高壓倍加器14MeV的中子探測

文章 李玉芹

【摘 要】基于中國原子能科學(xué)研究院高壓倍加器開展中子單粒子效應(yīng)模擬試驗的中子探測研究。為了保證單粒子效應(yīng)截面測量的準(zhǔn)確性，需建立可靠的中子探測方法。對國際上開展中子單粒子效應(yīng)試驗研究的實驗室所采用的中子注量探測方法進(jìn)行了調(diào)研，比較了這些中子探測方法以及相應(yīng)探測器的特點。學(xué)習(xí)BF3和3He正比計數(shù)器加慢化體探測中子的方法，驗證了這種探測方法可以為100MeV質(zhì)子回旋加速器的準(zhǔn)單能中子注量測量系統(tǒng)的設(shè)計和研制提供參考。

【關(guān)鍵詞】中子單粒子效應(yīng);中子探測;正比計數(shù)器;慢化體

中圖分類號： O571.54 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）12-0075-001

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.12.035

0 引言

單粒子效應(yīng)不僅發(fā)生于太空環(huán)境中，而且會發(fā)生于大氣環(huán)境中[1]。大氣中子環(huán)境是由初級宇宙射線，主要是質(zhì)子和重離子，與地球大氣中的氧、氮等原子發(fā)生核反應(yīng)生成的次級粒子構(gòu)成的。1992年，A. Taber 和 E. Normand[2]首次證實了大氣環(huán)境下的中子是可以導(dǎo)致航空電子器件發(fā)生單粒子效應(yīng)。而后越來越多的證據(jù)表明在臨近空間，大氣中子是導(dǎo)致半導(dǎo)體器件發(fā)生單粒子效應(yīng)（SEE）的主因，并且隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，復(fù)雜航空電子系統(tǒng)中器件的特征尺寸越來越小，電子系統(tǒng)對單粒子效應(yīng)的敏感度不斷增加。因此評估中子單粒子效應(yīng)的危害，開展中子單粒子效應(yīng)研究，對于近地空間飛行器的安全性和可靠性變得越來越重要。在中子單粒子效應(yīng)地面模擬試驗研究中，主要是通過各種中子源對器件進(jìn)行輻照，從而對器件進(jìn)行測試和評價[3]。為了保證試驗研究中單粒子效應(yīng)截面測量的準(zhǔn)確性，對中子束流的探測就尤為重要，需要建立可靠的中子注量的探測方法。

1 中子探測方法

中子通過與物質(zhì)原子核相互作用發(fā)生核散射或核反應(yīng)產(chǎn)生帶電粒子或γ光子，通過對這些產(chǎn)物進(jìn)行探測從而達(dá)到探測中子的目的，主要有四種探測方法[3]：核反沖法、核反應(yīng)法、核裂變法、核活化法。

這四種中子的探測方法各有其優(yōu)缺點，核反沖法最常用的探測器是反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡，是絕對測量裝置，能夠測量中子注量和能量，并且能夠直接測量快中子，測量精度僅次于伴隨粒子法，可達(dá)到2-5%。但是探測系統(tǒng)的裝置復(fù)雜龐大，D-T源的準(zhǔn)直器長度需要60cm，反沖的高能質(zhì)子探測也較為復(fù)雜。核反應(yīng)法能夠測量中子注量，常用的探測器有BF3和3He正比計數(shù)管，對熱中子探測效率高，所以探測快中子時需要加上慢化體將快中子慢化。核裂變法常用的探測器是235U和238U裂變室，可測量中子注量，抗γ本底和電子學(xué)噪聲能力很強(qiáng)，由于測量環(huán)境中有能量小于1MeV的散射本底中子存在以及238U鍍層不可避免存在著235U，234U等低能中子裂變截面很大的核素，從而使記錄的快中子數(shù)偏大，故需要用伴隨粒子法、望遠(yuǎn)鏡、活化分析等絕對測量裝置進(jìn)行刻度。核活化法使用的是活化片探測器，能夠?qū)χ凶幼⒘窟M(jìn)行探測，探測器體積小，制作簡單，使用方便，由于照射和測量分開進(jìn)行，可以不受γ本底的影響，但同時也無法實現(xiàn)束流的在線測量。

國際上不同的中子單粒子效應(yīng)輻照試驗研究的裝置各運用不同進(jìn)行中子的探測方法，單能中子方面美國波音輻射效應(yīng)實驗室是用伴隨α粒子探測對中子進(jìn)行探測;對于準(zhǔn)單能中子源，瑞典烏普薩拉大學(xué)韋德貝里實驗室（TSL）使用反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡加電離室和TFBC（thin-film breakdown counter）法，日本大阪大學(xué)核物理研究中心（RCNP）運用飛行時間法加上電離室對中子進(jìn)行監(jiān)督;白光中子源方面，美國洛斯阿拉莫斯中子科學(xué)中心（LANSCE）利用飛行時間法和電離室探測中子的能量和注量。

由于考慮到在100MeV質(zhì)子回旋加速器的中子探測設(shè)計的實際情況，我們選用熱中子靈敏探測器加慢化體的方式對中子進(jìn)行探測。然后我們在高壓倍加器上使用BF3正比計數(shù)管加慢化體的方式對中子進(jìn)行探測試驗。

2 14MeV中子探測試驗

2.1 中子源

中國原子能科學(xué)研究院的高壓倍加器是利用直流電壓串級發(fā)生器作高壓電源的高壓加速器，加速能量范圍在200-600keV氘離子來轟擊氚靶，發(fā)生T（d，n）4He反應(yīng)，產(chǎn)生能量約為14MeV的快中子。

2.2 試驗布局

整體布局為：將半徑2.5cm的正比計數(shù)器插入厚度為17cm的聚乙烯慢化體里，正對束流端口放置于實驗廳支架上，其中聚乙烯作為慢化劑用以減速快中子，慢化體有八個孔洞作為調(diào)節(jié)孔對著中子入射方向，用以調(diào)節(jié)探測效率，防止直射熱中子計數(shù)效率過高計數(shù)管前端加一片鎘片。計數(shù)管前端距束流端水平距離為1.2m，距地面高1.93m。計數(shù)器加上高壓，經(jīng)過前置放大器和主放大器，最后接入測量廳的多道分析儀中，由PC顯示測量結(jié)果。

3 探測結(jié)果及分析

實驗測量可以得到計數(shù)管脈沖振幅分布情況以及計數(shù)率，對于BF3計數(shù)管，當(dāng)中子進(jìn)入計數(shù)管后與10B發(fā)生10B（n，a）7Li反應(yīng)，由于計數(shù)管的壁效應(yīng)，當(dāng)α粒子或7Li核只有一個被記錄，另一個能量損耗在管壁內(nèi)，輸出脈沖就會呈現(xiàn)出二個臺階的形狀。在實驗 中γ本底對中子探測也會有所影響，只要選擇合適的時間常數(shù)和甄別閾，就可以有效地去除γ本底。

BF3計數(shù)管探測中子的效率為和10B發(fā)生反應(yīng)的中子數(shù)與入射中子數(shù)之比[5]：由計算公式[5]可以得到BF3計數(shù)管的探測效率為0.194，我們在多道中讀取到探測器單位時間的計數(shù)率為271.67，則所測得的中子注量率為1.21E+6（n/sr/s）。然后根據(jù)伴隨α粒子法標(biāo)定結(jié)果，計數(shù)管探測效率為4.9E-4，得中子注量率1.07E+6（n/sr/s）。測量值與標(biāo)定值相比較，相對誤差約為0.13，符合較好。

不同材料和厚度的慢化體對不同能量的中子的響應(yīng)函數(shù)圖[6]中我們可以看到在20MeV以下的時候，純聚乙烯作為慢化體仍能發(fā)生較好的較好響應(yīng)函數(shù)，但對于更高能量的中子，我們需要利用輔助材料金屬如Cu、Pb等，與中子發(fā)生（n，xn）反應(yīng)，從而提高中子響應(yīng)。所以對100MeV質(zhì)子回旋加速器上的中子進(jìn)行測量時，在熱中子靈敏探測器外要選取合適的聚乙烯和金屬輔助材料組合的慢化體。由于不同厚度不同材料的慢化體對不同能量中子的響應(yīng)函數(shù)不同，需要對慢化體進(jìn)行設(shè)計使得探測器對于在地面模擬試驗中常用中子能量能夠有著較好的響應(yīng)。

4 總結(jié)

學(xué)習(xí)和驗證了快中子經(jīng)慢化體慢化后由探測熱中子效率高的探測器進(jìn)行探測的可行性，改變慢化體的材料和厚度，可以將這種方法應(yīng)用到更高能量中子的探測中去，這種中子探測的方法裝置相對較簡單，整體設(shè)計相對于反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡來說更為方便，能夠為中國原子能科學(xué)研究院100MeV質(zhì)子回旋加速器中子單粒子效應(yīng)地面模擬試驗的中子探測系統(tǒng)的建立提供參考。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Normand E.IEEE Trans.Nucl.Sci.，1996，43（3）：461-468.

[2]A.Taber and E. Normand. Investigation and Characterization of SEU Effects and Hardening Strategies in Avionics[EB/OL].IBM Report.

[3]蔡明輝，韓建偉，李小銀，等.臨近空間大氣中子環(huán)境的仿真研究.物理學(xué)報，2009，58（9）：6659-6664.

[4]汲長松.中子探測實驗方法.北京，原子能出版社，1998.

[5]吳治華.原子核物理試驗方法.北京，原子能出版社，1994.

[6]袁嬌，蘇有武，李武元.一種寬能譜多球中子譜儀能量響應(yīng)函數(shù)的MC模擬.原子核物理評論，2015，32（2）.