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(xué)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： （1）10B(n,)7Li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)能變成了粒子和7Li核的動能，BF3正比管就是通過探測10B(n,

2、)7Li反應(yīng)生成的粒子和7Li反沖核間接地探測中子的。10B(n,)7Li反應(yīng)對熱中子的反應(yīng)截面比較大（384011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。1BF3正比管的探測效率B

3、F3正比管記錄粒子和7Li核的效率可以認(rèn)為是100%。中子探測效率主要決定于10B(n,)7Li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，r和l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： （2）式中n是單位體積中10B的原子數(shù)，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)20一個大氣壓下一克分子BF3氣體（分子數(shù)為6.0221023個）占有22400cm3體積計算得到，這時對熱中子的探測效率可以寫

4、為： （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射線等低幅度事件BF3正比管探測中子時測得的脈沖幅度譜是粒子和7Li核的能譜，而不是中子能譜。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(biāo)，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(xué)儀器等外部因素、制造工藝及氣體純度方面的問題，影響B(tài)F3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）。比較圖2和圖3，我們發(fā)現(xiàn)，圖3中2.31MeV的反應(yīng)產(chǎn)物全能峰左邊有

5、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(dāng)入射中子能量很低時，按反應(yīng)動力學(xué)的原理，反應(yīng)生成的粒子和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(dāng)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(jìn)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。3BF3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

6、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)管的坪曲線隨甄別閾的選取有較大變化。在我們適當(dāng)選取甄別閾以后，由于脈沖、電子學(xué)儀器的噪聲等小幅度事件的脈沖幅度低于選定的閾值，當(dāng)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(biāo)，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(dá)500伏以上坪斜定義為坪斜（/百伏）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=(n1+n2)/2,如果在整個坪區(qū)測幾個實驗點，則，這里N是所取實驗

7、點的個數(shù)。通常管子的工作點選在坪區(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(xí)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)。如上所述，。BF3正比管的偏壓和工作高壓都有相當(dāng)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甄別射線的能力射線幾乎都是伴隨中子存在的，抗干擾問題是中子探測器難點之一。BF3正比計數(shù)管抗干擾能力是比較強的。射線在管壁上打出的快電子只把很小一部分能量消耗在管

8、內(nèi)，形成的脈沖幅度小，用簡單的幅度甄別就能把脈沖去掉。國產(chǎn)SZJ-2型正比管耐強度的出廠指標(biāo)是1104維倫/秒。在更強的場下，脈沖的堆積和射線輻照使BF3氣體分子鏈斷裂，脈沖幅度大大增加，中子脈沖幅度大大降低，n-就無法分辨了。實驗裝置線性放大器單道分析器定 標(biāo) 器多道分析器脈沖示波器高壓電源前放石蠟慢化裝置中子源實驗儀器高壓電源 FH1016A 3kV 1臺BF3計數(shù)管 SZJ-2 1只前置放大器 FH1048A 1臺線性放大器 FH1002A 1臺單道分析器 FH1008A 1臺定標(biāo)器 FH1011A 1臺多道分析器 FH419G1 1臺脈沖示波器 SBM-10 1臺石蠟慢化裝置及中子源吊裝裝置 1套中子源 Am-Be源 105-106中子/4s 1個實驗步驟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，描出譜形并計算分辨率。