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第２５卷第７期　

核　技　术　

Ｖｏ１．２５，Ｎｏ．７　

２００２年７月　

ＮＵＣＬＥＡＲ　ＴＥＣＨＮＩＱＵＥＳ　

Ｊｕｌｙ　２００２　

散裂中子源（３．７ＧｅＶ　Ｐ＋Ｐｂ）靶散裂研究中　

Ｌａｖｓａｎ探测器的应用　

万俊生　张　颖　张利兴　Ｐｅｒｅｌｙｇｉｎ　Ｖ　Ｐ２　Ｂｒａｎｄｔ　Ｒ　夏海鸿　丁大钊　

１（西北核技术研究所西安７１００２４）　

北京１０２４１３）　

２（Ｋｅｍｅｈｅｍｉｅ，ＦＢ　１５，Ｐｈｉｌｉｐｐｓ—Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｍａｒｂｕｒｇ，Ｇｅｒｍａｎｙ）　

３（中国原子能科学研究院

摘要利用Ｌａｖｓａｎ探测器探测了直径８ｃｍ、厚２０ｅｍ的铅靶中散裂反应的分布规律，并利用理论　

对实验结果进行了模拟解析，同时利用实测的散裂产物在靶区的分布验证了Ｌａｖｓａｎ探测结果及　

理论模拟结果。　

关键词　固体径迹探测器，Ｌａｖｓａｎ探测器，散裂中子源　

中图分类号ＴＬ８１５．７，ＴＬ５０３．４　

９０年代初，Ｒｕｂｂｉａ等¨　提出了加速器驱动的反应堆。这种系统的主要思想是由一台加　

速器加速质子使其能量达１ＧｅＶ左右，用此高能质子轰击重金属靶，使其发生散裂反应释放出　

二次中子。利用这些二次中子诱发长寿命核废料的嬗变使其转化为短寿命的或稳定的核素，　

或把非裂变材料嬗变成裂变材料，并诱发其裂变释放能量。这种系统有以下特点：　

（１）由于次临界反应堆的中子增殖系数小于１，它不会有切尔若贝亚那样的事故发生，加　

速器停，反应堆自动停堆。（２）这种反应堆的中子通量比常规反应堆高两个数量级，因此，它　

可以燃烧天然钍和贫化铀，拓宽了核燃料的来源，而且由于高中子通量密度，它可以有效地消　

除地球上已存在的核废料及其本身产生的长寿命核废料，因此它也叫洁净能源。我们在Ｄｕｂ．　

ｎａ作的试验　和ＣＥＲＮ小组在Ｇｅｎｅｖａ　’ｍ　的试验表明：用该系统消除长寿命的核废料在技　

术上是可行的。　

靶物理研究是研究加速器驱动的反应堆技术的关键问题之一，靶物理过程决定驱动堆散　

裂中子源的中子强度、靶的损伤过程及靶的使用寿命。本文利用实验和理论方法对３．７ＧｅＶ　

质子束轰击铅靶时铅靶的散裂分布情况进行了探讨。　

１实验装置　

实验在ＪＩＮＲ（Ｊｏｉｎｔ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｆｏｒ　Ｎｕｃｌｅａｒ　ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｄｕｂｎａ）研究所Ｓｙｎｃｈｒｏｐｈａｓｏｔｒｏｎ加速器上　

进行，质子能量为３．７ＧｅＶ，在１５ｒａｉｎ的时间内加速器共提供１．２４×１０”个质子轰击在６８ｃｍ×　

２０ｃｍ的铅靶上，铅靶由２０片１ｃｍ厚、８ｃｍ直径的铅饼构成，实验装置见图１。图中的固体径　

迹探测器由两片５０１￣ｍ厚的Ｌａｖｓａｎ夹一片２０１￣ｍ厚的铅箔组成。　

质子照射后，Ｌａｖｓａｎ片用６．２５ｍｏＬ／Ｌ　ＮａＯＨ溶液在６０￣Ｃ的温度下刻蚀ｌｈ后，Ｌａｖｓａｎ上由　

铅散裂过程引起的径迹将刻蚀到直径约为１．０一１．２　ｍ。　

国家重点基础研究（９７３）资助项目（Ｇ１９９９０２２６００）　

第一作者：ＴＹ俊生，男，１９６３年出生，１９９９毕业于德国Ｍａｒｂｕｒｇ大学，从事核化学、加速器驱动的反应堆和核泵浦激光工　

作，博士，副研究员　

收稿日期．．２００２一Ｏ１—２９　

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４９８　核　技　术　第２５卷　

Ｐａｒａ币ｎ　ｍｏｄｅｒａｔｏｒ　

Ｌａｖｓａｎ　ｄｅｌｅｃｌｏｒ　

／

●一　

　＼　

◆　｝　…　８ｃｍ　

｝　Ｐｂｔａｒｇｅｔ　

　ｌ

　ｌＩ　ｉ！Ｉ　

●　２０ｃｍ　－　

图１实验装置　

Ｆｉｇ．１　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｅｔ—ｕｐ　

２理论模拟基础　

本文所有的计算是基于核内核间级联（Ｉｎｔｅｒ／ｉｎｔｒａｎｕｃｌｅａｒ　ｃａｓｃａｄｅ）反应模型、运用蒙特卡　

罗方法完成的。在这样一个由高能质子轰击重靶的系统中，靶核的散裂反应利用俄罗斯Ｄｕｂ—　

ｎａ核技术联合研究所的ＣＥＭ程序来进行模拟，该程序采用（Ｃａｓｃａｄｅ　Ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ　Ｍｏｄｅ１）模型　

由多步完成：首先，在高能质子和靶核发生弹性或非弹性作用之前，根据Ｓｔｅｒｎｈｅｉｍｅｒ的方法模　

拟高能质子因诱发靶原子电离而本身损失能量使其运动速度放慢的过程；接着质子与靶核发　

生作用，其中有些作用将会使靶核发生散裂反应（质子进人靶核与核内核子碰撞，把核子碰出　

核外）而释放粒子如中子、质子等；这些被释放的粒子将继续与其他靶核作用，直到其能量损　

失到不足以与其他核发生作用或被靶核捕获或脱离靶区为止。而那些由于发生过核反应而处　

于不稳定状态（激发态）的剩余核将发生裂变或粒子的蒸发等过程而退激。　

３结果和讨论　

刻蚀后的Ｌａｖｓａｎ用径迹扫描器扫描统计径迹数，并用目测法验证，详细的统计过程请参　

阅文献［１１］，实验结果见图２。图中的径迹密度表示１．２４×１０”个质子轰击在铅靶上，每平方　

厘米Ｌａｖｓａｎ上产生的径迹数　，图中理论结果是模拟５００００个质子轰击该铅靶时，该Ｌａｖｓａｎ　

探测器所在位置上每立方厘米内铅核散裂反应数ⅣＴ。　

由图２可见，Ｌａｖｓａｎ探测器测到的在靶中铅核散裂数分布形状基本与理论模拟结果吻合，　

靶中心轴线附近散裂严重，并随深人靶的深度而降低，这个现象可从下列原因来理解：（１）人　

射质子在靶端表面的分布基本上呈高斯分布¨　，因此靶中心轴线附近散裂密度大；（２）铅核散　

裂反应是由人射高能质子及次级高能粒子，主要是次级高能中子引起的。由于与靶核作用，远　

离人射点，３．７ＧｅＶ质子数减少，由它引起的散裂反应数减少，而且离开人射点越远，次级粒子　

与靶核作用而损失的能量也越大，由它重新引起散裂反应的几率也越小，因此，铅靶散裂反应　

数沿轴向及径向的分布呈现递减趋势。　

散裂反应沿轴向的递减现象也可通过直接测量散裂产物证实。。　Ｎａ是典型的铅核深度散　

裂产物之一，铅靶照射后，测量了铅饼中的　Ｎａ（　射线能量为１３６８．５ｋｅＶ）分布，结果如图３所　

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第７期　万俊生等：散裂中子源（３．７ＧｅＶ　Ｐ＋Ｐｂ）靶散裂研究中Ｌａｖｓａｎ探测器的应用４９９　

示。由图３可见２４Ｎａ的测量结果支持了理论计算和Ｌａｖｓａｎ的实验结果。图中第二个铅饼中　

的　Ｎａ产额约高于第一个铅饼中的产额，可能是由于通过此区的原始质子数虽然有所降低，但　

通过此区的次级粒子数多且能量较高，因此深度散裂反应数增加。　

１２　

ｌ０　

８

９　

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鱼　

８　

＿０Ｉ×／　

７　６　５　４　３　２　

６　孚　

＼　

图２　Ｌａｖｓａｎ实验结果与理论模拟结果　

Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　

Ｄｉｓｔａｎｃｅｆｒｏｍｔｈｅｆｒｏｎｔ，ｃｍ　

图３铅核散裂产物　Ｎａ（Ｂ）在靶中的分布　

Ｆｉｇ．３　Ｔｈｅ　ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｐａｌｌａｔｉｏｎ　ｐｒｏｄｕｃｔ（　Ｎａ）ｉｎ　ｔａｒｇｅｔ　

３结论　

本文利用Ｌｖａｓａｎ探测器研究了铅靶在３．７ＧｅＶ质子轰击下的散裂反应率在靶区内的分布　

情况，铅的散裂反应率在靶区呈规律分布：散裂反应率密度沿轴向及径向呈递减趋势。理论模　

拟计算及实测散裂产物分布支持了Ｌａｖｓａｎ的实验结果。　

由于靶区内散裂反应引起Ｌａｖｓａｎ上产生径迹的过程复杂，难于进行标定和刻度，因此，本　

文Ｌａｖｓａｎ探测器只能给出散裂反应的分布趋势，散裂反应的绝对分布有待进一步的研究。　

参考文献　

．

１　Ｒｕｂｂｉａ　Ｃ．Ｒｕｂｉｏ　Ｊ　Ａ，Ｇｏｎａｚｌｅｚ　Ｅ．ｅｌ＇ａ／．Ａ　ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　ｆａｓｔ　ｎｅｕｔｒｏｎ　ｏｐｅｒａｔｅｄ　ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ｅｎｅｒｇｙ　ａｍｐｌｉｉｅｒ

ＣＥＲＮ／　

ｆ

ＡＴ／９５—４４（ＥＴ），ｐｒｅｐｆｉｎｔ　ｆｒｏｍ　ＣＥＲＮ．Ｇｅｎｅｖａ。１９９５　

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核　技　术　第２５卷　

２　Ｖ０ｍｎｋｏｖ　Ｖ　Ａ。Ｄｙａｃｈｅｎｋｏ　Ｖ　Ｍ，Ｋｏｓｔｉｎ　Ｖ　Ｙａ，ｅｔ　ａ１．Ａｔｏｍｎ　Ｅｎｅｒｇｉａ（ｉｎ　Ｒｕｓｓｉａｎ），１９９０，６８：４４９－－－－４５３　

３　Ｂｏｗｍａｎ　Ｃ　Ｄ．Ａｒｔｈｕｒ　Ｅ　Ｄ，Ｌｉｓｏｗｓｋｉ　Ｐ　Ｗ，ｅｔ　ａ１．Ｎｕｄ　Ｉｎｓｔｒ　Ｍｅｔｈ，１９９２，Ａ３２０：３３６—３４ｌ　

４　Ｂｒａｎｄｔ　Ｒ．　Ｍｅａｓｕｎ　ｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｎｅｕｔｒｏｎ　ｙｉｅｌｄｓ　ａｎｄ　ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅ　ｉｓｏｔｏｐｅ　ｔｒａｎｓｍｕｔａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　ｏｆ　ｒｅｌａｔｉｖｉｓｔｉｃ　ｉｏｎｓ　ｗｉｔｈ　ｈｅａｖｙ　ｎｕｃｌｅｉ．　

Ｒｅｐｏｒｔ　ｆｌ０ｒ　ｔｈｅ　８５ｔｈ　Ｓｅｓｓｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＪＩＮＲ　Ｓｃｉｅｎｔｉｉｆｃ　Ｃｏｕｎｃｉｌ，１９９９，Ｄｕｂｎａ，Ｒｕｓｓｉａ，ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ　ａ８　ＪＩＮＲ—Ｅｌ一９９—２５　ｌ（１９９９）ｉｎ　

Ｄｕｂｎａ，Ｒｕｓｓｉａ　

５　Ｋｒｉｖｏｐｕｓｔｏｖ　Ｍ，Ｂｒａｎｄｔ　Ｒ，ＷａＩｌ　Ｊ　Ｓ，ｅｔ　ａ１．Ｊ　Ｒａｄｉｏａｎａｌ　Ｎｕｃｌ　Ｃｈｅｍ　Ｌｅｔｔ，１９９７，２２２：２６７—．２７ｌ　

６　Ｗａｎ　Ｊ　Ｓ，Ｏｃｈｓ　Ｍ，Ｂｒａｎｄｔ　Ｒ，ｅｔ　ａ１．Ｋｅｍｔｅｃｈｎｉｋ　１９９８，６３：ｌ６７一ｌ７７　

７　ｗａＩｌ　Ｊ　Ｓ，Ｓｃｈｍｉｄｔ　Ｔｈ，Ｌａｎｇｒｏｃｋ　Ｅ　Ｊ，ｅｔ　ａ１．Ｎｕｃｌ　Ｉｎｔｕｒ　Ｍｅｔｈ，２００１，Ａ４６３（３）：６３４—６５２　

８　Ｂｒａｎｄｔ　Ｒ，ＷａＩｌ　Ｊ　Ｓ，Ｏｃｈｓ　Ｍ，ｅｔ　ａ１．Ｒａｄｉａｔ　Ｍｅａｓ，１９９９，３１：４９７－－－５０６　

９　Ａｂａｎａｄｅｓ　Ａ，Ａｍｏｕｌｄ　Ｈ，Ｒｕｂｂｉａ　Ｃ，ｅｔ　ａ１．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｎｅｕｔｒｏｎ　Ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　Ｌｅａｄ　ａｎｄ　Ｔｒａｎｓｍｕｔａｔｉｏｎ　ｂｙ　

Ａｄｉａｂａｔｉｃ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　Ｃｒｏｓｓｉｎｇ　ｉｎ　Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ　Ｄｒｉｖｅｎ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，ＣＥＲＮ—ＬＨＣ／９８—１２（ＥＥＴ），１９９９，ｓｕｂｍ．ｔｏ　Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｂ　

１０　Ａｍｏｕｌｄ　Ｈ，Ｂｏｍｐａｓ　Ｃ　Ａ，Ｄｅｌ　Ｍｏｒｌａ　Ｒ，ｅｔ　ａ１．Ｎｅｕｔｒｏｎ—ｄｒｉｖｅｎ　ｎｕｃｌｅａｒ　ｔｒａｎｓｍｕｔａｔｉｏｎ　ｂｙ　ａｄｉｂａａｔｉｃ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　ｃｒｏｓｓｉｎｇ—ＴＡＲＣ．　

Ｅｕｒｏｐｅａｎ　Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ，Ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｐｒｏｊｅｃｔ　ｒｅｐｏｒｔ，Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｔｃｅｈｎｏｌｏｇｙ．ＥＵＲＡＴＯＭ，ＥＵＲ　１９１　１７ＥＮ，ｆｉ—　

ｎａｌ　ｒｅｐｏｒｔ，ＩＳＢＮ　９２—８２８—７７５９—０（１９９９）　

ｌｌ　Ｐｅｒｅｌｙｇｉｎ　Ｖ　Ｐ，Ｋｕｌａｋｏｖ　Ｂ　Ａ，Ｗａｎ　Ｊ　Ｓ，ｅｔ　ａ１．Ｒａｄｉａｔ　Ｍｅ＿ａｓ，１９９９，３１：５６７—５７２　

１２　Ｗａｎ　Ｊ　Ｓ．Ｇｏｅｒｉｃｈ＆Ｗｅｉｅｒｓｈａｅｕｓｅｒ，Ｇｅｒｍａｎｙ，ＩＳＢＮ３—８９７０３—３１０一Ｏ（１９９９）　

Ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌａｖｓａｎ　ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｏｆ　ｓｐａｌｌａｔｉｏｎ　

ｉｎ　ｔｈｅ　ｌｅａｄ　ｔａｒｇｅｔ　ｂｏｍｂａｒｄｅｄ　ｂｙ　３．７ＧｅＶ　ｐｒｏｔｏｎｓ　

ＷＡＮ　Ｊｕｎｓｈｅｎｇ　ＺＨＡＮＧ　Ｙｉｎ　ＺＨＡＮＧ　Ｌｉｘｉｎ　Ｐｅｒｅｌｙｇｉｎ　Ｖ　Ｐ　

Ｂｒａｎｄｔ　Ｒ　ＸＩＡ　Ｈａｉｈｏｎｇ　ＤＩＮＧ　Ｄａｚｈａｏ　

１（Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＮｕｃｌｅａｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　ａ，ｌ　７１００２４）　

２（Ｋｅｒｎｃｈｅｍｉｅ，ＦＢ　１５，ｅｈＵ￣ｍ—Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｍａｒｂｕｒｇ，Ｇｅｒｍａｎｙ）　

３（ＣｈｉｎａＩｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＡｔｏｍｉｃＥｎｅｒｙｇ，Ｂｅｌｉｔｎｇ１０２４１３）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　

Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ａｎｄ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｗｅｒｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｌａｖｓａｎ　ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ　

ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｏｆ　ｓｐａｌｌａｔｉｏｎ　ｎｅｕｔｒｏｎ　ｓｏｕｒｃｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｗｏｒｋ．Ｔｈｅ　Ｌａｖｓａｎ　ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ　ｗｅｒｅ　ｕｔｉｌｉｚｅｄ　ｔｏ　

ｍｅａｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｓｐａｌｌａｔｉｏｎ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｌａｅｄ　ｔａｒｇｅｔ（ｔｈ８ｃｍ×２０ｃｍ）ｂａｍｂａｒｄｅｄ　ｂｙ　３．７ＧｅＶ　ｐｒｏｔｏｎ　

ｂｅａｍ．Ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｗｅｒｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

，

ｍｅａｌｌｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ　

Ｌａｖｓａｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｗｅｒｅ　ａｌｓｏ　ｃｈｅｃｋｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｓｐａｌｌａｔｉｏｎ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｌｅａｄ　ｔａｒｇｅｔ

．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ＳＳＮＴＤ，Ｌａｖｓａｎ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ，Ｓｐａｌｌａｔｉｏｎ　ｎｅｕｔｒｏｎ　ｓｏｕｒｃｅ　

ＣＬＣ　ＴＬ８１５．７，ＴＬＳ０３．４