基于脈沖幅度譜的3He正比計數(shù)管中子散射譜儀探測系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)測定方法

余周香，孫 凱，李眉娟，劉蘊韜，陳東風(fēng)

(中國原子能科學(xué)研究院 中子散射實驗室，北京 102413)

由于中子(熱、冷中子)具有磁矩、不帶電、穿透力強、能識別輕元素(特別是氫、氘、氚等元素)、分辨近鄰元素和同位素、波粒二象性等一系列特點，中子散射技術(shù)作為從原子和分子尺度上研究材料微觀結(jié)構(gòu)和動力學(xué)行為的實驗手段，在基礎(chǔ)研究和工業(yè)應(yīng)用方面發(fā)揮著不可替代的作用[1-2]。為發(fā)展中子散射技術(shù)，我國興建中國先進研究堆(CARR)、中國綿陽研究堆(CMRR)和中國散裂中子源(CSNS)，同時圍繞每個中子源建造十幾至幾十臺不同用途的中子散射譜儀[1-6]。

中子散射譜儀是開展中子散射研究的實驗裝置，探測系統(tǒng)是譜儀的關(guān)鍵組成部分。中子散射譜儀探測系統(tǒng)獲取最終從樣品散射進入探測器的散射中子實驗數(shù)據(jù)。典型中子探測系統(tǒng)硬件包括中子探測器(3He正比計數(shù)管)、前置放大器、主放大器、脈沖幅度甄別器、計數(shù)器等[7-8]。為獲得優(yōu)質(zhì)的實驗數(shù)據(jù)，這些部件的性能參數(shù)需相互匹配。有些參數(shù)(探測器工作電壓、主放大器時間常數(shù)、放大器放大倍數(shù)、甄別器甄別閾等)可調(diào)節(jié)，針對確定的譜儀探測系統(tǒng)，這些參數(shù)在物理實驗前需通過實驗測量確定，參數(shù)的準(zhǔn)確性影響探測系統(tǒng)實際性能進而影響物理實驗數(shù)據(jù)的質(zhì)量(可信度等)。探索更準(zhǔn)確的參數(shù)測定方法對于改進譜儀探測系統(tǒng)的實際性能，提高物理實驗數(shù)據(jù)質(zhì)量(可信度等)十分必要。

反應(yīng)堆中子源中子散射譜儀中子探測器大部分是3He氣體探測器，包括3He正比計數(shù)管、一維位置靈敏探測器、多絲正比室等。由于3He正比計數(shù)管結(jié)構(gòu)簡單，基于3He正比計數(shù)管的中子散射譜儀探測系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)測定方法開發(fā)可為結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的其他類型3He氣體探測器(一維位置靈敏探測器、多絲正比室等)提供借鑒和參考[9-10]。本文基于3He正比計數(shù)管的中子散射譜儀探測系統(tǒng)，開發(fā)脈沖幅度甄別器甄別閾、核輻射探測器工作電壓以及氣體核輻射探測器性能參數(shù)的脈沖幅度譜測定方法。

1 脈沖幅度甄別器甄別閾的脈沖幅度譜測定方法

大多中子物理實驗伴有γ輻射，主要源自天然放射性以及中子源自發(fā)、散射和慢化中子的輻射俘獲。因此，n/γ甄別性能是中子探測器的基本特性之一，有些場合會成為中子探測器應(yīng)用的限制因素[11]。n/γ甄別有脈沖幅度甄別和脈沖形狀甄別兩種方式，脈沖幅度甄別適用于具有n/γ脈沖信號幅度分辨特性的中子探測器，如BF3正比計數(shù)管、3He正比計數(shù)管及6Li玻璃閃爍體；脈沖形狀甄別適用于快中子探測的閃爍體探測器，中子閃爍體探測器給出的中子與γ信號脈沖的形狀不同，脈沖形狀甄別技術(shù)對γ抑制能力很強，而中子效率損失很小。

脈沖幅度甄別器是脈沖幅度甄別方式的核心部件，采用脈沖幅度甄別方式的中子散射譜儀探測系統(tǒng)硬件流程如圖1所示。脈沖幅度甄別器的甄別閾根據(jù)具體實驗條件調(diào)節(jié)，γ信號及電子學(xué)噪聲信號的脈沖幅度較小，中子信號的脈沖幅度較大，合適的甄別閾既能盡可能多地去除γ信號及電子學(xué)噪聲信號，又能盡可能多地記錄中子信號。

圖1 采用脈沖幅度甄別方式的中子散射譜儀探測系統(tǒng)硬件流程Fig.1 Hardware flow chart of neutron scattering spectrometer detector system adopting pulse amplitude discrimination method

積分曲線測定方法是核輻射強度測量系統(tǒng)傳統(tǒng)的脈沖幅度甄別器甄別閾測定方法，其硬件結(jié)構(gòu)[12]如圖2所示。在探測器高壓、放大器放大倍數(shù)、時間常數(shù)等參數(shù)不變的條件下，加載輻射源后從小到大調(diào)節(jié)甄別器(或工作于積分方式的單道脈沖幅度分析器)閾值，通過定標(biāo)器讀取計數(shù)率(或固定測量時間計數(shù))，測量計數(shù)率(或固定測量時間計數(shù))隨甄別器閾值變化的曲線即積分曲線。測得的積分曲線如圖3所示，閾值取變化緩慢曲線段(計數(shù)坪)的中間值(圖3箭頭所示位置)。積分曲線測定方法須進行多點測量，各點之間有一定的間隔，導(dǎo)致測量時間長、準(zhǔn)確度差。閾值高會降低系統(tǒng)的電效率，閾值低會引入電子學(xué)和伽馬噪聲而降低數(shù)據(jù)的可信度。

圖2 積分曲線(坪曲線)測定方法硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of integral curve (plateau curve)

圖3 積分曲線示意圖Fig.3 Sketch map of integral curve

脈沖幅度甄別器相當(dāng)于單道脈沖幅度分析器工作于積分方式，多道脈沖幅度分析器相當(dāng)于多個道寬連續(xù)的單道的組合(道數(shù)一般有幾千，道寬很窄，約幾mV)。為縮短測量時間，提高閾值測定的準(zhǔn)確度，針對核輻射強度測量系統(tǒng)基于多道脈沖幅度分析器開發(fā)脈沖幅度甄別器甄別閾的脈沖幅度譜測定方法。

脈沖幅度譜測定方法的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，在探測器高壓、放大器放大倍數(shù)、時間常數(shù)等參數(shù)不變的條件下，加載輻射源測量核輻射探測器的脈沖幅度譜(硬件結(jié)構(gòu)如圖4a所示)，結(jié)果如圖5所示。核信號位于譜右側(cè)，噪聲位于譜左側(cè)，核信號與噪聲之間有一段計數(shù)較低的區(qū)域，稱為計數(shù)谷。閾值定在計數(shù)谷谷底，即計數(shù)最小處，若計數(shù)谷近似水平線則選擇計數(shù)谷中間位置(圖5中M點)。所定的甄別閾對應(yīng)多道脈沖幅度分析器的橫坐標(biāo)道址m′，將道址m′代入多道脈沖幅度分析器道址與電壓變換公式A=pm+A0(該式由多道脈沖幅度分析器的說明書給出，m為道址，A為m對應(yīng)的電壓，p為系數(shù)，A0為常數(shù))，求出最佳閾值A(chǔ)′。

圖4 脈沖幅度譜測量(a)和脈沖幅度甄別器閾值調(diào)節(jié)(b)硬件結(jié)構(gòu)Fig.4 Hardware structure for pulse amplitude spectrum measurement (a) and amplitude discrimination threshold adjustment (b)

圖5 脈沖幅度譜示意圖Fig.5 Sketch map of pulse amplitude spectrum

得到最佳閾值A(chǔ)′后需將甄別器的閾值調(diào)節(jié)至該值，其硬件結(jié)構(gòu)如圖4b所示，甄別器的閾值調(diào)節(jié)需借助信號發(fā)生器和示波器。主放大器放大倍數(shù)、時間常數(shù)等參數(shù)不變，使用信號發(fā)生器為主放大器輸入方波脈沖信號，使用示波器觀察主放大器輸出，調(diào)節(jié)方波脈沖信號幅值，使主放大器輸出為A′的脈沖信號。使用示波器觀察甄別器輸出，將甄別器的閾值從小到大調(diào)節(jié)，直至甄別器剛好無脈沖信號輸出為止，此時甄別器的實際閾值已調(diào)節(jié)至最佳閾值A(chǔ)′。

積分曲線測定方法須進行多點、多次測量計數(shù)，次數(shù)一般為20左右。脈沖幅度譜測定方法測量脈沖幅度譜的時間是積分曲線測定方法測量1次計數(shù)的時間。積分曲線測定方法需多次測量計數(shù)，輻射源的統(tǒng)計漲落引起測量誤差，相同測量時間探測器處源強越弱則測量誤差越大。脈沖幅度譜測定方法測量脈沖幅度譜1次完成，消除了輻射源統(tǒng)計漲落引起的測量誤差，有利于提高閾值測定的準(zhǔn)確度。積分曲線測定方法須進行多點測量，各點之間有一定的間隔(閾值變化量)。為縮短測量時間，這種間隔不能太小，但給閾值的測定帶來誤差，在計數(shù)坪窄時尤為明顯，當(dāng)這種間隔大于計數(shù)坪時會導(dǎo)致測定失敗。脈沖幅度譜測定方法使用多道脈沖幅度分析器，道寬約幾mV，基本消除了積分曲線測定方法中各點間隔帶來的誤差，有利于提高閾值測定的準(zhǔn)確度，在計數(shù)坪窄時尤為有效。

分別使用脈沖幅度譜測定方法和積分曲線測定方法測定基于3He正比計數(shù)管中子散射譜儀探測系統(tǒng)脈沖幅度甄別器甄別閾，輻射源使用241Am-Be同位素中子源。脈沖幅度譜測定方法得到的結(jié)果如圖6所示，相較圖5，圖6的計數(shù)谷很窄，閾值定在計數(shù)谷中間位置，如圖6所示的M點。所定的甄別閾M點對應(yīng)多道脈沖幅度分析器的240道，代入變換公式，求得240道對應(yīng)的電壓為1.245 V，將甄別器的閾值調(diào)節(jié)至該值，甄別器的實際閾值調(diào)節(jié)至1.245 V時，甄別器的顯示閾值為1.19 V。積分曲線測定方法的甄別器起始閾值為0.3 V，步長為0.4 V，共測量21個點，結(jié)果如圖7所示，相較圖3，圖7的計數(shù)坪非常窄，閾值取計數(shù)坪的中間值(圖7中M點)，為1.5 V。積分曲線測定方法較脈沖幅度譜測定方法，時間增加20倍(脈沖幅度譜測定方法測量時間10 min，積分曲線測定方法每點測量時間10 min)，對于大數(shù)量(50支甚至100支以上)正比計數(shù)管中子散射譜儀探測系統(tǒng)，積分曲線測定方法十分耗時。此外，閾值1.5 V較1.19 V高，會降低系統(tǒng)的電效率，損失一部分中子計數(shù)，降低譜儀實驗效率。

圖6 3He正比計數(shù)管脈沖幅度譜Fig.6 Pulse amplitude spectrum of 3He proportional counting tube

圖7 3He正比計數(shù)管積分曲線Fig.7 Integral curve of 3He proportional counting tube

2 核輻射探測器工作電壓的脈沖幅度譜測定方法

核輻射探測器將核信號轉(zhuǎn)換成電信號供后續(xù)核電子學(xué)系統(tǒng)處理，核輻射探測器須外加高壓才能正常工作，高壓電源通過前置放大器轉(zhuǎn)接到核輻射探測器上。核輻射探測器工作電壓測定一方面是確定其最佳工作電壓，另一方面是確定高壓波動對測量數(shù)據(jù)的影響。坪曲線測定方法是傳統(tǒng)的核輻射探測器工作電壓測定方法，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示[11,13-15]。在甄別器閾值、放大器放大倍數(shù)、時間常數(shù)等參數(shù)不變的條件下，加載輻射源后從小到大調(diào)節(jié)探測器外加電壓，通過定標(biāo)器讀取計數(shù)率(或固定測量時間計數(shù))，測量計數(shù)率(或固定測量時間計數(shù))隨外加電壓變化的曲線。測得計數(shù)曲線上有明顯的計數(shù)坪區(qū)，即坪曲線，如圖8所示。最佳工作電壓設(shè)在坪中，即圖8中箭頭位置。實際上，在計數(shù)坪區(qū)計數(shù)率(或固定測量時間計數(shù))仍隨工作電壓升高而增加，表現(xiàn)出坪有坡度，即坪斜k，即每升高100 V時計數(shù)率(或固定測量時間計數(shù))增加的百分比，其計算公式[11,14]為：

(1)

式中：V1、V2分別為坪的起始電壓和終止電壓；N1和N2分別為V1和V2處計數(shù)率。k表征高壓波動引起計數(shù)率(或固定測量時間計數(shù))的相對變化量，k越小，高壓波動對測量數(shù)據(jù)的影響越小。

圖8 坪曲線示意圖Fig.8 Sketch map of plateau curve

坪曲線測量是在甄別器閾值、放大器放大倍數(shù)、時間常數(shù)不變的條件下開展，坪曲線確定的工作電壓是在甄別器閾值、放大器放大倍數(shù)、時間常數(shù)等參數(shù)固定不變時探測器的最佳工作電壓。實際上，甄別器閾值和放大器放大倍數(shù)對坪曲線測量影響極大，不同的甄別器閾值和放大器放大倍數(shù)測量所得的坪曲線也不相同，所確定的工作電壓也不相同。若甄別器閾值和放大器放大倍數(shù)選擇不合適，甚至不能測出坪曲線，確定不出最佳工作電壓。

核輻射探測器工作電壓有一區(qū)間，區(qū)間內(nèi)任一點均能滿足測量要求，而低工作電壓有助于延長探測器使用壽命，提高γ信號抑制能力，減小漏電打火等風(fēng)險，因此本文選擇的最佳工作電壓是探測器工作電壓區(qū)間的下限，對其測量需剔除甄別器閾值、放大器放大倍數(shù)、時間常數(shù)的影響。本文基于多道脈沖幅度分析器開發(fā)脈沖幅度譜測定方法，首先確定主放大器時間常數(shù)，繼而確定該時間常數(shù)下探測器最佳工作電壓，再確定該探測器最佳工作電壓下放大器放大倍數(shù)和甄別器閾值。在該條件下測量坪曲線，通過計算k確定高壓波動對測量數(shù)據(jù)的影響。

脈沖幅度譜測定方法確定時間常數(shù)硬件結(jié)構(gòu)如圖9所示，由于同類型的核輻射探測器工作電壓區(qū)間差別不會太大，實驗時，將核輻射探測器外加電壓調(diào)至估計的電壓區(qū)間內(nèi)任一點。在該高壓下，加載輻射源測量主放大器輸出脈沖幅度譜。調(diào)節(jié)主放大器微分與積分時間常數(shù)，選擇脈沖幅度譜分辨率高的時間常數(shù)(分辨率=主峰半高寬/主峰道址)。脈沖幅度譜測量時，還需使用示波器觀察主放大器輸出脈沖的形狀，確保其為高斯峰形，不發(fā)生畸變。對同一核輻射探測器，由于時間常數(shù)越大，主放大器輸出脈沖越寬，漏計數(shù)率越高，所以在相同脈沖幅度譜分辨率前提下為減小漏計數(shù)率，選擇小時間常數(shù)。

在該時間常數(shù)下使用脈沖幅度譜測定方法確定探測器最佳工作電壓，硬件結(jié)構(gòu)如圖4a所示，方法是加載輻射源，將高壓從小到大調(diào)節(jié)，測量主放大器輸出脈沖幅度譜，調(diào)節(jié)主放大器放大倍數(shù)將脈沖幅度譜調(diào)至合適寬度，直到脈沖幅度譜出現(xiàn)圖5的有一定寬度的計數(shù)谷(達到核信號與噪聲信號甄別的要求)。此時的外加電壓即探測器最佳工作電壓，放大器放大倍數(shù)即最佳工作電壓下放大器放大倍數(shù)。

圖9 脈沖幅度譜測定方法確定時間常數(shù)的硬件結(jié)構(gòu)Fig.9 Hardware structure of pulse amplitude spectrum determination method for time constant

根據(jù)測得的脈沖幅度譜利用前文脈沖幅度甄別器甄別閾測定方法測定甄別器最佳閾值并將甄別器閾值調(diào)節(jié)至該值。甄別器閾值、放大器放大倍數(shù)、時間常數(shù)等參數(shù)固定不變，加載輻射源測量坪曲線，通過計算k確定高壓波動對測量數(shù)據(jù)的影響。坪曲線測量硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，在甄別器閾值、放大器放大倍數(shù)、時間常數(shù)等參數(shù)不變的條件下，加載輻射源后從小到大調(diào)節(jié)探測器外加電壓，通過定標(biāo)器讀取計數(shù)率(或固定測量時間計數(shù))，得到計數(shù)率(或固定測量時間計數(shù))隨外加電壓變化的曲線(圖8中坪曲線)，根據(jù)式(1)計算k。

使用脈沖幅度譜測定方法測定基于3He正比計數(shù)管中子散射譜儀探測系統(tǒng)工作電壓，輻射源使用241Am-Be同位素中子源。首先確定時間常數(shù)，其硬件結(jié)構(gòu)如圖9所示。3He正比計數(shù)管工作電壓一般在1 000～1 500 V之間，實驗時，將3He正比計數(shù)管外加電壓調(diào)至1 150 V。在該高壓下，脈沖幅度譜分辨率最高且主放大器輸出不發(fā)生畸變，最小的時間常數(shù)是主放大器積分2 μs、微分4 μs(圖10a)。在該時間常數(shù)下確定探測器最佳工作電壓，測量結(jié)果如圖10b所示。3He正比計數(shù)管最佳工作電壓(即最小工作電壓，工作電壓區(qū)間下限)為1 250 V，在該工作電壓下主放大器放大倍數(shù)是30。

圖10 不同外加電壓下3He正比計數(shù)管的脈沖幅度譜Fig.10 Pulse amplitude spectra of 3He proportional counting tube with different voltages

根據(jù)圖10b所示脈沖幅度譜測定甄別器最佳閾值為0.46 V，并將甄別器閾值調(diào)至該值。

甄別器閾值、放大器放大倍數(shù)、時間常數(shù)等參數(shù)固定不變，加載中子源測量坪曲線，結(jié)果如圖11a所示，坪長為200 V(1 150～1 350 V)，k為1.6%/100 V。放大器放大倍數(shù)、時間常數(shù)固定不變，將甄別器閾值由0.46 V調(diào)至1.46 V，加載中子源測量坪曲線，結(jié)果如圖11b所示，未測出帶完整計數(shù)坪的坪曲線。根據(jù)測量結(jié)果，1 450 V已到達坪區(qū)，可選作3He正比計數(shù)管工作電壓(大于1 250 V)，脈沖幅度譜測量結(jié)果顯示此時絕大部分中子信號已過載。

圖11 不同甄別器閾值測得的坪曲線Fig.11 Plateau curves with different thresholds

3 氣體核輻射探測器性能參數(shù)的脈沖幅度譜測定方法

氣體核輻射探測器性能參數(shù)測量即氣體增益曲線和收集的電荷數(shù)與外加電壓的關(guān)系曲線測量。氣體增益曲線和收集的電荷數(shù)與外加電壓的關(guān)系曲線可用于驗證優(yōu)化探測器設(shè)計，是探測器研制和探測器性能研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對探測器的應(yīng)用也有一定的參考價值。

氣體核輻射探測器內(nèi)部充氣體，在探測器上設(shè)置兩個電極，電極上加電壓在氣體空間形成電場。核輻射粒子通過氣體時，氣體分子電離，在通過的路徑上生成大量的離子對——電子和正離子。電子、正離子在電場作用下向兩極漂移。探測器通過收集這些漂移電荷的感應(yīng)電荷來探測核輻射。收集的電荷數(shù)與外加電壓存在一定的關(guān)系，關(guān)系曲線傳統(tǒng)上采用電壓-電流曲線測定方法測量，測量裝置如圖12所示[13-15]。電壓-電流曲線測定方法要求輻射強度恒定不變，核輻射粒子在探測器內(nèi)沉積能量相同，這樣每個核輻射粒子產(chǎn)生的電荷量相同。對于單能的α粒子、β粒子等核輻射粒子，在探測器內(nèi)沉積能量相同。對于發(fā)射不同能量β粒子的輻射源，由于不同能量的核輻射粒子在探測器內(nèi)沉積能量不同，無法使用電壓-電流曲線測定方法測得關(guān)系曲線。對于氣體中子探測器，由于壁效應(yīng)，中子在探測器內(nèi)沉積能量不同，探測不同中子產(chǎn)生的電荷量不同，因此無法使用電壓-電流曲線測定方法測得關(guān)系曲線。

為將收集的電荷數(shù)與外加電壓的關(guān)系曲線測量擴展至發(fā)射不同能量β粒子的輻射源和氣體中子探測器領(lǐng)域，本文以測量脈沖幅度譜為基礎(chǔ)開發(fā)脈沖幅度譜測定方法，在傳統(tǒng)測量領(lǐng)域可完全取代電壓-電流曲線測定方法。脈沖幅度譜測定方法首先確定主放大器時間常數(shù)，繼而在該時間常數(shù)下測量氣體增益曲線，再計算起始電壓原(初)電離離子對數(shù)，作出收集的電荷數(shù)與外加電壓的關(guān)系曲線。

圖12 電壓-電流曲線測定裝置示意圖Fig.12 Sketch map of measuring setup of voltage-current curve

由于主放大器時間常數(shù)影響脈沖幅度譜的分辨率繼而影響測量精度，所以先確定時間常數(shù)，在該時間常數(shù)下測量收集的電荷數(shù)與外加電壓的關(guān)系曲線，硬件結(jié)構(gòu)如圖13所示，其測量流程如下。

圖13 脈沖幅度譜測定方法測量收集的電荷數(shù)與外加電壓的關(guān)系曲線硬件結(jié)構(gòu)Fig.13 Hardware structure of measuring curves of collected charge numbers versus applied voltages by pulse amplitude spectrum

1) 加載輻射源測量氣體核輻射探測器的脈沖幅度譜，將高壓從小到大調(diào)節(jié)直到脈沖幅度譜出現(xiàn)如圖5所示的核信號特征能峰(若有多個能峰，以峰位最高的能峰為特征能峰)，此時高壓即測量的起始電壓。

2) 調(diào)節(jié)主放大器放大倍數(shù)將脈沖幅度譜調(diào)至合適寬度，記錄主放大器放大倍數(shù)ki和脈沖幅度譜特征能峰峰位道址mi。將道址mi代入多道脈沖幅度分析器道址與電壓變換公式Ai=pmi+A0(該式由多道脈沖幅度分析器的說明書給出，i≥1，為整數(shù)；mi為道址，Ai為mi對應(yīng)的電壓，p為系數(shù)，A0為常數(shù))，求出特征能峰峰位電壓Ai。

3) 以起始電壓為基準(zhǔn)，將高壓間隔一固定寬度(50 V或100 V)從小到大調(diào)節(jié)，每一高壓下按步驟2重復(fù)測量過程，記錄主放大器放大倍數(shù)ki和脈沖幅度譜特征能峰峰位道址mi，并求出特征能峰峰位電壓Ai。當(dāng)主放大器放大倍數(shù)調(diào)至最小，以脈沖幅度譜的能峰將要超出多道脈沖幅度分析器測量范圍的臨界電壓作為測量的終止電壓(外加高壓要保證小于探測器耐壓限值)。從起始電壓到終止電壓為測量電壓范圍。

4) 計算起始電壓時原(初)電離離子對數(shù)N0。在起始電壓處，氣體增益G1設(shè)為1，探測器收集到的電荷量Q′1=G1Q0=Q0，Q0為原(初)電離電荷量。設(shè)電荷靈敏前置放大器反饋電容為Cf，前置放大器放大倍數(shù)為n，經(jīng)微、積分濾波成形信號幅度的衰減系數(shù)為j，主放大器放大倍數(shù)為k1(起始電壓)，則主放大器輸出脈沖幅度A1=Q0njk1/Cf，N0=Q0/e=A1Cf/(1.6×10-19k1nj)。繪制Gi=(Ai/ki)/(A1/k1)(i≥1)隨高壓變化的曲線，此即為氣體增益曲線；繪制lg(N0Gi)隨高壓變化的曲線，此即為收集的電荷數(shù)與外加電壓的關(guān)系曲線。

基于測量脈沖幅度譜的測定方法以在探測器內(nèi)相同沉積能量產(chǎn)生的最顯著的特征能峰為測量依據(jù)，避免了其他沉積能量的干擾，將收集的電荷數(shù)與外加電壓的關(guān)系曲線測量擴展至發(fā)射不同能量β粒子的輻射源和氣體中子探測器領(lǐng)域。

氣體核輻射探測器使用3He正比計數(shù)管，輻射源使用241Am-Be同位素中子源。先確定時間常數(shù)，主放大器積分和微分時間常數(shù)分別定為2 μs和4 μs。將高壓從小到大調(diào)節(jié)，在250 V時出現(xiàn)圖14所示的中子信號特征能峰，250 V即測量的起始電壓。測量的終止電壓為1 500 V，測量電壓范圍為250～1 500 V。測得的氣體增益曲線如圖15所示，終止電壓時的氣體增益為51.9，與文獻[13]的單原子分子和雙原子分子氣體增益<102一致。

圖14 外加電壓1 350 V時3He正比計數(shù)管脈沖幅度譜Fig.14 Pulse amplitude spectrum of 3He proportional counting tube with applied voltage of 1 350 V

起始電壓為250 V時，A1/k1=23.2 mV，Cf=1 pF，n=10，j=0.6，由A1=Q0njk1/Cf計算出Q0=3.87×10-15C，原(初)電離離子對數(shù)N0=Q0/e=2.42×104，第一電離能W=E/N0=31.6 eV(E為反應(yīng)能，取764 keV； 31.6 eV與481.293 75 kPa純3He氣體的W=24.6 eV接近)。繪制收集的電荷數(shù)與外加電壓的關(guān)系曲線如圖16所示，外加高壓從1 050 V起，lg(N0Gi)=lg(N0(Ai/ki)/(A1/k1))近似與高壓呈線性關(guān)系，高壓每升高100 V，Ai/ki或氣體增益Gi增加約1倍。這個規(guī)律可用于3He正比計數(shù)管中子散射譜儀探測系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的問題排查(區(qū)別真實中子信號與高壓漏電信號等)。

圖15 3He正比計數(shù)管氣體增益曲線Fig.15 Gas amplification curve of 3He proportional counting tube

圖16 3He正比計數(shù)管收集的電荷數(shù)與外加電壓的關(guān)系曲線Fig.16 Curve of collected charge number versus applied voltage of 3He proportional counting tube

4 結(jié)論

本文以測量脈沖幅度譜為基礎(chǔ)開發(fā)脈沖幅度甄別器甄別閾脈沖幅度譜測定方法、核輻射探測器工作電壓脈沖幅度譜測定方法以及氣體核輻射探測器性能參數(shù)脈沖幅度譜測定方法，這些新測定方法較傳統(tǒng)的積分曲線測定方法、坪曲線測定方法以及電壓-電流曲線測定方法優(yōu)勢顯著，且具有普遍的應(yīng)用價值，在3He正比計數(shù)管中子散射譜儀探測系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)測定實踐中經(jīng)過了驗證。下一步，需檢驗除3He正比計數(shù)管外其他類型中子散射譜儀探測系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)測定的應(yīng)用以及其他類型核輻射探測器(快中子、質(zhì)子、α射線、β射線、γ射線、重粒子及X光等)探測系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)測定的應(yīng)用。