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简易中子探测装置的搭建与性能测试
AtomictekOWO2022/05/02原创 整活教程:重造轮子
关键词
中子探测器正比计数器核电子学
Neutron detectorProportional counterNuclear electronics

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]

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  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。

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  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En=EpET-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:

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(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:

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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

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5、搭建一套简单的中子测量系统

所需实验仪器

仪器/配件
型号
参数
备注
NIM机箱
FH0001
12插槽
带有电源
电荷放大器模块
中物院淘汰/型号未知
灵敏度10-11C/V
双输入
示波器
HP54512B
300MHz 1Gsa

计数器/定标器
HP5316B
100MHz

高压电源
GW3011
0-3000V Pos

BF3中子探头
自制
标定灵敏度4.165cps/nv
减速层厚度45mm
连接线缆
BNC、SHV线缆
1m


  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。

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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。

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  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。

1b863fac07885a8ee67136ebeb936d61bb22fc8e.png@942w_1223h_progressive.jpg  

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。

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  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

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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)

attachment icon Atlas_of_Neutron_Capture_cross_sections.pdf 5.07MB PDF 10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

attachment icon kamboj1986.pdf 206.80KB PDF 5次下载 预览



[修改于 5个月0天前 - 2022/05/02 14:53:33]

来自:物理高能技术 / 核技术与核仪器动手实践:实验报导严肃内容:教程/课程
10
 
6
巨大橘子
5个月0天前
1楼

自制牛啊,可以做长计数器了

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虎哥
5个月0天前
2楼

请问正比管也是自己灌装吗,还是用的某种成品。对于本底计数如何理解,因为日常环境中是几乎毫无中子的,固然γ之类可以引起本底计数,但帖中没有看到甄别的过程。

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AtomictekOWO作者
5个月0天前
3楼
引用虎哥发表于2楼的内容
请问正比管也是自己灌装吗,还是用的某种成品。对于本底计数如何理解,因为日常环境中是几乎毫无中子的,固...

  正比管使用的是一只淘到的二手无标记计数管,所以后期做好外壳及慢化体后便送去做了标定,事实上本底环境中的确存在少量本底中子辐射,这部分中子在计数器中数分钟能产生一次计数,但中子计数管很容易受宇宙射线中muon的干扰,这意味着宇宙射线也会引起假计数。至于γ甄别,可以通过调节通用计数器的触发灵敏度来实现,此处通过调高示波器的触发电平来筛选出那些大幅度脉冲,同时调节计数器的触发阈与示波器触发同步来过滤掉本底的γ。通常来说BF3计数管的γ本底相当低,且脉冲幅度也远低于中子和muon所产生的信号。

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虎哥
5个月0天前
4楼

谢谢解答。图片中示波器屏幕上从小到大幅度相差约3倍的一系列脉冲,可以认为都是中子(或宇宙射线)的结果吗,0.67cps的本底应该几乎全是干扰吧。

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RodTech
5个月0天前 修改于 5个月0天前
5楼

大腿和肚子里的水都是良好的慢化体😂

楼主这个应该带不上飞机玩😂

飞机上中子辐射还不小,里面用的是氦3管,不知道对宇宙射线响应如何,在地上一小时都没几个脉冲。。

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不记得有没有发过拆解了

ludlum著名的中子表

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pgn能谱用的二合一li6 Eu闪烁体

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还有bp机半导体剂量仪dmc2000gn里面的中子模块,很奇特

CB3C3A68-A914-4E6A-A02F-F4C4FDE03F02.jpeg

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AtomictekOWO作者
4个月29天前
6楼
引用RodTech发表于5楼的内容
大腿和肚子里的水都是良好的慢化体😂楼主这个应该带不上飞机玩😂飞机上中子辐射还不小,里面用的是氦3...

高空的中子剂量的确会比较高,这是由于高能宇宙射线在大气中引起的强子簇射产生介子并衰变为muon,muon进一步与径迹上的原子作用产生中子,在飞机上验证这一现象的简单方法是用一台带有云母窗的计数器和一张聚乙烯板,观察聚乙烯覆盖端窗前后的计数率差异。

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RodTech
4个月29天前
7楼
引用AtomictekOWO发表于6楼的内容
高空的中子剂量的确会比较高,这是由于高能宇宙射线在大气中引起的强子簇射产生介子并衰变为muon,mu...

云母窗的窗,在高空会从凹的变成凸的,如此反复几次估计也不用要了😂

我还专门买了低氦气压力的he3表,就是为了在飞机上用,充气好像从10bar改成2.5bar

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AtomictekOWO作者
4个月28天前
8楼
引用RodTech发表于7楼的内容
云母窗的窗,在高空会从凹的变成凸的,如此反复几次估计也不用要了😂我还专门买了低氦气压力的he3表,...

  高空下云母窗变形甚至损坏的说法我有所耳闻,曾听说过有人携带云母窗计数器乘坐飞机发生爆管的情况,但实际上这个说法不论是从实践经验还是从数据分析上都不怎么经得起推敲。

首先从个人实践的角度证明:我曾经携带LND712计数管的Gamma scout乘坐B737型客机,计数器全程正常且端窗表面未见异常凸起:

IMG_4070(20211216-204723).jpeg

接下来用数据的角度来进行具体分析,如果G-M计数管的云母窗会凸起那么应该满足一种情况即:客舱气压小于管内气压

GM管的充气压力其实是很容易查到的,有商业GM计数管的气压应为0.1bar[1],例如Philips生产的ZP1200型GM计数管,其充气压力为135mbar[2]

那么客机的气压呢?这里要明确一个问题:虽然现代飞机安装有DCPCS,但其客舱气压并非是恒定不变的。

根据以Boeing 747为例其客舱压力的相关研究[3]指出了飞行时间、飞行高度与客舱气压的相关性数据如下所示:

NMR%XL4HLY9UEV}B{2}`)RK.png O([1RV`[1B}QL]%4VP9A`39.png

根据以上数据可以看出,客舱压力在巡航高度时是最低的,这其中的原因一方面是巡航高度下舱外气压更低导致客舱漏气加剧,另一方面是压力控制为减小机体应力调低客舱压力,进而减小机身内外压差。基于此我们只需要比较各个机型巡航高度下的客舱压力是否低于GM管充气气压就可以得出结论,在此选取常见机型:Boeing 737-300,AirBus a320,Boeing777-300E

根据查得的数据,B737型客机在巡航高度下舱内气压为11-12psi(0.75-0.82bar),B777为100KPa(1bar)Airbus a320机舱气压等效为6000feet(1828.8m)高度下的大气压,换算后即81KPa(0.81bar)——将这些数据与0.1bar进行比较很容易可以发现以上数据均远大于计数管的充气压力,所以正常情况下计数管的端窗是不可能凸起的。

  接下来不妨让我们假设一个极端情况,假设有人带着云母窗计数管乘坐飞机,但是很不幸所乘坐的飞机在巡航高度下发生了客舱失压,这种情况下端窗是否会发生爆裂呢?我们来看一下这几种机型的最大巡航高度:

Airbus a320: 11,900–12,500m, B737: 11887.2-12496.8m, B777: 10668-11887.2m

根据巡航高度的最大值换算成气压我们可以得到以下数据:

Airbus a320:17.74KPa(0.1774bar), B737:17.75KPa(0.1775bar), B777:19.61KPa(0.1961bar)

好吧 看起来气压还是高了点,不足以使计数管窗口膨胀;当然这种情况下可能也没人会在乎计数管的窗会不会破,还是保命要紧。


参考文献:

[1]Arbutina D, VasicMilovanovic A, Nedic T. The influence of the GM tube insulation parameters on the GM  counter characteristics[J]. Vacuum, 2022, 110755(196):1-11.

[2]Meric I, Johansen G A, Holstad M B, etal. Enhancement of the intrinsic gamma-ray stopping efficiency of Geiger–Muller counters[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2012(696):45-54.

[3]KELLY P T, SECCOMBE L M, ROGERS P G, etal. Directly measured cabin pressure conditions during Boeing 747–400  commercial aircraft flights[J]. Respirology, 2007(12):511-515.


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RodTech
4个月28天前
9楼
引用AtomictekOWO发表于8楼的内容
  高空下云母窗变形甚至损坏的说法我有所耳闻,曾听说过有人携带云母窗计数器乘坐飞机发生爆管的情况,但...

712应该不会,7317有人说会鼓起来,44-9探头用的是7311/7317,机理不明确,反正不贵可以试一试。。。


我就不尝试了。。。我焊壳子的时候云母窗起来过,然后虽然能用,但是边缘的遮光漆都裂了。


其实挺耐砸的那个窗口。。。XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/shorts/zqmi3H0sXWY

Capture.jpg


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虎哥
4个月27天前
10楼
引用AtomictekOWO发表于8楼的内容
  高空下云母窗变形甚至损坏的说法我有所耳闻,曾听说过有人携带云母窗计数器乘坐飞机发生爆管的情况,但...

立论的基础是GM管充气压力为0.1bar。但这个数据是靠不住的。

飞机增压情况,我曾用气压计实测过,简直是乱七八糟,一趟飞行中会有多个台阶,最低时可达3000米左右,最高时甚至有增到超过海平面气压的时候。

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