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月核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)NuclearElectronics&DetectionTechnology.21No.4VolJuly2001郭洪生,(919信箱212分箱621900)BF3長(zhǎng)硼中子計(jì)數(shù)器,采用伴隨粒子法標(biāo)定了其中子探測(cè)效率,約為3.17×10-4(18%)。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(107 pulse)。關(guān)鍵詞:脈沖中子;探測(cè)效率;BF3中子計(jì)數(shù)器中圖分類(lèi)號(hào):TL81文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):025820934(2001)04202612032McTaggart所設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)器作為標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)計(jì)數(shù)0引言在我們的實(shí)際工作中,需對(duì)脈沖中

2、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:單管中子產(chǎn)額為So8×106n pulse,半寬度處的半波中子產(chǎn)額應(yīng)滿足:4×10n .5×10n pulseS1 23pulse?？紤]到粒66器已得到相當(dāng)普遍的承認(rèn)。1探測(cè)效率探測(cè)效率為記錄到的中子數(shù)N與入射中子數(shù)No之比即:=No子測(cè)量中的統(tǒng)計(jì)起伏及核測(cè)試儀器中的死時(shí)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10keV到大約3MeV計(jì)數(shù)管效率與中子能量變化可以忽略),以及易

3、于甄別射線本底等優(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1擴(kuò)散到計(jì)數(shù)管靈敏區(qū)。Hanson等首先研制了這種慢化管裝置,他們提出用一個(gè)BF3管和圓柱形慢化體組合成一坪響應(yīng)中子探測(cè)器,收稿日期:2001203229作者簡(jiǎn)介:郭洪生(19612),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。(1)若沿計(jì)數(shù)管柱斷面射向計(jì)數(shù)管的中子數(shù)為No,則中子在BF3計(jì)數(shù)管中引起反應(yīng)的數(shù)目N為:N=LPgA(2)式中:A-計(jì)數(shù)管柱斷面面積(cm2),A=2rl

4、,r-計(jì)數(shù)管陰極半徑(cm),l-計(jì)數(shù)管有效長(zhǎng)度(cm);V-計(jì)數(shù)管有效體積(cm3),忽略陽(yáng)極絲所占空間,則:V=r2l;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)L=2.7×31010cm;P-計(jì)數(shù)管充氣氣壓。所以,VLP為計(jì)數(shù)管中有效的BF3氣體分子數(shù)。-核反應(yīng)截)7Li而言,=3990×10-面,對(duì)于10B(n,10242cm;g-硼元素中B同位素的質(zhì)量分?jǐn)?shù);天然硼中,10B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為g=18.8%,濃縮硼中,10B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為g=95%。所以,探測(cè)效率=而261=NoALPg(3)=A2rl2(4)則=No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

5、上發(fā)射的粒子數(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)的粒子計(jì)數(shù)),由(6)式計(jì)算加速器聚變中子注量率。N(在我們的測(cè)量工作中并未定出長(zhǎng)計(jì)數(shù)管對(duì)中子源的等效中心位置,實(shí)L時(shí)的等。:=NrLPg2(5)更精確的探測(cè)效率的實(shí)驗(yàn)研究見(jiàn)文獻(xiàn)3,4。2長(zhǎng)硼中子計(jì)數(shù)器探測(cè)效率的校準(zhǔn)一般均應(yīng)用已知源強(qiáng)的放射性源(如光中子源、Ra2a2Be源等)及利用測(cè)量粒子來(lái)絕對(duì)測(cè)定中子注量的T(d,n)4He管的效率。此外,測(cè)器,、我們采用加速器加速D2(或D)靶,由T(d,n)和D(d,3n)He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D2T聚變中子注量率

6、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)反應(yīng)伴隨的粒子來(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)量方向發(fā)射的伴隨粒子,則距靶心R遠(yuǎn)處n方向的加速器聚變中子注量率可由下式給出:(6)(R,(,n)=n)B2R8式中:(R,)-距靶心R遠(yuǎn)處,方向的中子注量率(cm-2s-1);N()-單位時(shí)間單位立體角內(nèi)發(fā)射的粒子數(shù)(s-1);R-中子探測(cè)器與靶心的距離(cm);8-探測(cè)器對(duì)靶心所張的立體角(sr);出射中子和入射D2離子間的n夾角(rad);-出射粒子和入射D2離子間的夾角(rad);B-出靶室中子的衰減因子,A(,

7、n)-各向異性因子,可表示為:A(,N)=(8)式中:Nc為長(zhǎng)計(jì)數(shù)管扣除本底的凈計(jì)數(shù);N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BF3管外徑27mm,厚0.5mm,充濃縮10B約95%,管子長(zhǎng)度33cm,工作電壓為2600V,測(cè)得其探測(cè)效率約為3.17×10-4(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1×107n pulse,總作用時(shí)間約為3s。測(cè)量結(jié)果表明,該長(zhǎng)硼中子計(jì)數(shù)器能滿足我們的測(cè)量要求。3簡(jiǎn)單討論長(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

8、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):(d )nd1-1-21 21 21 2(32 (Ed 1+Q)cos<n5)1 4圖1長(zhǎng)硼中子計(jì)數(shù)器靈敏度標(biāo)定框圖(7)3.1死時(shí)間修正式中:Ed產(chǎn)生T(d,n)反應(yīng)的D2核平均動(dòng)能(MeV);Q2T(d,n)反應(yīng)的反應(yīng)能Q值(MeV);<d-在質(zhì)心系中粒子出射角(rad);<n-在質(zhì)心系中中子出射角(rad)。)在特定的或90°角方向(通常選用135°和一定的立體角下(探測(cè)器至靶心的距離固262幾乎在所有探測(cè)器系統(tǒng)中,都存在

9、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)硼中子計(jì)數(shù)器的死時(shí)間約為微秒量級(jí)。3.2本底中子修正實(shí)驗(yàn)室本底中子主要來(lái)自四周墻壁、周?chē)矬w(如儀器支架等)的散射?？捎闷帘五F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上,影內(nèi),20%。1HanA,etal.ANeutronDetectorHav

10、ingUniformSensitivityfrom10keVto3MeVJ.PhysRev,1947,72:673.2McTaggartM.AWRENR 59R.1958.A1 3FowlerI,etal.NeutronIonizationChambersJRevSciInstrum,1950,21:734.4SampsonT,etal.AnabsolutemeasurementoftheefficiencyofaBF3pro2portionalterJ,NuclInstrumMethods,1971,95:5EN.Fast.Part1,New:InPub361.A.andrationofan

11、AbsoluterR.AERENP R21667,1955.CalibrationofdetectorefficiencyofneutrondetectorGUOHong2sheng,HEXi2jun,XURong2kun,PENGTai2ping(InstituteofNuclearPhysicsandChemistry,CAEP,MianyangofSichuanProv.621900,China)Abstract:BF3neutrondetectorhasbeensetup,Detectorefficiencyiscalibratedbyassociatedparticletechnique.Iti