名词浅释

热中子 在习惯上常将中子按其能量加以区分.对于动能在～0.01—0.1eV间的中子,因为它的能量和一般分子的热运动相近,故常称之为“热中子”.相干和非相干散射 中子在各种原子上进行散射时,散射出来的中子(波)通常有两种成份:一种可以和由其他原子散射出来的中子波相互间产生干涉效应,这一部分称之为“相干散射”(类似于相干光);另一种则不能与其他原子散射出来的中子波相互干涉,称为“非相干散射”.两种成分的比例随核而异.衍射就是利用相干部分而得的效应.拉曼效应,拉曼谱学 当一束单色光在某些介质(固体、液体或气体)上受到散射时,可以由…     

中子散射技术及其应用

热中子的波长和凝聚态物质的原子／分子间距具有相同的量级，而其能量又和原子／分子的热运动能量相近．因此，利用热中子的弹性和非弹性散射效应，可以从微观层次上获取物质的结构和动力学知识。目前，中子散射技术在物理、化学、化工、生物和材料科学等研究领域的应用已经获得了许多用其他方法无法得到的知识，文章介绍了中子散射的基本原理和特点，并列举了中子散射技术在相关研究领域中的典型应用     

TMSR白光中子源本底屏蔽设计

为了满足钍基熔盐堆对核数据的需求，中国科学院上海应用物理研究所自行设计并建造了紧凑型的15 MeV电子加速器驱动的白光中子源。电子直线加速器、中子产生靶以及探测器系统处于同一个实验大厅，中子/伽马射线本底较高，原有屏蔽并不能满足在低能区进行热中子物理实验测量的低中子本底需求。为了降低热中子本底，提高在热区的测量能力，需要对中子源进行局部屏蔽。根据调试运行经验以及模拟计算结果，分析了中子伽马射线本底的来源，利用MCNP5模拟计算了混凝土、铅、含硼聚乙烯对中子/伽马射线的屏蔽效果，优化设计了局部屏蔽方案。模拟计算结果显示，该屏蔽方案可将热中子本底降低三个量级，伽马本底降低两个量级。屏蔽后的实验测量结果表明，探测器处的有效热中子与本底热中子的比值达到约100:1，屏蔽效果显著，为后续在热中子能区顺利开展中子物理测量实验奠定了基础。     

氮化铀热中子截面的第一性原理计算

氮化铀（UN）因其较好的热物性和耐事故容错性成为先进动力堆的候选燃料,但目前热能区缺少可靠的UN热中子截面数据,这对于热中子反应堆物理计算是很不利的.本文基于量子力学的第一性原理,利用VASP/PHONON软件模拟计算了UN的声子态密度,以此为积分得到UN的定容比热容,并基于新制作的声子态密度,采用核截面处理程序NJOY/LEAPR,利用热中子散射理论,得到UN的S（α,β）数据,进而研究UN的热中子散射截面,并与传统压水堆的二氧化铀（UO₂）进行对比.结果表明：优化的晶格参数与数据库符合较好,UN声子态密度的声子项和光子项较UO₂的分隔更加明显,定容比热容计算结果与实验值一致,基于该声子态密度计算得到的UN中²³⁸U的非弹性散射和弹性散射截面比相同温度下UO₂中²³⁸U小,UN中N仅考虑了非相干散射部分,随着温度升高,UN弹性散射截面变小,非弹性散射变大,并在高能段趋于自由核散射截面.本文的研究结果填补了UN热中子截面数据的缺失,为下一步系统研究UN燃料在轻水堆中的中子学性能奠定了基础.     

质子和中子在硅中位移损伤等效性计算

基于蒙特卡罗软件Geant4,探讨质子与硅的库仑散射和核反应及中子与硅的核反应产生反冲原子沉积非电离能量的过程,建立质子和中子在硅中的非电离能量阻止本领计算方法。在此方法中,描述了原子间库仑散射的物理过程,模拟带电粒子与晶格原子之间的屏蔽库仑散射。计算得到不同能量质子和中子在硅中因库仑散射和核反应产生反冲原子的非电离能量沉积及阻止本领的等效性,计算结果与中子ASTM标准及文献计算得到的质子数据符合很好。     

铝基碳化硼材料中子屏蔽性能的蒙特卡罗模拟

采用蒙特卡罗方法, 运用MCNP4C程序研究了碳化硼含量20%–40%、中子能量200 eV–15 keV、材料厚度0.3–2 cm对B₄C/Al复合材料中子屏蔽性能的影响. 结果表明: 碳化硼含量与中子透射系数呈一次线性下降关系; 同含量的碳化硼, B₄C/Al材料的中子屏蔽效果要大大优于聚乙烯碳化硼材料; 在等厚度条件下, 模拟试样B20等的中子屏蔽效果要优于水、铜、混凝土等常规屏蔽材料; 材料厚度与中子透射系数呈指数下降关系, 且单位厚度的增加对中子透射系数改变很大; 含硼量对热中子透射系数影响很大; 在热中子能区, 中子每单位能量的变化对中子透射系数改变较大; 在慢中子能区, 中子每单位能量的变化对中子透射系数改变很小. 关键词： 中子透射系数 蒙特卡罗 铝基复合材料 碳化硼     

巨共振在中子—核散射中的作用

本文研究了在中子-核散射中存在的以GR（巨共振）为中间态的反应机制。在特殊情况下(如⁸⁷Sr—中子满壳缺一中子的核),入射中子能量E_n～3MeV时,由GR贡献的非弹截面可达10mb。对于不同的靶核,这种反应机制对非弹截面的贡献,在适当入射中子能量（?）时达到最大值,其中（?）=（?）ω_λτ—S,S为靶核加入射中子形成的核处于基态时的核子分离能,（?）ω_λτ为相应的GR的能量。     

利用GEANT4和TALYS研究中子与铁作用的次级中子双微分截面

铁的次级中子双微分截面对核装置的设计、运行与维护具有重要作用。相关实验数据缺乏,且评价数据不完善,需要使用可靠的核理论模型进行计算。本工作利用GEANT4程序结合不同的中子评价数据计算了8.17, 11.5, 14.1和18 MeV等入射能量下中子轰击薄铁靶不同出射角度的次级中子双微分截面;同时利用TALYS程序和GEANT4程序结合BIC、BERT和INCLXX模型计算了25.7, 65, 100和150 MeV等入射能量下中子轰击薄铁靶不同出射角度的次级中子双微分截面,并与实验数据进行对比。研究表明,在20 MeV以下能区,ENDF/B-VIII.0库的计算结果与实验数据符合较好,BROND-3.1、CENDL-3.1、JENDL-4.0u和JEFF-3.3库的计算结果与实验数据存在差异。在20~150 MeV能区,GEANT4程序的BERT模型和TALYS程序的计算结果与实验数据符合较好,INCLXX模型和BIC模型的计算结果与实验数据存在分歧。整体来看,需要对铁的中子评价数据和核反应理论模型做进一步研究。     

补偿中子测井中与温度相关轻水热中子散射数据库的研制与应用

补偿中子测井受到环境温度的影响,利用数值模拟计算来进行修正,但目前的理论计算程序MCNP缺乏水的精细温度相关的热中子散射数据库。为了解决蒙特卡罗模拟热中子散射S(α,β)模型只能求解特定温度条件下中子输运问题的局限性,基于热中子散射的S(α,β)原理,采用内插法得到不同温度下水的频谱分布、振动;在最新的ENDFB-VII.1数据库上,利用NJOY99程序制作了ACE格式的轻水热中子散射截面数据库。利用系列次临界基准题对数据的准确性进行了验证,不同数据库之间的计算结果及基准题的结果符合得很好。自制的数据应用于测井仪器中的温度效应修正,取得了较好的效果。     

推广的Glauber理论及其在晕核散射中的应用

介绍了推广到晕核散射的Glauber理论,并用其研究晕核¹⁴Be的散射问题.弹核的密度分布分别采用谐振子密度分布和相对论平均场理论计算得到具有两个晕中子结构的密度分布,对晕核模型的多重积分采用蒙特卡洛数值积分方法.计算了不同能量下¹⁴Be,¹²Be与靶核¹²C散射的反应截面,并与实验结果进行比较,¹⁴Be的两个中子采用具有晕中子密度分布的理论计算与实验符合较好,而采用不具有晕中子密度分布的结果与实验值相差较大.     

ENDF/B-VIII.β与ENDF/B-VII.1中水的热中子散射截面数据对比分析

以常见的慢化剂材料轻水为例,分析了ENDF/B评价库中两个版本ENDF/B-VⅢ.β与之前ENDF/BVⅡ.1中热中子散射截面数据的差异。由于ENDF/B-VⅢ.β与ENDF/B-VⅡ.1等两个版本中热中子散射截面的温度不尽相同,为定量分析同一温度下二者的差异,通过插值方法得到了任意温度下的热中子散射截面数据。对比发现,二者在同一温度下的热中子散射数据存在差异。相对于ENDF/B-VⅡ.1评价库版本而言,基于ENDF/B-VⅢ.β评价库版本加工得到的束缚在水中的氢的热中子散射截面与ENDF/B-VⅡ.1存在较为明显的差异,两个版本给出的低温情况下的中子与靶核碰撞后的平均散射角余弦在热区的低能段出现极小的负值。此外,当温度高于室温时,在热区的低能段ENDF/B-VⅢ.β给出的平均次级中子能量要稍大于ENDF/B-VⅡ.1给出平均次级中子能量。This work takes the traditional moderator material H₂O for example, the differences between ENDF/B-VⅢ.β and ENDF/B-VⅡ.1 versions from the ENDF/B nuclear evaluated library are analyzed. In order to compare the thermal neutron scattering data between ENDF/B-VⅢ.β and ENDF/B-VⅡ.1 versions under the same temperature, the interpolation method is used to obtain the thermal neutron scattering data under arbitrary temperatures. There are some differences between ENDF/B-VⅢ.β and ENDF/B-VⅡ.1 versions, the thermal neutron scattering cross sections of H bound in H₂O within ENDF/B-VⅢ.β is different with that of ENDF/B-VⅡ.1, the scattering angle cosines of the neutron and target nuclei from the two libraries are slightly smaller than zero in lower energy range within thermal range. Moreover, the second scattering energy spectrum from ENDF/B-VⅢ.β is slightly harder than that from the ENDF/B-VⅡ.1 in higher energy range within thermal range when the temperature is higher than room temperature.     

Inelasticity corrections for time-of-flight and fixed wavelength neutron diffraction experiments

Time-of-flight neutron diffraction methods are widely used to study the structure of liquids and glasses. The scattering nuclei in these experiments suffer nuclear recoil in the course of the neutron scattering process, which gives rise to distortions to both the self and distinct structure factors extracted from the data. These distortions are in general difficult to evaluate quantitatively, especially when the mass of the nucleus is similar to that of the neutron, such as when hydrogen is present in the material being studied. Traditional treatments of this effect generally assume the neutron energy is lower than the excitation energy of an atom, but for time-of-flight diffraction this is never the case, and the experiments typically sample a wide range of energy transfers from sub-meV to tens of eV. In addition, by attempting to produce an analytical correction, such methods invariably make a long list of approximations which can be difficult to justify in particular cases. Here, a model for the scattering kernal is developed based on the well known harmonic oscillator model [A.C. Zemach and R.J. Glauber, Phys. Rev. 101, 118 (1956)]. This is shown to have the correct first and second moments of the scattering kernal for both the self and distinct scattering, and is used to estimate the self and distinct scattering from a diatomic ‘dumbell’ molecule. The model gives a realistic account of the single atom scattering from light and heavy water over a wide range of incident neutron energies, but is not yet accurate enough to perform quantitative corrections. In lieu of a quantitative approach, a ‘top hat’ convolution method is developed to perform the subtraction of self scattering from real data, and to allow data from multiple detector banks to be merged into a single structure factor. The harmonic oscillator model is also used to address the question of inelasticity effects on the interference scattering. For the intramolecular correlations at least at low scattering angles up to ～40° it is found that the effect of inelasticity is rather small – around 0.6% on the estimated OH bond length for H₂O. Although the emphasis here is on time-of-flight diffraction, the model is quite general and can just as easily be applied to the case of fixed wavelength neutron diffraction where it also gives accurate results.     

不同水温下的中子输运等效质量热运动模型

为了解决蒙特卡罗模拟S(, )模型只能求解特定温度条件下中子输运问题的局限性,建立了中子在不同温度液态水中输运的等效质量热运动模型。在分析自由气体热运动模型的基础上,采用不同的等效质量对中子与水中氢原子的弹性散射模拟过程进行改进,对中子穿过水层后的流量进行模拟计算,通过与S(, )模型的计算结果的比较,得到了5个不同的温度点水中氢原子的最佳等效质量。根据5个不同温度点的数据拟合给出了最佳等效质量和温度的函数关系。采用该模型计算得到的中子在不同温度条件下水中输运参数与S(, )模型相符。等效质量热运动模型突破了S(, )模型只能计算有限温度点的局限性,能有效处理300～800 K任意温度水中的中子输运问题。     

SiC基中子探测器对热中子的响应

以SiC二极管和中子转换材料6LiF为基础,研制了SiC基中子探测器,并用241Am源与临界装置分别研究了SiC基中子探测器的粒子响应、热中子响应。结果表明:SiC基中子探测器能够满足241Am源粒子的计数测量,但由于SiC二极管灵敏区薄,故不能用于5.48 MeV的粒子能谱测量;SiC基中子探测器对热中子响应良好,不同功率下,脉冲幅度谱中可清晰看到由6Li(n,)3H的反应产物粒子、3H粒子形成的双峰;脉冲幅度甄别法可将射线及电子学噪声甄别掉;在直接测量与符合测量中,SiC基中子探测器的计数率均与临界装置功率成线性关系,且直接测量的线性度比符合测量的线性度好,最好可达0.999 97。研究表明:降低肖特基接触金属的厚度、增加其外延层厚度、提高其外延层品质,可将SiC二极管用于带电粒子能谱测量。     

Electron volt neutron spectrometers

The advent of pulsed neutron sources has made available intense fluxes of epithermal neutrons (500 meV ≤E≤100 eV ). The possibility to open new investigations on condensed matter with eV neutron scattering techniques, is related to the development of methods, concepts and devices that drive, or are inspired by, emerging studies at this energy scale. Electron volt spectrometers have undergone continuous improvements since the construction of the first prototype instruments, but in the last decade major breakthroughs have been accomplished in terms of resolution and counting statistics, leading, for example, to the direct measurement of the proton 3-D Born–Oppenheimer potential in any material, or to quantitatively probe nuclear quantum effects in hydrogen bonded systems. This paper reports on the most effective methods and concepts for energy analysis and detection, as well as devices for the optimization of electron volt spectrometers for different applications. This is set in the context of the progress made up to date in instrument development. Starting from early stages of development of the technique, particular emphasis will be given to the Vesuvio eV spectrometer at the ISIS neutron source, the first spectrometer where extensive scientific, as well as research and development programmes have been carried out. The potential offered by this type of instrumentation, from single particle excitations to momentum distribution studies, is then put in perspective into the emerging fields of eV spectroscopy applied to cultural heritages and neutron irradiation effects in electronics.     

中国先进研究堆中子科学平台发展现状及展望

依托中国先进研究堆(CARR)高通量中子源，建成了初具规模的中子科学平台，具备中子散射、中子成像和中子活化分析等多种研究技术。其中，中子散射技术包括中子衍射、小角中子散射及中子反射、非弹性中子散射，可以用于分析材料微观结构和动力学性质；热中子成像和冷中子成像可以用于材料内部缺陷等无损检测；中子活化分析系统可以用于物质内核素成分分析。目前已建成和在建中子谱仪共计19台，并初步配备了样品环境装置，为相关应用研究提供了条件基础，可为我国物理、化学、材料科学、生命科学、能源和环境等领域基础研究及工业应用提供重要技术支撑。CARR中子科学平台始终坚持合作共享对外开放的宗旨，将继续为国内外用户提供优质中子技术，服务基础科学前沿和国家重大创新需求研究。     

Neutron scattering length of lithium and boron and their isotopes

Coherent neutron scattering lengths and free cross sections were measured in order to determine the spin dependent scattering lengths of the isotopes of Li and B. The transmission measurements on Li at neutron energies of 0.51 meV, 1.26 eV and 5.19 eV delivered data for the⁶Li-abundances in the samples and for the free scattering cross section of⁷Li. By means of experiments on 15 different samples of lithium compounds we obtained the complex spin state scattering lengths for the bound atoms to be: (ie81-01) Measurements on 3 boron samples with different enrichments led to (ie81-02) A review on slow neutron scattering and resonance data shows an over all consistency of all values.     

241Am-Be中子参考辐射的蒙特卡罗模拟研究

研究用于校准场所中子剂量监测仪表的241Am-Be中子参考辐射场计量特性。采用蒙特卡罗方法模拟了空气自由中子参考辐射(FRNR),GB/T 14055规定的最小尺寸中子参考辐射(SRNR)和实际中子参考辐射(ARNR)中不同检验点处中子周围剂量当量率、散射中子占比和能谱分布特征。研究结果表明,空气对FRNR中的剂量率和能谱分布影响小,近似为理想中子参考辐射;采用5%含硼聚乙烯作屏蔽的最小尺寸SRNR可减少热中子,降低散射中子占比,影锥法不适用于小尺寸中子参考辐射中对散射中子的修正;ARNR中的散射中子更少、占比更低,影锥法所得散射中子占比与理论值基本一致。