试验8用BF3正比计数管探测慢中子

实验8 用BF 3正比计数管探测慢中子

实验目的

1. 了解BF 3正比管探测慢中子的基本原理。

2. 学会选取BF 3正比管最佳工作点的方法。

实验内容

1. 用示波器观察BF 3正比管的输出脉冲波形。

2. 测量BF 3正比管的坪曲线，并确定管子的工作电压。

3. 测量BF 3正比管的偏压曲线，并确定其偏压。

4. 用多道分析器测BF 3正比管探测中子时的脉冲幅度谱。

原理

BF 3正比管内充的是三氟化硼气体，它是用核反应方法探测中子的。用BF 3气体探测慢中子所依据的核反应方程式如下：

⎪⎩⎪⎨⎧++++++=+MeV Li MeV Li MeV Li B n 478.0310.2792.2*73

2*7317310

510γαα （1）

10B(n,α)7Li 反应是放热反应，忽略入射中子的能量，反应后的反应能变成了α粒子和7Li 核的动能，BF 3正比管就是通过探测10B(n,α)7Li 反应生成的α粒子和7Li 反冲核间接地探测中子的。

10B(n,α)7Li 反应对热中子的反应截面比较大（3840±11巴），而且中子能量小于30keV 时，它的反应截面符合“速度反比律”。如图1所示。

BF 3正比管是坪宽较长的慢中子探测器，它的特点是探测灵敏度高，抗γ干扰能力比较强。由于快中子可以被含氢物质（例如石蜡等）慢化，所以带有慢化装置的BF 3计数管，也能用来探测快中子。根据这个原理制成的一种快中子探测器叫“长中子管”，它的特点是在很宽的中子能量范围里对快中子响应有几乎不变的灵敏度，工作稳定可靠。目前，BF 3正比管在慢中子探测和快中子通量测量与监测等方面仍有广泛的应用。

1．BF 3正比管的探测效率

BF 3正比管记录α粒子和7Li 核的效率可以认为是100%。中子探测效率主要决定于10B(n,α)7Li 反应发生的几率。BF 3正比管探测中子的效率定义为：和10B 发生反应的中子数与入射到管子灵敏体积内的中子数之比。假定在计数管灵敏体积内种子通量Ф是均匀的，计数管的有效体积是l r V 2

π=，r 和l 分别是管子的半径和有效长度。根据定义，垂直入射到剖面面积为S(S=2rl)的计数管上的中子的探测效率为： σπφσφπφσφεn r rl n l r S n V 2

22=== （2） 式中n 是单位体积中10B 的原子数，σ是10B 反应截面。这里的n 可以由管内所充气体压力并根据20℃一个大气压下一克分子BF 3气体（分子数为6.022×1023个）占有22400cm 3体积计算得到，这时对热中子的探测效率可以写为：

apr 41013.2-⨯=ε （3）

式中，a 是10B 的同位素丰度，p 是BF 3气体压力（以mmHg 为单位）。

2. BF 3 正比管探测中子的脉冲幅度谱

BF 3正比管探测中子时测得的脉冲幅度谱是α粒子和7Li 核的能谱，而不是中子能谱。BF 3正比管的脉冲幅度谱中反应产物全能

峰的分辨率是判断管子质量的重要指标，通常以谱中相应于能量为2.31MeV 峰的

半宽度来表示。（理想的BF 3正比管输出的

脉冲幅度谱形如图2所示）。

如果不考虑电子学仪器等外部因素、

制造工艺及气体纯度方面的问题，影响

BF 3正比管脉冲幅度谱形状的主要因素是

管子的“壁效应”（如图3所示）。

比较图2和图3，我们发现，图3

中2.31MeV 的反应产物全能峰左边有两

个连续的“台阶”，台阶的起点分别为

0.84MeV 和1.47MeV 。这两个台阶就

是由管子的“壁效应”引起的。当入

射中子能量很低时，按反应动力学的

原理，反应生成的α粒子和7Li 核应在

一直线上并反向运动，但在离管壁很

近的地方产生的α粒子（1.47MeV ）

和7Li 核（0.84MeV ）没有把全部能量

都耗尽在BF 3气体里，而是把它们当

中的一个粒子的部分以至全部能量交

给了管壁，这就是所谓的BF 3正比管

的“壁效应”。加大管子的直径，改进

管子的机械结构，可以减小“壁效应”

的影响但理论和实践都证明，BF 3正比

管的“壁效应”是不能完全消除的。

γ射线等低幅度

事件

3．BF 3正比管坪曲线和偏压曲线

测量BF 3正比管坪曲线和偏压曲线是为了确定管子的工作点。

BF 3正比管坪曲线的形状和测量方法和G-M 计数管相类似，只是BF 3计数管的坪曲线随甄别阈的选取有较大变化。在我们适当选取甄别阈以后，由于γ脉冲、电子学仪器的噪声等小幅度事件的脉冲幅度低于选定的阈值，当高压在一定范围里变化时，测量系统测得的计数率基本不变，高压的这个变化范围就是BF 3正比管的坪区。BF 3正比管的坪长和坪斜是管子性能的重要指标，经屏蔽并选取合适的甄别阈后，BF 3正比管的坪斜小于1%，坪长可达500伏以上坪斜定义为 坪斜＝100

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2V V n n n --（％/百伏） 式中V1,V2是管子坪区的起点和终点（单位是伏），n1n2是它们相应的计数率，而n =(n1+n2)/2,如果在整个坪区测几个实验点，则N n n N i i

∑==1，这里N 是所取实验点的个数。

通常管子的工作点选在坪区的中点。

固定高压后不断改变单道阈值时测得的积分曲线，习惯上叫做该BF 3正比管的偏压曲线。BF 3正比管的偏压曲线也有平坦的部分，平坦部分越宽管子的性能越好，平坦部分的中点就是我们要选取的阈值。BF 3正比管的偏压曲线和坪曲线的形状还与测量系统有关。

如上所述，。BF 3正比管的偏压和工作高压都有相当大的可变范围，单道阈值和高压在一定范围里的漂移对计数率影响不大，所以BF 3正比管用于中子通量监测是比较可靠的。

4．甄别γ射线的能力

γ射线几乎都是伴随中子存在的，抗γ干扰问题是中子探测器难点之一。BF 3正比计数管抗γ干扰能力是比较强的。γ射线在管壁上打出的快电子只把很小一部分能量消耗在管内，形成的脉冲幅度小，用简单的幅度甄别就能把γ脉冲去掉。国产SZJ-2型正比管耐γ强度的出厂指标是1×104维伦/秒。在更强的γ场下，γ脉冲的堆积和γ射线辐照使BF 3气体分子链断裂，γ脉冲幅度大大增加，中子脉冲幅度大大降低，n-γ就无法分辨了。

实验装置