中子探测的基本方法及13.5常用中子探测器

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
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
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。
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。
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
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
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。
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wenku.baidu.com化 法
(n, )
In, Au, Dy
~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
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
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
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。
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。
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
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。
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。
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
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
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
0.1
1
10
Neutron Energy(MeV)
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。
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。
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。