中子探测的基本方法及13.5常用中子探测器

13.6 中子注量率测量的主要指标
中子灵敏度
13.7 堆用探测器
13.6 中子注量率测量的主要指标 中子灵敏度
R 中子灵敏度定义：
0
反应的发生率 中子注量率
R N t ( E ) ( E )dE
Nt 为探测器灵敏体积 中辐射体的靶核数。
对能量低于30keV的中子： 30 keV v 0 0 R Nt ( E )dE 0 v 由 ( E ) n( E ) v n(E)为能量E处单位能量 间隔的中子密度。 v为中子速度。
反应截面与中子能量的关系：

100000
0 v0
v
1 1 v Tn
B-10 Li-6 He-3
capture cross section(barn)
10000
1000
100
10
1
0.1 1E-111E-10 1E-9 1E-8 1E-7 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3 0.01
可选用微型裂变室，且电极涂235U+239Pu(可增殖， 总积分通量由1.7×1021提高到4.8×1021中子)； 也可以用自给能探测器。
3) 功率量程：大于1010/cm2s；足够大，本底相 对较小；用电流型裂变室或硼电离室。
2. 堆芯探测器——堆芯内中子注量率的空 间分布。
要求体积小，寿命长； 典型工作条件：
~ 5 10 / cm s
8 2
8

本底 ~ 10 R / h
工作温度 ~ 300 C 2 ~ 2500 N / cm 工作压力
v0 为热中子的最可 其中 v 为中子的平均速度， 几速度。
对热中子，在T=20C时，v / v0
1.128
故：
N R t 0 则，热中子灵敏度为： 1.128
R 1.128 N t 0
13.1 中子的性质与分类（简介） 13.2 中子源 13.3 中子与物质的相互作用 13.4 中子探测的基本方法 13.5 常用中子探测器 13.6 中子注量率测量的主要指标
R N t 0 v0
n
30keV 0
30keV
0
n( E )dE N t 0v0n
n( E )dE 为中子密度(包括30keV以下各
种能量的中子)，所以探测器的计数R直接代表 了被测中子场的中子密度n，即 R n。
则，中子注量率为：
nv
R N t 0 v0
v
1. 硼电离室和裂变室 辐射体：常用10B和235U；涂敷在电极表面
工作状态：一般工作于电流工作状态，裂变室 也可工作于脉冲工作状态。 硼电离室还常工作于补偿型状态，通过补偿消 除本底的影响。
I I1 I 2 I n
I n I I
I1,2,n的方差关 系是怎样的？
裂变室由于裂变碎片射程很短，所以辐射体涂 层很薄，为提高探测效率而做成多层裂变室。
3He
n 3 He p 3 H 0.764MeV
0 5327 10b
反应截面很大； 反应能最小，不利于区分中子和信号； 天然氦中3He的含量很低，只有1.410-4 %。
158 Gd 157Gd n 157 Gd 158 Gd* 158 Gd e
如：
51 52
性能：灵敏度 ＝1.2×10-21A/单位中子注量率; 中子注量率测量范围109～1014/cm2s; 体积小：直径1～2mm;时间延迟～5T1/2 适合用于堆芯的中子注量率的测量。
13.1 中子的性质与分类（简介） 13.2 中子源 13.3 中子与物质的相互作用 13.4 中子探测的基本方法 13.5 常用中子探测器
2. 10BF3和3He正比计数器
工作气体：含10B的BF3或含高丰度3He的氦气。 工作状态：脉冲型工作状态。 性能特点：BF3为负电性气体，性能较差；氦气 (尤其是高丰度3He)价格昂贵。
3. 含锂闪烁体
常用6LiI(Eu)晶体； 铈激活的锂玻璃等。
4. 利用质子反冲效应的探测器
1) 含氢正比计数管——气体介质含H2或CH4。
0.1
1
10
Neutron Energy(MeV)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1/v规律，即随中子能量增加，反应截面减 小，因此核反应法适用于慢中子的测量，尤其 是热中子的测量。
反应均为放能反应，反应能Q在生成核与出 射粒子之间分配。由于反应能Q比较大，又主要 用于慢中子探测，即：
Q Tn
故出射粒子能量难以反映慢中子的能量，因此， 核反应法常用于中子注量率的测量。这时，Q大 易于甄别去除本底信号。 探测介质中含有上述核素的气体探测器、闪 烁探测器，或上述材料作为外辐射体的半导体探 测器均可用核反应法进行中子探测。
~100 快中子~1
注量率
13.1 中子的性质与分类（简介） 13.2 中子源 13.3 中子与物质的相互作用 13.4 中子探测的基本方法
13.5 常用中子探测器
1、硼电离室和裂变室
2、10BF3和3He正比计数器
3、含锂闪烁体 4、利用质子反冲效应的探测器 5、自给能探测器
13.5 常用中子探测器
所用材料 方 法 相互作用 （辐射体） 10B 6Li 核反应法 (n, d)(n, p) 3He 核反冲法 (n, n) H
235U 239Pu
截面/b ~1000 ~1 ~500 ~1
热中子
用
途
热/慢中子 注量率
快中子能量 中子注量率
核裂变法
(n, f )
阈值238U
等
活 化 法
(n, )
In, Au, Dy
3) 中子与辐射体有较大的作用截面，以获得 较大的中子探测效率。
1. 核反应法
主要的核反应有： 7 Li 2.79MeV(6.1%) 3841 11b 10B n 10 B 0 7 * Li 2.31MeV(93.9%) 7 Li* 7 Li 0.478MeV
4. 活化法
选用一些核素具有较高的活化截面，活化 后放射性核素也具有较易测量的放射性。
如： n 115 In 116 In
116
In
116
Sn v

测量粒子的发射率可确定中子的注量率。 一般，热中子的活化截面较高，此法适用于热 中子的注量率的测量。
中子探测基本方法小结
13.1 中子的性质与分类（简介） 13.2 中子源 13.3 中子与物质的相互作用
13.4 中子探测的基本方法 1、核反应法 2、核反冲法 3、核裂变法
4、活化法
13.5 常用中子探测器
13.4 中子探测的基本方法
中子探测的特点：
1) 中子为中性粒子，不能直接引起探测介质的电 离、激发。 2) 在探测器或探测介质内必须具备能同中子发生 相互作用产生可被探测的次级粒子的物质(辐射 体)，中子在辐射体上发生核反应、核反冲、核 裂变等次级过程，产生带电的次级粒子，如， p，f 等，探测器记录这些次级粒子并输出信号。
2. 核反冲法 中子与靶核的弹性碰撞产生反冲核。
主要发生在氢核上，常用含氢物质作为辐射 体。反冲质子使探测介质电离、激发而产生输 出信号。 2 反冲质子能量： Tp Tn cos 反冲质子数： N p S 反冲质子的能谱为矩形分布。此法主要用于 快中子的探测，尤其是快中子能量的测量。因 此，探测介质中富含含氢物质的探测器，如含 氢正比管、有机闪烁体等适用于核反冲法测量 快中子能谱。
0 255000b
反应产物不是重带电粒子，而是γ射线和内转换电子
157Gd吸收一个中子，会放出87.3±2.5%个内转换电子（29－ 181keV）
反应截面很大；很薄即可实现高探测效率
20μm厚(Gd2O3)即可实现30%，而同等厚度的6Li或10B仅为1%、 3~4%
丰度较高15.7%； 可用于中子成像
3. 核裂变法
中子与重核发生核裂变产生的裂变碎片是 巨大的带正电荷的粒子，能使探测器输出信号。 通过测量碎片数，可求得中子注量率。 裂变碎片的总动能为 150～170MeV，形成 的脉冲幅度比 本底脉冲幅度大得多，可用于 强辐射场内中子的测量。 热中子可引起的核裂变核： 233U ， 235U ， 239Pu。如235U的热中子截面为580b。对慢中子满 足1/v 规律，仅适用于中子的注量率测量。 一些重核只有当中子能量大于某一阈能才 能发生核裂变，可用此判断中子的能量区间。
截面很大 天然硼中10B的丰度较高，为19.8% 易浓缩，>96% 有合适的气体化合物，可制成BF3正比计数器 应用最广
6Li
n 6 Li 3 He 4.786MeV
0 936 6b
反应能最大，有利于区分中子与信号。 反应后没有放出。 天然锂中6Li的含量为7.5%，高浓缩锂价格昂贵。 没有合适的气体化合物，无法制成气体探测器。
2) 有机闪烁体——富含H和C，还可以运用n/脉 冲形状甄别技术，在较强的场中测量中子。
5. 自给能探测器
中心辐射体是中子活化材料，活化后具有 放射性。 粒子作为荷电粒子在极板间运动而 在外回路中产生输出信号。不需要外加电源， 称为自给能探测器。
V(n, ) V 52 52 V Cr 输出信号： i n e
13.7 堆用探测器 1、堆芯外探测器
2、堆芯探测器
13.7 堆用探测器—反应堆中子注量率监测
1. 堆芯外——用于监测反应堆功率水平， 探测器置于压力壳外。
1) 启动量程：中子注量率102～104/cm2s；较小， 本底相对高；用脉冲裂变室或BF3正比计数器。
2) 中间量程：106～108/cm2s；较大，本底相对 仍高；用电流型裂变室或补偿型电流硼电离室。