試驗8用BF3正比計數(shù)管探測慢中子

1、實驗8用BF3正比計數(shù)管探測慢中子實驗?zāi)康?. 了解BF3正比管探測慢中子的基本原理。2. 學會選取BF3正比管最佳工作點的方法。實驗內(nèi)容1. 用示波器觀察BF3正比管的輸出脈沖波形。2. 測量BF3正比管的坪曲線，并確定管子的工作電壓。3. 測量BF3正比管的偏壓曲線，并確定其偏壓。4. 用多道分析器測BF3正比管探測中子時的脈沖幅度譜。原理BF3正比管內(nèi)充的是三氟化硼氣體，它是用核反應(yīng)方法探測中子的。用BF3氣體探測慢中子所依據(jù)的核反應(yīng)方程式如下：3Li 煒 2.792MeV0n +；0B = <7Li +口2+2.310MeV（ 1）3 Li* +Y + 0.478MeV10B（n

2、,Li反應(yīng)是放熱反應(yīng)，忽略入射中子的能量，反應(yīng)后的反應(yīng)能變成了a粒子和7Li核的動能，BF3正比管就是通過探測10B（n, a）7Li反應(yīng)生成的a粒子和7Li反沖核間接地探測中 子的。10B（n,Li反應(yīng)對熱中子的反應(yīng)截面比較大（3840 ±1巴），而且中子能量小于 30keV時，它的反應(yīng)截面符合“速度反比律”。如圖1所示。BF3正比管是坪寬較長的慢中子探測器，它的特點是探測靈敏度高，抗丫干擾能力比較強。由于快中子可以被含氫物質(zhì)（例如石蠟等）慢化，所以帶有慢化裝置的BF3計數(shù)管，也能用來探測快中子。根據(jù)這個原理制成的一種快中子探測器叫“長中子管”，它的特點是在很寬的中子能量范圍里對快

3、中子響應(yīng)有幾乎不變的靈敏度，工作穩(wěn)定可靠。目前，BF3正比管在慢中子探測和快中子通量測量與監(jiān)測等方面仍有廣泛的應(yīng)用。1. BF3正比管的探測效率BF3正比管記錄 a粒子和7Li核的效率可以認為是 100%。中子探測效率主要決定于 10B（n,口反應(yīng)發(fā)生的幾率。BF3正比管探測中子的效率定義為：和10B發(fā)生反應(yīng)的中子數(shù)與入射到管子靈敏體積內(nèi)的中子數(shù)之比。假定在計數(shù)管靈敏體積內(nèi)種子通量是均勻的，計數(shù)管的有效體積是 V =水21 , r和I分別是管子的半徑和有效長度。根據(jù)定義，垂直入射 到剖面面積為S（S=2rl）的計數(shù)管上的中子的探測效率為：2V n； 二 r I n； 二 rn”_'（2

4、）S©2rl©2式中n是單位體積中10B的原子數(shù)，c是10B反應(yīng)截面。這里的 n可以由管內(nèi)所充氣體壓力 并根據(jù)20C個大氣壓下一克分子 BF3氣體（分子數(shù)為 6.022 >1023個）占有22400cm3體積 計算得到，這時對熱中子的探測效率可以寫為：_4:=2.13 10 apr（3）式中，a是10B的同位素豐度，p是BF3氣體壓力（以 mmHg為單位）。2. BF3正比管探測中子的脈沖幅度譜BF3正比管探測中子時測得的脈沖幅度譜是a粒子和7Li核的能譜，而不是中子能譜。Y射線等低幅度 事件BF3正比管的脈沖幅度譜中反應(yīng)產(chǎn)物全能 峰的分辨率是判斷管子質(zhì)量的重要指標，

5、 通常以譜中相應(yīng)于能量為 2.31MeV峰的 半寬度來表示。（理想的BF3正比管輸出的 脈沖幅度譜形如圖2所示）。如果不考慮電子學儀器等外部因素、 制造工藝及氣體純度方面的問題，影響 BF3正比管脈沖幅度譜形狀的主要因素是 管子的“壁效應(yīng)”（如圖3所示）。£1加的"卜1用比勵出的曲Wm辭郡由于"F改應(yīng)t飽影韋,BF,工比賛的輸出歸沖 隅度攜中出議兩牛連績的“臺階”比較圖2和圖3,我們發(fā)現(xiàn)，圖 中2.31MeV的反應(yīng)產(chǎn)物全能峰左邊有兩 個連續(xù)的“臺階”，臺階的起點分別為 0.84MeV和1.47MeV。這兩個臺階就 是由管子的“壁效應(yīng)”引起的。當入 射中子能量很低時

6、，按反應(yīng)動力學的 原理，反應(yīng)生成的a粒子和7Li核應(yīng)在 一直線上并反向運動，但在離管壁很 近的地方產(chǎn)生的 a粒子（1.47MeV ） 和7Li核（0.84MeV ）沒有把全部能量 都耗盡在BF3氣體里，而是把它們當 中的一個粒子的部分以至全部能量交 給了管壁，這就是所謂的 BF3正比管 的“壁效應(yīng)”。加大管子的直徑，改進 管子的機械結(jié)構(gòu)，可以減小“壁效應(yīng)” 的影響但理論和實踐都證明，BF3正比管的“壁效應(yīng)”是不能完全消除的。3. BF3正比管坪曲線和偏壓曲線測量BF3正比管坪曲線和偏壓曲線是為了確定管子的工作點。BF3正比管坪曲線的形狀和測量方法和G-M計數(shù)管相類似，只是BF3計數(shù)管的坪曲線隨

7、甄別閾的選取有較大變化。在我們適當選取甄別閾以后，由于丫脈沖、電子學儀器的噪聲等小幅度事件的脈沖幅度低于選定的閾值，當高壓在一定范圍里變化時，測量系統(tǒng)測得的計數(shù)率基本不變，高壓的這個變化范圍就是BF3正比管的坪區(qū)。BF3正比管的坪長和坪斜是管子性能的重要指標，經(jīng)屏蔽并選取合適的甄別閾后，BF3正比管的坪斜小于1%，坪長可達500伏以上坪斜定義為坪斜=n2二山，也二y（% /百伏）n 100式中V1,V2是管子坪區(qū)的起點和終點（單位是伏） ，n1n2是它們相應(yīng)的計數(shù)率，而N' nin=（n 1+ n2）/2,如果在整個坪區(qū)測幾個實驗點，則n二厘 ，這里N是所取實驗點的個數(shù)。N通常管子的工

8、作點選在坪區(qū)的中點。固定高壓后不斷改變單道閾值時測得的積分曲線，習慣上叫做該BF3正比管的偏壓曲線。BF3正比管的偏壓曲線也有平坦的部分，平坦部分越寬管子的性能越好，平坦部分的中 點就是我們要選取的閾值。BF3正比管的偏壓曲線和坪曲線的形狀還與測量系統(tǒng)有關(guān)。國4 一貝國產(chǎn)亠愛型比曾的坪曲線如上所述，。BF3正比管的偏壓和工作高壓都有相當大的可變范圍，單道閾值和高壓在一定范圍里的漂移對計數(shù)率影響不大，所以BF3正比管用于中子通量監(jiān)測是比較可靠的。4 甄別丫射線的能力丫射線幾乎都是伴隨中子存在的，抗丫干擾問題是中子探測器難點之一。BF3正比計數(shù)管抗丫干擾能力是比較強的。丫射線在管壁上打出的快電子只

9、把很小一部分能量消耗在管內(nèi)，形成的脈沖幅度小， 用簡單的幅度甄別就能把 丫脈沖去掉。國產(chǎn)SZJ-2型正比管耐丫強 度的出廠指標是1X 104維倫/秒。在更強的丫場下，丫脈沖的堆積和丫射線輻照使BF3氣體 分子鏈斷裂，丫脈沖幅度大大增加，中子脈沖幅度大大降低，n-丫就無法分辨了。實驗裝置實驗儀器高壓電源FH1016A 3kV1臺BF3計數(shù)管SZJ-21只前置放大器FH1048A1臺線性放大器FH1002A1臺單道分析器FH1008A1臺定標器FH1011A1臺多道分析器FH419G11臺脈沖示波器SBM-101臺石蠟慢化裝置及中子源吊裝裝置1套石蠟慢化裝置及中子源吊裝裝置中子源Am-Be 源 105-106 中子 /4 ns-1個石蠟慢化裝置高壓電源實驗步驟1. 用示波器觀察BF3正比管的輸出脈沖波形，注意脈沖幅度隨高壓的變化并和無源時比較。2. 測不同甄別閾下的坪曲線，選取管子的工作高壓，畫出坪曲線，計算坪長和坪斜，說明 確定高壓的方法。3. 測管子的偏壓曲線，選定管子的偏壓，畫出偏壓曲線，說明確定偏壓的方法。4. 用多道分析器測BF3正比管輸出的脈沖幅度譜，描