中子计数器探测效率的校准
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收稿日期: 2001203229 作者简介: 郭洪生 (19612) , 男, 福建人, 中国工程物 理研究院核物理与化学研究所副研, 博士生, 从事核 辐射脉冲测量技术研究。
M cT agga rt[2]所设计的计数器作为标准长计数 器已得到相当普遍的承认。
1 探测效率
探测效率 Ε为记录到的中子数N 与入射 中子数 N o 之比即:
0 引言
在我们的实际工作中, 需对脉冲中子发生 器的中子产额进行测量, 脉冲中子发生器的中 子 参 数 为: 单 管 中 子 产 额 为 S o ≥ 8 × 106n p u lse, 半宽度处的半波中子产额应满足: 4 × 106n p u lse≥S 1 2≥3. 5×106n p u lse。考虑到粒 子测量中的统计起伏及核测试仪器中的死时间 修正等问题, 应用长硼中子计数器来测量这个 中子发生器的中子产额是适宜的。 长硼中子计 数器是一种简便而可靠的快中子探测器。 它具 有探测效率高, 探测效率随中子能量的变化缓 慢 (中子能量从 10keV 到大约 3M eV 计数管效 率与中子能量变化可以忽略) , 以及易于甄别 Χ 射线本底等优点。 长硼中子计数管对快中子的 灵敏度是很小的, 但是可以通过把计数管放在 中子慢化剂 (如石蜡) 内来提高计数管对快中子 的灵敏度, 即首先让快中子在石蜡中减速而后 扩散到计数管灵敏区。H an son 等[1]首先研制了 这种慢化管装置, 他们提出用一个B F 3 管和圆 柱 形 慢 化 体 组 合 成 一 坪 响 应 中 子 探 测 器,
第 21 卷 第 4 期 2001 年 7 月
核电子学与探测技术 N uclea r E lect ron ics & D etect ion T echno logy
V o l. 21 N o. 4 J u ly 2001
中子计数器探测效率的校准
郭洪生, 何锡钧, 徐荣昆, 彭太平
(中国工程物理研究院核物理与化学研究所, 四川绵阳 919 信箱 212 分箱 621900)
量率 (cm - 2·s- 1) ; N (ΗΑ) - 单位时间单位立体
角内发射的 Α粒子数 ( s- 1) ; R - 中子探测器与
靶心的距离 (cm ) ; 8 Α- Α探测器对靶心所张的 立体角 ( sr) ; Ηn ⁄ 出射中子和入射 D 2离子间的 夹角 ( rad) ; ΗΑ- 出射 Α粒子和入射 D 2离子间的
Ca l ibra tion of detector eff ic iency of neutron detector
GU O Hong2sheng, H E X i2jun, XU Rong2kun, PEN G T a i2p ing
( In stitu te of N uclea r Physics and Chem istry, CA EP,M ianyang of Sichuan P rov. 621900, Ch ina)
262
定) , 用半导体探测器和相应的电子学系统测量 由靶上发射的 Α粒子数, 并归一到单位时间的 计数, 然后经本底修正, 阈损失修正, 粒子计数 系统的死时间损失修正得到绝对的 Α粒子计数 N (ΗΑ) , 由 (6) 式计算加速器聚变中子注量率。
在我们的测量工作中并未定出长计数管对
中子源的等效中心位置, 因此所测的“效率”实 际上是效率与在源和长计数管相距L 时的等 效立体角之乘积。为方便起见, 以后把它简称外 为效率。 因此探测器探测效率为:
小时限, 两个事件之间的时间间隔大于此时限 才能被分辨开而记录为两个单独的脉冲, 这个 最小时间间隔通常被称为计数系统的死时间。 死时间可能与计数器和电子学线路的分辨时间 有关。往往死时间是未知的, 因此必须直接测量
出死时间。常见的方法是双源法, 根据两个源各 自的观察计数率和组合的观察计数率计算出死 时间。 一般长硼中子计数器的死时间约为微秒 量级。 3. 2 本底中子修正
Abstract: B F3 neu t ron detecto r has been set up , D etecto r efficiency is calib rated by associated p art icle techn ique. It is abou t 3. 17×10- 4 (1±18% ). N eu t ron yield of neu t ron genera to r p er p u lse (107 p lu se) is m easu red by u sing the detecto r. Key words: p u lse neu t ron; detect ing efficiency; B F3 neu t ron detecto r
摘要: 设计制作了一个 B F3 长硼中子计数器, 采用伴随粒子法标定了其中子探测效率, 约为 3. 17×
10- 4 (1±18% )。 利用这个中子探测器测量了中子管脉冲中子产额 (107 p u lse)。 关键词: 脉冲中子; 探测效率; B F3 中子计数器 中图分类号: TL 81 文献标识码: A 文章编号: 025820934 (2001) 0420261203
夹角 ( rad) ; B - 出靶室中子的衰减因子, A Α(ΗΑ, Ηn) - 各向异性因子, 可表示为:
A Α(ΗΑ, ΗN ) =
(dΞ (dΞ
d d
ΞΞ′′)) nΑ≈
1 + (32 5) 1 2 (E d Q ) 1 2co s<Α - 1
1+
1 4
(32
5) 1 2 (E d Q ) 1 2co s<n
所占空间, 则: V = Πr2 l; L - 单位气压下每单位
体积中气体的分子数, 即罗西密德数L = 2. 7×
1010 cm 3; P - 计数管充气气压。 所以, V L P 为
计数管中有效的B F 3 气体分子数。Ρ- 核反应截
面, 对于10B (n, Α) 7L i 而言, Ρ= 3990×10- 24cm 2;
3 简单讨论
长硼计数器作为中子注量率测量的一种探 测器, 具有工作简单, 操作简便等特点, 作为对 各种中子能量效率相同的计数器来测量中子注 量率, 长硼中子源计数器是较令人满意的。影响 探测器计数准确度的因素主要有以下两点:
图 1 长硼中子计数器灵敏度标定框图
3. 1 死时间修正 几乎在所有探测器系统中, 都存在一个最
-1
(7)
式中: E d⁄ 产生 T (d, n) Α反应的D 2核平均动能 (M eV ) ; Q 2T ( d, n ) Α 反 应 的 反 应 能 Q 值
(M eV ) ; <d - 在质心系中粒子出射角 (rad) ; <n - 在质心系中中子出射角 (rad)。
在特定的 ΗΑ 角方向 (通常选用 135°或 90°) 和一定的立体角下 (探测器至靶心的距离固
(5)
更精确的探测效率的实验研究见文献[ 3, 4 ]。
2 长硼中子计数器探测效率的校准
一般均应用已知源强的放射性源 (如光中
子源、R a2a2B e 源等) 及利用测量 Α粒子来绝对
测定中子注量的 T (d, n) 4H e 反应测定长计数
管的效率。此外, 也有利用其他可监测源强的探
测器, 如含氢正比计数管、计数管望远镜等来刻
Γ=
Nc NΗ
(8)
式中: N c 为长计数管扣除本底的净计数; N Η 为
长计数管所在方向上单位立体角内的中子数。
标定框图如图 1 所示。实验中所用B F 3 管外径 27mm , 厚 0. 5mm , 充浓缩10B 约 95% , 管子长 度 33cm , 工作电压为 2600V , 测得其探测效率 约为 3. 17×10- 4 (1±18% ) , 利用这个长硼中 子计数器对 1014 型脉冲中子产生器的脉冲中 子 产 额 进 行 了 测 量, 其 产 额 约 为 1 × 107 n p u lse, 总作用时间约为 3Λs。 测量结果表明, 该 长硼中子计数器能满足我们的测量要求。
263
度长计数管的效率的[5, 6]。我们采用加速器加速
D 2离子轰击 T (或 D ) 靶, 由 T (d, n ) Α和 D (d,
n ) 3H e 反应产生的中子作为标准中子源, 采用
伴随粒子法测量加速器 D 2T 聚变中子注量率
来对探测器进行探测效率标定。 伴随粒子法就
是通过探测 T (d, n) Α反应伴随的 Α粒子来探
g - 硼元素中10B 同位素的质量分数; 天然硼
中, 10B 的质量分数为 g = 18. 8% , 浓缩硼中, 10B
的质量分数为 g = 95%。 所以, 探测效率
Ε= N = V L P Ρg
No
A
(3)
而
261
V A
=
Πr2 l 2rl
=
Πr 2
(4)
则
Ε=
N N
o
=
Π 2
rL P Ρg
U n ifo rm Sen sitivity from 10keV to 3M eV [ J ]. Phys R ev, 1947, 72: 673. [ 2 ]M cT agga rt M. AW R E N R A 1 59[R ]. 1958. [ 3 ] Fow ler I, et a l. N eu tron Ion iza tion Cham bers [J ] R ev Sci In strum , 1950, 21: 734. [ 4 ] Sam p son T , et a l. A n ab so lu te m ea su rem en t of the efficiency of a B F3 p ro 2po rtiona l coun ter[J ], N ucl In strum M ethod s, 1971, 95: 563. [ 5 ]ALL EN W. Fa st N eu tron Physics [M ]. Pa rt 1, N ew Yo rk: In terscience Pub Inc, 1960, 361. [ 6 ] A llen W. D esign and Ca lib ra tion of an A b so lu te F lux D etecto r[R ]. A ER E N P R 21667, 1955.
实验室本底中子主要来自四周墙壁、周围 物体 (如仪器支架等) 的散射。 可用屏蔽锥体测 定房间本底中子的贡献, 测量时将中子源放在 屏蔽锥体前面, 使源、探测器中心与屏蔽锥体在 同一轴线上, 探测器必须在屏蔽锥体形成的阴 影内, 测得实验室的中子辐照相对散射贡献为 20%。
参考文献:
[ 1 ] H an son A , et a l. A N eu tron D etecto r H aving
Ε= N
No
(1)
若沿计数管柱断面射向计数管的中子数为N o,
则中子在B F 3 计数管中引起反应的数目N 为:
N
=
N A
oV
L
P
Ρg
(2)
式中: A - 计数管柱断面面积 (cm 2) , A = 2rl, r
- 计数管阴极半径 (cm ) , l- 计数管有效长度
(cm ) ; V - 计数管有效体积 (cm 3) , 忽略阳极丝
测中子, 把中子测量转换为带电粒子测量, 是一
种常用的 14M eV 中子注量率测量方法。
在实验中, 通过测量 ΗΑ 方向发射的伴随 Α 粒子, 则距靶心 R 远处 Ηn 方向的加速器聚变中 子注量率可由下式给出:
Υ(R , Ηn)
=
N R
(ΗΑ) 28 Α
A
Α(ΗΑ,
Ηn )B(6)来自式中: Υ(R , ΗΑ) - 距靶心 R 远处, 方向的中子注
M cT agga rt[2]所设计的计数器作为标准长计数 器已得到相当普遍的承认。
1 探测效率
探测效率 Ε为记录到的中子数N 与入射 中子数 N o 之比即:
0 引言
在我们的实际工作中, 需对脉冲中子发生 器的中子产额进行测量, 脉冲中子发生器的中 子 参 数 为: 单 管 中 子 产 额 为 S o ≥ 8 × 106n p u lse, 半宽度处的半波中子产额应满足: 4 × 106n p u lse≥S 1 2≥3. 5×106n p u lse。考虑到粒 子测量中的统计起伏及核测试仪器中的死时间 修正等问题, 应用长硼中子计数器来测量这个 中子发生器的中子产额是适宜的。 长硼中子计 数器是一种简便而可靠的快中子探测器。 它具 有探测效率高, 探测效率随中子能量的变化缓 慢 (中子能量从 10keV 到大约 3M eV 计数管效 率与中子能量变化可以忽略) , 以及易于甄别 Χ 射线本底等优点。 长硼中子计数管对快中子的 灵敏度是很小的, 但是可以通过把计数管放在 中子慢化剂 (如石蜡) 内来提高计数管对快中子 的灵敏度, 即首先让快中子在石蜡中减速而后 扩散到计数管灵敏区。H an son 等[1]首先研制了 这种慢化管装置, 他们提出用一个B F 3 管和圆 柱 形 慢 化 体 组 合 成 一 坪 响 应 中 子 探 测 器,
第 21 卷 第 4 期 2001 年 7 月
核电子学与探测技术 N uclea r E lect ron ics & D etect ion T echno logy
V o l. 21 N o. 4 J u ly 2001
中子计数器探测效率的校准
郭洪生, 何锡钧, 徐荣昆, 彭太平
(中国工程物理研究院核物理与化学研究所, 四川绵阳 919 信箱 212 分箱 621900)
量率 (cm - 2·s- 1) ; N (ΗΑ) - 单位时间单位立体
角内发射的 Α粒子数 ( s- 1) ; R - 中子探测器与
靶心的距离 (cm ) ; 8 Α- Α探测器对靶心所张的 立体角 ( sr) ; Ηn ⁄ 出射中子和入射 D 2离子间的 夹角 ( rad) ; ΗΑ- 出射 Α粒子和入射 D 2离子间的
Ca l ibra tion of detector eff ic iency of neutron detector
GU O Hong2sheng, H E X i2jun, XU Rong2kun, PEN G T a i2p ing
( In stitu te of N uclea r Physics and Chem istry, CA EP,M ianyang of Sichuan P rov. 621900, Ch ina)
262
定) , 用半导体探测器和相应的电子学系统测量 由靶上发射的 Α粒子数, 并归一到单位时间的 计数, 然后经本底修正, 阈损失修正, 粒子计数 系统的死时间损失修正得到绝对的 Α粒子计数 N (ΗΑ) , 由 (6) 式计算加速器聚变中子注量率。
在我们的测量工作中并未定出长计数管对
中子源的等效中心位置, 因此所测的“效率”实 际上是效率与在源和长计数管相距L 时的等 效立体角之乘积。为方便起见, 以后把它简称外 为效率。 因此探测器探测效率为:
小时限, 两个事件之间的时间间隔大于此时限 才能被分辨开而记录为两个单独的脉冲, 这个 最小时间间隔通常被称为计数系统的死时间。 死时间可能与计数器和电子学线路的分辨时间 有关。往往死时间是未知的, 因此必须直接测量
出死时间。常见的方法是双源法, 根据两个源各 自的观察计数率和组合的观察计数率计算出死 时间。 一般长硼中子计数器的死时间约为微秒 量级。 3. 2 本底中子修正
Abstract: B F3 neu t ron detecto r has been set up , D etecto r efficiency is calib rated by associated p art icle techn ique. It is abou t 3. 17×10- 4 (1±18% ). N eu t ron yield of neu t ron genera to r p er p u lse (107 p lu se) is m easu red by u sing the detecto r. Key words: p u lse neu t ron; detect ing efficiency; B F3 neu t ron detecto r
摘要: 设计制作了一个 B F3 长硼中子计数器, 采用伴随粒子法标定了其中子探测效率, 约为 3. 17×
10- 4 (1±18% )。 利用这个中子探测器测量了中子管脉冲中子产额 (107 p u lse)。 关键词: 脉冲中子; 探测效率; B F3 中子计数器 中图分类号: TL 81 文献标识码: A 文章编号: 025820934 (2001) 0420261203
夹角 ( rad) ; B - 出靶室中子的衰减因子, A Α(ΗΑ, Ηn) - 各向异性因子, 可表示为:
A Α(ΗΑ, ΗN ) =
(dΞ (dΞ
d d
ΞΞ′′)) nΑ≈
1 + (32 5) 1 2 (E d Q ) 1 2co s<Α - 1
1+
1 4
(32
5) 1 2 (E d Q ) 1 2co s<n
所占空间, 则: V = Πr2 l; L - 单位气压下每单位
体积中气体的分子数, 即罗西密德数L = 2. 7×
1010 cm 3; P - 计数管充气气压。 所以, V L P 为
计数管中有效的B F 3 气体分子数。Ρ- 核反应截
面, 对于10B (n, Α) 7L i 而言, Ρ= 3990×10- 24cm 2;
3 简单讨论
长硼计数器作为中子注量率测量的一种探 测器, 具有工作简单, 操作简便等特点, 作为对 各种中子能量效率相同的计数器来测量中子注 量率, 长硼中子源计数器是较令人满意的。影响 探测器计数准确度的因素主要有以下两点:
图 1 长硼中子计数器灵敏度标定框图
3. 1 死时间修正 几乎在所有探测器系统中, 都存在一个最
-1
(7)
式中: E d⁄ 产生 T (d, n) Α反应的D 2核平均动能 (M eV ) ; Q 2T ( d, n ) Α 反 应 的 反 应 能 Q 值
(M eV ) ; <d - 在质心系中粒子出射角 (rad) ; <n - 在质心系中中子出射角 (rad)。
在特定的 ΗΑ 角方向 (通常选用 135°或 90°) 和一定的立体角下 (探测器至靶心的距离固
(5)
更精确的探测效率的实验研究见文献[ 3, 4 ]。
2 长硼中子计数器探测效率的校准
一般均应用已知源强的放射性源 (如光中
子源、R a2a2B e 源等) 及利用测量 Α粒子来绝对
测定中子注量的 T (d, n) 4H e 反应测定长计数
管的效率。此外, 也有利用其他可监测源强的探
测器, 如含氢正比计数管、计数管望远镜等来刻
Γ=
Nc NΗ
(8)
式中: N c 为长计数管扣除本底的净计数; N Η 为
长计数管所在方向上单位立体角内的中子数。
标定框图如图 1 所示。实验中所用B F 3 管外径 27mm , 厚 0. 5mm , 充浓缩10B 约 95% , 管子长 度 33cm , 工作电压为 2600V , 测得其探测效率 约为 3. 17×10- 4 (1±18% ) , 利用这个长硼中 子计数器对 1014 型脉冲中子产生器的脉冲中 子 产 额 进 行 了 测 量, 其 产 额 约 为 1 × 107 n p u lse, 总作用时间约为 3Λs。 测量结果表明, 该 长硼中子计数器能满足我们的测量要求。
263
度长计数管的效率的[5, 6]。我们采用加速器加速
D 2离子轰击 T (或 D ) 靶, 由 T (d, n ) Α和 D (d,
n ) 3H e 反应产生的中子作为标准中子源, 采用
伴随粒子法测量加速器 D 2T 聚变中子注量率
来对探测器进行探测效率标定。 伴随粒子法就
是通过探测 T (d, n) Α反应伴随的 Α粒子来探
g - 硼元素中10B 同位素的质量分数; 天然硼
中, 10B 的质量分数为 g = 18. 8% , 浓缩硼中, 10B
的质量分数为 g = 95%。 所以, 探测效率
Ε= N = V L P Ρg
No
A
(3)
而
261
V A
=
Πr2 l 2rl
=
Πr 2
(4)
则
Ε=
N N
o
=
Π 2
rL P Ρg
U n ifo rm Sen sitivity from 10keV to 3M eV [ J ]. Phys R ev, 1947, 72: 673. [ 2 ]M cT agga rt M. AW R E N R A 1 59[R ]. 1958. [ 3 ] Fow ler I, et a l. N eu tron Ion iza tion Cham bers [J ] R ev Sci In strum , 1950, 21: 734. [ 4 ] Sam p son T , et a l. A n ab so lu te m ea su rem en t of the efficiency of a B F3 p ro 2po rtiona l coun ter[J ], N ucl In strum M ethod s, 1971, 95: 563. [ 5 ]ALL EN W. Fa st N eu tron Physics [M ]. Pa rt 1, N ew Yo rk: In terscience Pub Inc, 1960, 361. [ 6 ] A llen W. D esign and Ca lib ra tion of an A b so lu te F lux D etecto r[R ]. A ER E N P R 21667, 1955.
实验室本底中子主要来自四周墙壁、周围 物体 (如仪器支架等) 的散射。 可用屏蔽锥体测 定房间本底中子的贡献, 测量时将中子源放在 屏蔽锥体前面, 使源、探测器中心与屏蔽锥体在 同一轴线上, 探测器必须在屏蔽锥体形成的阴 影内, 测得实验室的中子辐照相对散射贡献为 20%。
参考文献:
[ 1 ] H an son A , et a l. A N eu tron D etecto r H aving
Ε= N
No
(1)
若沿计数管柱断面射向计数管的中子数为N o,
则中子在B F 3 计数管中引起反应的数目N 为:
N
=
N A
oV
L
P
Ρg
(2)
式中: A - 计数管柱断面面积 (cm 2) , A = 2rl, r
- 计数管阴极半径 (cm ) , l- 计数管有效长度
(cm ) ; V - 计数管有效体积 (cm 3) , 忽略阳极丝
测中子, 把中子测量转换为带电粒子测量, 是一
种常用的 14M eV 中子注量率测量方法。
在实验中, 通过测量 ΗΑ 方向发射的伴随 Α 粒子, 则距靶心 R 远处 Ηn 方向的加速器聚变中 子注量率可由下式给出:
Υ(R , Ηn)
=
N R
(ΗΑ) 28 Α
A
Α(ΗΑ,
Ηn )B(6)来自式中: Υ(R , ΗΑ) - 距靶心 R 远处, 方向的中子注