_3He中子计数管的机理及结构

1、核电子学与探测技术N uclea r Elect ro nic s & Det ectio n Tech nolo gy第 29 卷 第 5 期2009 年 9 月Vol . 29Sep .No . 520093He 中子计数管的机理及结构张明 ,施俊 ,任忠国(中国工程物理研究院 ,四川 绵阳 621900)摘要 :介绍了3 He 中子计数管的工作原理 ,对其结构 、气体密封工艺进行了探讨 。关键词 :3 He ;中子计数管文章编号 : 025820934 (2009) 0521170202中图分类号 : O572 . 354文献标识码 : A中子探测在核探测中占有极其重要的位置 ,

2、目 前应 用较 为 广泛 的为3 He 中 子 计数 管 。 了解3 He 中子计数管的工作原理和结构 ,有助 于提高其应用效果 。在外加电场的作用下 ,这些电子和正离子分别向正 、负电极漂移 ,电子漂向阳极丝 ,正离子漂 向阴极壁 ,而被电极收集 。正比计数管的电场分布为 :V 03 He 中子计数管的工作机理由于中子不带电荷 ,不能直接引起物质“电 离”与“激发”,对中子的探测主要通过对它与物 质作用 产 生 的 次 级 带 电 粒 子 的 探 测 而 实 现 。3 He中子计数管作为热中子探测器 , 探测原理基于核反应法 ,其核反应过程如下 :3 He + n 1 H + 3 H + 7

3、65 keV反应产物为质子与氚核的带电粒子 。热中 子引起反应产生的反应能 ,在质子与氚核之间 分 配 。质 子 获 得 191 keV 能 量 , 氚 核 获 得574 keV 能量 。质子与氚核工作于3 He 气体为 工作气体的正比计数管内 。11 13 He 中子计数管信号收集质子与氚核通过气体时 ,同3 He 气体发生 电离碰撞 ,使3 He 气体分子电离 ,同时损失部分 能量 ,形成大量的离子对 ( 电子与正离子) 。3 He 正比计数器作为一种电离室 ,在其中心阳极丝上加正高压 ,阳极丝与外壳管壁之间形成电场 ,1E ( r) =( 1)rl n ( b/ a)式中 : a 为阳极

4、丝半径 ; b 为阴极壁半径 ; r为该点与轴心的距离 。由于正离子质量大 ,且漂移方向的电场由 强到弱 ,因此电场的加速不足以使之发生电离碰撞 。而电子漂移愈接近阳极 ,电场强度愈强 。到达某一距离 r0 后 ,电子在平均自由程上获得的能量足以与气体原子发生电离碰撞 ,形成新 的离子对 。同样新的电子被再次加速再次发生 电离碰撞 。漂移电子愈接近阳极 ,碰撞几率愈 大 。于是不断增殖的结果 ,产生雪崩效应 。雪崩后的离子对数目大量增多 ,形成信号的放大 。雪崩只发生在阳极丝周围狭小范围内 ,因此阳极丝在管内的轻微偏心不会影响信号的输出 。雪崩与气体 压 强 、工作 电压 、电 极 ( 阳 极

5、 丝 、管壁) 半径有关 。11 2加入低电离能气体的作用由于3 He 气 体 对于 粒 子 的电 离能 为 46 eV , 通过降低电离能可以产生更多的离子对 ,从而提 高 信 号 幅 度 。A r 气 对 于 电 离 能 为26 . 3 eV ,CO2 气对于电离能为 34 . 1 eV ,因此 在3 He 气体中加入适当的 A r 气或 CO2 气体及收稿日期 :2009201211作者简介 :张明 ( 1961 - ) ,女 ,河北武邑人 ,工 程师 ,主要从事核仪器研制 。1170表 1 加入不同气体参数比较探测器平均自由程 cm400 keV 粒子电离能量损失率 keV/ cm平均

6、中子反应收集 keV电子能量收集 ke V中子/ 电子能量收集能力比抗能力( R/ h) b性能3 He ( 0 . 15 Mp a/ cm)2 . 11 . 15004 . 01253 He ( 0 . 15 Mp a/ cm)0 . 56 . 775024 . 0301 + A r ( 0 . 07 Mp a/ cm) 11 3负电性气体杂质3 He 中子计数管作为一种电离室 ,当存在 负电性气体杂质时 ,电子与负电性气体碰撞时 , 可能被吸附形成负离子 。由于负离子漂移速度 远慢于电子 ,因此与正离子复合机会增加 ,形成复合损失 ,对探测器探测不利 。减少负电性气体 (如 O2 , H2

7、 O) 在探测器中 的存在 ,可通过渗入少量的双原子或多原子分子气体 (如 N2 ,C H4 ,CO2 ) ,以减少复合损失 。与中子反应几率 ,同时降低了探测器抗能力 ,过薄则降低机械强度 ,对充气不利 。因此主要 采用 0 . 5 mm 1 mm 壁 厚 的 304 无 缝 不 锈 钢 管 ,无缝不锈钢管可以提供较低的本底 ,抗能 力强 ,但热中子反应截面较大 。也有在用于特 殊用途时采用壁厚为 0 . 8 mm 的铝管壳 , 使 用铝管本底较高 ,热中子反应截面非常小 ,但机械 性能不如不锈钢管壁 ,抗能力弱 。21 3 电极系统电极系统由阳极丝 、阳极引出端及固定架 组成 ,阳极引出端

8、及密封管底端固定装置将阳极丝固定 ,阳极丝为表面镀金钨丝 ,钨丝提供足够的机械强度 ,表面镀金可以改变钨丝表面晶 格结构 ,以改善钨丝表面光洁度 ,提高阳极丝导 电性 ,阳极引出端采用金属陶瓷封装可伐件的形式 。焊接后管壳结构示意如图 2 示 。3 He 中子计数管结构设计221 1 基本结构3 He 中子计数管其结构与一般正比计数器 的相同 。正 比计 数器 大 多是 由 同 轴 圆 柱 形 构 成 ,因为在一般电压下 ( kV ) ,圆柱形电极比平行板电极容易获得强电场区 ,灵敏体积也大 , 并且脉冲幅度与电离产生的地点无关 ,基本结 构示意图如图 1 。图 2 管壳结构示意图以上为对3

9、He 中子计数管的初步认识 ,望 共同探讨 。图 1 正比计数器示意图21 2阴极密封外壳首先要求具备优良的耐压与密封性能 ,其 结构与工艺必须保证密封壳的耐压强度大于工 作气体压强的 1 . 6 倍 ( 达到 1M Pa ) , 为保证在工作寿命期间3 He 正比计数管的性能 ,密封壳的总漏率小于 1 . 0 ×10 - 8 Pa ·L / s 。 密封壳体的材料要具有良好真空性能 ,以防止因壳体放气而影响性能 ; 壳体材料与中子参考文献 : 1 吴治华 ,赵国庆 ,陆福全等 . 原子核物理实验方法(修订版) M , 北京 :原子能出版社 , 1997 . 2 Do ug

10、 Reilly , et al . Pa ssive No ndest r uctive A ssay of N uclea r Material s , N U R E G/ CR25550 L A2U R2902732 , 1991 : 385 .(下转第 980 页 ,Co ntinued o n page 980)493 . 2 肖刚 ,周春林 . 一种自适应的 射线能谱数据平滑 方法 J . 原子能科学技术 ,2001 ,35 (1) :69272 . 3 庞巨丰编著 .能谱数据分析 M . 西安 :陕西科学 技术出版社 ,1990 . 4 张贤达 . 现代信号处理 M . 北 京

11、: 清 华 大 学 出 版 社 ,1995 . 5 宋祖顺 . 现代通信原理 (第二版) M . 北京 :电子工业出版社 ,2007 .数在整个平滑过程中始终保持不变 ,同时信噪比不是最大 。采用匹配滤波平滑模型有效改善 了这一不足 。如何使该模型的参数 b 随着谱形自适应的变化 ,从而取得更好的平滑效果 ,有待 于进一步的研究 。参考文献 : 1 刘志强 ,马红光 ,等 . A R 模型在处理核能谱中的应用 J . 核 电 子 学 与 探 测 技 术 , 2005 , 25 ( 5 ) : 4912Ga mma2ray SpectrometrySmoothing Technol ogy of

12、Data Ba sed on Matched FilteringGU Mi n , GE L ia ng2 Q ua n( School of neural technolo gy a nd a uto matio n ,Chengdu U nivercit y of Technolo gy ,Chengdu ,china 610059)Abstract : Traditio nal met ho d of smoot hness of ga mma2ray spect ro met r y dat a gives ri se to a ber ratio n of spect ra cur

13、ve s ea sily. The article i mp ro ve co nvol utio n slidi ng t ransfo r matio n usi ng idea of mat ched filt e2 ri ng . Ga uss addi ng t he expo nential f unctio n i nst ead of Ga uss f unctio n i s used a s co nverti ng f unctio n . Thei mp ro ved met ho d not o nly supp resses st ati stical fl uct

14、 uatio n mo stly but al so keep s f eat ure of sp ect ra cur ve s . Inst a nce verified superio rit y of t hi s new met ho d.Key words :Mat ched flit eri ng , Sp ect ro met ry dat a ,Co nverti ng f unctio n , Smoot hi ng t echnolo gy(上接第 1171 页 ,Co ntinued f ro m p age 1171)The Theory an d Conf igurat ion of 3 He Neutron Count ing TubeZ H A N G Mi ng , S H I J u n , R EN Zho ng2guo( Chi na Academy of Engineeri ng Physics , P. O . Bo x 919271 , Mia nya ng