI(Tl) 探測(cè)器上測(cè)量俘獲片上的γ射線(xiàn)。

結(jié)論通過(guò)測(cè)量裂變碎片的γ射線(xiàn)來(lái)測(cè)量中子的方法。確定了測(cè)量條件。不同實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的平均刻度轉(zhuǎn)換系數(shù)在±2.5%范圍內(nèi)是符合的。比較了該方法與裂變室的測(cè)量結(jié)果，兩者在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)是一致的。該方法用于弱中子的研究是可行的。

裂變碎片中子能譜及角分布的模擬計(jì)算核裂變是非常復(fù)雜的物理過(guò)程，核科學(xué)家們對(duì)核裂變已進(jìn)行長(zhǎng)期深入廣泛的研究。為在實(shí)驗(yàn)上更好地觀(guān)測(cè)裂變物理過(guò)程和獲得更多的裂變物理數(shù)據(jù)，國(guó)際上多個(gè)實(shí)驗(yàn)室建立了裂變多參數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)。這類(lèi)系統(tǒng)能夠同時(shí)測(cè)量裂變的瞬發(fā)中子、瞬發(fā)γ射線(xiàn)、X射線(xiàn)、裂變碎片動(dòng)能，并能確定裂變碎片的質(zhì)量。因此，它是裂變物理實(shí)驗(yàn)研究中非常有效的工具。對(duì)于利用裂變多參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行固定質(zhì)量數(shù)和固定電荷數(shù)的裂變碎片核瞬發(fā)中子譜的實(shí)驗(yàn)測(cè)量研究，一個(gè)重要的問(wèn)題是必須區(qū)分所測(cè)得的中子是由何種碎片發(fā)射的，即必須了解發(fā)射的中子能譜與中子發(fā)射角(裂變碎片運(yùn)動(dòng)方向與發(fā)射中子方向的夾角)的關(guān)系，特別是當(dāng)用中子探測(cè)器測(cè)量某一給定裂變碎片核的發(fā)射中子能譜時(shí)，需了解互補(bǔ)裂變碎片核發(fā)射的中子所帶來(lái)的干擾程度，Monte-Carlo方法在分析計(jì)算該類(lèi)物理問(wèn)題時(shí)顯得較為方便。2