简易中子探测装置的搭建与性能测试

警告：本人非核电子学相关从业人员，实验所采用的设备性能有限且无法达到专业实验室的水准，所述内容仅供参考；放射源与高压电对人体有害，不当的使用可能造成严重后果，笔者反对任何与自身水平不符的盲目模仿行为，请读者自负因模仿造成可能的不良后果。

1、中子辐射的性质

  中子是构成原子核的基本粒子之一，当中子被核力约束于原子核内时它是稳定的，但当原子核被其他粒子轰击后经历一个核反应过程，如（He³,n)(α,n)(p,n)等反应时，释放出带有一定能量的自由中子即为中子辐射。与α、β、γ射线不同的是中子本身不具有电性且本身不会引起物质电离，但由于它可被其他核俘获引发后续核反应或由弹性碰撞产生反冲核而引发次级电离，故中子辐射仍被归类为电离辐射。
  中子被原子核俘获的概率可以用中子俘获截面（Neutron capture cross section）表示，对于一个确定的原子核而言这一数据并非定值而是一个与中子能量相关的函数，一般而言中子能量越大俘获截面越小；大部分原子核的截面曲线在高能段存在一个突变的区间，这个区间被称为共振吸收区。下图展示了¹¹B的（n,γ)截面,在1E+4~1E+7eV范围内可见共振吸收。数据来源：INDC^[1]

  中子辐射属于高LET辐射，这意味着它的电离作用强、对人体组织的危害大，相同通量、能量的γ与中子照射人体时中子引起的剂量沉积将远高于γ光子，故涉及中子辐射的实验都应尽可能慎重进行。而测量中子辐射剂量就需要用到中子探测器。

2、中子探测器分类
   既然中子本身不带电，那么要想对中子辐射进行探测，必须从它能够引发的反应考虑；以下列出常用的中子探测方法及对应探测器实例
核反应法：He3、B10正比计数器、6Li闪烁体、瞬发γ探测器、瞬发γ探测器、自给能探测器
核反冲法：塑料闪烁体、反冲质子探测器
核裂变法：裂变室
活化法：基于锰浴法的中子源活度测量技术^[2]

本文中将使用基于核反应法的正比计数器进行实验，故将对正比计数器探测中子的原理进行讲解。

3、正比计数器的原理及特性

  正比计数器是一种工作在正比区的气体放电探测器，其结构为一根中心带有电极丝的充气金属管，带电粒子进入正比计数管的灵敏区后电离管内气体，产生的离子在电场作用下向阳极丝漂移，到达一定场强处时会引发雪崩放电。在雪崩放电过程中发生离子倍增，其总电荷正比于入射粒子在管内（全耗尽）产生离子的能量，这部分离子被阳极丝收集形成电脉冲信号。

  在第一节中已经提到中子本身是不带电的，入射中子无法在正比计数管内直接电离出离子，因此作为中子探测器的正比计数管只有通过添加能够俘获离子并发生核反应释放带电粒子的物质如³He ¹⁰B等核素才能产生放电计数。对于添加¹⁰B的计数管，又可分为涂硼计数管与¹⁰BF3计数管，前者将硼粉涂布于计数管内壁并充以Ar/CH4作为工作气体，后者在计数管内充装¹⁰BF3作为工作气体；应当注意的是此类探测器使用的硼均为¹⁰B同位素丰度90%以上的富集硼。

（1）³He正比计数器的原理以及特性
  ³He计数管基于核反应过程³He+n→p+³H+0.765MeV进行探测，产物中的质子与氚离子带电，能够在计数管灵敏体积内引发放电计数。

  一般正比计数管输出脉冲幅度正比于入射粒子能量，但在中子正比计数管中这一规律并不一定成立；³He的反应截面决定了它无法有效测量大部分高能中子，若想获得较高灵敏度必须对高能中子减速为热中子后进行测量，经过减速后幅度谱中体现的是减速后的热中子能谱。若不对快中子进行减速而直接测量，那么³He探测器的测量上限在1.3MeV左右，从反应方程中可知，中子能量E_n=E_pE_T-0.765MeV,也就是说只有使反应产生的质子以及氚核能量完全沉积于灵敏区内才可测得入射中子能谱，然由于计数管壁效应以及管内介质气压的影响使得这一测量难以实现。 此外， He3的热中子截面较大（5040b）但中子信号的脉冲幅度较小导致n-γ信号甄别能力较差。一般适用于弱γ场中的中子通量测量，下图展示了³He中子计数器的脉冲幅度分布谱：

（2）B10正比计数器的特性
  B10正比计数器基于¹⁰B+n→⁷Li+α+2.792MeV这一过程进行探测，由于反应存在瞬发γ，故部分能量转化为光子，这部分能量无法在正比计数管中转化，涂硼计数管由于灵敏体积有限导致灵敏度较差，而BF3计数管由于其填充的气体存在卤素，卤素的电子俘获效应对离子收集不利，无法通过增大体积、提高充气压力进一步优化灵敏度，由于这一原因故市售BF₃计数管内部通常为负压，因此当计数管由于外力导致破损时，不必过度担心BF₃的毒性。
  同样地，基于与He3计数管相似的原因，B10正比计数管也无法直接测量高能中子能谱。但B10计数管的脉冲幅度大、n-γ甄别能力强，故可用于强γ本底下的中子测量。相较He3计数管由于B10截面相对较小（3837b）故灵敏度较差。
  现今已有被称为稻草管的高灵敏度涂硼计数管，在不使用卤素介质的同时增加涂硼面积从而提高整体的灵敏度，相比He3计数管更加经济。 下图展示了BF3中子计数管的脉冲幅度分布谱：

4、正比计数器的使用

  对于不同能量中子的测量，需要选取不同厚度、材质的中子减速体，对于剂量学应用则应对慢化吸收体进行合理的结构设计，这些都将是影响探测器精度、灵敏度的关键因素。

  虽然正比计数器中存在电荷倍增的过程，但其输出脉冲幅度仍然较小，需要在前端安装一电荷放大器对脉冲信号放大后进行测量分析，同时偏压电阻R的选取也相当重要。R的阻值要参考CSA以及高压电源的阻抗进行选取，过大的电阻会影响高计数率下偏压的稳定性也将增加输出信号的热噪声，过小又会导致CSA拾取的信号幅度降低。这一电阻与隔直电容组成的RC回路也将影响探测器的时间特性，隔直电容也要合理选择以避免机械振动使电容产生较为严重的压电效应而影响输出信号的稳定性。

下图展示了基于正比计数管的中子探测系统的基本组成

5、搭建一套简单的中子测量系统

所需实验仪器

  首先，搭建整个中子探测系统需要一只中子探测器，本文使用了一支带有自制慢化体的BF3正比计数器作为探测元件，在组装后已送交进行灵敏度标定。

Tips：漫化体可使用聚乙烯塑料管作为外壳，内部填充融化的石蜡即可，具体厚度与是否掺硼视用途而定。

为了保证系统的信噪比，接下来还需要前置CSA与高压电源，本文中使用了一台经过改装（加装偏压输入）的CSA NIM插件。

  对于不同的应用则需要不同的信号处理设备，单纯的计数可以用一台带有SCA的率表进行，若测量脉冲幅度谱则需要一台多道分析器。本文采用示波器(HP54512B）与通用计数器（HP5316B）分析脉冲信号的时间常数、幅度与计数率。

将探测器、高压电源、示波器与NIM模块连接，开启高压电源并缓慢调节电压旋钮至探测器的标称工作电压，调节示波器触发模式为下降沿触发，触发源为本通道，触发边沿调节至本底小脉冲不可见时，调节通用计数器的灵敏度旋钮至通道1计数指示灯与示波器触发脉冲同步，闸门时间15s。

  此时记录探头的本底数据为0.67cps，将检查源放置于探头一侧，显示模式由single切换至infinite，观察累计的脉冲的幅度分布；开启测量选项并打开均值，测得脉宽τ≈78us

至此探测系统已能正常工作，后续可将通用计数器替换为ESM的数字化率表或多道飞行器进行中子剂量率的持续监测与幅度分布谱的测量。

6.思考与改进

  由于本探测系统使用现有仪器设备进行临时组装，故在便携性及易用性上存在诸多缺点，在未来可将自制前置放大器并将其集成于探头内部，改进数据采集装置使其便携化从而搭建一台便携式的中子探测设备。

7.参考资料

[1] 附件：中子俘获截面数据（INDC）

Atlas_of_Neutron_Capture_cross_sections.pdf 5.07MB PDF 79次下载 预览 [2] 附件：Precise measurement of the gamma to neutron ratio of an Am-α-Be neutron source using an improved manganese bath technique

kamboj1986.pdf 206.80KB PDF 46次下载 预览