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裂变碎片

裂变碎片是指重核裂变时生成的核碎片。重核裂变成两块碎片的概率比裂变成3块或3块以上的概率要大得多。一般两块碎片的质量分配是不均匀的,一块较重,一块较轻,质量分布呈现明显的两个峰。

对于铋等较轻的核以及更重的核257Fm只出现一个峰,其对称裂变占优势。裂变碎片分开时由于库仑斥力作用,可以具有很大的动能,例如热中子导致235U裂变,碎片的平均动能可达170兆电子伏特(MeV)左右,占裂变释放总能量的80-以上。裂变产物大部分是一些很不稳定的丰中子同质异位素,它们连续地进行一系列衰变,或者是发射中子,或者是β-衰变并伴随γ跃迁

中子的探测方法之一就是核裂变法,它是指中子与重核作用可以发生核裂变,通过记录重核的轻重裂变碎片来探测中子。中子引起裂变放出的能量很大,其中两个裂变碎片的能量共约165MeV。通过记录裂变碎片的电离作用产生的信号易与γ射线分开。用裂变材料,可制成探测中子的探测器,如裂变室。对裂变碎片的测量,较为广泛地使用裂变室、固体径迹探测器等手段直接记录裂变碎片。然而对于在狭小空间内的测量,裂变室的使用受到了限制。在我们进行的实验中需要一种更小体积的探测器,并用核裂变法测量中子。所以,可用聚脂膜夹铀片做成小探测器,通过测量聚脂膜上俘获的裂变碎片的γ活性,来间接测量裂变碎片。 [1]

在实验中,14MeV源中子与实验系统作用后,在铁球表面不同测点上测量中子。可选用铀裂变室测量。铀裂变室用来直接记录裂变碎片,得到裂变计数。裂变计数经修正后便可得到裂变反应率。裂变碎片也可通过间接的方法来记录,就是采用薄片和聚脂膜组合通过测量裂变碎片的γ活性,经过转换得到裂变计数。裂变碎片的γ射线,分为瞬发γ射线和缓发γ射线。缓发γ射线是中子与裂变材料发生裂变反应后在小于10-11s这样短的时间内发射出来的,实验上不易观测到。缓发γ射线是不稳定的裂变碎片发射β射线变成稳定同位素时发射出来的。缓发γ射线发射率的衰减近似与时间t-1.2成正比,所以实验上易观测到。实验上测量裂变碎片的缓发γ射线。裂变碎片所发射的在某一能阈以上的积分γ计数正比于裂变碎片数。因此,裂变反应数Nf与裂变碎片所发射的积分γ计数Nγ有如下关系

为了测量Nγ可将发射出铀片的裂变碎片收集起来,即用俘获法。用俘获片(聚脂膜)紧贴铀薄片两面,裂变碎片由俘获片吸收或收集。照射后,拿掉铀片,测量两片俘获片上的积分γ活性,由上式给出裂变反应数,经修正后得到绝对裂变反应率。这样做成的探测器也叫俘获探测器,由于其体积更小,可在狭小的空间内测量反照中子。
  通过俘获探测器测量,一方面可在特定场合下(如有限空间内)替代裂变室测量,另一方面其计数较强,对于弱中子场,其计数效率较高。

俘获探测器是由聚脂膜和铀片组成的。聚脂膜与铀片可组成夹心饼干式。这里要求聚脂膜与铀片要紧贴;俘获片的直径大于铀片的直径,以减少边界效应的影响。并且照射中确保使铀片和俘获片间的边界效应不变。若用多个铀片,铀片要对心,不能错位等,为了解决这些问题,提高测量的准确性,设计了一对铝压环。铝压环内径22mm,外径31 mm,成对使用。俘获探测器的结构示意图如图1所示,铀片选用贫化铀,其尺寸为24 mm×0.5 mm。俘获片30mm,厚50μm。

图1所示的结构不论探测器如何摆放,多个铀片都不会错位,且能压紧,聚脂膜取放方便,可减少冷却时间。俘获片上裂变碎片的γ射线用NaI(Tl)探测器测量。俘获片取出后放在定位盒中,以确保俘获片不错位,且要压紧。定位盒放在NaI(Tl) 探测器上测量俘获片上的γ射线。

通过测量裂变碎片的γ射线来测量中子的方法。确定了测量条件。不同实验系统的平均刻度转换系数在±2.5-范围内是符合的。比较了该方法与裂变室的测量结果,两者在实验误差范围内是一致的。该方法用于弱中子的研究是可行的。

核裂变是非常复杂的物理过程,核科学家们对核裂变已进行长期深入广泛的研究。为在实验上更好地观测裂变物理过程和获得更多的裂变物理数据,国际上多个实验室建立了裂变多参数实验测量系统。这类系统能够同时测量裂变的瞬发中子、瞬发γ射线X射线、裂变碎片动能,并能确定裂变碎片的质量。因此,它是裂变物理实验研究中非常有效的工具。对于利用裂变多参数测量系统进行固定质量数和固定电荷数的裂变碎片核瞬发中子谱的实验测量研究,一个重要的问题是必须区分所测得的中子是由何种碎片发射的,即必须了解发射的中子能谱与中子发射角(裂变碎片运动方向与发射中子方向的夹角)的关系,特别是当用中子探测器测量某一给定裂变碎片核的发射中子能谱时,需了解互补裂变碎片核发射的中子所带来的干扰程度,Monte-Carlo方法在分析计算该类物理问题时显得较为方便。 [2]

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