CN115877439A - 三氟化硼作为中子比例计数器的淬火气体 - Google Patents

三氟化硼作为中子比例计数器的淬火气体 Download PDF

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Abstract

提供了一种中子比例计数器。该比例计数器可包括腔室和气体混合物。该腔室包括阳极和阴极。该气体混合物被包含在腔室内，并且包括至少一种中子敏感填充气体和包含BF3的淬火气体。在某些实施方案中，中子敏感填充气体可被配置用于检测热中子(例如，He‑3)、快中子(例如，He‑4、H2)或两者(例如，UF6)。

Description

三氟化硼作为中子比例计数器的淬火气体
背景技术
电离辐射是原子在原子核解体期间以电磁波(例如，γ射线、X射线)或粒子(例如，中子、α粒子、β粒子)形式释放的一种能量。电离辐射源存在于自然界(例如，土壤、水、空气、宇宙射线等中的放射性物质)以及人造源(例如，核能发电、医疗辐射等)。
发明内容
气体电离检测器是辐射检测仪器，其在粒子物理学中用于检测电离辐射粒子的存在，以及在辐射防护中用于测量电离辐射。比例计数器是一种气体电离检测器，并且通常在需要区分辐射类型(例如，α粒子与β粒子)时以及在需要进行预先电信号放大、提高信噪比和/或增强噪声分辨的情况下使用。
本公开的实施方案提供了改进的比例计数器和对应方法。如下文详细讨论的，与采用常规气体混合物的比例计数器相比，该比例计数器包括提供改进的检测灵敏度(例如，对热中子的灵敏度)的新型气体混合物。
在一个实施方案中，提供了中子比例计数器。该比例计数器可包括腔室和气体混合物。该腔室可包括阳极和阴极。该气体混合物可被包含在腔室内，并且该气体混合物可包括至少一种中子敏感填充气体和包含BF3的淬火气体。
在另一个实施方案中，填充气体可具有在约100靶恩至5600靶恩范围内的热中子吸收截面。
在另一个实施方案中，填充气体可具有在约1靶恩至8靶恩范围内的快中子总截面。
在另一个实施方案中，填充气体可以是He-3。He-3可按足以提供约1.5Psia至约150Psia范围内的分压的量存在于气体混合物中。
在另一个实施方案中，填充气体可以是He-4、H2或UF6中的至少一者。
在另一个实施方案中，气体混合物还可包括至少一种停止气体，该至少一种停止气体被配置为减小气体混合物内的初级离子的平均自由程。在另一个实施方案中，停止气体可以是Ar、Kr或Xe中的至少一者。
在另一个实施方案中，BF3可按足以提供约0.002Psia至约3.9Psia范围内的分压的量存在于气体混合物中。
在一个实施方案中，提供了一种制备中子比例计数器的方法。该方法可包括提供中子比例计数器。该比例计数器可包括腔室，该腔室包括阳极和阴极，并且用气体混合物填充腔室。气体混合物可包括至少一种中子敏感填充气体和包含BF3的淬火气体。
在另一个实施方案中，填充气体可具有在约100靶恩至5600靶恩范围内的热中子吸收截面。
在另一个实施方案中，填充气体可具有在约1靶恩至8靶恩范围内的快中子总截面。
在另一个实施方案中，填充气体可以是He-3。He-3可按足以提供约1.5Psia至约150Psia范围内的分压的量存在于气体混合物中。
在另一个实施方案中，填充气体可以是He-4、H2或UF6中的至少一者。
在另一个实施方案中，气体混合物还可包括至少一种停止气体，该至少一种停止气体被配置为减小气体混合物内的初级离子的平均自由程。
在另一个实施方案中，停止气体可以是Ar、Kr或Xe中的至少一者。
在另一个实施方案中，BF3可按足以提供约0.002Psia至约3.9Psia范围内的分压的量存在于气体混合物中。
附图说明
根据以下结合附图的详细描述，将更容易理解这些和其他特征，其中：
图1是示出了包括气体混合物的比例计数器的一个示例性实施方案的图，该气体混合物包括He-3填充气体和BF3淬火气体；并且
图2是示出了制备图1的比例计数器的方法的一个示例性实施方案的流程图。
应注意，附图不一定按比例绘制。附图仅旨在描绘本文所公开的主题的典型方面，因此不应视为限制本公开的范围。
具体实施方式
提供了用于检测辐射(例如，中子)的比例计数器，该比例计数器包括新型气体混合物。如下文详细讨论的，比例计数器可包括气体混合物，该气体混合物包括中子敏感填充气体和包含BF3的淬火气体。在一个方面，与不含BF3的气体混合物相比，该气体混合物为中子检测提供了改进的灵敏度。在另一方面，BF3淬火气体的分解产物能够重组，从而为淬火气体提供有效的无限寿命。
图1示出了比例计数器100的一个示例性实施方案。如图所示，比例计数器100包括腔室102，该腔室具有彼此分离的两个电极(例如，阴极104和阳极106)。腔室102还可包含或被填充以包含处于压力下的气体混合物110。也就是说，腔室102可包括至少一个端口(未示出)，该至少一个端口被配置为联接到气体源以用于接收气体混合物110或其组分。腔室102还可包括一个或多个密封件(未示出)，该一个或多个密封件被配置为确保腔室102是基本上流体密封的，从而抑制加压气体混合物110的流出。
在一个实施方案中，气体混合物110可包括填充气体112(例如，中子敏感气体)和淬火气体114。填充气体112可被配置为与入射辐射116相互作用或被入射辐射电离。淬火气体114可被配置为终止脉冲放电。
在使用中，在电极104、电极106之间施加电压ΔV以在其间生成电场E。进入比例计数器100的入射辐射116(例如，中子)可与填充气体112的分子碰撞并且将其电离以产生电子-(初级电子)和带正电的原子或分子+，统称为离子对120，在本文中也称为初级离子。电压ΔV是足够的，使得腔室102内的条件对应于计数器100的比例区域。在一个方面，电场强度足够高以防止离子对的重组，从而导致正离子向阴极漂移并且电子向阳极漂移。在阳极附近，场强度也足够大以使初级电子加速，从而引起填充气体112的附加原子的电离，从而生成另外的离子对(包括次级电子)。在阳极106处收集的电子-形成比例检测器100的输出(例如，离子电流I)，并且可由安培计A或其他电流测量装置测量。有益地，在比例区域中，每个电离粒子仅产生一次雪崩。因此，在事件数量(电离粒子)和总离子电流I之间提供了比例关系。另外，由雪崩提供的电荷放大提高了比例检测器100的信噪比并且减少了所需的后续信号放大量。
本公开的实施方案提出了一种气体混合物110，该气体混合物包括作为填充气体112的中子敏感气体(例如，氦-3)和作为淬火气体114的BF3。如下文详细讨论的，这种组合与本领域技术人员所理解的传统智慧相反，并且提供优于使用有机气体作为淬火气体114的优点。
一些早期的比例检测器采用三氟化硼BF3作为填充气体。硼-10表现出优异的热中子俘获截面，从而使其适合用于测量热中子通量。在热中子硼反应中：
10B+1n→[11B]→4He+7Li+2.8MeV
硼-10(10B)吸收中子(1n)以得到硼-11(11B)。硼-11随后衰变为反应产物氦-4(4He)和锂-7(7Li)和2.8MeV(γ射线)。反应产物的短程意味着可在相对短的距离内收集总能量。这允许在相对小的封装中区分来自热中子信号的较低能量γ射线。
然而，在比例检测器中使用BF3作为填充气体已在很大程度上被氦-3取代。在一个方面，与BF3相比，氦-3表现出显著更高的俘获截面。在另一方面，在处理BF3时可能需要非常小心，因为其是有害的(例如，吸入有毒)和腐蚀性的，因其在溶解于水中时可形成高度腐蚀性的氢氟酸。因此，对于许多检测任务，使用氦-3更容易进行中子检测。
与氦-3结合使用的淬火气体通常是有机气体(例如，二氧化碳CO2、甲烷CH4、四氟化碳CF4)。通常，淬火作用描述了来自脉冲的能量通过淬火气体耗散的时候。当淬火气体的分子使用入射辐射的能量来分解(或解离)成其单独的元素，而不是电离或重新释放另一个光子(气体混合物中的其他气体就是如此)时，就会发生这种耗散。
虽然有机气体对于比例计数器的许多应用都是合适的淬火剂，但它们可能会表现出一些缺点。在一个方面，这些有机气体在检测器的整个寿命期间会被消耗，这是由于其在淬火时的解离性质。也就是说，一旦这些分子已分裂，它们就不能重整。此外，在一些情况下，分裂的分子可导致碳沉积在比例计数器的内部组分上并且降低其性能。
在另一方面，应当理解，这些有机气体仅作为淬火剂起作用。也就是说，它们表示检测器中对热中子不敏感的总气体的一部分。对于受气体混合物110的最大压力限制的检测器设计，淬火气体114的量必须通过所需检测应用所需的灵敏度来仔细平衡。
因此，需要包括不同淬火气体的气体混合物，与上述有机气体相比，该淬火气体表现出改进的性能。本公开的实施方案提出了一种气体混合物110，该气体混合物包括作为填充气体112的中子敏感气体(例如，氦-3)和作为淬火气体114的BF3。在某些实施方案中，唯一的淬火气体是BF3。如下文进一步讨论的，考虑到BF3作为填充气体的公认缺点，所以使用BF3作为淬火气体是非常规的。然而，当与填充气体112结合用作淬火气体114时，BF3提供了引人注目的优势。
一般来说，BF3是电负性气体。太多的BF3会驱使操作所需的电压过高而无法使用(例如，超出比例范围)。也就是说，由于BF3的淬火功能，所以其添加的越多，作为α粒子(-4He)的检测器操作所需的电压ΔV就越高。由于这个原因，BF3-在比例计数器中未混合使用时，其使用压力通常限制在约1个大气压。
在另一方面，太多的BF3可减缓计数器的响应。作为示例，比例计数器收集来自给定事件的所有电荷的速度由填充气体中电子的漂移速度确定，而对于给定气体混合物，漂移速度会发生变化。由于BF3不是一种会产生相对较快漂移速度的气体，所以其在气体混合物中太多可能会减慢电荷收集，并且因此限制比例计数器可解决单独事件的速度。
在又一方面，太多的BF3可潜在地改变来自单个事件的脉冲的形状或数量。不受理论束缚，我们认为BF3的低漂移速度和电负性的组合会导致不能在与脉冲的其余部分相同的时间段内俘获脉冲的全部能量。
在另外的方面，如上文所讨论的，与BF3相比，氦-3具有更高的热中子俘获截面，并且可被填充到较高的压力。因此，在伽马场足够低以允许使用氦-3的情况下，BF3若取代氦-3用作填充气体以吸收热中子则不提供任何优势。
然而，与传统有机气体相比，使用BF3作为气体混合物110中的淬火气体114具有各种优点，在下文详细讨论。
在一个方面，因为BF3是卤素淬火剂，所以其分解产物能够重组。因此，淬火时消耗的BF3的量可忽略不计，从而使其即使在高通量环境中也具有有效的无限寿命。
在另一方面，由于BF3至少对热中子敏感，所以其用作淬火气体114能用于提高比例检测器100的至少总热中子灵敏度。
在又一方面，由于硼-10在每次中子相互作用时比氦-3沉积更多的能量，因此BF3的存在可有助于减轻氦-3比例计数器在中等伽马场(例如，约10R/小时至约1000R/小时)中使用时所经历的灵敏度损失。在这些伽马辐射水平下，应该提高脉冲高度区分水平以去除伽马干扰。因此，可区分出一部分氦-3脉冲，但不能区分出来自硼-10的更高能量脉冲。
BF3可按足以提供约0.002Psia至约3.9Psia范围内的分压的量存在于气体混合物110中。下限表示足以淬火的BF3的最小分压。该压力对应于通常用于Geiger–Müller管中的卤素淬火的压力。上限表示在BF3有效地控制填充气体112之前BF3的最大分压。也就是说，在气体混合物110的操作特性接近纯BF3的操作特性之前。应当理解，这些分压是作为示例提供的，并且根据检测器大小、检测器结构、所需灵敏度和最大压力，BF3的最小/最大分压可采用其他值。
气体混合物的实施方案可采用多种中子敏感气体作为填充气体112来与作为淬火气体114的BF3结合。在某些实施方案中，中子敏感气体可以是氦-3。作为示例，氦-3可用于检测相对缓慢移动的热中子(例如，能量为约0.025eV左右的中子)。氦-3可按足以提供约1.5Psia至约150Psia范围内的分压的量存在。最小分压表示比例计数器100的可行操作所需的氦-3的最小量的估值。相反，超过最大分压，对于给定的氦-3分压增加，灵敏度的增加会急剧下降。因此，在经济上不期望填充超过该最大分压。
在其他实施方案中，中子敏感气体可以是氦-4(4He)、氢H2或六氟化铀UF6中的至少一者。作为示例，氦-4和氢可用于检测快中子(例如，能量在约1MeV至约20MeV范围内的中子)，在这种情况下氦-3不适合。六氟化铀可用于检测热中子或快中子。在其他实施方案中，至少一种中子敏感气体具有在约100靶恩至约5600靶恩范围内的热中子吸收截面。在其他实施方案中，至少一种中子敏感气体具有在约1靶恩至约8靶恩范围内的快中子总截面。
气体混合物110还可包括一种或多种停止气体。该停止气体不同于淬火气体114。值得注意的是，淬火气体114被配置为终止脉冲，而停止气体具有允许初级离子的气体倍增的电离电位。因此，在这种情况下，停止是指该停止气体减小气体混合物110内初级离子(例如，离子对120中的任一者或两者)的平均自由程的能力。此类停止气体的示例可包括但不限于氩(Ar)、氪(Kr)或氙(Xe)中的至少一者。
在其他实施方案中，提供了一种用于制备比例计数器的方法200。图2是示出了方法200的一个示例性实施方案的流程图。如图所示，方法200可包括操作202至操作204。然而，应当理解，在另选实施方案中，该方法可包括比图2中所示更多或更少的操作，并且这些操作可按与图2中所示不同的顺序执行。
在操作202中，提供比例计数器。在一个实施方案中，比例计数器可以是图1的比例计数器100，包括具有阳极和阴极的腔室102。
在操作204中，腔室102可填充有气体混合物110。气体混合物110可包括填充气体112(例如，至少一种中子敏感气体)和淬火气体114(例如，BF-3)。至少一种中子敏感气体的示例可包括但不限于He-3、He-4、H-2或UF6)。在一个实施方案中，气体混合物110内的填充气体112的分压可被提供在约1.5Psia至约150Psia的范围内。在又一实施方案中，气体混合物110内的BF3的分压可在约0.002Psia至约3.9Psia的范围内。
在又一实施方案中，至少一种中子敏感气体可被配置为检测热中子、快中子和/或它们的组合。作为示例，在一个示例中，至少一种中子敏感气体可具有在约100靶恩至5600靶恩范围内的热中子吸收截面。作为另一示例，至少一种中子敏感气体可具有在约1靶恩至8靶恩范围内的快中子总截面。
在实施方案中，气体混合物110还可包括至少一种停止气体。该至少一种停止气体可被配置为减小气体混合物内的初级离子的平均自由程。初级离子可以是由入射辐射116电离的填充气体112的电子或分子。停止气体的示例可包括但不限于Ar、Kr或Xe。
通过非限制性示例，本文所描述的方法、系统和装置的示例性技术效果包括比例计数器，该比例计数器包括新型气体混合物，该新型气体混合物包括中子敏感气体和作为淬火气体的BF3。在一个方面，与不含BF3的气体混合物相比，该气体混合物为中子检测提供了改进的灵敏度。在另一方面，BF3淬火气体的分解产物能够重组，从而为淬火气体提供有效的无限寿命。
描述了某些示例性实施方案，以提供对本文所公开的系统、装置和方法的结构、功能、制造和使用的原理的全面理解。这些实施方案的一个或多个示例已在附图中示出。本领域技术人员将理解的是，本文中具体描述且在附图中示出的系统、装置和方法是非限制性的示例性实施方案，并且本发明的范围仅由权利要求限定。结合一个示例性实施方案示出或描述的特征可与其他实施方案的特征组合。此类修改和变型旨在包括在本公开的范围内。此外，在本公开中，实施方案的相似命名的部件通常具有类似的特征，因此在具体实施方案内，不一定完全阐述每个相似命名的部件的每个特征。
如本文在整个说明书和权利要求书中所用的，近似语言可用于修饰任何定量表示，该定量表示可有所不同但不导致与其相关的基本功能的变化。“大约”、“基本上”、
或“约”可包括在任一方向(大于或小于数值)上落在数值的1％范围内，或者在一些实施方案中落在数值的5％范围内，或者在一些实施方案中落在数值的10％范围内的数值，除非另有说明或从上下文中明显看出(除非此类数值将不允许地超过可能值的100％)。因此，由一个或多个术语诸如“约”、“大约”和“基本上”修饰的值不应限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量该值的仪器的精度。在此以及在整个说明书和权利要求书中，范围限制可组合和/或互换，除非上下文或语言另外指明，否则此类范围被识别并包括其中所包含的所有子范围。
在本文的说明书和权利要求中，短语诸如“至少一个”或“一个或多个”可在要素或特征的结合列表之后出现。术语“和/或”也可出现在两个或更多个要素或特征的列表中。除非在短语用于其中的上下文中另有暗示或与该上下文明确地矛盾，否则此类短语旨在表示单独地列出的要素或特征中的任一者或者所列举要素或特征中的任一者与其他列举的要素或特征中的任一者的组合。例如，短语“A和B中的至少一者”、“A和B中的一者或多者”以及“A和/或B”各自旨在表示“A单独、B单独、或A和B一起”。类似的解释也旨在用于包括三个或更多项目的列表。例如，短语“A、B和C中的至少一者”、“A、B和C中的一者或多者”以及“A、B和/或C”各自旨在表示“A单独、B单独、C单独、A和B一起、A和C一起、B和C一起、或A和B和C一起”。此外，上文和权利要求书中使用的术语“基于”旨在表示“至少部分地基于”，以使得未述及的特征或元件也是允许的。
基于上述实施方案，本领域技术人员将了解本发明的其他特征和优点。因此，除所附权利要求书所指示的以外，本申请不受已具体示出和描述的内容的限制。本文所引用的所有出版物和参考文献均明确地全文以引用方式并入。

Claims (18)

1.一种中子比例计数器，所述中子比例计数器包括：
腔室，所述腔室包括阳极和阴极；和
气体混合物，所述气体混合物被包含在所述腔室内，所述气体混合物包括：
至少一种中子敏感填充气体；和
淬火气体，所述淬火气体包含BF3。
2.根据权利要求1所述的比例计数器，其中所述填充气体具有在约100靶恩至5600靶恩范围内的热中子吸收截面。
3.根据权利要求1所述的比例计数器，其中所述填充气体具有在约1靶恩至8靶恩范围内的快中子总截面。
4.根据权利要求1所述的比例计数器，其中所述填充气体包括He-3。
5.根据权利要求4所述的比例计数器，其中He-3按足以提供约1.5Psia至约150Psia范围内的分压的量存在于所述气体混合物中。
6.根据权利要求1所述的比例计数器，其中所述填充气体包括He-4、H2或UF6中的至少一者。
7.根据权利要求1所述的比例计数器，其中所述气体混合物还包括至少一种停止气体，所述至少一种停止气体被配置为减小所述气体混合物内的初级离子的平均自由程。
8.根据权利要求7所述的比例计数器，其中所述停止气体包括Ar、Kr或Xe中的至少一者。
9.根据权利要求1所述的比例计数器，其中BF3按足以提供约0.002Psia至约3.9Psia范围内的分压的量存在于所述气体混合物中。
10.一种制备中子比例计数器的方法，所述方法包括：
提供包括腔室的中子比例计数器，所述腔室包括阳极和阴极；以及
用气体混合物填充所述腔室，所述气体混合物包括至少一种中子敏感填充气体和包含BF3的淬火气体。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述填充气体具有在约100靶恩至5600靶恩范围内的热中子吸收截面。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述填充气体具有在约1靶恩至8靶恩范围内的快中子总截面。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述填充气体包括He-3。
14.根据权利要求13所述的方法，其中He-3按足以提供约1.5Psia至约150Psia范围内的分压的量存在于所述气体混合物中。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述填充气体包括He-4、H2或UF6中的至少一者。
16.根据权利要求11所述的方法，其中所述气体混合物还包括至少一种停止气体，所述至少一种停止气体被配置为减小所述气体混合物内的初级离子的所述平均自由程。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述停止气体包括Ar、Kr或Xe中的至少一者。
18.根据权利要求11所述的方法，其中BF3按足以提供约0.002Psia至约3.9Psia范围内的分压的量存在于所述气体混合物中。
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