BNIF-1長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器探測(cè)效率的刻度

汲長(zhǎng)松，黃道榮，王婷婷，張慶威

(中核控制系統(tǒng)工程有限公司，北京 100176)

BNIF-1長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器探測(cè)效率的刻度

汲長(zhǎng)松，黃道榮，王婷婷，張慶威

(中核控制系統(tǒng)工程有限公司，北京 100176)

長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器是在一定的中子能量范圍內(nèi)，中子探測(cè)器效率恒定，不隨中子能量變化的一種中子探測(cè)裝置。本工作的長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器為Hanson結(jié)構(gòu)。采用含氫正比計(jì)數(shù)器與半導(dǎo)體望遠(yuǎn)鏡法，用靜電加速器中子源分別為220 keV、500 keV、1.000 MeV、1.403 MeV、3.270 MeV、4.000 MeV與5.000 MeV單能中子束，對(duì)本單位制作的BNIF-1長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器進(jìn)行了刻度?？潭冉Y(jié)果表明，在220 keV～5.000 MeV區(qū)間，中子探測(cè)器效率為2.8810×10-4(1±4.8%)。

中子；漢桑長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器；探測(cè)器效率；半導(dǎo)體望遠(yuǎn)鏡

長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器具有探測(cè)效率隨中子能量變化緩慢、對(duì)γ射線甄別性能高的特點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)中子物理領(lǐng)域，長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器作為中子探測(cè)裝置被廣泛用做快中子注量測(cè)量的次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。漢桑(Hanson ) 和麥吉本(Mckibben)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器是中子探測(cè)器經(jīng)典設(shè)計(jì)[1]。不同文獻(xiàn)提供的漢桑長(zhǎng)計(jì)數(shù)器的屏蔽材料與結(jié)構(gòu)尺寸略有差異[2-4]，本工作參照漢桑和麥吉本,及文獻(xiàn)[5]的設(shè)計(jì)，制作了類似的長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器。慢化體采用聚乙烯材料，取代原設(shè)計(jì)中的石蠟慢化介質(zhì), 用含碳化硼塑料取代原設(shè)計(jì)的碳化硼(或硼酸)作為熱中子屏蔽層。中子探測(cè)器仍用BF3正比計(jì)數(shù)管。

利用2.5 MeV靜電加速器上的7Li(p,n)7Be,T(p,n )3He和D(d,n)3He反應(yīng)產(chǎn)生的單能中子，在0.22 MeV～5.0 MeV能區(qū)對(duì)長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器的探測(cè)器效率進(jìn)行了刻度。中子注量用含氫正比計(jì)數(shù)器及半導(dǎo)體反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡測(cè)定。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 BNIF-1長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)

圖1 BNIF-1長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of the BNIF-1 long neutron counter

BNIF-1(原北京核儀器廠1室)長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)和尺寸如圖1所示。所用BF3計(jì)數(shù)管為不銹鋼外殼, 外徑27 mm,厚0.5 mm,充10B豐度約95%的BF3氣體,壓力為50 cm汞柱。當(dāng)工作電壓1700 V時(shí),用210Po-α-Be中子源測(cè)量的坪寬400 V,每100 V坪斜<1%。BF3計(jì)數(shù)管抗強(qiáng)γ射線輻照性能良好。圖2 示出當(dāng)長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器用Am-Be中子源照射時(shí)測(cè)定的BF3計(jì)數(shù)管輸出脈沖幅度分布譜。由圖2可見, 該脈沖幅度分布譜顯現(xiàn)出明顯的“雙臺(tái)階”壁效應(yīng)特點(diǎn)，以及對(duì)應(yīng)10B俘獲中子的兩個(gè)反應(yīng)道的雙“峰”脈沖幅度分布[3]，長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器在伴隨強(qiáng)γ射線的中子源輻照下，只要選定適當(dāng)?shù)恼鐒e閾(相當(dāng)箭頭所示的位置)就能夠很好地甄別掉γ射線本底。

圖2 BF3正比計(jì)數(shù)管脈沖幅度分布Fig.2 Pulse amplitude distribution of BF3 proportional counter tube

為了檢驗(yàn)長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器的可靠性, 周期性地用Am-Be中子源，在固定幾何條件下進(jìn)行測(cè)量。連續(xù)3個(gè)月監(jiān)測(cè)結(jié)果表明其長(zhǎng)期穩(wěn)定性相對(duì)誤差范圍為±0.5%。

1.2 長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器探測(cè)器效率的刻度原理

長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器探測(cè)器效率是長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器的測(cè)量計(jì)數(shù)率N(s-1)，與單位時(shí)間射入長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器的中子注量φ(s-1)之比：

(1)。

為計(jì)算方便，減小計(jì)算中長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器幾何形狀與尺寸簡(jiǎn)化造成的誤差，實(shí)驗(yàn)中取長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器—靶(中子源)距約為120cm。

1.3 中子源

為了刻度0.22 MeV～5.0 MeV能區(qū)的長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器的探測(cè)器效率, 本工作用靜電加速器，7Li(p,n)7Be反應(yīng)獲得0.22 MeV和0.5 MeV的中子；用T(p,n)3He反應(yīng)獲得0.5 MeV，0.9 MeV和1.5 MeV的中子；用D(d,n)3He反應(yīng)獲得3.3 MeV，4.0 MeV和5 MeV的單能中子。除3.3 MeV中子束出射角相對(duì)入射氘束方向?yàn)?0°之外，其他能量中子束的出射角均在0°方向上。所用LiF靶厚約等效于5 keV入射質(zhì)子的平均射程，底襯為0.1 mm厚的鉭片；T-Ti靶厚度約0.2 mg/cm2； D-Ti靶厚度約1.2 mg/cm2，T-Ti與D-Ti靶的底襯均為0.3 mm厚的鉬片。靶冷卻用壓縮空氣噴霧。

1.4 射入長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器的中子注量率φ測(cè)量

中子注量率的測(cè)量采用兩種方法， 在0.22 MeV～1.5 MeV能區(qū)，用含氫正比計(jì)數(shù)器； 在0.9 MeV～5.0 MeV能區(qū)，用半導(dǎo)體反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡。

含氫正比器和半導(dǎo)體反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡的詳細(xì)構(gòu)造及工作原理參見文獻(xiàn)[3]。含氫正比計(jì)數(shù)器安置在距靶100 cm或50 cm處。測(cè)散射本底中子時(shí), 在靶與正比計(jì)數(shù)器之間放置約20 cm長(zhǎng)的聚乙烯屏蔽錐，如圖3所示。

半導(dǎo)體反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡安置在距靶約15 cm處。在其他條件保持不變時(shí)，移去輻射體(聚乙烯薄膜)測(cè)量望遠(yuǎn)鏡的本底，如圖4所示。當(dāng)中子能量為0.9 MeV時(shí)，為了避免反沖質(zhì)子能量在空氣中的損失, 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)內(nèi)抽真空。

1.5 長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)率N測(cè)量

測(cè)量長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)率N的實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖5所示(不含中子屏蔽錐)。圖5中的中子屏蔽錐用于長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器的本底測(cè)量。屏蔽錐置于源與長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器之間。 錐的頂端距靶7 cm。錐的幾何尺寸：頂部直徑4 cm，底部直徑18.5 cm，錐長(zhǎng)約50 cm。錐的結(jié)構(gòu)材料：前端部分為鐵，長(zhǎng)約15 cm；中間為石蠟，長(zhǎng)約30 cm；其余部分為含硼石蠟。

圖3 含氫正比計(jì)數(shù)器標(biāo)定中子注量率實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Experiment arrangement for the calibration of neutron fluence density by hydrogen-contained proportional counter

d1——靶至輻射體距離； d2——輻射體至探測(cè)器距離；l1——靶至望遠(yuǎn)鏡前端面距離；l2——端面至輻射體距離； φ——望遠(yuǎn)鏡光闌直徑圖4 半導(dǎo)體反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡標(biāo)定中子注量率實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖d1——distance between radiator and target;d2——distance between radiator and detectorL1——distance between target and the front end of telescope;L2——distance between radiator and the end of telescopeφ——diameter of the diaphragm of telescopeFig.4 Experiment arrangement for the calibration of neutron fluence density by semi-conductor recoil proton telescope

圖5 長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器刻度實(shí)驗(yàn)計(jì)數(shù)率測(cè)量實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖Fig.5 Experiment arrangement for the count rate measurement of long neutron counter calibration experiment

被刻度的長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器、含氫正比計(jì)數(shù)器和半導(dǎo)體反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡的測(cè)量數(shù)據(jù)均以放置在大廳不同位置上的兩個(gè)中子監(jiān)測(cè)器(監(jiān)測(cè)長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器)計(jì)數(shù)來歸一。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 刻度結(jié)果

用含氫正比計(jì)數(shù)器測(cè)定了0.220 MeV、0.500 MeV、1.000 MeV和1.403 MeV能量點(diǎn)；用半導(dǎo)體反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡測(cè)定了 3.270 MeV、4.000 MeV和5.000 MeV能量點(diǎn)的中子注量率φ；同時(shí)分別測(cè)定了各能量點(diǎn)長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)率N(凈計(jì)數(shù))；依據(jù)式(1)分別計(jì)算出長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器的探測(cè)器效率， 計(jì)算結(jié)果列于表1，響應(yīng)曲線示于圖6。

表1 BNIF-1長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器刻度計(jì)算結(jié)果Table 1 The calculated results of BNIF-1 long neutron counter caliration

注：1)N300——300角中子監(jiān)測(cè)器計(jì)數(shù)；2) 修正后探測(cè)器效率

圖6 BNIF-1長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器探測(cè)器效率—中子能量響應(yīng)曲線 Fig.6 The response curve of detector efficiency-neutron energy of the BNIF-1 long neutron counter

2.2 誤差分析

(1) 中子注量率φ測(cè)量誤差

用含氫正比計(jì)數(shù)刻度了0.220 MeV、0.500 MeV、1.000 MeV和1.403 MeV能量點(diǎn)的長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器的探測(cè)器效率。含氫正比計(jì)數(shù)器作為中子注量率測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)儀器，其導(dǎo)致測(cè)量誤差貢獻(xiàn)的因素及各自的誤差貢獻(xiàn)列于表2。

用半導(dǎo)體反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡刻度了 3.270 MeV、4.000 MeV和5.000 MeV能量點(diǎn)的長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器的探測(cè)器效率。半導(dǎo)體反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡作為中子注量率測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)儀器，其導(dǎo)致測(cè)量誤差的貢獻(xiàn)因素與各自的誤差貢獻(xiàn)列于表3。

表2 含氫正比計(jì)數(shù)器的誤差Table 2 The error factors from hydrogen contained proportional counter

(2)N測(cè)量結(jié)果修正

① 散射修正。由于存在著靶底襯、靶管、水層、空氣對(duì)中子的散射，對(duì)測(cè)量結(jié)果的修正。

② 角分布修正。長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器對(duì)靶點(diǎn)所張立體角約為±5°，而正比計(jì)數(shù)器對(duì)靶點(diǎn)所張立體角約1°～1°25′；半導(dǎo)體望遠(yuǎn)鏡約為2°30′，三者對(duì)靶點(diǎn)所張立體對(duì)應(yīng)的角分布的差異，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。

表3 半導(dǎo)體反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡的誤差Table 3 The error factors from semiconductor recoil proton telescope

③ 死時(shí)間修正。計(jì)數(shù)率很高時(shí)導(dǎo)致電子學(xué)線路漏計(jì)數(shù)的死時(shí)間修正。修正公式：

(2)

式中，N為測(cè)量計(jì)數(shù)率,s-1；τ為長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器輸出脈沖寬度，s；Nc為真計(jì)數(shù)率,s-1。

④ 空靶修正。D+d反應(yīng)中的加速粒子d，轟擊到靶底襯、加速管道及光闌處時(shí)，產(chǎn)生本底中子。本底中子主要由兩部分組成：自成靶中子，即加速d束打在上述材料上，加速束中的d形成的d+d反應(yīng)產(chǎn)生的中子； 與削裂反應(yīng)產(chǎn)生的中子。d與任何金屬都可形成削裂反應(yīng)，而變成中子n，與質(zhì)子p，即 d→p+n反應(yīng)。其反應(yīng)截面與靶物質(zhì)的原子序數(shù)Z成反比，該部分中子能量較低。上述兩部分中子，都有一定的概率被長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器記錄，而沒被半導(dǎo)體望遠(yuǎn)鏡記錄，故也應(yīng)加以修正。修正方法是使用未吸氘D但含有鈦Ti的底襯靶，稱之為“空靶”，在保持D靶及空靶束流相同的條件下，測(cè)出待測(cè)長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，經(jīng)對(duì)束流歸一后，從效應(yīng)中扣除。上述①、②、③與④四項(xiàng)修正，皆歸納在最后數(shù)據(jù)中。長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器測(cè)量計(jì)數(shù)的誤差為：統(tǒng)計(jì)誤差±2%，幾何條件誤差±0.5%，其他項(xiàng)修正±1.5%。

2.3 長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器探測(cè)效率測(cè)定總誤差

中子能量En分別為220 keV、500 keV、1.000 MeV、1.403 MeV時(shí)的總誤差Δ′=±4.5%；中子能量En分別為3.270 MeV、4.000 MeV、5.000 MeV時(shí)的總誤差Δ″=±4.8%。BNIF-1長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器探測(cè)器效率測(cè)定結(jié)果列于表4，探測(cè)效率符合要求。

表4 BNIF-1長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器探測(cè)器效率Table 4 The detector-efficiency of BNIF-1 long neutron counter

3 結(jié)論

BNIF-1長(zhǎng)中子計(jì)數(shù)器在0.220 MeV至5.000 MeV能量區(qū)間探測(cè)效率為2.881 0×10-4，在±4.8%誤差范圍內(nèi)恒定，基本具備了等探測(cè)效率特性。

致謝：本實(shí)驗(yàn)為北京核儀器廠較大型實(shí)驗(yàn)，前后歷時(shí)近3年。多位原北京核儀器廠一室同事參與部分工作；中國(guó)原子能研究院、清華大學(xué)原200#試驗(yàn)反應(yīng)堆、及復(fù)旦大學(xué)靜電加速器組等，提供了實(shí)驗(yàn)條件及協(xié)作；黃道榮同志提供了部分實(shí)驗(yàn)記錄，一并致謝。

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[5] McTaggart M H. Atomic Weapons Research Establishment Rep. AWRE-NR/A-1/59[R]. 1960.

[6] 汲長(zhǎng)松. 核輻射探測(cè)器及其實(shí)驗(yàn)技術(shù)手冊(cè)[M]. 第2版. 北京：原子能出版社，2010.

[7] 汲長(zhǎng)松. 中子探測(cè)[M]. 北京：原子能出版社，2014.

The Calibration of Detector Efficiency of BNIF-1 Long Neutron Counter

JI Chang-song, HUANG Dao-rong, WANG Ting-ting, ZHANG Qing-wei

(ChinaNuclearControlSystemEngineeringCO.LTD,Beijing100176,China)

The long neutron counter is a kind of neutron detection instrument, which detector efficiency is a constant in some determined range of neutron energy, and is not changed in accordance with neutron energy. The current long neutron counter is designed based on Hanson structure and produced by China Beijing Nuclear Instrument Factory. With Hydrogen-contained proportional counter tube and semiconductor telescope methods, the current long neutron counter has been calibrated with electrostatic accelerator neutron source: 220 keV、 500 keV、 1.000 MeV、 1.403 MeV、 3.270 MeV、 4.000 and 5.000 MeV single energy neutron beams. The calibration gives results of detector efficiency: 2.881 0×10-4(1±4.8%) in energy range from 220 keV to 5 000 MeV.

neutron calibration; hanson long neutron counter; detector-efficiency; semiconductor-telescope

10.7538/tws.2015.28.02.0093

2014-04-29;

2014-10-14

汲長(zhǎng)松(1939—)，男，山東臨沂人，研究員級(jí)高工，實(shí)驗(yàn)中子物理專業(yè)

TL816+，3

A

1000-7512(2015)02-0093-05