CN106680863B - 一种中子管 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种新型中子管和与其配套使用的前置放大器，从而获得一种成本低、易于制作、抗γ射线干扰以及工作寿命长、工作稳定等优点的中子管和具有体积小、工作可靠、信号成形时间短、信噪比高等优点的前置放大器。

Description

一种中子管
技术领域
本发明属于精密仪器设备制造领域，具体涉及一种中子管和前置放大器。
背景技术
中子是非带电子粒子，对其探测要经过中子与物质相互作用产生的次级带电粒子探测来实现。目前对于中子的探测主要有以下四种方法：核反应法、核反冲法、核裂变法和中子活化法。
一、核反应法：中子本身不带电，与原子核不发生库仑作用，因此容易进入原子核，发生核反应。选择可以产生带电粒子的核反应，通过探测带电粒子引起的电离激发信号，实现对中子的探测。这种方法主要用于探测慢中子的强度，个别情况下也可用来测量快中子能谱。目前应用最多的是以下三种核反应：
n + 10B → α + 7Li + 2.792MeV σ=3837±9b
n + 6Li → α + 3T + 4.786MeV σ=940±4b
n + 3He →p + 3T + 0.765MeV σ=5333±7b
中子与其他原子核反应截面一般是几个靶恩，由于上述三种反应截面都很大，常采用这三种核反应来探测中子。目前应用最广泛的是10B（n,α）反应，因为硼-10材料比较容易获得。气态的可选用BF3气体，固态的可选用氧化硼或碳化硼。Li没有合适的气体化合物，使用时只能采用固体材料；其中基于6LiF/ZnS闪烁体和波移光纤结构的大面积位置灵敏型热中子探测器已成为近些年的研究热点。 3He（n,p）是三个反应中反应截面最大的，但是3He在天然同位素中的丰度非常低，大约只有1.4×10-4%，获取十分困难，价格十分昂贵。因此很多实验组都开始研发新型中子探测器来代替基于3He的中子探测器。
二、核反冲法：入射能量为E的中子和原子核发生弹性散射时，中子的运动方向改变，能量也有所减少，中子减少的能量传递给原子核，使原子核以一定速度运动，这个原子核就称为“反冲核”。反冲核作为带电粒子，易于探测，反冲核探测信号与入射中子强度及能量有关。此方法主要用来探测快中子，主要是利用富含氢材料中的质子反冲进行探测。
三、核裂变法：中子与重核作用可以发生裂变，裂变法就是通过记录重核裂变碎片来探测中子的方法。对于热中子、慢中子，总是选用235U、239Pu、233U做裂变材料。
四、活化法：中子和原子核相互作用时，辐射俘获是主要的作用过程。中子很容易进入原子核形成一个处于激发态的复合核，复合核通过发射一个或者几个光子迅速退激回到基态。这种俘获中子放出γ辐射的过程称为“辐射俘获”，用（n，γ）表示。通过测量γ计数，经计算得到中子辐射场强度。
目前中子探测方法应用较多的是中子与3He和BF3气体核反应方法。但是也具有以下不足，前者由于3He气体获取较为困难，因此3He管不仅昂贵，而且目前为国外产品所垄断；后者由于采用气体，密度较低，因而不易做成小尺寸，且探测效率较低，同时BF3是一种有毒物质，制作工艺要求特殊，难度加大，对探测的安全性构成威胁。
发明内容
本发明为解决现有技术的上述不足，提供了一种新型中子管和与其配套使用的前置放大器，从而获得一种成本低、易于制作、抗γ射线干扰以及工作寿命长、工作稳定等优点的中子管和具有体积小、工作可靠、信号成形时间短、信噪比高等优点的前置放大器。
中子管技术方案如下：一种中子管，包括管体1、绝缘环2、阳极丝3、上端盖4、绝缘端子5、阴极6、阳极7、碳化硼涂层8，
管体1为中空的圆柱形管，内壁涂有厚度为1μm～6μm的碳化硼涂层8，所述管体1的一端使用绝缘环2密封，另一端使用上端盖4密封，并且所述上端盖4的中心处制有绝缘端子5，阳极7位于所述绝缘端子5上并与上端盖4绝缘，所述上端盖4的外侧制有阴极6，并且所述阴极6与管体1的外壁及上端盖4电导通；
阳极丝3置于管体1内部，其一端固定于所述绝缘环2，另一端固定于绝缘端子5并与所述阳极7焊接电导通；
同时，密封的管体1的空腔内密封有0.1～1个大气压的Ar气和CH4气的混合气体，其中按照体积比Ar气为70%～95%。
上述Ar气和CH4气的混合气体配比和压力可以达到电离信号大及信号稳定的效果。同时，碳化硼涂层8的厚度为1μm～6μm，以达到中子反应截面和离子透射率效果。中子管尺寸是基于实际非均匀性中子场中子通量测量，适合位置灵敏度要求较高、探测面积不很大的中子场通量测量，故本技术方案中的中子管具体尺寸根据实际情况确定。
以上优选技术指标按对效果影响的重要性排序如下：涂硼厚度、混合气体成份及配比和压力、阳极丝直径、管体内径，以上所述达到中子探测效率高、信号幅度较大、信号成形时间短等效果是指以上技术指标的变化对中子管及信号探测性能的影响。
优选，所述碳化硼涂层8中硼-10同位素含量大于90%。
优选，所述碳化硼涂层8的厚度为2μm。
优选，所述碳化硼涂层8使用氧化硼涂层替换。
优选，所述阳极丝3的直径为15μm～50μm，以达到阳极丝附近强电场效果。
优选，所述管体1的内径为10mm～30mm，以达到电场强度和平均自由程目的。
适用于本发明中子管的前置放大器的技术方案如下：
前置放大器为电荷灵敏放大器，包括电荷放大电路、极零相消电路、基线恢复电路，原理图分别参见附图2、3、4，前置放大器原理总图参见附图9。
直流高压电源经保护电阻R3、R6供到中子管阳极丝，交流成分经电阻R3、电容C1接地滤掉；中子管阴极接电阻R11后接地。J1为直流高压输入，J2为脉冲信号输入，J3为低压直流电源输入。J3为独立标准电源，经电容C10、C11、C12、C13、C14和电感L1、L2进行直流滤波，滤掉交流成分，为有源器件进行直流供电。
由中子管阳极丝引出的脉冲信号经隔直电容C6、电阻R9送入电荷放大器。
电荷放大器（见附图2）的运算放大器为AD8065，由直流低压电源经电阻R1、电容C2和电阻R2、电容C3滤波电路供电，同相输入端经电阻R22接地，同相输入端由稳压管D1和电阻R13稳压，脉冲信号经电阻R12送入反相输入端；输出端信号经反馈电路Rf1和Cf1送入反相输入端，经电荷放大器输出的电压信号送入极零相消电路。
电荷放大器的作用是为了将输入的电荷信号经放大形成电压信号输出，输出信号送入极零相消电路。
极零相消电路（见附图3）由变阻器VR1和电容C8并联后经电阻R14接地， 其输入端接电阻R7将信号送入测试点TP1，其输出端接电阻R8将信号送入测试点TP2，输出信号送入基线恢复电路。
极零相消电器是为了将脉冲信号形成的极点进行消除，从而缩短信号成形时间，并降低信号堆积。
基线恢复电路（见附图4）的运算放大器为AD817A，由直流电源经电阻R4、电容C4和电阻R5、电容C5滤波后供电，前级信号经电阻R10送入同相输入端；由变阻器VR2、电阻R16、R17和R23对反馈信号进行分压送入反相输入端，通过电阻R15、R21和改变变阻器VR2的电位对电源分压，改变变阻器VR2的电位可使调节好后的反相输入端电位抵消同相输入端的基线漂移，电容C7、C9对直流电源进行交流滤波。输出端将信号送入测试点P1。
基线恢复电路是为了将电源零点漂移或由电荷累积造成的零点漂移恢复为对地零位。
优选，JP1、JP2、JP3为附加设置，其中，R18、R19、R20、R23为分压保护电阻，JP3为预留设置，拓展增加滤波或者改变时间常数；当跳线JP1、JP2选择为3，4时，工作在电荷灵敏放大器状态下；当跳线JP1、JP2选择为1，2时，工作在电压灵敏放大器状态下。
优选，P2、P3、P4、P5为预留固定孔，通过电阻R24、R25、R26、R27电阻接地，或者通过电容接地是为了通过电磁兼容性实验。
优选，GND1为预留固定孔，共四个，分布在线路板四角，以固定线路板，或者将线路板固定于加慢化层的中子管上。
由中子管引出的脉冲信号经前置放大器后形成电压脉冲信号输出，包含了幅度信息和时间信息。
对本发明的中子管与前置放大器测试表明：信号幅度约为0.6V，信噪比约为200:1，最大容许计数率大于2×106个/秒，抗γ干扰能力很强。
附图说明
图1为一种中子管的结构示意图。
如图1所示，1为管体，2为绝缘环，3为阳极丝，4为上端盖，5为绝缘端子，6为阴极，7为阳极，8为碳化硼涂层。
图2为电荷放大器原理图；
图3为极零相消电路原理图；
图4为基线恢复电路原理图；
图5为中子管坪曲线图；
图6为高压750V时测得的中子信号图；
图7为高压1600V时测得的γ信号图；
图8为中子探测效率与碳化硼厚度关系图；
图9为前置放大器原理总图。
具体实施方式
实施例1
一种中子管，如图1所示，包括管体1、绝缘环2、阳极丝3、上端盖4、绝缘端子5、阴极6、阳极7、碳化硼涂层8，
其中，管体1为Φ24mm×200mm的301不锈钢管，壁厚2mm，并且其内壁涂有0.6mg/cm2厚的硼-10同位素含量为95%的碳化硼涂层8，相当于厚度为2μm的碳化硼涂层8；
其中，所述管体1的一端使用绝缘环2密封，另一端使用上端盖4密封，并且所述上端盖4的中心处制有绝缘端子5，阳极7位于所述绝缘端子5上，所述上端盖的外侧制有阴极6，并且所述阴极6与管体1的外壁及上端盖4电导通；阳极丝3为镀金钨丝，直径为25μm，所述阳极丝3一端固定于所述绝缘环2，所述阳极丝3的另一端固定于绝缘端子5并与所述阳极7焊接电导通；
密封的管体1的空腔内充入0.3个大气压的Ar气和CH4气的混合气体，并且Ar气与CH4气的体积比为9:1。
该实例中用于该中子管的前置放大器为电荷灵敏放大器，包括电荷放大电路、极零相消电路、基线恢复电路，原理如附图2、3、4所示，前置放大器原理总图见附图9。
直流高压电源经保护电阻R3、R6供到中子管阳极丝，交流成分经电阻R3、电容C1接地滤掉；中子管阴极接电阻R11后接地。J1为直流高压输入，J2为脉冲信号输入，J3为低压直流电源输入。J3为独立标准电源，经电容C10、C11、C12、C13、C14和电感L1、L2进行直流滤波，滤掉交流成分，为有源器件进行直流供电。
由中子管阳极丝引出的脉冲信号经隔直电容C6、电阻R9送入电荷放大器。
电荷放大器（见附图2）的运算放大器为AD8065，由直流低压电源经电阻R1、电容C2和电阻R2、电容C3滤波电路供电，同相输入端经电阻R22接地，同相输入端由稳压管D1和电阻R13稳压，脉冲信号经电阻R12送入反相输入端；输出端信号经反馈电路Rf1和Cf1送入反相输入端，经电荷放大器输出的电压信号送入极零相消电路。
电荷放大器的作用是为了将输入的电荷信号经放大形成电压信号输出，输出信号送入极零相消电路。
极零相消电路（见附图3）由变阻器VR1和电容C8并联后经电阻R14接地， 其输入端接电阻R7将信号送入测试点TP1，其输出端接电阻R8将信号送入测试点TP2，输出信号送入基线恢复电路。
极零相消电器是为了将脉冲信号形成的极点进行消除，从而缩短信号成形时间，并降低信号堆积。
基线恢复电路（见附图4）的运算放大器为AD817A，由直流电源经电阻R4、电容C4和电阻R5、电容C5滤波后供电，前级信号经电阻R10送入同相输入端；由变阻器VR2、电阻R16、R17和R23对反馈信号进行分压送入反相输入端，通过电阻R15、R21和改变变阻器VR2的电位对电源分压，改变变阻器VR2的电位可使调节好后的反相输入端电位抵消同相输入端的基线漂移，电容C7、C9对直流电源进行交流滤波。输出端将信号送入测试点P1。
基线恢复电路是为了将电源零点漂移或由电荷累积造成的零点漂移恢复为对地零位。
JP1、JP2、JP3为附加设置，其中，R18、R19、R20、R23为分压保护电阻，JP3为预留设置，拓展增加滤波或者改变时间常数；当跳线JP1、JP2选择为3，4时，工作在电荷灵敏放大器状态下；当跳线JP1、JP2选择为1，2时，工作在电压灵敏放大器状态下。
P2、P3、P4、P5为预留固定孔，通过电阻R24、R25、R26、R27（0Ω）电阻接地，或者通过电容接地是为了通过电磁兼容性实验。
GND1为预留固定孔，共四个，分布在线路板四角，以固定线路板，或者将线路板固定于加慢化层的中子管上。
由中子管引出的脉冲信号经前置放大器后形成电压脉冲信号输出，包含了幅度信息和时间信息。
碳化硼（10B同位素丰度大于90%）涂层最佳厚度确定，如图8所示。
经理论计算得到不同碳化硼厚度时中子的探测效率，从附图8中可以发现涂层厚度在1～8μm范围探测效率有一个峰值，极大值位于4μm附近；由于现在还没有合适的工艺用作纯硼电镀，而是使用其化合物，如氧化硼或碳化硼。本例中采用碳化硼，碳化硼厚度在2～6μm范围内探测效率较高，但是碳化硼涂层8相对厚时，带电粒子的电离能力由于碰撞能损而有所下降，使得信号不易分辨出来。故在考虑次级带电粒子能损和探测效率关系后，选择最佳碳化硼涂层8厚度为2μm，相当于0.6mg/cm2，由此计算中子探测效率约为14%。
气体放大倍数实现。
热中子穿过管壁与内壁涂层中的硼10反应，产生7Li和α离子，从涂层中出射的离子与工作气体发生碰撞，电离出电子—正离子对。在电场作用下，电子向阳极丝附近漂移，正离子向阴极管壁漂移；电子在阳极丝表面几个纳米附近强电场作用下形成雪崩电离，产生更多的正负离子对，从而将初始电离信号放大。已知阳极丝直径b、管子内径a、气体压力P（KPa）、气体性质（ΔV）和所加阴阳极电压V，可以通过以下公式计算得到气体放大倍数M：
Figure 223365DEST_PATH_IMAGE001
25μm的镀金钨丝，中子管内径为20mm，0.3个大气压的Ar气和CH4气的混合气体，其中Ar气占90%和CH4气体占10%（ΔV=2.28），然后可计算出气体放大倍数M在高压850V时为1694；实际阳极丝电压工作点要由坪曲线测量后选定，一般选取坪曲线坪斜较小、放大倍数较稳定的电压区间中部位置。
电荷放大器的信号实现。
计算得到电荷放大器输出信号与输入信号的关系为
Figure 842565DEST_PATH_IMAGE002
，时间常 数，以Rf1=10KΩ,Cf1=10pf计算得到转换增益为10伏/皮库伦。
极零相消实现。
通过调节VR2，使得电荷放大器送来的信号下冲消除，通过极零相消电路网络后的输出信号为：
Figure 844019DEST_PATH_IMAGE003
，其中
Figure 839657DEST_PATH_IMAGE004
可见，其输出幅值不变，时间常数由，减小时间常数只要改变τ2即可，上升时间一般为纳秒量级，故将R14定为100kΩ。
中子管坪曲线测量。
利用制作的前置放大器在Am-Be中子辐射场中测量中子管的坪曲线。使用GW1016智能定标器对其进行计数测量，设置甄别阈为0.2V，计数时间为30s，采集计数，得到的坪曲线如附图5所示，从而确定该探测器的阳极丝工作电压为750V。
中子管使用时，将中子管和前置放大器一起置入中子测量场中，外部实施屏蔽。将直流高压缓慢升高至工作点电压加到中子管，低压直流电源为前置放大器供电。将输出脉冲信号输入定标器进行中子计数或计数率测量；若将输出信号经甄别器甄别后送单道脉冲幅度分析器，并连接服务器，还可进行数据记录。
中子探测信号的测量。
中子探测信号如附图6所示，探测的中子信号幅值大于600mV，上升时间小于100ns，脉冲时间小于500ns，跟据脉冲宽度可以计算出其最大计数率为2×106，信噪比约为200:1。
抗γ干扰能力。
γ信号测量如附图7所示，高压加到1600V时测量到的γ信号幅度约为100mV,在1200V以下测不到稳定的γ信号。
因此，将甄别阈设为200mV就足以将γ信号甄别掉。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。
为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (4)

1.一种中子管用前置放大器，其特征在于，包括电荷放大电路、极零相消电路、基线恢复电路；其中，J1为直流高压输入，J2为脉冲信号输入，J3为低压直流电源输入；J3经电容C10、C11、C12、C13、C14和电感L1、L2进行直流滤波，滤掉交流成分，为有源器件进行直流供电；直流高压电源经保护电阻R3、R6供到中子管阳极丝，交流成分经电阻R3、电容C1接地滤掉；中子管阴极接电阻R11后接地，然后由中子管阳极丝引出的脉冲信号经隔直电容C6、电阻R9送入电荷放大器；
电荷放大器的运算放大器为AD8065，由直流低压电源经电阻R1、电容C2和电阻R2、电容C3滤波电路供电，同相输入端经电阻R22接地，同相输入端由稳压管D1和电阻R13稳压，脉冲信号经电阻R12送入反相输入端；输出端信号经反馈电路Rf1和Cf1送入反相输入端，经电荷放大器输出的电压信号送入极零相消电路；
极零相消电路由变阻器VR1和电容C8并联后经电阻R14接地，其输入端接电阻R7将信号送入测试点TP1，其输出端接电阻R8将信号送入测试点TP2，输出信号送入基线恢复电路；
基线恢复电路的运算放大器为AD817A，由直流电源经电阻R4、电容C4和电阻R5、电容C5滤波后供电，前级信号经电阻R10送入同相输入端；由变阻器VR2、电阻R16、R17和R23对反馈信号进行分压送入反相输入端，通过电阻R15、R21和改变变阻器VR2的电位对电源分压，改变变阻器VR2的电位可使调节好后的反相输入端电位抵消同相输入端的基线漂移，电容C7、C9对直流电源进行交流滤波，输出端将信号送入测试点P1。
2.根据权利要求1所述的一种中子管用前置放大器，其特征在于，JP1、JP2、JP3为附加设置，其中，R18、R19、R20、R23为分压保护电阻，JP3为预留设置，拓展增加滤波或者改变时间常数；当跳线JP1、JP2选择为3，4时，工作在电荷灵敏放大器状态下；当跳线JP1、JP2选择为1，2时，工作在电压灵敏放大器状态下。
3.根据权利要求1所述的一种中子管用前置放大器，其特征在于，P2、P3、P4、P5为预留固定孔。
4.根据权利要求1所述的一种中子管用前置放大器，其特征在于，GND1为预留固定孔，共四个，分布在线路板四角。
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