CN111257922B - 一种宽能谱的bf3长中子计数器测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于核技术应用领域，尤其涉及一种宽能谱的BF₃长中子计数器，所述的长中子计数器平均能量响应为3.01cm²，平均相对偏差为6.87％。用MCNP5程序控制模拟计算结果在0.78％的统计误差范围内，模拟了离点源150cm处长中子计数器的相对探测效率：在1KeV～15.2MeV能量范围内为2.05*10^‑3～2.62*10^‑3，平均相对探测效率ε为2.31*10^‑3，平均偏差为6.84％。长中子计数器克服了现有技术中的中子计数器能量下限较高及5MeV以上能量响应急剧下降，能量响应平坦范围不够长等问题，可以满足多数加速器中子源高通量率的监视或放射性同位素中子源的中子注量率标定。

Description

一种宽能谱的BF3长中子计数器测量系统

技术领域

本发明属于核技术应用领域，尤其涉及用一种宽能谱的BF₃长中子计数器测量系统。

背景技术

长中子计数器的中子探测效率随中子能量变化恒定且n、γ甄别性能高，是能测量多个能量量级范围中子注量率的一种简单、可靠、方向性强的中子探测装置，被广泛用于中子注量率测量的次级标准，在中子计量传递方面起着重要作用。

BF₃正比计数管结构基本上和测量γ射线的G-M管一样，BF₃管内充的是BF₃气体，热中子通过¹⁰Be(n,α)⁷Li反应产生α和⁷Li原子核带电粒子并引起电子离子对，再经气体放大输出电信号来进行探测，一般用BF₃或³He正比计数管外包围石蜡或聚乙烯慢化体来构成长中子计数器探测系统。

最经典的长中子计数器源于Hanson、Mckibben和De Pangher等人设计的类型，其描述中，一个长中子计数器是由一个³He或BF₃慢中子探测器在精心设计的慢化体中，从几千电子伏特到几兆电子伏特的能量，灵敏度几乎相同。

国内也对长中子计数器进行了不断的研究和改进，现有的长中子计数器性能较早期有了较大提高。例如：原北京核仪器厂研制出了一种BNIF-1的传统长中子计数器，其结构和尺寸如说明书附图图1所示。在该长中子计数器，所用BF₃计数管为不锈钢外壳，外径27mm，厚0.5mm，充¹⁰B丰度约95％的BF₃气体，压力为50cm汞柱。但是，该传统长中子计数器存在以下问题，例如能量下限较高及5MeV以上能量响应急剧下降，能量响应平坦范围不够长。

14MeV能量的D-T中子场是国际标准组织推荐的参考中子场；中国科学院核能安全技术研究所正在建设的一种高强度中子发生器其产量为10¹³ns^-1；在上述类似的场景中为了检测如此高能量、高强度的中子注量率，需要设计一种具有低灵敏度并在较宽的能量范围内(尤其是高能)具有相对平坦的响应的长中子计数器，改进5MeV以上能量响应急剧下降的问题。

为了优化长中子计数器的几何形状何探测效率，本专利设计采用了蒙特卡洛模拟，开发了一种改进的长中子计数器测量系统，所述的测量系统包括长中子计数器和电子学仪器系统，所述的测量系统中的长中子计数器相较于BNIF-1长中子计数器具有更宽的能量响应范围，且响应功能更平坦。而且因为需要监视高通量率而使长计数器的灵敏度偏小化，即在高能量范围一定误差内有恒定的较低的探测效率。

参考文献

1.汲长松,黄道荣,王婷婷,张庆威.BNIF-1长中子计数器探测效率的刻度[J].同位素,2015,28(02):93-97

2.Hanson A.O.McKibben J.L.A neutron detector having uniformsensitivity from 10 keV to 3 MeV.Phys.Rev.72,673–677(1947).

3.De Pangher J.Nichols L.L.A Precision Long Counter for MeasuringFast Neutron Flux Density.Pacific Northwest Laboratory:Battelle memorialinstitute(1966).

如上述和本发明说明书及权利要求书中通篇所用，除非另行指明，下列术语应被理解为具有下列含义。“前置放大器”指置于信源与放大器级之间的电路或电子设备，是专为接受来自信源的微弱电压信号而设计的。“线性放大器”输出信号幅度与输入信号度成正比的放大器。将输入信号放大到需要功率电平的线性放大器称为线性功率放大器，要求它的非线性失真最小，其互调要在-30dB以上。

“多道分析器”指接受来自辐射探则器的模拟量输出信号，通过模拟数字变换，以直观力一式给出待测核辐射的能量、强度以及半衰期等信息的仪指一般由模拟数字变换器、存储器、控制器、输人和输出装置、显示器等部分组成，现代的多道分析器都以小型在线计算机为核心.一股有4Q95道,8192道和16.184道等类型，Jf}}}实现多参量分析。

发明内容

一种宽能谱的BF₃长中子计数器，所述的长中子计数器由外慢化层3、吸收层4、内慢化层6、计数管7和空气孔道2组成；所述的外慢化层3和吸收层4均呈中空桶状，所述的吸收层4嵌套在外慢化层3内，所述的内慢化层6镶嵌在吸收层4内；所述的计数管7呈中空圆柱状，贯穿设置在外慢化层3、吸收层4和内慢化层6的中心位置；所述的空气孔道2围绕着计数管7设置在内慢化层6上；所述的内慢化层6顶部呈锥形凹槽，空气孔道2设置于锥面上，所述空气孔道2设置数量≥1个；所述的吸收层4内壁紧贴设置有补偿层5，所述的内慢化层6顶部设置有平面状的钆片1；所述的计数管7内设置有电极8。

优选的，所述的外慢化层3和内慢化层6由聚乙烯制成，所述的内慢化层6顶部呈锥形凹槽，锥面的夹角为107°。

优选的，所述的外慢化层3壁宽75mm，底高69mm，总高450mm；内慢化层6壁宽65mm，外侧高375mm，内侧高300mm。

优选的，所述的空气孔道2呈圆柱状，内空，直径为25mm，高70mm，设置数量为8 个。

优选的，所述的吸收层4由B4C制成，宽15mm，高381mm，底高6mm，长65mm。

优选的，所述的补偿层5由铅制成，宽10mm，高375mm。

优选的，所述的内慢化层6顶部设置有平面状的钆片1，厚度为0.5mm。

优选的，所述的计数管7外部直径为27mm，壁宽11.5mm，高300mm，内充BF3气体。

一种宽能谱的BF3长中子计数器测量系统，所述的测量系统包括所述的长中子计数器和电子学仪器系统；

所述的长中子计数器和电子学仪器连接；

所述的长中子计数器是将探测到的中子信号转换成脉冲电压信号，并将电压信号传送到电子学仪器系统；

所述的电子学仪器系统是将从长中子计数器传递的脉冲电压信号经过放大、阈值甄别、最后记录的脉冲电压数目就是长中子计数器记录到的中子数目。

所述的长中子计数器测量系统的测量方法，包括如下步骤：

(1)将长中子计数器与电子学仪器系统连接，所述的电子学仪器系统包括前置放大器、线性放大器、高低压电源、多道分析器；

(2)将中子源放置在离长中子计数器轴向150cm处，中子源发出中子，经过长中子计数器，内慢化层6将快中子慢化散射，空气孔道2放入慢中子再经内慢化层6慢化散射，钆片1屏蔽直射热中子，外慢化层3和吸收层4来慢化和吸收屏蔽环境中的散射慢中子；未慢化慢化不了的高能快中子经过补偿层5增殖再散射进入内慢化层6慢化散射；计数管7将经内慢化层6慢化散射的热中子和中能中子转化为脉冲电压信号传送至前置放大器、线性放大器、再经过多道分析器可以得到长中子计数器的脉冲幅度谱，并通过脉冲幅度谱选取合适的甄别阈值；

(3)再将连接多道分析器改为连接单道分析器和定标器，设定好阈值和定标器的计数时间；

(4)脉冲电压信号经过单道分析器的阈值甄别后再接入定标器，若有脉冲电压信号过来一次则定标器就记录一次，单位时间内的定标器计数就是长中子计数器记录的计数率。

本发明的有益效果是：相对于现有技术，本发明公开的长中子计数器拓宽了现有长中子计数器能量响应的平坦区间，尤其是14MeV高能区，有效抑制了5MeV以上相对探测效率急剧下降的趋势，本发明的长中子计数器的能量响应在1KeV～15MeV范围内为2.73～3.36cm²，平均能量响应为3.01cm²，平均相对偏差为6.87％。发明人用MCNP5程序控制模拟计算结果在0.78％的统计误差范围内，模拟了离点源150cm处本发明长中子计数器的相对探测效率：在1KeV～15.2MeV能量范围内为2.05*10^-3～2.62*10^-3，平均相对探测效率ε为2.31*10^-3，平均偏差为6.84％。因此，该长中子计数器设计可以满足绝大多数加速器中子源(如14MeV D-T 核反应)高通量率的监视或放射性同位素中子源的中子注量率的标定。

附图说明

图1 BNIF-1的长中子计数器结构示意图

图2长中子计数器测量电子学系统

图3长中子计数器的脉冲幅度谱

图4长中子计数器结构示意图

1.钆片；2.空气孔道；3.外慢化层；4.吸收层；5.补偿层；6.内慢化层；7.计数管；8.电极

图5长中子计数器剖面图

图6不同缩短5cm长度的孔道数的相对探测效率

图7增加锥形结构慢化体的相对探测效率

图8增加1cmPb补偿层的相对探测效率

图9修改后的长中子计数器(LNRP-1)的相对探测效率

图10修改后的长中子计数器(LNRP-1)的能量响应

图11 BNIF-1长中子计数器刻度效率的计算值与文献值相比较

图12原长中子计数器(BNIF-1)与本发明的中子计数器(LNRP-1)相对探测效率比较

具体实施方式

实施例1一种宽能谱的BF₃长中子计数器

一种宽能谱的BF₃长中子计数器，所述的长中子计数器由外慢化层3、吸收层4、内慢化层6、计数管7和空气孔道2组成；所述的外慢化层3和吸收层4均呈中空桶状，所述的吸收层4嵌套在外慢化层3内，所述的内慢化层6镶嵌在吸收层4内；所述的计数管7呈中空圆柱状，贯穿设置在外慢化层3、吸收层4和内慢化层6的中心位置；所述的空气孔道2围绕着计数管7设置在内慢化层6上；所述的内慢化层6顶部呈锥形凹槽，空气孔道2设置于锥面上，所述空气孔道2设置数量≥1个；所述的吸收层4内壁紧贴设置有补偿层5，所述的内慢化层6顶部设置有平面状的钆片1；所述的计数管7内设置有电极8。所述的外慢化层3 和内慢化层6由聚乙烯制成，所述的内慢化层6顶部呈锥形凹槽，锥面的夹角为107°。所述的外慢化层3壁宽75mm，底高69mm，总高450mm；内慢化层6壁宽65mm，外侧高375mm，内侧高300mm。所述的空气孔道2呈圆柱状，内空，直径为25mm，高70mm，设置数量为 8个。所述的吸收层4由B4C制成，宽15mm，高381mm，底高6mm，长65mm。所述的补偿层5由铅制成，宽10mm，高375mm。所述的内慢化层6顶部设置有平面状的钆片1，厚度为0.5mm。所述的计数管7外部直径为27mm，壁宽11.5mm，高300mm，内充BF3气体。

实施例2一种宽能谱的BF3长中子计数器测量系统及测量方法

一种宽能谱的BF3长中子计数器测量系统，所述的测量系统包括所述的长中子计数器和电子学仪器系统；

所述的长中子计数器和电子学仪器连接；

所述的长中子计数器是将探测到的中子信号转换成脉冲电压信号，并将电压信号传送到电子学仪器系统；

所述的电子学仪器系统是将从长中子计数器传递的脉冲电压信号经过放大、阈值甄别、最后记录的脉冲电压数目就是长中子计数器记录到的中子数目。

所述的长中子计数器测量系统的测量方法，包括如下步骤：

(1)将长中子计数器与电子学仪器系统连接，所述的电子学仪器系统包括前置放大器、线性放大器、高低压电源、多道分析器；

(2)将中子源放置在离长中子计数器轴向150cm处，中子源发出中子，经过长中子计数器，内慢化层6将快中子慢化散射，空气孔道2放入慢中子再经内慢化层6慢化散射，钆片1屏蔽直射热中子，外慢化层3和吸收层4来慢化和吸收屏蔽环境中的散射慢中子；未慢化的高能快中子经过补偿层5增殖再散射进入内慢化层6慢化散射；计数管7将经内慢化层 6慢化散射的热中子和中能中子转化为脉冲电压信号传送至前置放大器、线性放大器、再经过多道分析器可以得到长中子计数器的脉冲幅度谱，并通过脉冲幅度谱选取合适的甄别阈值；

(3)再将连接多道分析器改为连接单道分析器和定标器，设定好阈值和定标器的计数时间；

(4)脉冲电压信号经过单道分析器的阈值甄别后再接入定标器，若有脉冲电压信号过来一次则定标器就记录一次，单位时间内的定标器计数就是长中子计数器记录的计数率。

实施例3长中子计数器的电子学测量系统

长中子计数器测量电子学系统由前置放大器、线性放大器、高低压电源、单道分析器、定标器组成，如图2所示。

用长中子计数器测量中子源的探测效率需要知道BF₃正比计数管的最佳工作电压和电子学仪器性能参数：当工作电压为1700V时，用²¹⁰Po-α-Be中子源测量的坪宽为400V，每100V 坪斜<1％。

首先BF₃正比计数管探测到中子信号产生电压脉冲信号经过前置放大器、线性放大器线性放大后接入多道分析器可以得到脉冲幅度谱如图3所示，该脉冲幅度分布谱显现出明显的“双台阶”壁效应特点，以应对¹⁰B俘获中子的两个反应道的双“峰”脉冲幅度分布。因为中子源常常伴随强γ射线辐照，所以脉冲电压信号还需要经过单道分析器，选定如箭头所指示位置的甄别阀，这样由BF₃正比计数管产生的脉冲电压信号经过前置放大器、线性放大器线性放大，再接入单道分析器，阈值甄别掉γ射线脉冲电压信号，最后经过定标器得到脉冲电压信号的计数率。

实施例4长中子计数器(LNRP-1)的相对探测效率

本发明所使用到的程序和原理有：蒙特卡罗程序MCNP5、能量响应、相对探测效率和刻度效率。

基于蒙特卡罗方法的MCNP5程序可以在三维直角坐标系下进行模拟描述不同能量的中子、光子、电子在不同材料中的输运过程。输入文件主要包括栅元卡、曲面卡、模式卡和记录卡等。通过定义不同的特征曲面，使用交、与、和、或的运算规则来定义每个栅元，并在栅元卡中对每个栅元的材料、元素组分、密度等参数进行说明。

本发明长中子计数器使用的BF₃计数管外壳为不锈钢外壳，外壳外径27mm，厚0.5mm，内部充¹⁰B丰度约95％的BF₃气体，压力为50cm汞柱。表1为模型所涉及的各种材料和其组成。

表1本发明长中子计数器材料及组成

注：(1)质量百分比；(2)原子数百分比

MCNP5中的F4计数卡可以记录中子在BF₃正比计数管灵敏体积中的中子通量，并与计数乘子卡FM4相配合，可记录灵敏体积内发生¹⁰B(n,α)⁷Li反应次数，即单位中子注量响应计数

(E_n)。

模拟平面中子源平行入射长中子计数器，需要计算BF₃长中子计数器的能量响应

(E_n)。其中FM4卡的倍增乘子系数C在取负号时，数值为计数管灵敏体积与中子源面积的乘积。

模拟点源4π入射到长中子计数器，需要计算BF₃长中子计数器的相对探测效率ε：灵敏体积内发生的反应次数与射入到长中子计数器的中子数之比，其值等于

(E_n)*4π/Ω。因为是点源，所以

(E_n)中FM4卡的倍增乘子系数C在取负号时，数值为计数管灵敏体积。这里的“刻度效率”指的是长中子计数器进行效率刻度时用到的探测效率，其定义为ε与长中子计数器前表面距靶150厘米所张立体角Ω之乘积εΩ。

模拟计算模型

计算模型如图4所示。中子从离计数器前表面中心150cm处的点源由上方4π入射。粗略的模拟计算添加不同结构BF₃长中子计数器的相对探测效率ε，并对于模拟计算的结果，控制其统计误差在5.6％以内。

计算结果的评价

在1KeV～15.2MeV能区内设置几十个能量箱，使用平均相对偏差评价能量响应水平，平均相对偏差越小，能量响应一致性越好。

与BNIF-1长中子计数器比较计算结果如图5所示。可以看出修改空气孔道长度的孔道数越多，6MeV能量以前中子的相对探测效率减少的越多，6MeV能量以后中子相对探测效率增加的越多。

与现有技术的BNIF-1长中子计数器比较计算结果如图6所示。可以看出小于7MeV的相对探测效率或多或少的下降，大于7MeV的相对探测效率变化不明显。通过在上述的计数器中添加补偿层，观察中子的探测效率，具体结果如图7所示，从图7中可以看出， 8MeV～15MeV的快中子的相对探测效率增加。能量响应和相对探测效率计算模型如图4所示，由与探测器横截面等面积的平面中子源从上侧平行入射中子，模拟计算LNRP-1和BNIF-1长中子计数器的能量响应

(E_n)，并对于模拟计算的结果，控制其统计误差在0.3％以内，计算结果如图8所示。LNRP-1长中子计数器的能量响应在1KeV～15MeV范围内为 2.73～3.36cm²，平均能量响应为3.01cm²，平均相对偏差为6.87％。BNIF-1长中子计数器的能量响应在1KeV～14MeV范围内为2.51～3.92cm²，平均能量响应为3.34cm²，平均相对偏差为 13.30％。

计算模型如图4所示，由离探测器前表面中心150cm处的点源从上方平行入射中子，模拟计算LNRP-1长中子计数器的相对探测效率ε，并对于模拟计算的结果，控制其统计误差在 0.78％以内，计算结果如图9所示。LNRP-1长中子计数器的相对探测效率在1KeV～15.2MeV 能量范围内为2.05*10^-3～2.62*10^-3，平均相对探测效率ε为2.31*10^-3，平均偏差为6.84％。

实施例5现有技术中的长中子计数器(BNIF-1)与本发明长中子计数器(LNRP-1)相对探测效率比较

为验证MCNP5程序计算的合理性，根据文献^[1]提供的BNIF-1长中子计数器结构和材料及照射方法进行编写和计算。图10显示出了BNIF-1长中子计数器的刻度效率计算值与文献^[1]的实验结果比较。

从图11看出，计算值与文献值在最大相对偏差在10.7％以内，平均相对偏差5.8％以内吻合的较好，刻度效率的趋势基本一致。考虑到模型与实物几何之间存在的一些细节的差异，其会带来一定的结果偏差，在偏差允许范围内认为模拟结果与文献结果较为一致，MCNP5 程序运用正确，其计算结果可信。

计算模型如图4所示，由从离探测器前表面中心150cm处的点源从上方4π入射中子，模拟计算LNRP-1和BNIF-1长中子计数器的相对探测效率ε，并对于模拟计算的结果，结果如图12所示，控制其统计误差在0.78％以内。比较结果如表2所示。

表2 LNRP-1和BNIF-1长中子计数器的相对探测效率ε

综上所述，优化结构以后的长中子计数器，拓宽了长中子计数器能量响应的平坦区间(尤其是14MeV高能区)，有效抑制了5MeV以上相对探测效率急剧下降的趋势，LNRP-1长中子计数器的能量响应在1KeV～15MeV范围内为2.73～3.36cm²，平均能量响应为3.01cm²，平均相对偏差为6.87％。并且用MCNP5程序控制模拟计算结果在0.78％的统计误差范围内，模拟了离点源150cm处LNRP-1长中子计数器的相对探测效率：在1KeV～15.2MeV能量范围内为 2.05*10^-3～2.62*10^-3，平均相对探测效率ε为2.31*10^-3，平均偏差为6.84％。因此，该长中子计数器设计可以满足绝大多数加速器中子源(如14MeV D-T核反应)高通量率的监视或放射性同位素中子源的中子注量率的标定。

Claims (10)

1.一种宽能谱的BF₃长中子计数器，所述的长中子计数器由外慢化层3、吸收层4、内慢化层6、计数管7和空气孔道2组成；所述的外慢化层3和吸收层4均呈中空桶状，所述的吸收层4嵌套在外慢化层3内，所述的内慢化层6镶嵌在吸收层4内；所述的计数管7呈中空圆柱状，贯穿设置在外慢化层3、吸收层4和内慢化层6的中心位置；所述的空气孔道2围绕着计数管7设置在内慢化层6上；其特征在于，所述的内慢化层6顶部呈锥形凹槽，空气孔道2设置于锥面上，所述空气孔道2设置数量≥1个；所述的吸收层4内壁紧贴设置有补偿层5，所述的内慢化层6顶部设置有平面状的钆片1；所述的计数管7内设置有电极8。

2.如权利要求1所述的长中子计数器，其特征在于，所述的外慢化层3和内慢化层6由聚乙烯制成，所述的内慢化层6顶部呈锥形凹槽，锥面的夹角为107°。

3.如权利要求2所述的长中子计数器，其特征在于，所述的外慢化层3壁宽75mm，底高69mm，总高450mm；内慢化层6壁宽65mm，外侧高375mm，内侧高300mm。

4.如权利要求1所述的长中子计数器，其特征在于，所述的空气孔道2呈圆柱状，内空，直径为25mm，高70mm，设置数量为8个。

5.如权利要求1所述的中子计数器，其特征在于，所述的吸收层4由B₄C制成，宽15mm，高381mm，底高6mm，长65mm。

6.如权利要求1所述的中子计数器，其特征在于，所述的补偿层5由铅制成，宽10mm，高375mm。

7.如权利要求1所述的长中子计数器，其特征在于，所述的内慢化层6顶部设置有平面状的钆片1，厚度为0.5mm。

8.如权利要求1所述的长中子计数器，其特征在于，所述的计数管7外部直径为27mm，壁宽11.5mm，高300mm，内充BF₃气体。

9.一种宽能谱的BF₃长中子计数器测量系统，其特征在于，所述的测量系统包括如权利要求1-8任一项所述的长中子计数器和电子学仪器系统；

所述的长中子计数器和电子学仪器连接；

所述的长中子计数器是将探测到的中子信号转换成脉冲电压信号，并将电压信号传送到电子学仪器系统；

所述的电子学仪器系统是将从长中子计数器传递的脉冲电压信号经过放大、阈值甄别、最后记录的脉冲电压数目就是长中子计数器记录到的中子数目。

10.如权利要求9所述的长中子计数器测量系统的测量方法，其特征在于，所述的测量方法包括如下步骤：

(1)将长中子计数器与电子学仪器系统连接，所述的电子学仪器系统包括前置放大器、线性放大器、高低压电源、多道分析器；

(2)将中子源放置在离长中子计数器轴向150cm处，中子源发出中子，经过长中子计数器，内慢化层6将快中子慢化散射，空气孔道2放入慢中子再经内慢化层6慢化散射，钆片1屏蔽直射热中子，外慢化层3和吸收层4来慢化和吸收屏蔽环境中的散射慢中子；未慢化的高能快中子经过补偿层5增殖再散射进入内慢化层6慢化散射；计数管7将经内慢化层6慢化散射的热中子和中能中子转化为脉冲电压信号传送至前置放大器、线性放大器、再经过多道分析器可以得到长中子计数器的脉冲幅度谱，并通过脉冲幅度谱选取合适的甄别阈值；

(3)再将连接多道分析器改为连接单道分析器和定标器，设定好阈值和定标器的计数时间；

(4)脉冲电压信号经过单道分析器的阈值甄别后再接入定标器，若有脉冲电压信号过来一次则定标器就记录一次，单位时间内的定标器计数就是长中子计数器记录的计数率。

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