中子計(jì)數(shù)器探測(cè)效率的校準(zhǔn)

1、第21卷第4期2001年7月Vol 21 No. 42001核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)N uclear Electronics & Detection Technology郭洪生，何錫鈞，徐榮昆,彭太平(中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所，四川綿陽(yáng)919信箱212分箱621900)設(shè)計(jì)制作了一個(gè)長(zhǎng)硼中子計(jì)數(shù)器.采用伴隨粒于法標(biāo)定了其中于探測(cè)效率約為3 17Xio 4(1±18%)o利用這個(gè)中子探測(cè)器測(cè)量了中子管脈沖中子產(chǎn)額(10%ulse)o :脈沖中于:探測(cè)效率:BFj中子計(jì)數(shù)器261© 1994-2011 China Academic Journal Electron

2、ic Publishing House. All rights reserved 第21卷第4期2001年7月TL81: A0258-0934(2001) 04-0261-03#© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved 第21卷第4期2001年7月#© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved 第21卷第4期2001年7月M cT

3、aggart'21所設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)器作為標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)計(jì)數(shù) 器已得到相當(dāng)普遍的承認(rèn)。#© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved 第21卷第4期2001年7月在我們的實(shí)際工作中，需對(duì)脈沖中子發(fā)生 器的中子產(chǎn)額進(jìn)行測(cè)量,脈沖中子發(fā)生器的中 子參數(shù)為：?jiǎn)喂苤凶赢a(chǎn)額為So>8X 106n/ pulse,半寬度處的半波中子產(chǎn)額應(yīng)滿(mǎn)足:4X 106n/pulse>51/2 >3 5 X 106n/pulseo 考慮到粒 子測(cè)量中的統(tǒng)計(jì)起伏及核測(cè)試儀器中的死時(shí)

4、間 修正等問(wèn)題，應(yīng)用長(zhǎng)硼中子計(jì)數(shù)器來(lái)測(cè)量這個(gè) 中子發(fā)生器的中子產(chǎn)額是適宜的。長(zhǎng)硼中子計(jì) 數(shù)器是一種簡(jiǎn)便而可靠的快中子探測(cè)器。它具 有探測(cè)效率高.探測(cè)效率隨中子能量的變化緩 慢(中子能量從lOkeV到大約沏eV計(jì)數(shù)管效 率與中子能量變化可以忽略)，以及易于甄別X 射線(xiàn)本底等優(yōu)點(diǎn)。長(zhǎng)硼中子計(jì)數(shù)管對(duì)快中子的 靈敏度是很小的但是可以通過(guò)把計(jì)數(shù)管放在 中子慢化劑(如石蠟)內(nèi)來(lái)提高計(jì)數(shù)管對(duì)快中子 的靈敏度即首先讓快中子在石蠟中減速而后 擴(kuò)散到計(jì)數(shù)管靈敏Eo Hanson等首先研制了 這種慢化管裝置，他們提出用一個(gè)BR管和圓 柱形慢化體組合成一坪響應(yīng)中子探測(cè)器.:2001-03-29:郭洪生(1961-).

5、男.福建人.中國(guó)工程物 理研究院核物理與化學(xué)研究所副研博士生.從事核 輻射脈沖測(cè)量技術(shù)研究。探測(cè)效率e為記錄到的中子數(shù)N與入射 中子數(shù)N。之比即：(1)若沿計(jì)數(shù)管柱斷面射向計(jì)數(shù)管的中子數(shù)為N O. 則中子在BR計(jì)數(shù)管中引起反應(yīng)的數(shù)目N為式中:A計(jì)數(shù)管柱斷面面積(an2),A = 2/7, r 計(jì)數(shù)管陰極半徑(an ), /-計(jì)數(shù)管有效長(zhǎng)度 (cm)； 計(jì)數(shù)管有效體積(cm'),忽略陽(yáng)極絲 所占空間，則：v= tt"l單位氣壓下每單位 體積中氣體的分子數(shù)，即羅西密德數(shù)厶=2 7X lOW/anlP計(jì)數(shù)管充氣氣壓。所以,VLP為計(jì)數(shù)管中有效的BFs氣體分子數(shù)。滬核反應(yīng)截 面.XJ

6、T，JB(n,(X)7Li 而言嚴(yán) 3990X 10 24an2;g硼元素中"B同位素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：天然硼 中，也的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為g= 18 8%,濃縮硼中先 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為g=95%。所以，探測(cè)效率、c=紀(jì)=L ALP%(3)而#© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved ALN。JI2x Z&)-各向異性因子.可表示為:中子源粒子圖1長(zhǎng)硼中子計(jì)數(shù)器靈敏度標(biāo)定框圖Y_ _ TP/ _ 皿A = 2r/ =2更精確的探測(cè)效率的實(shí)驗(yàn)研究見(jiàn)文獻(xiàn)3, 4。一

7、般均應(yīng)用已知源強(qiáng)的放射性源(如光中 子源、Ra獷Be源等)及利用測(cè)量(X粒子來(lái)絕對(duì) 測(cè)定中子注量的T(d.n) “He反應(yīng)測(cè)定長(zhǎng)計(jì)數(shù) 管的效率。此外，也有利用其他可監(jiān)測(cè)源強(qiáng)的探 測(cè)器如含氫正比計(jì)數(shù)管、計(jì)數(shù)管望遠(yuǎn)鏡等來(lái)刻 度長(zhǎng)計(jì)數(shù)管的效率的卜叫我們采用加速器加速 D離子轟擊T (或D)靶，由T (d,n)(X和D (d. n)5He反應(yīng)產(chǎn)生的中子作為標(biāo)準(zhǔn)中子源采用 伴隨粒子法測(cè)量加速器DT聚變中子注量率 來(lái)對(duì)探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)效率標(biāo)定。伴隨粒子法就 是通過(guò)探測(cè)T(d,n) (X反應(yīng)伴隨的(X粒子來(lái)探 測(cè)中子，把中子測(cè)量轉(zhuǎn)換為帶電粒子測(cè)量，是一 種常用的14MeV中子注量率測(cè)量方法。在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)測(cè)量&

8、amp;方向發(fā)射的伴隨(X 粒子，則距靶心R遠(yuǎn)處a方向的加速器聚變中 子注量率可由下式給出：<«/?,&) =«(a. a)B (6)式中：5心6)距靶心/?遠(yuǎn)處，方向的中子注 量率(ai 2£、N (6j-單位時(shí)間單位立體 角內(nèi)發(fā)射的(X粒子數(shù)(s *)；/?中子探測(cè)器與 靶心的距離(an)； a(X探測(cè)器對(duì)靶心所張的 立體角(sr)；ft-出射中子和入射D離子間的 夾角(rad);6<-出射(X粒子和入射D離子間的 夾角(rad)；B出靶室中子的衰減因子°(氐(dcMla)r)n%l+ (32Z5)s(EdQ)i'8s 切

9、1 + (32/5)1/2 (Ed/),/2cos式中:肌一產(chǎn)生T(d.n)(X反應(yīng)的D 核平均動(dòng)能 (MeV ); Q-T (d. n) (X反應(yīng)的反應(yīng)能0值 (M eV )； G在質(zhì)心系中粒子岀射角(rad): G 在質(zhì)心系中中子岀射角(rad)o在特定的d角方向(通常選用135?；?0°) 和一定的立體角下(探測(cè)器至靶心的距離固 定)，用半導(dǎo)體探測(cè)器和相應(yīng)的電子學(xué)系統(tǒng)測(cè)量 由靶上發(fā)射的(X粒子數(shù)并歸一到單位時(shí)間的 計(jì)數(shù)，然后經(jīng)本底修正閾損失修正粒子計(jì)數(shù) 系統(tǒng)的死時(shí)間損失修正得到絕對(duì)的(X粒子計(jì)數(shù) N (ft).由(6)式計(jì)算加速器聚變中子注量率。在我們的測(cè)量工作中并未定岀長(zhǎng)計(jì)數(shù)

10、管對(duì) 中子源的等效中心位置.因此所測(cè)的做率”實(shí) 際上是效率與在源和長(zhǎng)計(jì)數(shù)管相距厶時(shí)的等 效立體角之乘積。為方便起見(jiàn)以后把它簡(jiǎn)稱(chēng)外 為效率。因此探測(cè)器探測(cè)效率為：式中:N c為長(zhǎng)計(jì)數(shù)管扣除本底的凈計(jì)數(shù):N 6為 長(zhǎng)計(jì)數(shù)管所在方向上單位立體角內(nèi)的中子數(shù)。 標(biāo)定框圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中所用BF)管外徑 27mm,厚Q 5mm,充濃縮"B約95%,管子長(zhǎng) 度33m,工作電壓為2600V,測(cè)得其探測(cè)效率 約為3 17X10 4(1±18%),利用這個(gè)長(zhǎng)硼中 子計(jì)數(shù)器對(duì)1014型脈沖中子產(chǎn)生器的脈沖中 子產(chǎn)額進(jìn)行了測(cè)量，其產(chǎn)額約為1 X 107 n/ pulse,總作用時(shí)間約為3uso測(cè)

11、量結(jié)果表明，該 長(zhǎng)硼中子計(jì)數(shù)器能滿(mǎn)足我們的測(cè)量要求。3長(zhǎng)硼計(jì)數(shù)器作為中子注量率測(cè)量的一種探 測(cè)器具有工作簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)作為對(duì) 各種中子能量效率相同的計(jì)數(shù)器來(lái)測(cè)量中子注 量率長(zhǎng)硼中子源計(jì)數(shù)器是較令人滿(mǎn)意的。影響 探測(cè)器計(jì)數(shù)準(zhǔn)確度的因素主要有以下兩點(diǎn)：3 1幾乎在所有探測(cè)器系統(tǒng)中，都存在一個(gè)最 小時(shí)限兩個(gè)事件之間的時(shí)間間隔大于此時(shí)限 才能被分辨開(kāi)而記錄為兩個(gè)單獨(dú)的脈沖這個(gè) 最小時(shí)間間隔通常被稱(chēng)為計(jì)數(shù)系統(tǒng)的死時(shí)間。 死時(shí)間可能與計(jì)數(shù)器和電子學(xué)線(xiàn)路的分辨時(shí)間 有關(guān)。往往死時(shí)間是未知的因此必須直接測(cè)量 出死時(shí)間。常見(jiàn)的方法是雙源法根據(jù)兩個(gè)源各 自的觀察計(jì)數(shù)率和組合的觀察計(jì)數(shù)率計(jì)算出死 時(shí)間。一般長(zhǎng)

12、硼中子計(jì)數(shù)器的死時(shí)間約為微秒 量級(jí)。3 2實(shí)驗(yàn)室本底中子主要來(lái)自四周墻壁、周?chē)?物體（如儀器支架等）的散射。可用屏蔽錐體測(cè) 定房間本底中子的貢獻(xiàn)測(cè)量時(shí)將中子源放在 屏蔽錐體前面，使源、探測(cè)器中心與屏蔽錐體在 同一軸線(xiàn)上探測(cè)器必須在屏蔽錐體形成的陰 影內(nèi)、測(cè)得實(shí)驗(yàn)室的中子輻照相對(duì)航射貢駅為 20% oUniform Sensitivity from 10k eV to eV | J Phys Rev, 1947, 72: 673 2McTaggartM AWRENRA 1/59R | 19583 JFow lcr L ct al N eutron bnizatbn Chiinibcrs(J Re

13、v Sci Instrum, 1950, 21: 7344 J Sampson T. et al A n absolulemeasurcnient of the efficiency of a BF3 p rDportional counterl J |.N ucl In st rum M ethods, I97L 95: 563(5 ALL EN W Fast N eutron Physics |M Part LN ew York： Interscience Pub lnc. I960, 361.6 A lien W Design and Calibratbn of an A bsolule

14、FluxDctcctorlR 1 A ERE N P/fe-1667, 1955263© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, #© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, | 1 Hanson A, et al A N eutron Detector HavingCalibration of detector effici

15、ency of neutron detectorGUO Hong-sheng, HEX i-jun, XU Rong-kun, PEN G Tai-p ing(Institute of N uelear Physics and Chem istry.CA EP.M ianyang of Sichuan Prov. 62190(). Ch ina)Abstract BF$ neutron detector has been set up,Detector efficiency is calibrated by associated particle technique It is about A 17 X 10 4( 1 ± 18% ). Neutron yield