BNIF-1长中子计数器探测效率的刻度

汲长松，黄道荣，王婷婷，张庆威

(中核控制系统工程有限公司，北京 100176)

BNIF-1长中子计数器探测效率的刻度

汲长松，黄道荣，王婷婷，张庆威

(中核控制系统工程有限公司，北京 100176)

长中子计数器是在一定的中子能量范围内，中子探测器效率恒定，不随中子能量变化的一种中子探测装置。本工作的长中子计数器为Hanson结构。采用含氢正比计数器与半导体望远镜法，用静电加速器中子源分别为220 keV、500 keV、1.000 MeV、1.403 MeV、3.270 MeV、4.000 MeV与5.000 MeV单能中子束，对本单位制作的BNIF-1长中子计数器进行了刻度。刻度结果表明，在220 keV～5.000 MeV区间，中子探测器效率为2.8810×10-4(1±4.8%)。

中子；汉桑长中子计数器；探测器效率；半导体望远镜

长中子计数器具有探测效率随中子能量变化缓慢、对γ射线甄别性能高的特点。在实验中子物理领域，长中子计数器作为中子探测装置被广泛用做快中子注量测量的次级标准。汉桑(Hanson ) 和麦吉本(Mckibben)结构的长中子计数器是中子探测器经典设计[1]。不同文献提供的汉桑长计数器的屏蔽材料与结构尺寸略有差异[2-4]，本工作参照汉桑和麦吉本,及文献[5]的设计，制作了类似的长中子计数器。慢化体采用聚乙烯材料，取代原设计中的石蜡慢化介质, 用含碳化硼塑料取代原设计的碳化硼(或硼酸)作为热中子屏蔽层。中子探测器仍用BF3正比计数管。

利用2.5 MeV静电加速器上的7Li(p,n)7Be,T(p,n )3He和D(d,n)3He反应产生的单能中子，在0.22 MeV～5.0 MeV能区对长中子计数器的探测器效率进行了刻度。中子注量用含氢正比计数器及半导体反冲质子望远镜测定。

1 实验方法

1.1 BNIF-1长中子计数器的结构

图1 BNIF-1长中子计数器结构示意图Fig.1 Structural diagram of the BNIF-1 long neutron counter

BNIF-1(原北京核仪器厂1室)长中子计数器的结构和尺寸如图1所示。所用BF3计数管为不锈钢外壳, 外径27 mm,厚0.5 mm,充10B丰度约95%的BF3气体,压力为50 cm汞柱。当工作电压1700 V时,用210Po-α-Be中子源测量的坪宽400 V,每100 V坪斜<1%。BF3计数管抗强γ射线辐照性能良好。图2 示出当长中子计数器用Am-Be中子源照射时测定的BF3计数管输出脉冲幅度分布谱。由图2可见, 该脉冲幅度分布谱显现出明显的“双台阶”壁效应特点，以及对应10B俘获中子的两个反应道的双“峰”脉冲幅度分布[3]，长中子计数器在伴随强γ射线的中子源辐照下，只要选定适当的甄别阈(相当箭头所示的位置)就能够很好地甄别掉γ射线本底。

图2 BF3正比计数管脉冲幅度分布Fig.2 Pulse amplitude distribution of BF3 proportional counter tube

为了检验长中子计数器的可靠性, 周期性地用Am-Be中子源，在固定几何条件下进行测量。连续3个月监测结果表明其长期稳定性相对误差范围为±0.5%。

1.2 长中子计数器探测器效率的刻度原理

长中子计数器探测器效率是长中子计数器的测量计数率N(s-1)，与单位时间射入长中子计数器的中子注量φ(s-1)之比：

(1)。

为计算方便，减小计算中长中子计数器几何形状与尺寸简化造成的误差，实验中取长中子计数器—靶(中子源)距约为120cm。

1.3 中子源

为了刻度0.22 MeV～5.0 MeV能区的长中子计数器的探测器效率, 本工作用静电加速器，7Li(p,n)7Be反应获得0.22 MeV和0.5 MeV的中子；用T(p,n)3He反应获得0.5 MeV，0.9 MeV和1.5 MeV的中子；用D(d,n)3He反应获得3.3 MeV，4.0 MeV和5 MeV的单能中子。除3.3 MeV中子束出射角相对入射氘束方向为60°之外，其他能量中子束的出射角均在0°方向上。所用LiF靶厚约等效于5 keV入射质子的平均射程，底衬为0.1 mm厚的钽片；T-Ti靶厚度约0.2 mg/cm2； D-Ti靶厚度约1.2 mg/cm2，T-Ti与D-Ti靶的底衬均为0.3 mm厚的钼片。靶冷却用压缩空气喷雾。

1.4 射入长中子计数器的中子注量率φ测量

中子注量率的测量采用两种方法， 在0.22 MeV～1.5 MeV能区，用含氢正比计数器； 在0.9 MeV～5.0 MeV能区，用半导体反冲质子望远镜。

含氢正比器和半导体反冲质子望远镜的详细构造及工作原理参见文献[3]。含氢正比计数器安置在距靶100 cm或50 cm处。测散射本底中子时, 在靶与正比计数器之间放置约20 cm长的聚乙烯屏蔽锥，如图3所示。

半导体反冲质子望远镜安置在距靶约15 cm处。在其他条件保持不变时，移去辐射体(聚乙烯薄膜)测量望远镜的本底，如图4所示。当中子能量为0.9 MeV时，为了避免反冲质子能量在空气中的损失, 望远镜系统内抽真空。

1.5 长中子计数器的计数率N测量

测量长中子计数器计数率N的实验设置如图5所示(不含中子屏蔽锥)。图5中的中子屏蔽锥用于长中子计数器的本底测量。屏蔽锥置于源与长中子计数器之间。 锥的顶端距靶7 cm。锥的几何尺寸：顶部直径4 cm，底部直径18.5 cm，锥长约50 cm。锥的结构材料：前端部分为铁，长约15 cm；中间为石蜡，长约30 cm；其余部分为含硼石蜡。

图3 含氢正比计数器标定中子注量率实验装置示意图Fig.3 Experiment arrangement for the calibration of neutron fluence density by hydrogen-contained proportional counter

d1——靶至辐射体距离； d2——辐射体至探测器距离；l1——靶至望远镜前端面距离；l2——端面至辐射体距离； φ——望远镜光阑直径图4 半导体反冲质子望远镜标定中子注量率实验设置示意图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

图5 长中子计数器刻度实验计数率测量实验设置示意图Fig.5 Experiment arrangement for the count rate measurement of long neutron counter calibration experiment

被刻度的长中子计数器、含氢正比计数器和半导体反冲质子望远镜的测量数据均以放置在大厅不同位置上的两个中子监测器(监测长中子计数器)计数来归一。

2 实验结果

2.1 刻度结果

用含氢正比计数器测定了0.220 MeV、0.500 MeV、1.000 MeV和1.403 MeV能量点；用半导体反冲质子望远镜测定了 3.270 MeV、4.000 MeV和5.000 MeV能量点的中子注量率φ；同时分别测定了各能量点长中子计数器的计数率N(净计数)；依据式(1)分别计算出长中子计数器的探测器效率， 计算结果列于表1，响应曲线示于图6。

表1 BNIF-1长中子计数器刻度计算结果Table 1 The calculated results of BNIF-1 long neutron counter caliration

注：1)N300——300角中子监测器计数；2) 修正后探测器效率

图6 BNIF-1长中子计数器探测器效率—中子能量响应曲线 Fig.6 The response curve of detector efficiency-neutron energy of the BNIF-1 long neutron counter

2.2 误差分析

(1) 中子注量率φ测量误差

用含氢正比计数刻度了0.220 MeV、0.500 MeV、1.000 MeV和1.403 MeV能量点的长中子计数器的探测器效率。含氢正比计数器作为中子注量率测定的标准仪器，其导致测量误差贡献的因素及各自的误差贡献列于表2。

用半导体反冲质子望远镜刻度了 3.270 MeV、4.000 MeV和5.000 MeV能量点的长中子计数器的探测器效率。半导体反冲质子望远镜作为中子注量率测定的标准仪器，其导致测量误差的贡献因素与各自的误差贡献列于表3。

表2 含氢正比计数器的误差Table 2 The error factors from hydrogen contained proportional counter

(2)N测量结果修正

① 散射修正。由于存在着靶底衬、靶管、水层、空气对中子的散射，对测量结果的修正。

② 角分布修正。长中子计数器对靶点所张立体角约为±5°，而正比计数器对靶点所张立体角约1°～1°25′；半导体望远镜约为2°30′，三者对靶点所张立体对应的角分布的差异，对测量结果进行修正。

表3 半导体反冲质子望远镜的误差Table 3 The error factors from semiconductor recoil proton telescope

③ 死时间修正。计数率很高时导致电子学线路漏计数的死时间修正。修正公式：

(2)

式中，N为测量计数率,s-1；τ为长中子计数器输出脉冲宽度，s；Nc为真计数率,s-1。

④ 空靶修正。D+d反应中的加速粒子d，轰击到靶底衬、加速管道及光阑处时，产生本底中子。本底中子主要由两部分组成：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反应产生的中子； 与削裂反应产生的中子。d与任何金属都可形成削裂反应，而变成中子n，与质子p，即 d→p+n反应。其反应截面与靶物质的原子序数Z成反比，该部分中子能量较低。上述两部分中子，都有一定的概率被长中子计数器记录，而没被半导体望远镜记录，故也应加以修正。修正方法是使用未吸氘D但含有钛Ti的底衬靶，称之为“空靶”，在保持D靶及空靶束流相同的条件下，测出待测长中子计数器计数，经对束流归一后，从效应中扣除。上述①、②、③与④四项修正，皆归纳在最后数据中。长中子计数器测量计数的误差为：统计误差±2%，几何条件误差±0.5%，其他项修正±1.5%。

2.3 长中子计数器探测效率测定总误差

中子能量En分别为220 keV、500 keV、1.000 MeV、1.403 MeV时的总误差Δ′=±4.5%；中子能量En分别为3.270 MeV、4.000 MeV、5.000 MeV时的总误差Δ″=±4.8%。BNIF-1长中子计数器探测器效率测定结果列于表4，探测效率符合要求。

表4 BNIF-1长中子计数器探测器效率Table 4 The detector-efficiency of BNIF-1 long neutron counter

3 结论

BNIF-1长中子计数器在0.220 MeV至5.000 MeV能量区间探测效率为2.881 0×10-4，在±4.8%误差范围内恒定，基本具备了等探测效率特性。

致谢：本实验为北京核仪器厂较大型实验，前后历时近3年。多位原北京核仪器厂一室同事参与部分工作；中国原子能研究院、清华大学原200#试验反应堆、及复旦大学静电加速器组等，提供了实验条件及协作；黄道荣同志提供了部分实验记录，一并致谢。

[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] 汲长松. 核辐射探测器及其实验技术手册[M]. 第2版. 北京：原子能出版社，2010.

[7] 汲长松. 中子探测[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

汲长松(1939—)，男，山东临沂人，研究员级高工，实验中子物理专业

TL816+，3

A

1000-7512(2015)02-0093-05