批量3He探測器相對探測效率標(biāo)定方法研究

于嘉蕾，侯 龍，王 琦，孫 琪，朱慶福

(中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

在后處理等一些特定的生產(chǎn)條件下，為確保生產(chǎn)安全，需同時(shí)獲取多處具有自發(fā)裂變中子能力的物料信息來控制填料量。在復(fù)雜環(huán)境中，密閉結(jié)構(gòu)體內(nèi)物料質(zhì)量變化及分布情況通常難以直接獲得，常用的方法是通過大量中子探測器測量不同位置中子通量的變化來反映物料的位置、形態(tài)和質(zhì)量發(fā)生變化的情況，為安全生產(chǎn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。此類生產(chǎn)環(huán)境具有γ劑量高、環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，因此，對中子探測器的穩(wěn)定性、γ射線靈敏度提出了要求。3He中子探測器主要通過記錄中子與3He發(fā)生核反應(yīng)以及放出的帶電粒子在探測器中引起的電離來實(shí)現(xiàn)中子探測[1]，具有探測效率高且對γ射線不靈敏、結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)[2-3]，因此該生產(chǎn)線選用其作為中子探測器進(jìn)行測量。當(dāng)生產(chǎn)線開始運(yùn)行時(shí)，待測物料形狀、狀態(tài)及分布均會(huì)發(fā)生變化，并在運(yùn)行后可能會(huì)殘留于部件表面或裝置壁面且很難消除，導(dǎo)致生產(chǎn)線本底中子計(jì)數(shù)發(fā)生變化。因此，需對每個(gè)探測器進(jìn)行效率標(biāo)定以確定生產(chǎn)線的初始狀態(tài)，并為生產(chǎn)線后續(xù)維護(hù)更換探測器提供統(tǒng)一的標(biāo)定依據(jù)。

為能更準(zhǔn)確反映物料狀態(tài)的變化，需開展多個(gè)位置的中子通量測量，1條生產(chǎn)線上有時(shí)需使用成千上百根3He中子探測器，而常用的探測效率標(biāo)定方法是采用已知活度的標(biāo)準(zhǔn)源刻度方法[4-5]，每次只能刻度單根探測器，對于刻度批量的中子探測器，將需很長的測量時(shí)間。本文針對將要使用在物料生產(chǎn)線的292根3He中子探測器，設(shè)計(jì)批量3He探測器相對探測效率標(biāo)定系統(tǒng)，通過蒙特卡羅模擬計(jì)算并結(jié)合實(shí)驗(yàn)測量，開展探測器探測效率標(biāo)定方法研究。

1 探測效率標(biāo)定裝置設(shè)計(jì)及模擬計(jì)算研究

1.1 裝置設(shè)計(jì)

3He探測器相對效率標(biāo)定系統(tǒng)主要由中子源、放置中子源及3He管的桶型中子慢化屏蔽裝置、單路多道分析器、12路多道分析器及計(jì)算機(jī)組成。

桶形中子慢化屏蔽裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，中心為聚乙烯中子慢化體，其中含有12條可等距放置3He探測器的孔道及1條用于放置中子源的孔道(中心位置)，聚乙烯慢化體外圍環(huán)繞含硼聚乙烯用于吸收穿透探測器層的熱中子，含硼聚乙烯外層為鎘層和鉛層，分別用于屏蔽熱中子和γ，降低屏蔽裝置外的劑量。

圖1 桶型中子慢化屏蔽裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of barrel type neutron moderating and shielding device

采用聚乙烯作為中子慢化體，在入射中子能量相同時(shí)，探測效率隨慢化體厚度增大而增大，直到慢化體厚度>5 cm后，探測效率無明顯提高[6]。綜合考慮本裝置一次可放置的探測器數(shù)量與慢化層厚度的合理性，本裝置最終設(shè)計(jì)聚乙烯慢化體厚度為9.8 cm，中子能量分布模擬結(jié)果如圖2所示，結(jié)果顯示，該厚度已能達(dá)到慢化效果。

圖2 慢化前后中子能量分布Fig.2 Neutron energy distribution before and after moderating

由于中子源既要保證探測效率，以盡量節(jié)約測量時(shí)間，又要保證能譜不堆積，且在裝置外表面劑量符合輻射防護(hù)要求，因此本裝置最終選用放射性活度約為1.7×106s-1的252Cf源。利用MCNP軟件建立蒙特卡羅三維幾何計(jì)算模型[7]，計(jì)算不同位置的劑量當(dāng)量率[8-10]，得到各位置的劑量率如下：源管內(nèi)輻射劑量率約3.38×104μSv/h，探測器上方位置劑量率約2.44 μSv/h，裝置外側(cè)面劑量率約4.76×10-2μSv/h。由此可見，桶型慢化屏蔽體使用30 cm的含硼聚乙烯中子吸收體、外層5 cm的鎘和鉛屏蔽層，能達(dá)到較好的屏蔽效果，使控制區(qū)劑量較小，監(jiān)督區(qū)也符合輻射防護(hù)要求。

待標(biāo)定的3He探測器型號為φ50 mm×235 mm的3He-AMP20S(H)，工作電壓為1 180 V，氣壓為4.05×105Pa。后端配備了由電荷靈敏前級、主放大電路、成型電路、基線恢復(fù)電路、高通濾波電路、甄別電路以及高低壓電源組成的集成電子學(xué)模塊，如圖3所示。

圖3 3He探測器結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of 3He detector

1.2 探測效率模擬計(jì)算

計(jì)算252Cf中子源置于裝置中心時(shí)周圍12根探測器的探測效率，并比較分析相鄰3He探測器對單根3He探測器探測效率的影響。

通過調(diào)整探測器數(shù)量與位置設(shè)計(jì)了4種方案：1) 在所有孔道內(nèi)均放入探測器，統(tǒng)計(jì)各位置探測器探測效率；2) 僅在1個(gè)孔道內(nèi)放置探測器(位置7)，統(tǒng)計(jì)該探測器探測效率；3) 在連續(xù)3個(gè)孔道內(nèi)放置探測器(位置6、7和8)，統(tǒng)計(jì)各位置探測器探測效率；4) 在連續(xù)5個(gè)孔道內(nèi)放置探測器(位置5、6、7、8和9)，統(tǒng)計(jì)各位置探測器探測效率。得到4種情況探測效率列于表1。

3He探測器每測量1個(gè)中子就會(huì)有1個(gè)中子消失，它相當(dāng)于1個(gè)中子吸收體，會(huì)對其臨近的探測器計(jì)數(shù)構(gòu)成一定的影響(計(jì)數(shù)降低)。從表1的模擬結(jié)果也可看出，在方案2中探測器由于相鄰位置沒有探測器，其效率值最高，方案3中的位置6、8和方案4中的位置5、9由于其相鄰位置僅1個(gè)探測器，其效率值次之；而其他探測器由于相鄰位置均有兩個(gè)探測器，其模擬效率值最低。

表1 不同探測器放置情況下探測效率模擬結(jié)果Table 1 Simulation results of detection efficiency under different positions

2 誤差來源及分析

對研制的刻度系統(tǒng)進(jìn)行誤差來源分析，本系統(tǒng)刻度結(jié)果誤差來源主要包括：統(tǒng)計(jì)誤差，主要考慮環(huán)境本底對測量結(jié)果的影響；系統(tǒng)誤差，包括桶型慢化屏蔽裝置均勻性引起的誤差、相鄰位置有無探測器引起的誤差以及多道系統(tǒng)死時(shí)間引起的誤差。通過實(shí)驗(yàn)測量對各部分的誤差進(jìn)行了評估。

2.1 環(huán)境本底影響測量

實(shí)驗(yàn)中，在未放置放射源的條件下，將12路3He探測器放入桶型慢化屏蔽裝置中，測量時(shí)間為6 000 s，得到探測器對環(huán)境本底的計(jì)數(shù)最大為747，最大計(jì)數(shù)率約為0.125 s-1。將實(shí)驗(yàn)用的252Cf中子源放入源管后，測量100 s得到計(jì)數(shù)約1.8×106，計(jì)數(shù)率達(dá)18 000 s-1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本底計(jì)數(shù)約為放置中子源后計(jì)數(shù)的7/1 000 000，可忽略不計(jì)。

2.2 桶型慢化屏蔽裝置均勻性測量

桶型慢化屏蔽裝置內(nèi)材料的均勻性將會(huì)影響各探測器位置的中子通量分布。為測量裝置內(nèi)材料的均勻性，將中子源置于中心源管，使用同一個(gè)多道MCA8000A與同一根探測器CSI-050140I，依次置于1～12號孔道內(nèi)，測量時(shí)間為100 s，得到探測器在不同位置的計(jì)數(shù)率列于表2。各位置計(jì)數(shù)率與平均值相對偏差小于1%，可看出桶型裝置內(nèi)材料均勻性良好，不同放置位置產(chǎn)生的偏差基本可忽略不計(jì)。

表2 計(jì)數(shù)率測量結(jié)果及相對偏差Table 2 Measurement result and relative deviation of counting rate

2.3 相鄰孔道之間的影響

探測效率模擬結(jié)果表明相鄰孔道有無探測器將影響探測器計(jì)數(shù)。為驗(yàn)證計(jì)算數(shù)據(jù)，開展不同探測器放置情況下的實(shí)驗(yàn)測量，比較單根孔道放置探測器與相鄰孔道放置探測器的計(jì)數(shù)率差別，結(jié)果列于表3。由測量結(jié)果可見，相鄰探測器的影響基本與計(jì)算結(jié)果一致，僅在單一孔道內(nèi)放置探測器時(shí)，計(jì)數(shù)會(huì)偏高。因此，標(biāo)定時(shí)需要在待標(biāo)定探測器兩側(cè)對稱位置放置多根探測器。

表3 相鄰探測器影響驗(yàn)證Table 3 Validation of influence analysis of adjacent detetors

2.4 多道系統(tǒng)死時(shí)間修正

該生產(chǎn)線采用定制的12路多道分析器MCAM測量探測器中子計(jì)數(shù)，由于多道脈沖分析器在模數(shù)信號轉(zhuǎn)換和完成讀寫過程的時(shí)間內(nèi)，如果有信號脈沖進(jìn)入，分析器會(huì)不予記錄，因此會(huì)產(chǎn)生漏記。一般運(yùn)用死時(shí)間DT相對真時(shí)間RT的百分?jǐn)?shù)來反映漏記信號脈沖的時(shí)間占比(DT，%)，與死時(shí)間對應(yīng)的是有效測量時(shí)間，即活時(shí)間LT=RT-DT[11]。漏記會(huì)丟失部分有效計(jì)數(shù)，所以需對死時(shí)間進(jìn)行修正。

由于多道分析器MCAM無死時(shí)間顯示，因此，采用具有死時(shí)間修正，并顯示真時(shí)間總計(jì)數(shù)的單路多道分析器MCA8000A，間接獲得MCAM多道的死時(shí)間。采用多道MCA8000A，測量300 s，總計(jì)數(shù)NRT為6 286 635個(gè)，單位時(shí)間計(jì)數(shù)率為20 955.45 s-1。采用多道MCAM，同樣測量300 s，獲得每路通道活時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)為NLT2，單位之間計(jì)數(shù)率為NLT2/300，則MCAM系統(tǒng)死時(shí)間占比為1-NLT2/NRT。通過測量及計(jì)算得到多道MCAM每路通道的計(jì)數(shù)率與死時(shí)間列于表4?？梢钥闯?，不同通道之間死時(shí)間差異較大，各通道死時(shí)間與平均值最大相差8.84%。因此在標(biāo)定之前需先將計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行死時(shí)間修正，保證各通道有效測量時(shí)間一致。

表4 多道MCAM不同通道的計(jì)數(shù)率測量結(jié)果及死時(shí)間Table 4 Counting rate and dead time of different channels in MCAM

2.5 誤差分析

由于本次歸一化標(biāo)定的292根3He探測器在現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)，絕對探測效率偏差要求小于5%即可滿足監(jiān)測需求。為降低現(xiàn)場絕對探測效率的偏差，在進(jìn)行相對探測效率標(biāo)定時(shí)，需要盡可能排除如本底、刻度裝置材料均勻性以及多道系統(tǒng)死時(shí)間等因素的影響。

1) 統(tǒng)計(jì)誤差

在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)測量條件下，每個(gè)3He探測器的計(jì)數(shù)率均大于15 000 s-1，且遠(yuǎn)高于本底計(jì)數(shù)，測量時(shí)間100 s時(shí)，統(tǒng)計(jì)誤差即可小于0.1%，可忽略。

2) 慢化屏蔽裝置誤差

桶型慢化屏蔽裝置材料的均勻性測量結(jié)果表明，桶型裝置內(nèi)材料均勻性良好，由裝置材料引起的誤差最大約為0.75%，裝置均勻性的影響較小。

3) 探測器放置數(shù)量及位置引起的誤差

實(shí)驗(yàn)測量與模擬計(jì)算表明，僅在單一孔道內(nèi)放置探測器時(shí)，較探測器全部放滿時(shí)的計(jì)數(shù)高約18%。因此在后續(xù)對探測器進(jìn)行維護(hù)更換時(shí)，盡量保證在補(bǔ)齊12根的條件下進(jìn)行測量標(biāo)定；如不足12根，需在標(biāo)準(zhǔn)探測器和待測探測器兩側(cè)均放置至少2根以上備件，才可基本消除探測器吸收的中子造成的偏差，進(jìn)行測量標(biāo)定。

4) 多道死時(shí)間引起的誤差

對12路多道死時(shí)間進(jìn)行測量，結(jié)果表明，第11路多道死時(shí)間明顯偏高，由多道死時(shí)間引起的誤差最大約為8.84%，因此每次測量后都需要進(jìn)行死時(shí)間修正，基本消除死時(shí)間造成的偏差后才可進(jìn)行標(biāo)定。

3 探測器效率標(biāo)定測量實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

在源管中放入252Cf中子源后，將292根3He探測器以12根為1組，依次放入桶型裝置進(jìn)行測量并獲取計(jì)數(shù)，通過12通道MCAM數(shù)據(jù)采集器內(nèi)部的數(shù)字化多道能譜儀，將外部1～12通道探測器輸入的模擬脈沖信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字化能譜，按一定的采樣周期和脈沖閾值對各通道能譜數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并顯示，如圖4所示。所有探測器對同一252Cf中子源計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)率如圖5所示，由測量結(jié)果顯示，292根探測器能譜及計(jì)數(shù)基本一致。

圖4 測量時(shí)其中1組3He探測器的中子能譜Fig.4 Neutron spectrum of one set of 3He detector during measurement

圖5 292根探測器計(jì)數(shù)率統(tǒng)計(jì)Fig.5 Counting rate statistics of 292 detectors

在確定探測器性能完好的前提下，排除本底影響、桶型慢化屏蔽裝置均勻性影響及多道系統(tǒng)的影響后，選取其中與計(jì)數(shù)率均值較為接近的探測器CSI-050103與CSI-050072作為標(biāo)準(zhǔn)探測器，并對所有探測器探測效率進(jìn)行歸一化處理。在對以上所有探測器進(jìn)行相對探測效率的標(biāo)定后，即獲得了292根探測器的標(biāo)定系數(shù)ε=N/N0，其中N為標(biāo)準(zhǔn)探測器記錄的中子數(shù)，N0為待標(biāo)定探測器記錄的中子數(shù)。

4 小結(jié)

本文針對用于復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境中的292根3He探測器，建立了批量探測器相對探測效率標(biāo)定系統(tǒng)。在對裝置設(shè)計(jì)及探測效率模擬計(jì)算后，對標(biāo)定過程由本底計(jì)數(shù)引起的統(tǒng)計(jì)誤差，裝置均勻性、探測器放置位置分布以及多道死時(shí)間引起的系統(tǒng)誤差進(jìn)行測量分析。最后所有探測器基于同一中子源開展了計(jì)數(shù)率測量，并獲得了相對標(biāo)準(zhǔn)探測器效率的標(biāo)定系數(shù)，為復(fù)雜生產(chǎn)線確定初始狀態(tài)及生產(chǎn)線上探測器后續(xù)維護(hù)與更換提供統(tǒng)一的標(biāo)定依據(jù)。