試驗(yàn)8用BF3正比計(jì)數(shù)管探測(cè)慢中子

1、實(shí)驗(yàn)8 用BF3正比計(jì)數(shù)管探測(cè)慢中子實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解BF3正比管探測(cè)慢中子的基本原理。2. 學(xué)會(huì)選取BF3正比管最佳工作點(diǎn)的方法。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 用示波器觀察BF3正比管的輸出脈沖波形。2. 測(cè)量BF3正比管的坪曲線，并確定管子的工作電壓。3. 測(cè)量BF3正比管的偏壓曲線，并確定其偏壓。4. 用多道分析器測(cè)BF3正比管探測(cè)中子時(shí)的脈沖幅度譜。原理BF3正比管內(nèi)充的是三氟化硼氣體，它是用核反應(yīng)方法探測(cè)中子的。用BF3氣體探測(cè)慢中子所依據(jù)的核反應(yīng)方程式如下： （1）10B(n,)7Li反應(yīng)是放熱反應(yīng)，忽略入射中子的能量，反應(yīng)后的反應(yīng)能變成了粒子和7Li核的動(dòng)能，BF3正比管就是通過探測(cè)10B(n,

2、)7Li反應(yīng)生成的粒子和7Li反沖核間接地探測(cè)中子的。10B(n,)7Li反應(yīng)對(duì)熱中子的反應(yīng)截面比較大（384011巴），而且中子能量小于30keV時(shí)，它的反應(yīng)截面符合“速度反比律”。如圖1所示。BF3正比管是坪寬較長(zhǎng)的慢中子探測(cè)器，它的特點(diǎn)是探測(cè)靈敏度高，抗干擾能力比較強(qiáng)。由于快中子可以被含氫物質(zhì)（例如石蠟等）慢化，所以帶有慢化裝置的BF3計(jì)數(shù)管，也能用來探測(cè)快中子。根據(jù)這個(gè)原理制成的一種快中子探測(cè)器叫“長(zhǎng)中子管”，它的特點(diǎn)是在很寬的中子能量范圍里對(duì)快中子響應(yīng)有幾乎不變的靈敏度，工作穩(wěn)定可靠。目前，BF3正比管在慢中子探測(cè)和快中子通量測(cè)量與監(jiān)測(cè)等方面仍有廣泛的應(yīng)用。1BF3正比管的探測(cè)效率B

3、F3正比管記錄粒子和7Li核的效率可以認(rèn)為是100%。中子探測(cè)效率主要決定于10B(n,)7Li反應(yīng)發(fā)生的幾率。BF3正比管探測(cè)中子的效率定義為：和10B發(fā)生反應(yīng)的中子數(shù)與入射到管子靈敏體積內(nèi)的中子數(shù)之比。假定在計(jì)數(shù)管靈敏體積內(nèi)種子通量是均勻的，計(jì)數(shù)管的有效體積是，r和l分別是管子的半徑和有效長(zhǎng)度。根據(jù)定義，垂直入射到剖面面積為S(S=2rl)的計(jì)數(shù)管上的中子的探測(cè)效率為： （2）式中n是單位體積中10B的原子數(shù)，是10B反應(yīng)截面。這里的n可以由管內(nèi)所充氣體壓力并根據(jù)20一個(gè)大氣壓下一克分子BF3氣體（分子數(shù)為6.0221023個(gè)）占有22400cm3體積計(jì)算得到，這時(shí)對(duì)熱中子的探測(cè)效率可以寫

4、為： （3）式中，a是10B的同位素豐度，p是BF3氣體壓力（以mmHg為單位）。2. BF3 正比管探測(cè)中子的脈沖幅度譜射線等低幅度事件BF3正比管探測(cè)中子時(shí)測(cè)得的脈沖幅度譜是粒子和7Li核的能譜，而不是中子能譜。BF3正比管的脈沖幅度譜中反應(yīng)產(chǎn)物全能峰的分辨率是判斷管子質(zhì)量的重要指標(biāo)，通常以譜中相應(yīng)于能量為2.31MeV峰的半寬度來表示。（理想的BF3正比管輸出的脈沖幅度譜形如圖2所示）。如果不考慮電子學(xué)儀器等外部因素、制造工藝及氣體純度方面的問題，影響B(tài)F3正比管脈沖幅度譜形狀的主要因素是管子的“壁效應(yīng)”（如圖3所示）。比較圖2和圖3，我們發(fā)現(xiàn)，圖3中2.31MeV的反應(yīng)產(chǎn)物全能峰左邊有

5、兩個(gè)連續(xù)的“臺(tái)階”，臺(tái)階的起點(diǎn)分別為0.84MeV和1.47MeV。這兩個(gè)臺(tái)階就是由管子的“壁效應(yīng)”引起的。當(dāng)入射中子能量很低時(shí)，按反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的原理，反應(yīng)生成的粒子和7Li核應(yīng)在一直線上并反向運(yùn)動(dòng)，但在離管壁很近的地方產(chǎn)生的粒子（1.47MeV）和7Li核（0.84MeV）沒有把全部能量都耗盡在BF3氣體里，而是把它們當(dāng)中的一個(gè)粒子的部分以至全部能量交給了管壁，這就是所謂的BF3正比管的“壁效應(yīng)”。加大管子的直徑，改進(jìn)管子的機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以減小“壁效應(yīng)”的影響但理論和實(shí)踐都證明，BF3正比管的“壁效應(yīng)”是不能完全消除的。3BF3正比管坪曲線和偏壓曲線測(cè)量BF3正比管坪曲線和偏壓曲線是為了確定管子

6、的工作點(diǎn)。BF3正比管坪曲線的形狀和測(cè)量方法和G-M計(jì)數(shù)管相類似，只是BF3計(jì)數(shù)管的坪曲線隨甄別閾的選取有較大變化。在我們適當(dāng)選取甄別閾以后，由于脈沖、電子學(xué)儀器的噪聲等小幅度事件的脈沖幅度低于選定的閾值，當(dāng)高壓在一定范圍里變化時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的計(jì)數(shù)率基本不變，高壓的這個(gè)變化范圍就是BF3正比管的坪區(qū)。BF3正比管的坪長(zhǎng)和坪斜是管子性能的重要指標(biāo)，經(jīng)屏蔽并選取合適的甄別閾后，BF3正比管的坪斜小于1%，坪長(zhǎng)可達(dá)500伏以上坪斜定義為坪斜（/百伏）式中V1,V2是管子坪區(qū)的起點(diǎn)和終點(diǎn)（單位是伏），n1n2是它們相應(yīng)的計(jì)數(shù)率，而=(n1+n2)/2,如果在整個(gè)坪區(qū)測(cè)幾個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，則，這里N是所取實(shí)驗(yàn)

7、點(diǎn)的個(gè)數(shù)。通常管子的工作點(diǎn)選在坪區(qū)的中點(diǎn)。固定高壓后不斷改變單道閾值時(shí)測(cè)得的積分曲線，習(xí)慣上叫做該BF3正比管的偏壓曲線。BF3正比管的偏壓曲線也有平坦的部分，平坦部分越寬管子的性能越好，平坦部分的中點(diǎn)就是我們要選取的閾值。BF3正比管的偏壓曲線和坪曲線的形狀還與測(cè)量系統(tǒng)有關(guān)。如上所述，。BF3正比管的偏壓和工作高壓都有相當(dāng)大的可變范圍，單道閾值和高壓在一定范圍里的漂移對(duì)計(jì)數(shù)率影響不大，所以BF3正比管用于中子通量監(jiān)測(cè)是比較可靠的。4甄別射線的能力射線幾乎都是伴隨中子存在的，抗干擾問題是中子探測(cè)器難點(diǎn)之一。BF3正比計(jì)數(shù)管抗干擾能力是比較強(qiáng)的。射線在管壁上打出的快電子只把很小一部分能量消耗在管

8、內(nèi)，形成的脈沖幅度小，用簡(jiǎn)單的幅度甄別就能把脈沖去掉。國(guó)產(chǎn)SZJ-2型正比管耐強(qiáng)度的出廠指標(biāo)是1104維倫/秒。在更強(qiáng)的場(chǎng)下，脈沖的堆積和射線輻照使BF3氣體分子鏈斷裂，脈沖幅度大大增加，中子脈沖幅度大大降低，n-就無法分辨了。實(shí)驗(yàn)裝置線性放大器單道分析器定 標(biāo) 器多道分析器脈沖示波器高壓電源前放石蠟慢化裝置中子源實(shí)驗(yàn)儀器高壓電源 FH1016A 3kV 1臺(tái)BF3計(jì)數(shù)管 SZJ-2 1只前置放大器 FH1048A 1臺(tái)線性放大器 FH1002A 1臺(tái)單道分析器 FH1008A 1臺(tái)定標(biāo)器 FH1011A 1臺(tái)多道分析器 FH419G1 1臺(tái)脈沖示波器 SBM-10 1臺(tái)石蠟慢化裝置及中子源吊裝裝置 1套中子源 Am-Be源 105-106中子/4s 1個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟1 用示波器觀察BF3正比管的輸出脈沖波形，注意脈沖幅度隨高壓的變化并和無源時(shí)比較。2 測(cè)不同甄別閾下的坪曲線，選取管子的工作高壓，畫出坪曲線，計(jì)算坪長(zhǎng)和坪斜，說明確定高壓的方法。3 測(cè)管子的偏壓曲線，選定管子的偏壓，畫出偏壓曲線，說明確定偏壓的方法。4 用多道分析器測(cè)BF3正比管輸出的脈沖幅度譜，描出譜形并計(jì)算分辨率。