長硼計數(shù)器測量脈沖中子的漏計數(shù)問題探討

1、第44卷增刊 原 子 能 科 學(xué) 技 術(shù) Vol. 44, Suppl. 2010年9月 Atomic Energy Science and Technology Sep. 2010長硼計數(shù)器測量脈沖中子的漏計數(shù)問題探討唐章奎，李波均，王 棟，胡孟春，楊高照（中國工程物理研究院 核物理與化學(xué)研究所，四川 綿陽 621900）摘要：根據(jù)BF3的探測原理，中子在聚乙烯的輸運過程及管內(nèi)10B（n，）7Li反應(yīng)機理，通過大量的測量實驗，模擬出脈沖測量中BF3漏計數(shù)概率很小的邊界條件，該測量方法適合目前脈沖中子裝置中的中子產(chǎn)額測量。關(guān)鍵詞：BF3計數(shù)器；脈沖中子測量；漏計數(shù)中圖分類號：TL814 文獻標(biāo)

2、志碼：A 文章編號：1000-6931（2010）S0-0480-03Counting Loss Problem of BF3 Detector in Measuring Pulse Neutron YieldTANG Zhang-kui，LI Bo-jun，WANG Dong，HU Meng-chun，YANG Gao-zhao（Institute of Nuclear Physics and Chemistry, China Academy of Engineering Physics,P. O. Box 919-212, Mianyang 621900, China）Abstract:

3、According to measuring experiments, neutron movement in polyethylene, BF3 detection principle, and 10B(n, )7Li reaction in BF3, the paper gave restricted condition that the counting loss of BF3 detector could be neglected in measuring the pulse neutron yield. As a result, this way adapts to some pul

4、se neutron yields measuring.Key word: BF3 detector；pulse neutron measuring；leaking-count硼計數(shù)器測量中子的最大優(yōu)點是有較長1 理論模擬的能量坪響應(yīng)特性,如果慢化體結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，1.1 坪特性理論中子能量從10 keV到7 MeV，其探測效率基根據(jù)中子輸運和擴散理論，中子在慢化體本不變；其次是對射線不靈敏，可在n混合內(nèi)隨慢化體厚度按指數(shù)衰減，從慢化體散射進輻射場中測量中子。目前，該方法已成為成熟入BF3管內(nèi)的中子數(shù)目N沿入射方向，同樣隨的中子探測技術(shù)，常作為反應(yīng)堆和加速器中子慢化體厚度按指數(shù)衰減（圖1）。1在

5、脈沖中子測量中，監(jiān)測的單粒子計數(shù)裝置。 由于沒有計數(shù)率的概念，即一發(fā)中子脈蟲災(zāi)技術(shù)管內(nèi)產(chǎn)生的計數(shù)時間長度沒法定標(biāo)。因此，無法用恒流測量中的漏計數(shù)來表征測量數(shù)據(jù)。隨著中子管技術(shù)的發(fā)展，脈沖產(chǎn)額不斷提高，其脈沖強度遠大于加速器中子流強。而作為慢 化型低計數(shù)率的中子探頭BF3，在脈沖中子產(chǎn)圖1 中子在慢化體內(nèi)的作用機理 額絕對測量實驗中，存在嚴(yán)重的漏計問題，因Fig. 1 Action of neutrons in slowing-material 此，必須對BF3脈沖中子測量技術(shù)作深入研究。收稿日期：2010-05-11；修回日期：2010-06-09作者簡介：唐章奎（1965），男，四川成都人，

6、碩士研究生，從事中子物理及核測試實驗研究增刊 唐章奎等：長硼計數(shù)器測量脈沖中子的漏計數(shù)問題探討 481同時，進入BF3管的中子能量也隨BF3管軸線入射距離按指數(shù)衰減，根據(jù)10B(n，)7Li反應(yīng)給出的反應(yīng)截面，中子能量與10B(n，)7Li截面（E）隨中子能量按指數(shù)衰減，在10 keV7 MeV范圍內(nèi)，在BF3管上任意橫截面，計數(shù)N正比于N（E）常數(shù)。即在BF3管沿中子入射方向，單位長度產(chǎn)生10B(n，)7Li反應(yīng)概率是均等的。 1.2 死時間問題BF3計數(shù)器在測量過程中漏計數(shù)來自于3個方面：1）BF3管本身，粒子在電離放大時形成的區(qū)域性離子云，阻礙同一區(qū)域內(nèi)在幾十s時間內(nèi)的連續(xù)計數(shù)，導(dǎo)致漏計

7、現(xiàn)象，這種現(xiàn)象無法進行實驗觀察，更無法修正；2）不同地點同時（時間間隔小于電離放大后的脈沖寬度）發(fā)生10B（n，）7Li反應(yīng)，形成1個疊加波形，這種漏計可用示波器觀測；3）前放、主放和定標(biāo)器的帶寬不夠，產(chǎn)生漏計數(shù)（這里不作討論）。正比計數(shù)管的固有死時間為：trea2D2+（1）V 式中：a、b為計數(shù)管的陽極和陰極半徑；+為離子質(zhì)量；p為管內(nèi)大氣壓；V為計數(shù)管工作電壓。式（1）中，死時間與工作電壓V成反比關(guān)系，且與計數(shù)管內(nèi)氣壓和計數(shù)管直徑有關(guān)。因此，不同的工作電壓和不同的計數(shù)管型號，其死時間是不同的。實際上，BF3的死時間與其它探測器的死時間有一定的差別。它不但與粒子脈沖之間的時間分布有關(guān)，且與

8、脈沖的空間分布有關(guān)2。在BF3管中，的射程約為1 cm，在電離過程中，形成離子云，其感生電場與外加工作電場反向，從而削弱了外加電場對同區(qū)域的10B（n，）7Li反應(yīng)產(chǎn)生的荷電粒子的正比放大和收集（圖2）。 外加電場要徹底消除離子云產(chǎn)生的反向電場，恢復(fù)其正比放大性能，根據(jù)電動力學(xué)原理，需幾十甚至上百s的時間。在這段時間內(nèi)，同一離子云區(qū)域內(nèi)，10B(n，)7Li反應(yīng)很難被放大輸出第2個脈沖。離子云的區(qū)域大小，目前沒有詳細的文獻和資料。根據(jù)的射程，同時考慮電場的邊緣效應(yīng)，可粗略地將BF3管的單位長度定為1 cm，每1只BF3計數(shù)器都是由長度為射程的若干小BF3串聯(lián)構(gòu)成。因此，根據(jù)式（1），每只小BF

9、103的死時間約為4 s。在脈沖中子測量中，首先要計算給定產(chǎn)額的中子脈沖在慢化體內(nèi)的輸運過程及慢化壽命。若在平均慢化壽命時間內(nèi)產(chǎn)生的計數(shù)小于測量系統(tǒng)帶寬，漏計數(shù)可忽略。否則，會產(chǎn)生較大漏計數(shù)。脈沖測量研究中，理論上可根據(jù)MCNP程序跟蹤中子在慢化體內(nèi)歷史過程3-4，獲得10B(n，)7Li脈沖序列隨時間分布。經(jīng)計算，14 MeV中子在慢化體平均壽命為120 s。根據(jù)以上分析，我們認為在脈沖中子測量中，其脈沖計數(shù)N滿足NL（L為BF3計數(shù)管長度，cm）時，其漏計的概率很小?？紤]到BF3計數(shù)器在脈沖中子測量過程中計數(shù)的隨機性，在漏計數(shù)可以忽略的條件下，計數(shù)的統(tǒng)計漲落很大。因此，需采用多只計數(shù)管組成

10、陣列結(jié)構(gòu)來減少統(tǒng)計漲落。圖2 BF3管內(nèi)離子、電子的微觀運動示意圖 Fig. 2 Motion of ions and electrons in BF32 實驗驗證采用北京綜合儀器廠生產(chǎn)的BF3計數(shù)管（27 mm×300 mm），廠家給出計數(shù)率不大于105 s1，死時間約為10 s。實驗中，采用長硼與PMT閃爍探測器同步測量脈沖中子產(chǎn)額的方法，實驗布局如圖3所示，測量數(shù)據(jù)列于表1（N1N8分別代表8只計數(shù)管的測量計數(shù)）。圖3 PMT與陣列BF3同步測量中子脈沖 Fig. 3 Synchronization measuring neutronthrough PMT and BF3482

11、 原子能科學(xué)技術(shù) 第44卷表1 BF3陣列與PMT探測器的線性關(guān)系測量數(shù)據(jù) Table 1 Data of measuring neutron through BF3 and PMT序列N1N2N3N48路BF3陣列 N5N6N7N8N大面積PMT閃爍 探測器波形積分面積S1.88 1.67 1.92 1.88 1.88 1.88 1.81 1. 78 1.97 1.94N/S 63.94 58.75 79.69 65.46 66.42 69.22 65.27 61.80 80.36 69.591 21 10 16 20 16 12 11 14 1202 14 13 13 10 8 14 14

12、 12 983 14 23 22 22 20 19 15 18 1534 10 17 17 13 17 13 21 15 1235 15 15 14 18 12 15 18 18 1256 18 13 16 19 26 17 8 13 1307 9 18 10 16 16 15 23 11 1188 9 12 15 21 15 12 13 13 1109 25 21 29 16 13 18 18 18 15810 21 19 14 13 14 18 15 19 135由表1可看出，每個計數(shù)管的脈沖中子計數(shù)在30個以內(nèi)，采用陣列結(jié)構(gòu)的主要目的是增加測量的總計數(shù)，減少測量的統(tǒng)計漲落。如果以PMT閃

13、爍探測器為測量基準(zhǔn)，則BF3在計數(shù)N滿足NL，其測量結(jié)果與PMT閃爍探測器相差約10%，說明測量數(shù)據(jù)是可靠的。在實驗中，當(dāng)單管的計數(shù)超過60個時，從數(shù)字化示波器上能夠觀察到明顯的漏計數(shù)（圖4）；其測量數(shù)據(jù)與閃爍體探測器測量結(jié)果存在倍數(shù)差異，測量結(jié)果列于表2（相對測量）。過多次的實驗測量結(jié)果，得出對單發(fā)中子脈沖，其單管計數(shù)在L范圍內(nèi)，漏計數(shù)的概率很小的結(jié)論。此外，為減少統(tǒng)計漲落，在脈沖中子測量中應(yīng)采用多只計數(shù)管組成陣列結(jié)構(gòu)。表2 BF3與PMT同步測量脈沖中子產(chǎn)額 Table 2 Data of measuring neutronthrough BF3 and PMT序號1234528580779775N39575688890BF3測量 中子管產(chǎn)額 1.26PMT測量 中子管產(chǎn)額2.261.09 1.88 1.09 2.27 1.34 1.183.22 2.75參考文獻：圖4 示波器觀察到BF3測量計數(shù) Fig. 4 Image of BF3 measured in oscillograph1 汲