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进阶核电子学:中子探测器(EngVer. 咕咕咕)

wenfeng丨1年前行业新闻57丨

  中子是构成原子核的基本粒子之一,当中子被核力约束于原子核内时它是稳定的,但当原子核被其他粒子轰击后经历一个核反应过程,如等反应时,释放出带有一定能量的自由中子即为中子辐射。与α、β、γ射线不同的是中子本身不具有电性且本身不会引起物质电离,但由于它可被其他核俘获引发后续核反应或由弹性碰撞产生反冲核而引发次级电离,故中子辐射仍被归类为电离辐射。
  中子被原子核俘获的概率可以用中子俘获截面(Neutron capture cross section)表示,这一数据并非定值而是一个与中子能量相关的函数,一般而言中子能量越大俘获截面越小;大部分原子核的截面曲线在高能段存在一个突变的区间,这个区间被称为共振吸收区。
  中子辐射属于高LET辐射,这意味着它的电离作用强、对人体的危害大,相同通量、能量的γ与中子照射人体时中子引起的剂量沉积将远高于γ光子。而测量中子辐射剂量就需要用到中子探测器。
  既然中子本身不带电,那么要想对中子辐射进行探测,必须从它能够引发的反应考虑
  以下列出常用的中子探测方法及对应探测器实例
  核反应法:He3、B10正比计数器、6Li闪烁体、瞬发γ探测器、瞬发γ探测器、自给能探测器
  核反冲法:塑料闪烁体、反冲质子探测器
  核裂变法:裂变室
  活化法:基于锰浴法的中子源活度测量技术
  正比计数器是一种【工作在正比区】的气体放电探测器,其结构为一根中心带有电极丝的充气金属管,带电粒子进入正比计数管的灵敏区后电离管内气体,产生的离子在电场作用下向阳极丝漂移,到达一定场强处时会引发雪崩放电。在雪崩放电过程中离子数倍增,其正比于入射粒子(全耗尽)的能量,这部分离子被阳极收集形成电脉冲信号。
  在第一节中已经提到中子本身是不带电的,入射中子无法在正比计数管内直接电离出离子,因此作为中子探测器的正比计数管只有通过添加能够俘获离子并发生核反应释放带电粒子的物质如He-3 B-10等核素才能产生放电计数。对于添加B-10的计数管,又可分为涂硼计数管与BF3计数管,前者将硼粉涂布于计数管内壁并充以Ar/CH4作为工作气体,后者在计数管内充装BF3作为工作气体;应当注意的是此处使用的硼均为B10同位素丰度90%以上的富集硼。
  (1)He3正比计数器的原理以及特性
  He3计数管基于核反应过程进行探测,产物中的质子与氚离子带电,能够在计数管灵敏体积内引发雪崩放电计数,同时产生一能量为765KeV的瞬发γ光子。
  一般正比计数管输出脉冲幅度正比于入射粒子能量,但在中子正比计数管中这一规律并不一定成立;He3的俘获截面决定了它无法有效测量高能中子,若想获得较高灵敏度必须对高能中子减速为热中子后进行测量,这一过程导致初始入射粒子能量信息丢失。如若不对快中子进行减速,那么He3探测器的测量能量上限在1.3MeV左右,从反应方程中可知,中子能量E,也就是说只有使反应产生的质子以及氚核能量完全沉积于灵敏区内才可测得入射中子能谱,然由于计数管壁效应以及管内介质气压的影响使得这一测量难以实现。
  He3的热中子截面较大(5040b)但中子信号的脉冲幅度较小导致n-γ信号甄别能力较差。一般适用于弱γ场中的中子测量。
  (2)B10正比计数器的特性
  B10正比计数器基于进行探测,涂硼计数管由于灵敏体积有限导致灵敏度较差,而BF3计数管由于其填充的气体存在卤素,卤素的电子俘获效应对离子收集不利,无法通过增大体积、提高充气压力进一步优化灵敏度。
  同样地,基于与He3计数管类似的原因,B10正比计数管也无法直接测量中子能谱。但B10计数管的脉冲幅度大、n-γ甄别能力强,故可用于强γ本底下的中子测量。相较He3计数管由于B10截面相对较小(3837b)故灵敏度较差。
  现今已有被称为稻草管的高灵敏度涂硼计数管,在不使用电负性介质的同时增加涂硼面积从而提高整体的灵敏度,相比He3计数管更加经济。
  虽然正比计数器中存在电荷倍增过程,但其输出脉冲幅度仍然较小,需要在前端安装一电荷放大器对脉冲信号放大后进行测量分析,同时偏压电阻R的选取也相当重要。R的阻值要参考CSA以及高压电源的阻抗进行选取,过大的电阻会影响高计数率下偏压的稳定性,过小又会导致CSA拾取的信号变弱。同时偏置器的隔直电容也要仔细挑选以避免机械振动使电容产生压电效应进而影响输出信号的稳定性。
  首先,搭建整个中子探测系统需要一只中子探测器,本文选择了一只带有慢化层的BF3正比计数器作为探测元件。
  接下来还需要前置CSA与高压电源,本文中使用经过改装的CSA NIM模块(下图)
  对于不同的应用则需要不同的信号处理设备,单纯的计数可以用一台带有SCA的率表进行,若测量脉冲幅度谱则需要一台多道分析器。本文采用示波器(HP54512B)与通用计数器(HP5316B)分析脉冲信号的时间常数、幅度与频率。
  将探测器、高压电源、示波器与NIM模块连接,调节示波器触发模式为下降沿触发,触发源为通道1,触发边沿调节至本底小脉冲不可见,时将通用计数器的触发阈调节至与示波器相同,闸门时间15s。开启高压电源并缓慢调节电压旋钮至探测器的标称工作电压。
  此时记录探头的本底数据为0.67cps,将检查源放置于探头一侧,显示持续由single切换至infinite,观察累计的脉冲的幅度分布;开启测量选项中的上升时间与下降时间,并打开均值模式,测得脉冲信号τ≈78us
  至此探测系统已能正常工作,死时间指标达到预期水平。后续可将通用计数器替换为ESM的数字化率表进行中子剂量率的持续监测。
  咕咕咕


发布者:上校的一朵花

进阶核电子学:中子探测器(EngVer. 咕咕咕)

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