汲長松，黃道榮，王婷婷，張慶威

(中核控制系統(tǒng)工程有限公司，北京 100176)

BNIF-1長中子計數(shù)器探測效率的刻度

汲長松，黃道榮，王婷婷，張慶威

(中核控制系統(tǒng)工程有限公司，北京 100176)

長中子計數(shù)器是在一定的中子能量范圍內(nèi)，中子探測器效率恒定，不隨中子能量變化的一種中子探測裝置。本工作的長中子計數(shù)器為Hanson結(jié)構(gòu)。采用含氫正比計數(shù)器與半導(dǎo)體望遠鏡法，用靜電加速器中子源分別為220 keV、500 keV、1.000 MeV、1.403 MeV、3.270 MeV、4.000 MeV與5.000 MeV單能中子束，對本單位制作的BNIF-1長中子計數(shù)器進行了刻度。刻度結(jié)果表明，在220 keV～5.000 MeV區(qū)間，中子探測器效率為2.8810×10-4(1±4.8%)。

中子；漢桑長中子計數(shù)器；探測器效率；半導(dǎo)體望遠鏡

長中子計數(shù)器具有探測效率隨中子能量變化緩慢、對γ射線甄別性能高的特點。在實驗中子物理領(lǐng)域，長中子計數(shù)器作為中子探測裝置被廣泛用做快中子注量測量的次級標(biāo)準(zhǔn)。漢桑(Hanson ) 和麥吉本(Mckibben)結(jié)構(gòu)的長中子計數(shù)器是中子探測器經(jīng)典設(shè)計[1]。不同文獻提供的漢桑長計數(shù)器的屏蔽材料與結(jié)構(gòu)尺寸略有差異[2-4]，本工作參照漢桑和麥吉本,及文獻[5]的設(shè)計，制作了類似的長中子計數(shù)器。慢化體采用聚乙烯材料，取代原設(shè)計中的石蠟慢化介質(zhì), 用含碳化硼塑料取代原設(shè)計的碳化硼(或硼酸)作為熱中子屏蔽層。中子探測器仍用BF3正比計數(shù)管。

利用2.5 MeV靜電加速器上的7Li(p,n)7Be,T(p,n )3He和D(d,n)3He反應(yīng)產(chǎn)生的單能中子，在0.22 MeV～5.0 MeV能區(qū)對長中子計數(shù)器的探測器效率進行了刻度。中子注量用含氫正比計數(shù)器及半導(dǎo)體反沖質(zhì)子望遠鏡測定。

1 實驗方法

1.1 BNIF-1長中子計數(shù)器的結(jié)構(gòu)

圖1 BNIF-1長中子計數(shù)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of the BNIF-1 long neutron counter

BNIF-1(原北京核儀器廠1室)長中子計數(shù)器的結(jié)構(gòu)和尺寸如圖1所示。所用BF3計數(shù)管為不銹鋼外殼, 外徑27 mm,厚0.5 mm,充10B豐度約95%的BF3氣體,壓力為50 cm汞柱。當(dāng)工作電壓1700 V時,用210Po-α-Be中子源測量的坪寬400 V,每100 V坪斜<1%。BF3計數(shù)管抗強γ射線輻照性能良好。圖2 示出當(dāng)長中子計數(shù)器用Am-Be中子源照射時測定的BF3計數(shù)管輸出脈沖幅度分布譜。由圖2可見, 該脈沖幅度分布譜顯現(xiàn)出明顯的“雙臺階”壁效應(yīng)特點，以及對應(yīng)10B俘獲中子的兩個反應(yīng)道的雙“峰”脈沖幅度分布[3]，長中子計數(shù)器在伴隨強γ射線的中子源輻照下，只要選定適當(dāng)?shù)恼鐒e閾(相當(dāng)箭頭所示的位置)就能夠很好地甄別掉γ射線本底。

圖2 BF3正比計數(shù)管脈沖幅度分布Fig.2 Pulse amplitude distribution of BF3 proportional counter tube

為了檢驗長中子計數(shù)器的可靠性, 周期性地用Am-Be中子源，在固定幾何條件下進行測量。連續(xù)3個月監(jiān)測結(jié)果表明其長期穩(wěn)定性相對誤差范圍為±0.5%。

1.2 長中子計數(shù)器探測器效率的刻度原理

長中子計數(shù)器探測器效率是長中子計數(shù)器的測量計數(shù)率N(s-1)，與單位時間射入長中子計數(shù)器的中子注量φ(s-1)之比：

(1)。

為計算方便，減小計算中長中子計數(shù)器幾何形狀與尺寸簡化造成的誤差，實驗中取長中子計數(shù)器—靶(中子源)距約為120cm。

1.3 中子源

為了刻度0.22 MeV～5.0 MeV能區(qū)的長中子計數(shù)器的探測器效率, 本工作用靜電加速器，7Li(p,n)7Be反應(yīng)獲得0.22 MeV和0.5 MeV的中子；用T(p,n)3He反應(yīng)獲得0.5 MeV，0.9 MeV和1.5 MeV的中子；用D(d,n)3He反應(yīng)獲得3.3 MeV，4.0 MeV和5 MeV的單能中子。除3.3 MeV中子束出射角相對入射氘束方向為60°之外，其他能量中子束的出射角均在0°方向上。所用LiF靶厚約等效于5 keV入射質(zhì)子的平均射程，底襯為0.1 mm厚的鉭片；T-Ti靶厚度約0.2 mg/cm2； D-Ti靶厚度約1.2 mg/cm2，T-Ti與D-Ti靶的底襯均為0.3 mm厚的鉬片。靶冷卻用壓縮空氣噴霧。

1.4 射入長中子計數(shù)器的中子注量率φ測量

中子注量率的測量采用兩種方法， 在0.22 MeV～1.5 MeV能區(qū)，用含氫正比計數(shù)器； 在0.9 MeV～5.0 MeV能區(qū)，用半導(dǎo)體反沖質(zhì)子望遠鏡。

含氫正比器和半導(dǎo)體反沖質(zhì)子望遠鏡的詳細(xì)構(gòu)造及工作原理參見文獻[3]。含氫正比計數(shù)器安置在距靶100 cm或50 cm處。測散射本底中子時, 在靶與正比計數(shù)器之間放置約20 cm長的聚乙烯屏蔽錐，如圖3所示。

半導(dǎo)體反沖質(zhì)子望遠鏡安置在距靶約15 cm處。在其他條件保持不變時，移去輻射體(聚乙烯薄膜)測量望遠鏡的本底，如圖4所示。當(dāng)中子能量為0.9 MeV時，為了避免反沖質(zhì)子能量在空氣中的損失, 望遠鏡系統(tǒng)內(nèi)抽真空。

1.5 長中子計數(shù)器的計數(shù)率N測量

測量長中子計數(shù)器計數(shù)率N的實驗設(shè)置如圖5所示(不含中子屏蔽錐)。圖5中的中子屏蔽錐用于長中子計數(shù)器的本底測量。屏蔽錐置于源與長中子計數(shù)器之間。 錐的頂端距靶7 cm。錐的幾何尺寸：頂部直徑4 cm，底部直徑18.5 cm，錐長約50 cm。錐的結(jié)構(gòu)材料：前端部分為鐵，長約15 cm；中間為石蠟，長約30 cm；其余部分為含硼石蠟。

圖3 含氫正比計數(shù)器標(biāo)定中子注量率實驗裝置示意圖Fig.3 Experiment arrangement for the calibration of neutron fluence density by hydrogen-contained proportional counter

d1——靶至輻射體距離； d2——輻射體至探測器距離；l1——靶至望遠鏡前端面距離；l2——端面至輻射體距離； φ——望遠鏡光闌直徑圖4 半導(dǎo)體反沖質(zhì)子望遠鏡標(biāo)定中子注量率實驗設(shè)置示意圖d1——distance between radiator and target;d2——distance between radiator and detectorL1——distance between target and the front end of telescope;L2——distance between radiator and the end of telescopeφ——diameter of the diaphragm of telescopeFig.4 Experiment arrangement for the calibration of neutron fluence density by semi-conductor recoil proton telescope

圖5 長中子計數(shù)器刻度實驗計數(shù)率測量實驗設(shè)置示意圖Fig.5 Experiment arrangement for the count rate measurement of long neutron counter calibration experiment

被刻度的長中子計數(shù)器、含氫正比計數(shù)器和半導(dǎo)體反沖質(zhì)子望遠鏡的測量數(shù)據(jù)均以放置在大廳不同位置上的兩個中子監(jiān)測器(監(jiān)測長中子計數(shù)器)計數(shù)來歸一。

2 實驗結(jié)果

2.1 刻度結(jié)果

用含氫正比計數(shù)器測定了0.220 MeV、0.500 MeV、1.000 MeV和1.403 MeV能量點；用半導(dǎo)體反沖質(zhì)子望遠鏡測定了 3.270 MeV、4.000 MeV和5.000 MeV能量點的中子注量率φ；同時分別測定了各能量點長中子計數(shù)器的計數(shù)率N(凈計數(shù))；依據(jù)式(1)分別計算出長中子計數(shù)器的探測器效率， 計算結(jié)果列于表1，響應(yīng)曲線示于圖6。

表1 BNIF-1長中子計數(shù)器刻度計算結(jié)果Table 1 The calculated results of BNIF-1 long neutron counter caliration

注：1)N300——300角中子監(jiān)測器計數(shù)；2) 修正后探測器效率

圖6 BNIF-1長中子計數(shù)器探測器效率—中子能量響應(yīng)曲線 Fig.6 The response curve of detector efficiency-neutron energy of the BNIF-1 long neutron counter

2.2 誤差分析

(1) 中子注量率φ測量誤差

用含氫正比計數(shù)刻度了0.220 MeV、0.500 MeV、1.000 MeV和1.403 MeV能量點的長中子計數(shù)器的探測器效率。含氫正比計數(shù)器作為中子注量率測定的標(biāo)準(zhǔn)儀器，其導(dǎo)致測量誤差貢獻的因素及各自的誤差貢獻列于表2。

用半導(dǎo)體反沖質(zhì)子望遠鏡刻度了 3.270 MeV、4.000 MeV和5.000 MeV能量點的長中子計數(shù)器的探測器效率。半導(dǎo)體反沖質(zhì)子望遠鏡作為中子注量率測定的標(biāo)準(zhǔn)儀器，其導(dǎo)致測量誤差的貢獻因素與各自的誤差貢獻列于表3。

表2 含氫正比計數(shù)器的誤差Table 2 The error factors from hydrogen contained proportional counter

(2)N測量結(jié)果修正

① 散射修正。由于存在著靶底襯、靶管、水層、空氣對中子的散射，對測量結(jié)果的修正。

② 角分布修正。長中子計數(shù)器對靶點所張立體角約為±5°，而正比計數(shù)器對靶點所張立體角約1°～1°25′；半導(dǎo)體望遠鏡約為2°30′，三者對靶點所張立體對應(yīng)的角分布的差異，對測量結(jié)果進行修正。

表3 半導(dǎo)體反沖質(zhì)子望遠鏡的誤差Table 3 The error factors from semiconductor recoil proton telescope

③ 死時間修正。計數(shù)率很高時導(dǎo)致電子學(xué)線路漏計數(shù)的死時間修正。修正公式：

(2)

式中，N為測量計數(shù)率,s-1；τ為長中子計數(shù)器輸出脈沖寬度，s；Nc為真計數(shù)率,s-1。

④ 空靶修正。D+d反應(yīng)中的加速粒子d，轟擊到靶底襯、加速管道及光闌處時，產(chǎn)生本底中子。本底中子主要由兩部分組成：自成靶中子，即加速d束打在上述材料上，加速束中的d形成的d+d反應(yīng)產(chǎn)生的中子； 與削裂反應(yīng)產(chǎn)生的中子。d與任何金屬都可形成削裂反應(yīng)，而變成中子n，與質(zhì)子p，即 d→p+n反應(yīng)。其反應(yīng)截面與靶物質(zhì)的原子序數(shù)Z成反比，該部分中子能量較低。上述兩部分中子，都有一定的概率被長中子計數(shù)器記錄，而沒被半導(dǎo)體望遠鏡記錄，故也應(yīng)加以修正。修正方法是使用未吸氘D但含有鈦Ti的底襯靶，稱之為“空靶”，在保持D靶及空靶束流相同的條件下，測出待測長中子計數(shù)器計數(shù)，經(jīng)對束流歸一后，從效應(yīng)中扣除。上述①、②、③與④四項修正，皆歸納在最后數(shù)據(jù)中。長中子計數(shù)器測量計數(shù)的誤差為：統(tǒng)計誤差±2%，幾何條件誤差±0.5%，其他項修正±1.5%。

2.3 長中子計數(shù)器探測效率測定總誤差

中子能量En分別為220 keV、500 keV、1.000 MeV、1.403 MeV時的總誤差Δ′=±4.5%；中子能量En分別為3.270 MeV、4.000 MeV、5.000 MeV時的總誤差Δ″=±4.8%。BNIF-1長中子計數(shù)器探測器效率測定結(jié)果列于表4，探測效率符合要求。

表4 BNIF-1長中子計數(shù)器探測器效率Table 4 The detector-efficiency of BNIF-1 long neutron counter

3 結(jié)論

BNIF-1長中子計數(shù)器在0.220 MeV至5.000 MeV能量區(qū)間探測效率為2.881 0×10-4，在±4.8%誤差范圍內(nèi)恒定，基本具備了等探測效率特性。

致謝：本實驗為北京核儀器廠較大型實驗，前后歷時近3年。多位原北京核儀器廠一室同事參與部分工作；中國原子能研究院、清華大學(xué)原200#試驗反應(yīng)堆、及復(fù)旦大學(xué)靜電加速器組等，提供了實驗條件及協(xié)作；黃道榮同志提供了部分實驗記錄，一并致謝。

[1] Hanson A O, Mckibben J L[J]. Phys Rev, 1949, 72: 673.

[2] Власов Н А. Нейтронны[M]. МОСКВА: ТЕХИЗДАТ, 1955.

[3] Allen W D. Neutron Detection[M]. London: George Newnes, 1960.

[4] William J P. Nuclear Radiation Detection[M]. New York: McGRAW-Hill Book Cop, 1958.

[5] McTaggart M H. Atomic Weapons Research Establishment Rep. AWRE-NR/A-1/59[R]. 1960.

[6] 汲長松. 核輻射探測器及其實驗技術(shù)手冊[M]. 第2版. 北京：原子能出版社，2010.

[7] 汲長松. 中子探測[M]. 北京：原子能出版社，2014.

The Calibration of Detector Efficiency of BNIF-1 Long Neutron Counter

JI Chang-song, HUANG Dao-rong, WANG Ting-ting, ZHANG Qing-wei

(ChinaNuclearControlSystemEngineeringCO.LTD,Beijing100176,China)

The long neutron counter is a kind of neutron detection instrument, which detector efficiency is a constant in some determined range of neutron energy, and is not changed in accordance with neutron energy. The current long neutron counter is designed based on Hanson structure and produced by China Beijing Nuclear Instrument Factory. With Hydrogen-contained proportional counter tube and semiconductor telescope methods, the current long neutron counter has been calibrated with electrostatic accelerator neutron source: 220 keV、 500 keV、 1.000 MeV、 1.403 MeV、 3.270 MeV、 4.000 and 5.000 MeV single energy neutron beams. The calibration gives results of detector efficiency: 2.881 0×10-4(1±4.8%) in energy range from 220 keV to 5 000 MeV.

neutron calibration; hanson long neutron counter; detector-efficiency; semiconductor-telescope

10.7538/tws.2015.28.02.0093

2014-04-29;

2014-10-14

汲長松(1939—)，男，山東臨沂人，研究員級高工，實驗中子物理專業(yè)

TL816+，3

A

1000-7512(2015)02-0093-05