中子探測器工作原理

中子探測器工作原理概述

工作原理 中子是一種不帶電的粒子。中子探測器的工作原理是:中子與某種核產(chǎn)生反應(yīng)時(shí)放出帶電粒子，帶電粒子在氣體中運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生氣體電離，通過測量氣體電離量來確定中子注量率水平。例如，中子與B的(n，α)反應(yīng)，放出α粒子;或中子與235U反應(yīng)生成裂變碎片。圖1示出氣體電離的工作機(jī)理，曲線表示兩電極間氣體在受到射線電離后，在電極上收集到的離子數(shù)與電極間電壓的關(guān)系。其中Ⅰ區(qū)表示生成的離子在被電極收集到以前，就部分復(fù)合了。隨著電壓的升高，離子重新復(fù)合的概率越來越低。Ⅱ區(qū)表示所產(chǎn)生的離子全部被電極收集到，稱飽和電離電流區(qū)。在一個(gè)相當(dāng)寬的電壓變化范圍內(nèi)，收集到的離子數(shù)僅與射線密度成正比而基本上與電壓無關(guān)，即出現(xiàn)一個(gè)"坪"。電離室就工作在這個(gè)"坪"的范圍內(nèi)。電壓繼續(xù)加大，在電極附近形成相當(dāng)大的電場強(qiáng)度，離子在向電極運(yùn)動(dòng)時(shí)，在電場中獲得比較大的能量，引起氣體二次電離，形成氣體放電。如Ⅲ區(qū)，這時(shí)輸出脈沖仍保持與原始總電離量成正比，稱比例計(jì)數(shù)區(qū)?；谶@一特性的探測器稱正比計(jì)數(shù)管。Ⅳ區(qū)系有限正比區(qū)。Ⅴ區(qū)氣體呈雪崩式電離，放大倍數(shù)很大，以致輸出脈沖與原始總電離量無關(guān)。每次電離，即每個(gè)脈沖，電極收集到的離子數(shù)是一個(gè)常數(shù)。利用這個(gè)特性做出的探測器稱蓋格彌勒計(jì)數(shù)管。Ⅵ區(qū)是連續(xù)放電區(qū)。

電離室 電離室大多系圓柱式平行電極，封裝在金屬盒或外殼內(nèi)，接合處通過絕緣設(shè)計(jì)，使漏電為最小。電極與盒之間的典型電阻高達(dá)10Ω的量級或更高。如果預(yù)計(jì)信號水平很低，為了絕緣可以使用屏蔽結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是由圍繞每一根導(dǎo)線的絕緣的屏蔽環(huán)或圓筒所組成。屏蔽環(huán)保持與相應(yīng)的電極等電位。電極的設(shè)計(jì)和裝配必須使電離室的靈敏區(qū)內(nèi)有均勻的電場。可以使用輔助電極，幫助達(dá)到電場的均勻性。

(1)硼電離室:用以測量熱中子。在電離室中充以BF3的氣體，或?qū)⑴鹜吭诟麟姌O上。在后者的情況下，容器內(nèi)所充的氣體一般為氫氣。容器和電極均由純鋁制成。經(jīng)中子照射后，中子和硼發(fā)生(n，α)反應(yīng)，產(chǎn)生的α粒子大約具有2.5MeV的能量，它能使氫或BF3電離，而產(chǎn)生電流。電離室的外加電壓約200~500V。電離室的中子靈敏度為10~10A/(n/cm·s)，而γ射線的靈敏度為10~10A/(Sv/h)。電離室的中子靈敏度可以通過下列方法加以調(diào)整:選擇涂有硼的電極的面積，選擇所充氣體的壓力，以及選擇B同位素的濃度。

(2)γ射線補(bǔ)償電離室:硼電離室存在的問題之一是沒有選擇性，它能探測到任何的電離輻射，因此在強(qiáng)γ場下可能產(chǎn)生相當(dāng)大的測量誤差。把電離室分成相等兩部分，一部分對中子及γ射線都靈敏，另一部分只對γ射線起作用，即一部分涂硼，另一部分無硼。設(shè)法使兩電離室中的電流反向流動(dòng)，則所得到的電流就只正比于中子注量率。體積補(bǔ)償不受γ射線能譜和強(qiáng)度變化的影響，其補(bǔ)償度在出廠時(shí)調(diào)整到97%~98%，使用時(shí)不能再調(diào)整。另一個(gè)方法是電壓補(bǔ)償，通過從外面調(diào)整補(bǔ)償電極的電壓，以改變電力線的分布，達(dá)到改變電離室兩部分的有效體積，來調(diào)整γ射線的補(bǔ)償度(稱電壓補(bǔ)償)，使用γ補(bǔ)償?shù)碾婋x室能把量程擴(kuò)展約兩個(gè)量級。補(bǔ)償電離室示于圖2。

(3)長中子電離室:在大型反應(yīng)堆中，為了測量堆芯軸向功率不平衡，使用了長度與堆芯高度相當(dāng)?shù)拈L中子電離室。其內(nèi)部是由上、下兩節(jié)或多節(jié)硼電離室組成，分別與堆芯的上、下兩半部分相對應(yīng)，并在電路上將所測信號加以處理，以測量軸向功率分布。

(4)裂變電離室:在充有氬氣的不銹鋼密閉容器中裝有電極，電極上沉積有鈾，中子與鈾作用生成的裂變碎片，在電離室中產(chǎn)生電離作用。裂變電離室所能測量的最低中子注量率水平受在電離室內(nèi)電極鈾的天然α蛻變所引起的虛假電流的限制。

如果希望對快中子進(jìn)行探測，可使用其他材料，見表。

探測不同能譜中子所添加物質(zhì)的閾能表

計(jì)數(shù)管 當(dāng)中子注量率很小時(shí)，用電離室測量很小的電離電流就會(huì)很困難，由于此種情況下，γ射線及殘余放射性的干擾就變得更為顯著。計(jì)數(shù)管所發(fā)出的是不連續(xù)的脈沖。要求計(jì)數(shù)管對每一電離事件都輸出一個(gè)電流脈沖，它們可以被放大，而且可用適當(dāng)?shù)挠?jì)數(shù)率計(jì)來測量它們的計(jì)數(shù)率。因?yàn)樾盘柺敲}沖，所以"室"的絕緣問題就不是關(guān)鍵性的了，通常要求10Ω以上。脈沖高度主要取決于計(jì)數(shù)管所使用系統(tǒng)的電容和電阻。對于計(jì)數(shù)管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，要使電容為最小，并使電極間的距離，對電離事件的射程來說，是最佳的。為了要區(qū)別開不想要的電離事件，比較簡單的方法是采用脈沖高度甄別。

(1)BF3正比計(jì)數(shù)管:由金屬圓管構(gòu)成一個(gè)電極，沿圓管中心軸懸著一根絕緣細(xì)導(dǎo)線作為另一電極，管內(nèi)充有BF3氣體。中子和B作用放出的α粒子使氣體產(chǎn)生一次電離。在細(xì)導(dǎo)線上加的極化電壓是相當(dāng)高的，約3000V，這樣可以產(chǎn)生二次電離以增加所產(chǎn)生的離子對數(shù)，提高靈敏度。一般每平方厘米每一個(gè)中子可產(chǎn)生3個(gè)計(jì)數(shù)。該計(jì)數(shù)管是常用的脈沖計(jì)數(shù)管中最靈敏的。由中子所產(chǎn)生的脈沖高度大約為γ射線所產(chǎn)生的脈沖高度的100倍，所以通過脈沖高度甄別可減少γ本底的干擾。計(jì)數(shù)管的最大計(jì)數(shù)率為5×10n/s，但其工作環(huán)境的γ射線強(qiáng)度一般要在1Sv/h以下。BF3正比計(jì)數(shù)管可通過提高B的濃縮度來增加靈敏度。圖3示出正比計(jì)數(shù)管的剖面圖。

(2)涂硼正比計(jì)數(shù)管:將固態(tài)的硼涂在計(jì)數(shù)管的管壁上，其殼由鋁制成，殼內(nèi)充有氬氣，中心處裝有細(xì)導(dǎo)線的電極。將它接到高壓電源上，以獲得氣體放電所需較高的電場強(qiáng)度。這種計(jì)數(shù)管壽命比較長，且在高中子注量率輻照后復(fù)原情況也較好。但涂硼層能吸收一些α粒子，影響進(jìn)入填充氣體的α粒子的能量，使輸出脈沖高度出現(xiàn)一些波動(dòng)，因而脈沖高度甄別的效果就比較差一些。

(3)裂變計(jì)數(shù)管:鈾的裂變現(xiàn)象也可應(yīng)用到計(jì)數(shù)管上。在計(jì)數(shù)管電極上涂有鈾，管內(nèi)充以惰性氣體。經(jīng)中子輻照后，鈾裂變產(chǎn)生的碎片能量很高，具有足夠的電離能力，可以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)拿}沖幅度。當(dāng)電容量為100pF時(shí)，脈沖幅度一般在0.1~1mV范圍內(nèi)。鈾的α放射性也會(huì)引起本底計(jì)數(shù)率。這種影響亦可利用脈沖高度甄別加以降低。裂變計(jì)數(shù)管的靈敏度約為單位中子注量率0.2個(gè)計(jì)數(shù)。裂變計(jì)數(shù)管的重要特性是可以在很強(qiáng)的γ射線場(高達(dá)10Sv/h)內(nèi)工作;而且可以設(shè)計(jì)得使它能在高達(dá)900℃的溫度下工作。