中子共振谱测温技术初步研究

The temperature distribution inside a closed system can be obtained using neutron resonance spectroscopy, as overcoming the limitations of optics and thermocouple techniques. Many metal elements have neutron resonances with narrow enough intrinsic widths, and the resonance is substantially broadened by atomic motion, in proportion to the temperature. Some studies on temperature measurement using neutron resonance spectroscopy could be carried out in the China Spallation Neutron Source (CSNS), whose construction will be finished in this year and begin to provide very suitable pulse neutron beam. Some equitment, for example, the TOF spectroscopy, the hight temperature furnance, etc at CSNS could be used in the study after upgraded or modified. Since the opacity of most materials is transparent to neutrons, the temperature measuring technique can be used in the many research fields, e.g. the dynamic system, the next generation nuclear power station, the aeronautical and astronautical material, and so on.

利用中子共振谱技术可以克服光学和热电偶测温技术的限制，得到封闭系统内部的温度分布。很多金属元素都具有典型的中子共振吸收曲线，且其共振曲线随着中子－靶核的运动能量增加而展宽，而系统能量与温度成比例关系。即将在年内建成的中国散裂中子源(CSNS)，可以提供非常合适的脉冲中子束流，用于中子共振谱测温技术基础和应用研究。对CSNS现有的中子飞行时间谱仪和高温炉等设备进行简单升级或改造，即可满足开展中子共振谱测温技术初步研究的要求。由于中子对大多数材料具有很强的穿透性，中子共振谱测温技术可以在炸药爆轰与冲击波等动态系统、新一代核能以及航空航天材料等领域中发挥重要作用。

利用中子共振谱技术可以克服光学和热电偶测温技术的限制，得到封闭系统内部的温度分布。项目研制了一套适用于在CSNS上开展中子共振测温实验研究的高温炉，该高温炉最高温度可以达到2700℃。针对典型共振元素，Ta-181、W-182、W-183、W-184、W-186等，开展了共振峰宽度的理论分析与计算，得到了共振峰宽度和介质温度间的联系规律。研究结果还发现，介质厚度会影响到中子吸收共振峰宽度，中子透射率共振峰半高宽和介质厚度及温度之间存在如此关系，FWHM=a*d+b*sqrt(T)+c，其中d是钨箔的厚度，T是温度，a, b, c是和共振峰位置、材料及其厚度相关的系数。在CSNS的20#中子束线上，搭建了一套基于中子飞行时间法的中子共振测温实验系统，完成了以Ta-181、W-182为中子共振介质的系列实验研究，研究结果表明，这些典型共振元素的中子共振峰宽度(高度)与介质温度之间存在着一一对应的关系。在后续完成更多实验研究，建立起不同介质的中子共振峰和温度对应关系的数据库后，可以为中子共振测温的实际应用奠定基础。