缓发-瞬发中子比与铀部件增殖系数的关系研究

朱剑钰 谢文雄

(中国工程物理研究院战略研究中心 北京 100088)

铀部件属性探测是军控核查技术研究的重要课题。235U和238U的自发γ放射性较弱，且235U的特征γ射线能量较低，加上屏蔽吸收因素，能用于分析的出射γ射线很少。因此，铀部件属性探测一般采用主动探测法[1–4]。高能光子或外源中子能诱发铀核发生裂变反应，产生瞬发中子和缓发中子，但(γ,n)、(γ, 2n)、(n, 2n)等反应产生的中子和瞬发中子同时出射，实验中很难区分开它们；而缓发中子只在裂变反应过程中产生，故可用缓发中子指示裂变反应的发生，此法已应用于核材料探测[5,6]。本文通过分析输运过程，由缓发中子和瞬发中子强度关系得到铀材料中裂变反应和其他核反应事件的关联，推导铀部件的中子增殖系数。

1 高能光子诱发铀材料

1.1 输运过程分析与公式推导

高能光子可诱发铀核发生光核反应，释放出光中子[7]；中子在铀部件中慢化可诱发裂变反应，产生次级中子，出射中子携带被测部件信息。美国Idaho国家实验室(INL)、Idaho州立大学的Idaho加速器中心(IAC)、洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)和橡树岭国家实验室(ORNL)等合作，制成脉冲光核反应评估(PPA)样机。电子加速器的高能电子束在高原子序数材料中产生轫致辐射，高能光子诱发被测物中易裂变材料发生光核反应，探测缓发中子可判断核材料的存在。该系统现阶段基于能量小于 10 MeV 的轫致辐射光子源，脉冲宽度 1–3 μs，周期60–125 Hz。数据显示，若光子能量超过20 MeV，探测效率可进一步提高[8]。

高能光子诱发铀部件释放出的瞬发和缓发中子比由式(1)得到：