涂硼電離室組合快中子探測器研制及其響應(yīng)函數(shù)

張紫霞，魏志勇,*，方美華，朱 立，陳國云，石 苗

(1.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016；2.南昌大學(xué)，江西 南昌 330031)

航天環(huán)境中，對帶電粒子開展的研究較多，對中子的研究相對較少。航天器內(nèi)部的中子主要由空間中的帶電粒子與航天器材料發(fā)生相互作用產(chǎn)生。由于人體中H元素約占65%，而H元素的質(zhì)量和中子相當(dāng)，易與中子相互作用，造成人體內(nèi)部組織或細(xì)胞病變。相比同等劑量的射線和帶電粒子，由于中子具有很強(qiáng)的穿透力，其對人體造成的危害更嚴(yán)重。在國際空間站中，中子等效劑量占宇航員總劑量的30%～60%，中子的品質(zhì)因子是輕帶電粒子的4～5倍[1]。

1998年，航天器上首次使用了日本航天局開發(fā)的Bonner球探測器對航天器內(nèi)中子進(jìn)行探測。此外，NASA的人類研究基金項(xiàng)目開展了對宇航員長期空間飛行的健康評估[2]。2001年，日本航空航天研究開發(fā)所(JAXA)研制的BBND(Bonner ball neutron detector)實(shí)驗(yàn)裝置作為該項(xiàng)目的一部分，進(jìn)行了8個月的國際空間站(ISS)內(nèi)中子輻射環(huán)境的測量。BBND由聚乙烯和Gd兩種材料包裹3He熱中子正比管組合而成，其探測的中子能量范圍從熱中子到15 MeV[3]。3He的制備工藝復(fù)雜且價格昂貴，同時3He的反應(yīng)能較低，存在本底γ對中子信號的干擾。涂硼電離室避免了3He熱中子正比管的弊端，沒有如10BF3對環(huán)境造成危害導(dǎo)致不能在安全性要求高的航天器中使用的限制，也沒有活化金箔片[4]須經(jīng)照射后才能使用的準(zhǔn)備環(huán)節(jié)。通常，涂硼電離室對熱中子敏感。為擴(kuò)大探測器測量中子的能量范圍，本文將選用外徑為55、80、130、220、285 mm的高密度聚乙烯作為中子慢化材料，將5個不同外徑的高密度聚乙烯圓柱體與涂硼電離室嵌套組合成一種圓柱型Bonner探測器。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 涂硼電離室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于中子不帶電，它和靶原子核之間沒有庫侖斥力，較易進(jìn)入原子核發(fā)生核反應(yīng)。選擇某種能產(chǎn)生帶電粒子的核反應(yīng)，記錄帶電粒子引起的電離現(xiàn)象用于中子探測。中子測量方法中，熱中子的測量技術(shù)較普及，熱中子探測器主要有三氟化硼正比計(jì)數(shù)器、3He正比計(jì)數(shù)管、電離室等。

圖1為10B(n,α)核反應(yīng)截面。從圖1可看出，中子核反應(yīng)截面隨中子能量增加迅速減小，因此，利用中子核反應(yīng)產(chǎn)生帶電粒子進(jìn)行中子測量的方法對熱中子測量有很高的探測效率。隨中子能量增加，探測效率迅速下降，給高能中子探測帶來極大的困難。Bramblett等[5]研制了多球?qū)又凶幽茏V儀(Bonner球譜儀)，它由一系列不同直徑的聚乙烯或石蠟球包裹熱中子探測器(3He正比計(jì)數(shù)器、10BF3正比計(jì)數(shù)器、6LiI(Eu)晶體探測器或活化片等)組成。因熱中子探測器的類型和尺寸存在差異，探測器對應(yīng)的能量響應(yīng)有較大差別。Bonner球測量的能量范圍廣，從熱能到幾十MeV[6]，應(yīng)用廣泛，特別適用于中子輻射防護(hù)方面的輻射監(jiān)測。

圖1 10B(n,α)核反應(yīng)截面

目前，應(yīng)用最多的3種中子探測核反應(yīng)為：

σ0=(3 837±9)×10-24cm2

(1)

σ0=(5 333±7)×10-24cm2

(2)

σ0=(943±4)×10-24cm2

(3)

6Li(n,α)反應(yīng)放出的能量最大，其次是10B(n,α)反應(yīng)，而3He(n,p)反應(yīng)最小。反應(yīng)放出的能量大則中子產(chǎn)生的信號和γ本底較易區(qū)分開。但天然鋰中6Li的含量低，高濃縮的氟化鋰(6Li的含量占90%～95%)價格昂貴。3He(n,p)反應(yīng)截面較其他兩種反應(yīng)大，但放出的能量最小，不易去除γ本底。同時，天然氦氣中3He的含量十分低，高濃度3He氣體價格昂貴。綜合考慮后，10B(n,α)反應(yīng)的應(yīng)用最廣泛。天然硼中10B的豐度雖不是很高，但濃縮硼的獲得較3He、6Li容易得多，價格也適中。較常選的氣體是BF3氣體，固態(tài)的可選取氧化硼或碳化硼。在航空航天任務(wù)中對所搭載的器件要求較高，含氟的氣體是有毒性的，存在安全性危害而不能被采用。根據(jù)文獻(xiàn)[2-3,6]，國際空間站使用的熱中子探測器均為3He正比計(jì)數(shù)器、6Li熱中子探測器。為達(dá)到較高的探測效率并區(qū)分中子產(chǎn)生的信號和γ本底，且能安全運(yùn)用于航天任務(wù)中，選擇固態(tài)硼作為中子靈敏層材料。相比于氧化硼或碳化硼，為實(shí)現(xiàn)高的探測效率，選取10B豐度大于90%的硼粉作為中子靈敏層材料。對電離室探測效率的方向性和結(jié)構(gòu)的抗沖擊性、振動性等因素綜合考慮，圓柱型電離室多用于實(shí)際應(yīng)用中。電離室內(nèi)充1.5×105Pa的90%Ar+10%CH4(P10)氣體，電離室的具體參數(shù)列于表1，結(jié)構(gòu)示于圖2。6層硼膜的探測效率為單層硼膜探測效率的4.6倍[7]。因此，為增加10B層的面積，提高涂硼電離室對熱中子的探測效率，在電離室圓柱體內(nèi)壁涂硼(采用文獻(xiàn)[8]的涂硼技術(shù))，并在電離室中心加環(huán)氧板，環(huán)氧板正反面涂硼。

電離室的漏電流一般存在于填充氣體和絕緣材料中。電離室的高壓和地線間用絕緣材料隔開，但絕緣體的電阻不可能無窮大。漏電流分面漏電流和體漏電流。絕緣材料在受輻照的情況下，體電阻會稍降低。因此，當(dāng)電離室加上高壓時，電流從高電位流向低電位，形成體漏電流?？紤]漏電流對探測中子信號精度的影響，在涂硼電離室中設(shè)計(jì)加入漏電流旁路電極，旁路電極接地。漏電流旁路電極引出高壓極產(chǎn)生的漏電流，極大減小高電壓對輸出信號的影響。

表1 圓柱型Bonner探測器模擬參數(shù)

圖2 涂硼電離室結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 圓柱型Bonner探測器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

涂硼電離室對熱中子敏感，為實(shí)現(xiàn)對快中子的探測，在熱中子探測器周圍包裹慢化體材料。中子和物質(zhì)發(fā)生彈性散射，最有效的減速材料為氫核，而高密度聚乙烯是慢化MeV中子最可取的材料。最初的Bonner球探測器是在熱中子探測器周圍包裹球型聚乙烯慢化材料。結(jié)合研制的涂硼電離室的圓柱型結(jié)構(gòu)，選用高密度聚乙烯圓柱體包裹電離室，改進(jìn)球型慢化體結(jié)構(gòu)。高密度聚乙烯外徑為55、80、130、220、285 mm，其內(nèi)徑為涂硼電離室的外壁直徑。5個不同厚度的高密度聚乙烯圓柱體包裹涂硼電離室，構(gòu)成了一種測量熱中子到十幾MeV快中子的探測器，即圓柱型Bonner探測器。其結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 圓柱型Bonner探測器結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖

2 圓柱型Bonner探測器響應(yīng)矩陣的計(jì)算

涂硼電離室為電流型電離室，是工作在I-V曲線飽和區(qū)的氣體探測器。在飽和區(qū)，離子被全部收集達(dá)到飽和。熱中子與電離室涂硼層的10B發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生帶電粒子α和7Li離子。α和7Li離子與電離室內(nèi)的P10氣體發(fā)生作用而使其電離，產(chǎn)生一定數(shù)量的離子對。正、負(fù)離子在探測器空間形成的電場作用下，分別向正、負(fù)電極運(yùn)動，形成電信號送到數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。

對于電流型電離室，在單位時間內(nèi)入射的粒子數(shù)為n，這些粒子在電離室內(nèi)的能量沉積為D，而電離室工作氣體產(chǎn)生1對離子對的平均電離能為ω。對P10氣體，ω為25.7 eV。假設(shè)沒有復(fù)合和擴(kuò)散，即電離室工作在飽和區(qū)，電離產(chǎn)生的離子對都被收集，則電離電流I飽和為：

(4)

其中：D/ω為n個入射粒子在電離室氣體中電離產(chǎn)生的離子對數(shù)；e為電子電量。

2.1 Geant4模擬計(jì)算

Geant4[8]基于Linux/Unix操作系統(tǒng)，它的主要優(yōu)點(diǎn)是源代碼完全開放，用戶可根據(jù)需要更改、擴(kuò)充Geant4程序。程序主要用來模擬高能物理現(xiàn)象，可方便模擬強(qiáng)相互作用、弱相互作用等高能、超高能物理過程。本文在Scientific Linux 5系統(tǒng)環(huán)境下安裝Geant4.9.4.p04版本，對中子進(jìn)行仿真模擬計(jì)算。涂硼電離室內(nèi)主要是10B(n,α)7Li核反應(yīng)。中子能量低于4 MeV時，中子的慢化相互作用主要是彈性散射，即H(n,n)H和C(n,n)C反應(yīng)。中子能量大于4 MeV時，C(n,n′3γ)(閾值約5 MeV)、C(n,α)(閾值約7 MeV)、C(n,n′α)( 閾值約8 MeV)、C(n,p)(閾值約15 MeV)、C(n,n′p)(閾值約15.5 MeV)、C(n,p)(閾值約18 MeV)等閾反應(yīng)為主要過程。中子數(shù)據(jù)庫采用基于美國ENDF/B-Ⅵ中子評價數(shù)據(jù)庫的G4NeutronHP數(shù)據(jù)庫[9]。

基于Geant4的模擬在物理過程建立后，還需建立圓柱型Bonner中子探測器的幾何結(jié)構(gòu)(圖2、3)。幾何結(jié)構(gòu)建模中作如下假設(shè)：1) 高密度聚乙烯慢化體與探測器之間沒有空隙；2) 探測器中不銹鋼支架和金屬焊接的影響可忽略；3) 高密度聚乙烯圓柱型慢化體的密度分布均勻；4) Bonner球探測器周圍是真空環(huán)境；5) 不考慮周圍環(huán)境散射中子等的干擾。對G4SensitiveDetector類派生，將涂硼電離室的P10氣體作為敏感探測器，程序記錄涂硼電離室P10氣體中的能量沉積。根據(jù)式(4)計(jì)算電離室工作在飽和區(qū)時的電離電流。

2.2 圓柱型Bonner探測器響應(yīng)函數(shù)

m個不同直徑的圓柱體聚乙烯包裹自制涂硼電離室，組合成圓柱型Bonner探測器。探測器探測結(jié)果為M，響應(yīng)矩陣為R(E)，輻射場中子譜為Φ(E)。從數(shù)學(xué)角度分析，第i層圓柱型Bonner探測器的測量結(jié)果可表示為：

(5)

其中：Mi為第i層圓柱體聚乙烯包裹電離室探測器的測量結(jié)果；Ri(E)為第i個探測器與中子能量E相關(guān)的響應(yīng)函數(shù)。研制的圓柱型Bonner探測器的高密度聚乙烯外徑分別為55、80、130、220、285 mm，另有1個裸涂硼電離室，故m=6。

為方便模擬計(jì)算，將中子能量離散成各個小的能量區(qū)間，用離散函數(shù)Φj(E)替代連續(xù)函數(shù)Φ(E)。因此式(5)表示為離散形式：

Φjj=1,2,…,k

(6)

式中：k為中子能量劃分范圍區(qū)間的數(shù)目；Rij為第i個探測器在第j個能量區(qū)間對應(yīng)的中子注量響應(yīng)，即為圓柱型Bonner探測器的響應(yīng)函數(shù)。將中子能量區(qū)[1×10-7MeV，20 MeV]分成35個能區(qū)(表2)，即k=36。因此，其響應(yīng)矩陣R是與能量相關(guān)的36×6的矩陣函數(shù)。

表2 Geant4模擬選取的入射中子能量分區(qū)點(diǎn)

圖4 圓柱型Bonner中子探測器響應(yīng)函數(shù)曲線

圖4示出Geant4模擬計(jì)算得到的響應(yīng)，從圖可看到不同直徑圓柱型Bonner探測器響應(yīng)隨入射中子能量的變化。隨高密度聚乙烯直徑的增大，響應(yīng)曲線的峰值向高能方向移動；在對數(shù)坐標(biāo)系下，峰位中子能量先增加較快，而當(dāng)高密度聚乙烯直徑增加為220 mm后，峰位中子能量僅略有增加。當(dāng)慢化體直徑增至285 mm時，仍具有較好的響應(yīng)函數(shù)特點(diǎn)，涂硼電離室對高能中子有較好的響應(yīng)。峰位能量向高能方向移動是因?yàn)楫?dāng)慢化材料厚度較薄時，中子與物質(zhì)發(fā)生的碰撞次數(shù)較少，碰撞損失的能量較少；慢化材料厚度增加時，碰撞次數(shù)增加，中子在傳輸中的能量損失增大，故中子經(jīng)不斷碰撞慢化為被涂硼電離室探測到的熱中子所需的入射中子能量增加。

3 輻射場中圓柱型Bonner探測器的測量與分析

將圓柱型Bonner探測器放置于中國原子能科學(xué)研究院提供的241Am-Be中子源輻射場中，測試Bonner探測器的性能。該241Am-Be中子源的強(qiáng)度為2.8×107s-1。圓柱型Bonner探測裝置和中子源的測量位置關(guān)系如圖5所示。為減小周圍環(huán)境對測量結(jié)果的干擾，得到更可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)測試過程中，將中子源和Bonner探測器均放置在距地面1.5 m的空曠地，同時確保電離室與中子源均放置在同一水平面。在無輻射源情況下，所測得的電離室輸出電流為電離室漏電流。工作電壓在1 000 V內(nèi)，所測出的電離室漏電流在0.1 pA內(nèi)，較BZD-4型涂硼中子電離室在250 V外加電壓時的漏電流為50 pA有很大的改進(jìn)。

圖5 241Am-Be源中子場中圓柱型Bonner探測器測量示意圖

固定電離室與中子源的距離為80 cm，將外徑分別為55、80、130、220、285 mm的高密度聚乙烯包裹在涂硼電離室上進(jìn)行測量。在相同輻射場條件下，選取電流信號飽和情況(外加電壓400 V)，對不同聚乙烯慢化體下電離室的信號進(jìn)行分析。表3列出未考慮散射中子影響時不同外徑高密度聚乙烯包裹下測到的涂硼電離室的電流，其靈敏度在10-15A·cm2·s量級。

表3 不同外徑圓柱型Bonner探測器的靈敏度

相同241Am-Be輻射場實(shí)驗(yàn)條件下，使用Geant4模擬計(jì)算得到5種不同外徑高密度聚乙烯涂硼電離室的電流信號，模擬數(shù)值和實(shí)驗(yàn)值的比較示于圖6。實(shí)驗(yàn)測量值中信號讀取的誤差在±10%以內(nèi)。模擬中忽略了周圍環(huán)境的散射中子。從圖6可看到中子涂硼電離室響應(yīng)與聚乙烯慢化體厚度的關(guān)系。

由于Am-Be中子源產(chǎn)生的快中子經(jīng)聚乙烯層的慢化后，進(jìn)入電離室的熱中子逐漸增加，熱中子更能被電離室探測到，輸出的電流信號也相應(yīng)地增加，而當(dāng)聚乙烯層達(dá)到一定的厚度后，由于聚乙烯對熱中子的吸收大于其慢化產(chǎn)生的熱中子，此時電離室的輸出電流將會逐漸減小[10]，因此整個測量過程中，不同慢化體厚度下所測中子信號隨慢化體厚度的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。圖6顯示，在Am-Be源輻照條件下，圓柱型Bonner探測器外徑為220 mm時，其探測效率最高。

圖6 不同外徑聚乙烯慢化體中子信號電流變化曲線

4 結(jié)論

涂硼電離室被不同外徑高密度聚乙烯包裹組合成圓柱型Bonner探測器，可實(shí)現(xiàn)對從熱中子到十幾MeV能量范圍的中子的探測。運(yùn)用Geant4軟件模擬得到了探測器的響應(yīng)函數(shù)。中子響應(yīng)函數(shù)曲線是探測器性能的表現(xiàn)，也是根據(jù)圓柱型Bonner探測器測量中子實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后進(jìn)行解譜的關(guān)鍵所在。若要進(jìn)一步研究并探測更高能量中子(>20 MeV)，可在快中子慢化體和涂硼探測器中間加入Pb等材料以探測更寬能譜中子。

研制的圓柱型Bonner探測器放置于標(biāo)準(zhǔn)中子源進(jìn)行測量。Geant4理論模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值在信號讀取誤差±10%的范圍內(nèi)吻合。模擬過程中盡可能接近實(shí)際測試環(huán)境，但仍對模型進(jìn)行了一些簡化，如不考慮周圍環(huán)境對中子的散射、高密度聚乙烯與探測器之間的空氣間隙等。這些因素的存在導(dǎo)致模擬數(shù)值和實(shí)驗(yàn)值之間存在一定差異。在后續(xù)的工作中，將建立更逼近實(shí)驗(yàn)環(huán)境的幾何結(jié)構(gòu)模型，以得到更好的圓柱型Bonner探測器響應(yīng)函數(shù)。同時改進(jìn)技術(shù)，提高電流測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，使模擬值和實(shí)驗(yàn)值之間的吻合度更好。

本工作得到了中國原子能科學(xué)研究院、南京大學(xué)有關(guān)人員的幫助，在此表示感謝。

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