神龙一号装置用于中子共振测温可行性初步研究

神龙一号装置用于中子共振测温可行性初步研究


报告人：向艳军报告时间： 23/4/19


目录中子共振测温及神龙一号装置简介中子透射谱模拟计算比较计算结论


中子共振测温及神龙一号装置简介

中子共振测温历史20 世纪 30 年代， H.A.Bethe 研究核过程的共振作用时发现多普勒效应，并指出其可以用于原子温度测量20 世纪 50 年代，实验技术直接测量出了共振吸收的多普勒展宽1968 年， J.E.Lynn 发表中子共振反应理论著作，总结了以前的中子共振反应的研究成果20 世纪八十年代中后期， Fowler 和 Taylor 提出采用中子共振法远程测量原子温度，并首次使用该方法测量了涡轮片内部温度与燃烧室内部温度随后在 ISIS 、 LANSCE 、 KENS 、 ORELA 源上将中子共振测温技术应用于多种情形

神龙一号装置用于中子共振测温可行性初步研究中子共振测温及神龙一号装置简

介 .中子共振测温基本原理：测量中子透射谱中共振峰的多普勒展宽得到透射样本的温度

核具有一定的能级特定能量的中子与核反应的几率急剧增加，即发生共振反应

致使

靶核自身存在热运动特定能量具有一定的展宽，即多普勒效应

从实验室坐标系看

中子透射谱中共振峰的展宽

表现

物体的温度

宏观表现

推导

从靶核静止坐标系看

神龙一号装置用于中子共振测温可行性初步研究中子共振测温及神龙一号装置简

介 ..中子共振反应截面

2

2

2

012

n r

JE g

E E

靶核热运动描述

2 20

1422 E ES E dE e dE

1

204 mE kT M

' ' 'effE dE S E E E

( ) ( )effI E E测定 I （ E ）就可以得到温度


中子共振测温及神龙一号装置简介…

中子共振测温应用冲击物理与材料物理中的温度测量高温超导体中的原子温度测量密封系统内部温度测量工业 CT 中的应用催化剂化学中的应用

近三十年来，中子共振测温应用不广泛，主要在于其需要高强度的脉冲白光中子，而高强度脉冲白光中子源有限

美国 Los Alamos 国家实验室的 V.W.Yuan 等人进行了二十多年的研究，采用中子共振测温法测量了金属喷射物的温度、冲击加载下金属样本的温度、炸药燃烧面后的温度和高温高压下金属滑动界面的温度，均属于动态瞬态温度测量

Ｈ．Ａ．Ｍｏｏｋ等人用ＩＳＩＳ源测量了金属Ｃｕ和超导体ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７中Ｃｕ的有效温度，证实这两者的有效温度无明显的差别，从而否定材料中声子的异常能量尺度导致物体超导性的假说。Ｈ . Ｊ .Stone 等人用ＩＳＩＳ源测量了 Paris-Edinburgh cell 内样本的温度，使用该方法可以和中子衍射实验同时进行，主要利用该方法的非浸入、远程测量的优点Takashi Kamiyama 等人用ＫＥＮＳ源将该技术与计算机射线成像技术结合，用于远程测量大块物质内部的温度及其二维分布J.C.Frost 等人用 ISIS 源测量了 14 ％ Pt/氧化钐催化剂的温度，使用该方法可以分别精确测量催化剂中活性金属微粒与氧化物支架的温度，用以研究催化性能对温度的依赖性


中子共振测温及神龙一号装置简介…

中子共振测温应用冲击物理与材料物理中的温度测量高温超导体中的原子温度测量密封系统内部温度测量工业 CT 中的应用催化剂化学中的应用

近三十年来，中子共振测温应用不广泛，主要在于其需要高强度的脉冲白光中子，而高强度脉冲白光中子源有限


中子共振测温及神龙一号装置简介… .

神龙一号装置：中国工程物理研究院流体物理研究所自行研制的强流电子直线感应加速器电子束流指标：电子能量 20MeV 、束流强度2.5kA 、束流脉冲宽度 70ns

辐射靶：叠层钽靶，以产生性能最好的轫致辐射光子其产生的轫致辐射光子部分高于辐射靶的光核阈能，可产生大量的中子；采用高中子产额的辐射靶，因其强流特性，可产生高强度的中子，本文以此为背景，进行一些计算，看其能否用于中子共振测温


中子透射谱模拟计算计算模型

20MeV电子垂直入射厚铀靶产生 7.5×1012个中子，经石蜡慢化后作为辐射中子源

采用对比计算，得到中子经过和不经过共振样本的谱图

光子和中子的输运分开计算，计算中子时将光子的截止能量设置为铀靶的光核阈能，计算光子时关闭光核过程


中子透射谱模拟计算 .


中子透射谱模拟计算 ..

结果 4.16eV 共振

21.06eV 共振


中子透射谱模拟计算…

结果

21.06eV 共振4.16eV 共振

从透射谱中可以明显地看到中子的共振峰，即可以描述中子的共振峰，则可以进一步研究其能否用于中子共振测温


比较计算洛斯阿拉莫斯用于中子共振测温的实验条件

中子源透射样本中子探测器

中子源强度： 5×1014 个 / 脉冲

待测样本：掺有厚 1mm182W 的总厚 6mm 的钼金属片

样本到慢化体表面距离为 0.96m ，探测器阵列到样本的距离为 23m

探测器： 11个厚 1cm 、直径12.7cm 的载 6Li玻璃闪烁体


比较计算 .洛斯阿拉莫斯中子共振测温的结果

数据集粒子速度 T （ K ）

第一发 0.95±0.02 786±83 （66 ）

第二发 0.98±0.02 926±55 （24 ）

加权平均 0.97±0.02 875±46

理论 0.97 635


比较计算 ..

计算模型采用 900K的截面，以模拟动态的结果

采用室温下的截面，以模拟静态的结果


比较计算…

计算结果——原始数据

n α


比较计算…

计算结果——数据平滑


比较计算…计算结果——数据拟合

2

78.63

2.7022

0.5619( ) 82.85 48.35* 1 0.5619 *

78.631

2.702

t

I t et

动态

2

78.91

2.5382

0.3252( ) 82.68 51.39* 1 0.3252 *

78.911

2.538

t

I t et

静态

根据 σ 的变化就可以确定温度

计算结果表明其可以刻画中子共振峰及其多普勒展宽


比较计算… .

与洛斯阿拉莫斯比较

LANSCE Dragon Ｉ中子源强度 5×1014n/pl 7.5×1012n/pl

D 源 - 测量点 24m 5m

测量点计数 ~1000/0.1us ~100/(0.1us*cm2)


比较计算… .

与洛斯阿拉莫斯比较从慢化体表面飞出的共振能区中子的时间分布

神龙一号产生的共振中子的时间特性比洛斯阿拉莫斯的好，这说明采用更短的中子飞行距离是可行的


结论

通过以上的计算与比较表明，神龙一号装置采用高中子产额的厚铀靶产生的中子，经石蜡慢化后穿过共振样本，能够刻画出中子共振峰及其多普勒展宽；另外洛斯阿拉莫斯的比较显示，其在测量点处的中子计数与洛斯阿拉莫斯的计数相当，那么其统计特性能够达到洛斯阿拉莫斯的水平。因此，从理论上可初步地判断神龙一号装置采用高中子产额的辐射靶后可以用于中子共振测温


谢谢！

神龙一号装置用于中子共振测温可行性初步研究

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