文章 李玉芹

【摘 要】基于中國(guó)原子能科學(xué)研究院高壓倍加器開展中子單粒子效應(yīng)模擬試驗(yàn)的中子探測(cè)研究。為了保證單粒子效應(yīng)截面測(cè)量的準(zhǔn)確性，需建立可靠的中子探測(cè)方法。對(duì)國(guó)際上開展中子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)研究的實(shí)驗(yàn)室所采用的中子注量探測(cè)方法進(jìn)行了調(diào)研，比較了這些中子探測(cè)方法以及相應(yīng)探測(cè)器的特點(diǎn)。學(xué)習(xí)BF3和3He正比計(jì)數(shù)器加慢化體探測(cè)中子的方法，驗(yàn)證了這種探測(cè)方法可以為100MeV質(zhì)子回旋加速器的準(zhǔn)單能中子注量測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制提供參考。

【關(guān)鍵詞】中子單粒子效應(yīng);中子探測(cè);正比計(jì)數(shù)器;慢化體

中圖分類號(hào)： O571.54 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）12-0075-001

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.12.035

0 引言

單粒子效應(yīng)不僅發(fā)生于太空環(huán)境中，而且會(huì)發(fā)生于大氣環(huán)境中[1]。大氣中子環(huán)境是由初級(jí)宇宙射線，主要是質(zhì)子和重離子，與地球大氣中的氧、氮等原子發(fā)生核反應(yīng)生成的次級(jí)粒子構(gòu)成的。1992年，A. Taber 和 E. Normand[2]首次證實(shí)了大氣環(huán)境下的中子是可以導(dǎo)致航空電子器件發(fā)生單粒子效應(yīng)。而后越來(lái)越多的證據(jù)表明在臨近空間，大氣中子是導(dǎo)致半導(dǎo)體器件發(fā)生單粒子效應(yīng)（SEE）的主因，并且隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，復(fù)雜航空電子系統(tǒng)中器件的特征尺寸越來(lái)越小，電子系統(tǒng)對(duì)單粒子效應(yīng)的敏感度不斷增加。因此評(píng)估中子單粒子效應(yīng)的危害，開展中子單粒子效應(yīng)研究，對(duì)于近地空間飛行器的安全性和可靠性變得越來(lái)越重要。在中子單粒子效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)研究中，主要是通過(guò)各種中子源對(duì)器件進(jìn)行輻照，從而對(duì)器件進(jìn)行測(cè)試和評(píng)價(jià)[3]。為了保證試驗(yàn)研究中單粒子效應(yīng)截面測(cè)量的準(zhǔn)確性，對(duì)中子束流的探測(cè)就尤為重要，需要建立可靠的中子注量的探測(cè)方法。

1 中子探測(cè)方法

中子通過(guò)與物質(zhì)原子核相互作用發(fā)生核散射或核反應(yīng)產(chǎn)生帶電粒子或γ光子，通過(guò)對(duì)這些產(chǎn)物進(jìn)行探測(cè)從而達(dá)到探測(cè)中子的目的，主要有四種探測(cè)方法[3]：核反沖法、核反應(yīng)法、核裂變法、核活化法。

這四種中子的探測(cè)方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，核反沖法最常用的探測(cè)器是反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡，是絕對(duì)測(cè)量裝置，能夠測(cè)量中子注量和能量，并且能夠直接測(cè)量快中子，測(cè)量精度僅次于伴隨粒子法，可達(dá)到2-5%。但是探測(cè)系統(tǒng)的裝置復(fù)雜龐大，D-T源的準(zhǔn)直器長(zhǎng)度需要60cm，反沖的高能質(zhì)子探測(cè)也較為復(fù)雜。核反應(yīng)法能夠測(cè)量中子注量，常用的探測(cè)器有BF3和3He正比計(jì)數(shù)管，對(duì)熱中子探測(cè)效率高，所以探測(cè)快中子時(shí)需要加上慢化體將快中子慢化。核裂變法常用的探測(cè)器是235U和238U裂變室，可測(cè)量中子注量，抗γ本底和電子學(xué)噪聲能力很強(qiáng)，由于測(cè)量環(huán)境中有能量小于1MeV的散射本底中子存在以及238U鍍層不可避免存在著235U，234U等低能中子裂變截面很大的核素，從而使記錄的快中子數(shù)偏大，故需要用伴隨粒子法、望遠(yuǎn)鏡、活化分析等絕對(duì)測(cè)量裝置進(jìn)行刻度。核活化法使用的是活化片探測(cè)器，能夠?qū)χ凶幼⒘窟M(jìn)行探測(cè)，探測(cè)器體積小，制作簡(jiǎn)單，使用方便，由于照射和測(cè)量分開進(jìn)行，可以不受γ本底的影響，但同時(shí)也無(wú)法實(shí)現(xiàn)束流的在線測(cè)量。

國(guó)際上不同的中子單粒子效應(yīng)輻照試驗(yàn)研究的裝置各運(yùn)用不同進(jìn)行中子的探測(cè)方法，單能中子方面美國(guó)波音輻射效應(yīng)實(shí)驗(yàn)室是用伴隨α粒子探測(cè)對(duì)中子進(jìn)行探測(cè);對(duì)于準(zhǔn)單能中子源，瑞典烏普薩拉大學(xué)韋德貝里實(shí)驗(yàn)室（TSL）使用反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡加電離室和TFBC（thin-film breakdown counter）法，日本大阪大學(xué)核物理研究中心（RCNP）運(yùn)用飛行時(shí)間法加上電離室對(duì)中子進(jìn)行監(jiān)督;白光中子源方面，美國(guó)洛斯阿拉莫斯中子科學(xué)中心（LANSCE）利用飛行時(shí)間法和電離室探測(cè)中子的能量和注量。

由于考慮到在100MeV質(zhì)子回旋加速器的中子探測(cè)設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，我們選用熱中子靈敏探測(cè)器加慢化體的方式對(duì)中子進(jìn)行探測(cè)。然后我們?cè)诟邏罕都悠魃鲜褂肂F3正比計(jì)數(shù)管加慢化體的方式對(duì)中子進(jìn)行探測(cè)試驗(yàn)。

2 14MeV中子探測(cè)試驗(yàn)

2.1 中子源

中國(guó)原子能科學(xué)研究院的高壓倍加器是利用直流電壓串級(jí)發(fā)生器作高壓電源的高壓加速器，加速能量范圍在200-600keV氘離子來(lái)轟擊氚靶，發(fā)生T（d，n）4He反應(yīng)，產(chǎn)生能量約為14MeV的快中子。

2.2 試驗(yàn)布局

整體布局為：將半徑2.5cm的正比計(jì)數(shù)器插入厚度為17cm的聚乙烯慢化體里，正對(duì)束流端口放置于實(shí)驗(yàn)廳支架上，其中聚乙烯作為慢化劑用以減速快中子，慢化體有八個(gè)孔洞作為調(diào)節(jié)孔對(duì)著中子入射方向，用以調(diào)節(jié)探測(cè)效率，防止直射熱中子計(jì)數(shù)效率過(guò)高計(jì)數(shù)管前端加一片鎘片。計(jì)數(shù)管前端距束流端水平距離為1.2m，距地面高1.93m。計(jì)數(shù)器加上高壓，經(jīng)過(guò)前置放大器和主放大器，最后接入測(cè)量廳的多道分析儀中，由PC顯示測(cè)量結(jié)果。

3 探測(cè)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)量可以得到計(jì)數(shù)管脈沖振幅分布情況以及計(jì)數(shù)率，對(duì)于BF3計(jì)數(shù)管，當(dāng)中子進(jìn)入計(jì)數(shù)管后與10B發(fā)生10B（n，a）7Li反應(yīng)，由于計(jì)數(shù)管的壁效應(yīng)，當(dāng)α粒子或7Li核只有一個(gè)被記錄，另一個(gè)能量損耗在管壁內(nèi)，輸出脈沖就會(huì)呈現(xiàn)出二個(gè)臺(tái)階的形狀。在實(shí)驗(yàn) 中γ本底對(duì)中子探測(cè)也會(huì)有所影響，只要選擇合適的時(shí)間常數(shù)和甄別閾，就可以有效地去除γ本底。

BF3計(jì)數(shù)管探測(cè)中子的效率為和10B發(fā)生反應(yīng)的中子數(shù)與入射中子數(shù)之比[5]：由計(jì)算公式[5]可以得到BF3計(jì)數(shù)管的探測(cè)效率為0.194，我們?cè)诙嗟乐凶x取到探測(cè)器單位時(shí)間的計(jì)數(shù)率為271.67，則所測(cè)得的中子注量率為1.21E+6（n/sr/s）。然后根據(jù)伴隨α粒子法標(biāo)定結(jié)果，計(jì)數(shù)管探測(cè)效率為4.9E-4，得中子注量率1.07E+6（n/sr/s）。測(cè)量值與標(biāo)定值相比較，相對(duì)誤差約為0.13，符合較好。

不同材料和厚度的慢化體對(duì)不同能量的中子的響應(yīng)函數(shù)圖[6]中我們可以看到在20MeV以下的時(shí)候，純聚乙烯作為慢化體仍能發(fā)生較好的較好響應(yīng)函數(shù)，但對(duì)于更高能量的中子，我們需要利用輔助材料金屬如Cu、Pb等，與中子發(fā)生（n，xn）反應(yīng)，從而提高中子響應(yīng)。所以對(duì)100MeV質(zhì)子回旋加速器上的中子進(jìn)行測(cè)量時(shí)，在熱中子靈敏探測(cè)器外要選取合適的聚乙烯和金屬輔助材料組合的慢化體。由于不同厚度不同材料的慢化體對(duì)不同能量中子的響應(yīng)函數(shù)不同，需要對(duì)慢化體進(jìn)行設(shè)計(jì)使得探測(cè)器對(duì)于在地面模擬試驗(yàn)中常用中子能量能夠有著較好的響應(yīng)。

4 總結(jié)

學(xué)習(xí)和驗(yàn)證了快中子經(jīng)慢化體慢化后由探測(cè)熱中子效率高的探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)的可行性，改變慢化體的材料和厚度，可以將這種方法應(yīng)用到更高能量中子的探測(cè)中去，這種中子探測(cè)的方法裝置相對(duì)較簡(jiǎn)單，整體設(shè)計(jì)相對(duì)于反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡來(lái)說(shuō)更為方便，能夠?yàn)橹袊?guó)原子能科學(xué)研究院100MeV質(zhì)子回旋加速器中子單粒子效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)的中子探測(cè)系統(tǒng)的建立提供參考。

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