中子能谱是临界装置辐射场的一个重要特征参数,中子能谱测量工作是武器中子物理学中子积分实验检验的一项重要研究内容,开展中子能谱测量研究的主要意义有:1)在武器中子物理学实验室实验中,将实验测得的中子能谱与理论计算结果进行比较,从而达到检验或改进理论计算方法、程序和参数的目的;2)在国际临界安全基准实验数据评价(ICSBEP)中,实验测得的中子能谱可以用于检验理论计算结果;3)中子迁移计算结果的准确性与中子群常数的精度密切相关,群常数的合理划分严重依赖于中子能谱的测量精度;4)在临界装置开展的电子元器件抗核加固实验中,几keV与几MeV不同能量中子产生的辐照损伤位移比释动能(Kerma)因子差异有两个数量级,精确测量能谱指标是该研究的基础;5)在临界装置上开展的中子剂量学研究以及中子探测器的标定实验,都需要精确的能谱参数。为开展临界实验而建造的核反应堆装置称为临界装置,其堆芯主要由高浓缩度的235U或239Pu材料组成,无慢化、冷却等系统,故慢热中子成份相对较少,80%以上主要中子能量在O.1keV～4MeV范围,平均能量在1MeV左右,又称作“快中子临界装置”。当前,为了检验理论计算结果,武器中子物理学实验对临界装置的中子能谱测量提出了更高的要求:测量范围10keV～1OMeV,其中0.1～4MeV范围的测量不确定度≤10%。临界装置中子能谱测量的困难在于难以获得宽的能谱范围与高的测量精度,特别是0.3MeV以下的能谱基本处于空白状态。常用的临界装置中子能谱测量方法主要是阈探测器法和半导体夹心中子谱仪法,其中:阈值在1.2MeV以下的活化箔极少,无法实现1OkeV～1.2MeV范围内的中子测量,以及受活化反应截面与解谱精确度的影响,导致活化法测量精度较差。半导体夹心谱仪中最成熟的技术是6Li夹心谱仪,但是,现有技术存在的主要问题有:1)由于两路Au-Si面垒探测器与NIM电子学的一致性差,从而导致热中子“和”峰分辨率较差,影响能量测量下限范围;2)传统Au-Si面垒探测器的快中子辐照损伤引起的能谱漂移问题严重,影响测得的能谱精度与可信度,使得传统的测量结果长期备受质疑;3)由于传统Au-Si面垒探测器的一致性较差,本底探头与效应探头的本底响应不一致,影响本底扣除精度:4)NIM插件式的传统电子学系统复杂,使用设置与测量精度较差,伴随γ堆积严重,从而影响能谱测量结果。因此,现有技术的6Li夹心谱仪的热中子“和”峰分辨率一般≥300keV(6LiF厚度≥500nm),能谱测量范围为0.3MeV～7.5MeV,在0.5MeV～4MeV范围内的不确定度为13%。为此,本论文提出了基于PIPS探测器(Passivated Implanted Planar Silicon,离子注入平面工艺硅探测器,简称为“PIPS探测器”)的新型数字化6Li夹心谱仪中子能谱测量技术。PIPS探测器具有抗辐射性能强、漏电流低、PN结稳定以及一致性好等优点,可解决传统6Li夹心谱仪测量中子能谱时的热中子响应分辨率差与本底扣除精度差的问题;数字化谱仪可以准确测量中子与Y响应在PIPS探测器中的能量沉积,以及对6Li(n,a)T核反应产生的α、T粒子与γ本底信号进行数字化分析处理,可以实现氚(T)谱与“和”谱的同时测量,为高精度、宽能区中子能谱测量提供了条件。因此,基于PIPS的数字化6Li夹心谱仪可提高临界装置中子能谱的测量范围、精度与可信度。掌握了基于PIPS探测器的6Li夹心效应探头以及本底探头制作技术。通过Ⅰ-Ⅴ测量获得了 PIPS在30V全耗尽时的漏电流≤OnA,对226Ra-α源的能量分辨率≤0.96%,利用能量为5.15MeV与5.499MeV的双峰239Pu-α源,获得了 18个PIPS探测器的α峰位的相对标准偏差分别为0.06%和0.08%,证明了 PIPS探测器优异的α响应一致性。成功掌握了电子束蒸发镀6LiF薄膜技术,在PIPS表面实现了 500nm的6LiF中子转换层薄膜制备。基于漏电流低、能量分辨率高以及一致性好的PIPS探测器,成功制作出了高分辨率的效应探头以及本底响应一致的本底探头。成功研制出了基于PIPS探测器的数字化6Li夹心谱仪,一次测量获得了 6路脉冲幅度谱信息,数字化谱仪的增益、阈值与符合分辨率时间等参数设置更准确、方便。获得了数字化6Li夹心谱仪的热中子响应指标:热中子T峰分辨率为45.9keV、“和”峰分辨率为221.8keV、热中子探测效率为0.4%。采用226Ra-α源与热中子响应两种方法首次实现了谱仪系统的高精确刻度,获得谱仪系统的道宽为(11.3±0.1)keV,其拟合线性度为0.9999。通过加速器单能中子响应研究,获得了 α、T次级带电粒子与伴随Y的能量沉积规律,确定了最佳工作条件为:工作偏压6V、甄别阈值1.5MeV以及探头包裹1m的Cd套,获得了 144keV～5MeV范围内6个单能中子的α、T粒子谱分布。利用数字化6Li夹心谱仪实现了临界装置中子能谱精确测量。实现了 T谱与“和”谱同时测量,清晰获得了中子、γ响应在PIPS探测器中的能量沉积物理过程,建立了 γ甄别判断方法,通过分辨率更高的T分析技术首次测得了 250keV附近的共振峰。获得了 0.53W和0.92W功率下的效应谱与本底谱,中子计数率分别为1O.OOcps和16.93cps,本底谱比例均为7.7%。研究了辐照损伤对效应谱测量的影响,获得了 5次“和”效应谱峰位的相对标准偏差为1.4%;经过注量为3.4×1011/cm2的快中子辐照后,探头性能变化小于≤1%,证明了 PIPS探测器的抗辐照能力明显优于Au-Si面垒探测器,解决了传统6Li夹心谱仪在测量过程中存在的脉冲幅度谱漂移问题。降低符合分辨时间,可以大大提高探头的抗γ堆积能力,测量表明符合时间在100ns时的γ甄别能力是600ns时的44倍。采用ROOUNFOLD程序解谱获得了 5keV～1OMeV范围内的中子能谱分布,其中O.1MeV与4MeV范围内的能谱所占的比例为87%(相对不确定度≤9.1%),平均中子能量为1.09MeV(≥0.1MeV中子),测量结果与理论计算结果相符较好。通过上述研究,建立基于PIPS探测器的数字化6Li夹心中子谱仪中子能谱测量技术,成功研制出了数字化6Li夹心中子谱仪系统,有效解决了的能量准确刻度、本底精确扣除、γ堆积去除以及辐照损伤对能谱测量的影响等难题,提高了临界装置的中子能谱测量范围与精度,具备了武器中子物理学实验室研究所需的中子能谱测量条件。通过本论文的研究,获得的主要结论有:(1)成功研制出了抗辐照能力强、漏电流低、分辨率高以及一致性好的PIPS夹心探头,获得了热中子T峰与“和”峰分辨率分别为45.9keV与221.8keV;(2)建立了中子、γ以及T谱、“和”谱的同时测量技术,实现了 6Li夹心谱仪的数字化研制,获得了中子与Y响应的能量沉积物理过程;(3)建立了 226Ra-α源与热中子响应两种能量刻度方法,实现了谱仪系统的精确刻度,获得道宽为(11.3±0.1)keV,拟合线性度为0.9999;(4)建立了本底响应扣除的精确测量方法,获得了 0.53W与0.92W功率条件下的效应谱与本底谱,其本底响应份额均为7.7%:(5)提高了 PIPS夹心探头的抗辐照能力,经过注量为3.4×1011/cm2的快中子辐照后,探头性能变化小子≤%,解决了传统Au-Si面垒探测器因辐照损伤而产生的能谱漂移问题;(6)建立了数字化6Li夹心谱仪测量临界装置中子能谱技术,提高了中子能谱测量范围与精度,获得了 5keV～1OMeV范围内的临界装置中子能谱分布,0.1MeV～4MeV范围内的份额为87%,测量相对不确定度≤9.1%。