中子探测器工作原理

中子探测器工作原理概述

工作原理 中子是一种不带电的粒子。中子探测器的工作原理是:中子与某种核产生反应时放出带电粒子，带电粒子在气体中运动时产生气体电离，通过测量气体电离量来确定中子注量率水平。例如，中子与B的(n，α)反应，放出α粒子;或中子与235U反应生成裂变碎片。图1示出气体电离的工作机理，曲线表示两电极间气体在受到射线电离后，在电极上收集到的离子数与电极间电压的关系。其中Ⅰ区表示生成的离子在被电极收集到以前，就部分复合了。随着电压的升高，离子重新复合的概率越来越低。Ⅱ区表示所产生的离子全部被电极收集到，称饱和电离电流区。在一个相当宽的电压变化范围内，收集到的离子数仅与射线密度成正比而基本上与电压无关，即出现一个"坪"。电离室就工作在这个"坪"的范围内。电压继续加大，在电极附近形成相当大的电场强度，离子在向电极运动时，在电场中获得比较大的能量，引起气体二次电离，形成气体放电。如Ⅲ区，这时输出脉冲仍保持与原始总电离量成正比，称比例计数区。基于这一特性的探测器称正比计数管。Ⅳ区系有限正比区。Ⅴ区气体呈雪崩式电离，放大倍数很大，以致输出脉冲与原始总电离量无关。每次电离，即每个脉冲，电极收集到的离子数是一个常数。利用这个特性做出的探测器称盖格弥勒计数管。Ⅵ区是连续放电区。

电离室 电离室大多系圆柱式平行电极，封装在金属盒或外壳内，接合处通过绝缘设计，使漏电为最小。电极与盒之间的典型电阻高达10Ω的量级或更高。如果预计信号水平很低，为了绝缘可以使用屏蔽结构。这种结构是由围绕每一根导线的绝缘的屏蔽环或圆筒所组成。屏蔽环保持与相应的电极等电位。电极的设计和装配必须使电离室的灵敏区内有均匀的电场。可以使用辅助电极，帮助达到电场的均匀性。

(1)硼电离室:用以测量热中子。在电离室中充以BF3的气体，或将硼涂在各电极上。在后者的情况下，容器内所充的气体一般为氢气。容器和电极均由纯铝制成。经中子照射后，中子和硼发生(n，α)反应，产生的α粒子大约具有2.5MeV的能量，它能使氢或BF3电离，而产生电流。电离室的外加电压约200~500V。电离室的中子灵敏度为10~10A/(n/cm·s)，而γ射线的灵敏度为10~10A/(Sv/h)。电离室的中子灵敏度可以通过下列方法加以调整:选择涂有硼的电极的面积，选择所充气体的压力，以及选择B同位素的浓度。

(2)γ射线补偿电离室:硼电离室存在的问题之一是没有选择性，它能探测到任何的电离辐射，因此在强γ场下可能产生相当大的测量误差。把电离室分成相等两部分，一部分对中子及γ射线都灵敏，另一部分只对γ射线起作用，即一部分涂硼，另一部分无硼。设法使两电离室中的电流反向流动，则所得到的电流就只正比于中子注量率。体积补偿不受γ射线能谱和强度变化的影响，其补偿度在出厂时调整到97%~98%，使用时不能再调整。另一个方法是电压补偿，通过从外面调整补偿电极的电压，以改变电力线的分布，达到改变电离室两部分的有效体积，来调整γ射线的补偿度(称电压补偿)，使用γ补偿的电离室能把量程扩展约两个量级。补偿电离室示于图2。

(3)长中子电离室:在大型反应堆中，为了测量堆芯轴向功率不平衡，使用了长度与堆芯高度相当的长中子电离室。其内部是由上、下两节或多节硼电离室组成，分别与堆芯的上、下两半部分相对应，并在电路上将所测信号加以处理，以测量轴向功率分布。

(4)裂变电离室:在充有氩气的不锈钢密闭容器中装有电极，电极上沉积有铀，中子与铀作用生成的裂变碎片，在电离室中产生电离作用。裂变电离室所能测量的最低中子注量率水平受在电离室内电极铀的天然α蜕变所引起的虚假电流的限制。

如果希望对快中子进行探测，可使用其他材料，见表。

探测不同能谱中子所添加物质的阈能表

计数管 当中子注量率很小时，用电离室测量很小的电离电流就会很困难，由于此种情况下，γ射线及残余放射性的干扰就变得更为显著。计数管所发出的是不连续的脉冲。要求计数管对每一电离事件都输出一个电流脉冲，它们可以被放大，而且可用适当的计数率计来测量它们的计数率。因为信号是脉冲，所以"室"的绝缘问题就不是关键性的了，通常要求10Ω以上。脉冲高度主要取决于计数管所使用系统的电容和电阻。对于计数管的内部结构，要使电容为最小，并使电极间的距离，对电离事件的射程来说，是最佳的。为了要区别开不想要的电离事件，比较简单的方法是采用脉冲高度甄别。

(1)BF3正比计数管:由金属圆管构成一个电极，沿圆管中心轴悬着一根绝缘细导线作为另一电极，管内充有BF3气体。中子和B作用放出的α粒子使气体产生一次电离。在细导线上加的极化电压是相当高的，约3000V，这样可以产生二次电离以增加所产生的离子对数，提高灵敏度。一般每平方厘米每一个中子可产生3个计数。该计数管是常用的脉冲计数管中最灵敏的。由中子所产生的脉冲高度大约为γ射线所产生的脉冲高度的100倍，所以通过脉冲高度甄别可减少γ本底的干扰。计数管的最大计数率为5×10n/s，但其工作环境的γ射线强度一般要在1Sv/h以下。BF3正比计数管可通过提高B的浓缩度来增加灵敏度。图3示出正比计数管的剖面图。

(2)涂硼正比计数管:将固态的硼涂在计数管的管壁上，其壳由铝制成，壳内充有氩气，中心处装有细导线的电极。将它接到高压电源上，以获得气体放电所需较高的电场强度。这种计数管寿命比较长，且在高中子注量率辐照后复原情况也较好。但涂硼层能吸收一些α粒子，影响进入填充气体的α粒子的能量，使输出脉冲高度出现一些波动，因而脉冲高度甄别的效果就比较差一些。

(3)裂变计数管:铀的裂变现象也可应用到计数管上。在计数管电极上涂有铀，管内充以惰性气体。经中子辐照后，铀裂变产生的碎片能量很高，具有足够的电离能力，可以产生适当的脉冲幅度。当电容量为100pF时，脉冲幅度一般在0.1~1mV范围内。铀的α放射性也会引起本底计数率。这种影响亦可利用脉冲高度甄别加以降低。裂变计数管的灵敏度约为单位中子注量率0.2个计数。裂变计数管的重要特性是可以在很强的γ射线场(高达10Sv/h)内工作;而且可以设计得使它能在高达900℃的温度下工作。