JF 2439-2026 热中子探测器校准规范

中华人民共和国国家计量技术规范JJF2439—2026热中子探测器校准规范2026-08-21发布2027-02-21实施热中子探测器校准规范归口单位：全国电离辐射计量技术委员会起草单位：中国计量科学研究院中国原子能科学研究院本规范委托全国电离辐射计量技术委员会负责解释本规范主要起草人：王平全(中国计量科学研究院)张辉(中国计量科学研究院)刘毅娜(中国原子能科学研究院)参加起草人：王志强(中国原子能科学研究院)杨竣凯(中国计量科学研究院)1 3术语和计量单位 3.2计量单位 5.1坪特性曲线 6.2测量标准及其他设备 7校准项目和校准方法 7.1校准项目 7.2校准方法 8校准结果表达 9复校时间间隔 附录A热中子探测器校准原始记录推荐格式 附录B热中子探测器校准证书内页格式 附录C热中子探测器校准不确定度评定示例 附录D热中子探测器校准配套电子学设备 附录E热中子探测器校准说明示意图 附录F热中子探测器中子注量响应校准修正因子 ⅡJJF1071—2010《国家计量校准规范编写规则》、JF1001—2011《通用计量术语计量术语及定义》共同构成支撑本规范制定工作的基础性系列规范。本规范是针对热中子探测器校准制定的计量技术规范，主要参考了GB/T7164—2022《用于核反应堆的辐射探测器特性及测试方法》和ISO8529-1《中子参考辐射Characteristicsandmethodsofproduction)等文件中的技术指标、检测方法等内容。本规范为首次发布。1热中子探测器校准规范本规范适用于热中子探测器的校准，热中子探测器包括气体探测器、半导体探测器、闪烁体探测器等。2引用文件本规范引用了下列文件：JJF1001—2011通用计量术语及定义JJF1035—2006电离辐射计量术语及定义JJF1059.1—2012测量不确定度评定与表示GB/T4960.1—2010核科学技术术语第1部分：核物理与核化学GB/T4960.6—2008核科学技术术语第6部分：核仪器仪表GB/T7164—2022用于核反应堆的辐射探测器特性及测试方法EJ/T676—1992中子正比计数管ISO8529-1中子参考辐射场第1部分：辐射特性和产生方法(Neutronreferenceradiationsfields—Part1:Characteristi凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本规范；凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。3术语和计量单位界定的及以下术语和定义适用于本规范。3.1.1热中子thermalneutron与周围介质处于热平衡状态的中子。注：麦克斯韦能量分布下，293.6K时最可几能量等于0.0253eV。3.1.2参考辐射referenceradiation为校准辐射测量仪表以及确定其能量响应而规定的一系列具有不同能量不同强度等特征的辐射。3.1.3参考位置referenceposition辐射场中约定值已知的点。2R在特定条件下，探测器的测量结果除以中子注量(率)约定值得到的商：M——在某个中子注量(率)下探测器的测量结果；φ——参考位置处中子注量(率)约定值，cm-²(cm-⁻²·s-¹)。3.1.5中子注量(率)参考响应neutronfluence(rate)referenceresponse在参考条件下，探测器的测量结果除以中子注量(率)约定值得到的商。3.1.6饱和活化活度saturatedactivationactivity中子活化反应中，经过足够长时间辐照后的放射性活度。3.1.7镉截止能量cadmiumcutoffenergy镉阈值cadmiumthreshold动能低于此能量的中子会被镉吸败，高于此能量的中子会穿过镉(镉对中子是透明的)。中子探测器的响应与同样条件下包覆了特定厚度镉层时的响应之比。3.1.9探测器参考点referencepointofdetector探测器上用于将其定位于参考位置的实际或虚拟的标志。该标志通常是探测器的几何中心或有效中心。3.1.10角响应angleresponse探测器的响应与中子入射角的关系。3.1.11被扰动的中子注量率perturbedneutronfluencerate中子探测器置于校准位置时该处空间的平均中子注量率。其数值为探测器输出除以它的注量响应，实际上近似于探测器全表面的平均中子注量率。3.2计量单位3.2.1中子注量：每平方厘米；符号：cm-²。33.2.2中子注量率：每平方厘米秒；符号：cm⁻²·s⁻¹。3.2.3注量响应：平方厘米；符号：cm²。安培平方厘米秒；符号：A·cm²·s。3.2.4能量：电子伏特；符号：eV;1eV=1.602×10-¹⁹J。3.2.5本规范所用到的其他量均采用国际单位制(SI)单位。4概述热中子探测器是一种用来探测热中子的传感器，是中子测量中最常用的探测器类型。入射中子与热中子探测器灵敏体积内的靶原子核发生相互作用(核反冲、核反应、核裂变和核活化)产生带电粒子和γ光子，进而产生可测量的电信号，由电子学系统进行分析和记录，实现对热中子的探测。探测器通常为中子正比计数器(³He计数器、1BF₃计数器、涂硼计数器)、裂变电离室、涂硼电离室、闪烁探测器[Li玻璃闪烁探测器、含BZnS(Ag)闪烁探测器]和半导体探测器(涂硼半导体探测器、LiF夹心半导体探测器)等。广泛应用于核能、国防、医学、环保、资源开发和科学研究等中子物理涉及的各个方面。5计量特性5.1坪特性曲线坪长≥50V,坪斜≤1%/100V。标准试验条件下，对于在脉冲模式下工作的探测器，热中子探测器的热中子注量响应一般为0.001cm²~100cm²;对于在电流模式下工作的探测器，热中子探测器的热中子注量率响应一般为10-¹A·cm²·s~10-¹⁰A·cm²·s。注：以上指标不适用于符合性判别，仅供参考。6校准条件6.1环境条件6.1.1环境温度：(20±5)℃,测量过程中环境温度变化不超过2℃。6.1.2环境相对湿度：≤75%。6.1.3环境气压：86kPa～106kPa。6.1.4其他条件：周围无影响仪器正常校准工作的电磁干扰和机械振动。6.2测量标准及其他设备校准用计量器具和测量标准应经过计量技术机构检定合格或校准，并在有效期内。6.2.1He热中子探测器6.2.1.1热中子注量响应：0.1cm²~1cm²。6.2.1.2角响应的各向异性：≤15%。46.2.1.3长期稳定性：2%/年。6.2.2热中子参考辐射稳定的热中子参考辐射可以通过慢化放射性核素中子源或加速器中子源发射的中子来产生，也可以通过反应堆热柱孔道直接引出，参考位置的热中子注量率应保证(10～10)cm-²·s-¹,热中子温度(280～340)K。参考辐射的均匀区应完全覆盖探测器的灵敏区。如果均匀区尺寸小于被测探测器尺寸，可通过平移探测器进行测量。热中子参考辐射装置的热中子注量率应溯源至热中子注量率基准。6.2.3其他设备具有放大、整形、甄别和计数等功能的电子学仪器。直尺：分辨力≤1mm。温湿度计：温度测量范围：10℃~30℃;分辨力≤0.1℃;相对湿度测量范围：≤90%;相对湿度分辨力≤2.0%。7校准项目和校准方法7.1校准项目热中子探测器的校准项目见表1。表1热中子探测器校准项目一览表序号校准项目校准方法条款1坪特性曲线2热中子注量率响应7.2校准方法7.2.1坪特性曲线探测器坪特性曲线的坪斜、坪长和推荐工作电压是评价探测器核特性的重要指标，对于具有坪特性的探测器需要测量坪特性曲线。7.2.1.1对于在脉冲模式下工作的探测器，坪特性曲线的校准步骤a)校准时，将被校探测器按参考方向放置于热中子参考辐射场中，探测器参考点位于辐射场参考位置。探测器参考点和参考方向宜由制造商给出。在没有探测器参考点或参考方向信息情况下，相关信息须在校准证书中说明。连接校准仪器，设置合适的放大倍数，不施加工作电c)从小到大改变探测器的工作电压。d)记录不同工作电压下测量设备/系统输出计数率。e)给出探测器的坪特性曲线，示意图如附录E中的图E.2。f)探测器坪特性曲线的坪斜计算如公式(2)。5Pms——坪斜，单位为每100V的百分数(%/100V);g)当某工作电压Um,3～Um,4区间的坪斜小于要求值时，坪长可由公式(3)得出。h)推荐工作电压由公式(4)得出。a)校准时，将被校探测器按参考方向放置于热中子参考辐射场中，探测器参考点位于辐射场参考位置。探测器参考点和参考方向宜由制造商给出。在没有探测器参考b)参考附录E的图E.3连接校准仪器，设置合适的放大倍数，不施加工作电压，预热15min。c)从小到大改变探测器的工作电压。e)绘制得到探测器的坪特性曲线，示意图如附录E的图E.4。g)除另有规定，则坪长由公式(5)得出。U₁.——输出电流为1.1倍I.o时的工作电压，如U₁.不在规定工作电压区间内，h)除另有规定，任意工作电压区间坪斜由公式(6)得出。6PDs——坪斜，单位为每100V的百分数(%/100V);Ip.2—工作电压为Up.2时的输出电流，A;Ip.1——工作电压为UD.1时的输出电流，A;i)工作电压Up,～Un.4区间的坪斜小于要求值时，其坪长可由公式(7)得出。UD.12坪斜小于要求值的坪长，V;U₀.——坪斜小于要求值的坪末端电压，V;Uo,a——坪斜小于要求值的坪始端电压，V。j)推荐工作电压宜不低于U¹.。7.2.2热中子注量率响应当热中子参考辐射场校准位置的镉上中子对响应校准结果的不确定度贡献不可忽略时，采用镉差法测量中子注量响应，即在探测器外部包裹1mm镉套，以扣除镉上中子在探测器中产生的计数。根据裸探测器和包镉探测器的计数测量结果，结合必要的修正获得参考条件下的热中子探测器的注量响应。热中子注量响应的校准步骤如下：a)将被校探测器按参考方向放置于热中子参考辐射场中，探测器参考点与辐射场参考位置重合；b)参考附录E的图E.1或者图E.3连接校准仪器，在合适的放大倍数情况下，施加推荐工作电压，预热15min;c)设置合适的甄别阈，尽可能扣除电子学噪声和γ本底的贡献，启动测量并记录裸探测器累积计数，测量时间或者测量次数的设置应使得探测器的计数统计好于1%;d)在被校探测器外部包覆1mm镉层，确保探测器灵敏区域无直射热中子进入，参考附录E的图E.1或者图E.3连接校准仪器，设置合适的甄别阈尽可能扣除电子学噪声和γ本底，启动测量并记录包镉探测器的镉上中子累积计数。7.2.2.1热中子注量率响应按照公式(8)计算热中子注量响应。式中：m——实际中子辐射场中能量在镉阈以下的中子造成的探测器读数；7φ——实际中子辐射场中能量在镉阈以下的热中子注量率。对于在脉冲模式下工作的探测器：式中：N——热中子探测器的计数；Na——包有厚度1mm镉片的探测器的计数；1——热中子探测器的测量时间；ica——包有厚度1mm镉片的探测器的测量时间；kpr——热中子探测器计数死时间修正，见附录F;k——包有厚度1mm镉片的探测器计数死时间修正，见附录F;kca——镉对截止能量以上中子的衰减修正。对于在电流模式下工作的探测器：式中：1——热中子探测器的输出电流；Id——包有厚度1mm镉片的探测器的输出电流。k——热中子注量率波动修正，见附录F;kg——热中子探测器扰动修正，见附录F;k△——热中子注量分布不均匀性修正，见附录F;φ——金箔活化法确定的热中子注量率；k——放射性核素中子源衰变修正，见附录F。7.2.2.2热中子注量率参考响应参考条件是能量为0.0253eV的单向平行入射中子束。参考条件下的热中子注量响应通过对实际辐射场条件下的热中子注量响应修正得到，修正包括中子能谱差异和热中子角度分布差异修正，修正需要热中子辐射场的中子能谱、热中子角度分布、热中子探测器的几何结构、材料组分等信息。按照公式(12)计算热中子注量率参考响应。kpe——中子能谱差异修正，见附录F;kdi——热中子角度分布差异修正，见附录F;Rboal——实际中子辐射场中的热中子探测器注量响应。88校准结果表达按本规范进行校准，出具校准证书，校准证书的内页格式见附录B;校准结果应给出热中子注量响应测量结果的不确定度，测量不确定度按JJF1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》的要求评定(不确定度评定示例见附录C)。9复校时间间隔复校时间间隔建议为12个月。由于复校时间间隔的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸因素所决定的，因此送校单位可根据实际使用情况自主决定复校时间间隔。9附录A热中子探测器校准原始记录推荐格式原始记录编号委托单编号证书/报告编号送校日期完校日期单位名称器件名称型号规格出厂编号生产厂家客户地址联系人联系方式计量器具名称扩展不确定度计量器具证书号有效期至依据技术文件实验室校准环境温度：℃相对湿度：%校准人员核验人员测量地点校准日期仪器设备名称型号编号备注A.3外观及工作正常性检查是否有影响工作的机械损伤各项标识是否清晰完整输入输出接口是否牢靠仪器通电后状态是否正常A.4热中子探测器校准数据记录A.4.1坪特性曲线是否测量：是□/否□计数率/s-¹A.4.2热中子注量响应是否测量：是□/否□名称数值扩展不确定度(k=2)参考位置(未包镉)测量总计数测量时间/s死时间修正kpr(包镉)测量总计数测量时间/s镉上中子衰减修正k放射性核素中子源衰变修正k热中子注量率波动修正k热中子探测器扰动修正k热中子注量分布不均匀性修正k△中子能谱差异修正k热中子注量响应(测试条件)热中子注量响应(参考条件)热中子探测器校准证书内页格式B.1外观及工作正常性检查检查项目记录是否有影响工作的机械损伤各项标识是否清晰完整输入输出接口是否牢靠仪器通电后状态是否正常B.2坪特性曲线工作电压/V计数率/s-¹工作电压/V计数率/s-¹B.3热中子注量响应名称数值扩展不确定度(k=2)参考位置热中子注量率/cm-²,s-¹测量(未包镉)测量总计数(包镉)测量总计数测量时间/s时间修正k璐热中子注量分布不均匀性修正k△中子能谱差异修正k热中子角度分布差异修正k热中子注量响应(测试条件)热中子注量响应(参考条件)C.1热中子探测器校准概述依据本校准规范的各项计量特性、校准条件与校准项目的规定，对热中子探测器进行校准。热中子探测器的主要参数有坪特性曲线和热中子注量响应。本附录给出了热中子注量响应测量不确定度的评定示例，坪特性曲线用探测器测量数据的统计误差表征。C.2热中子注量响应的不确定度评定C.2.1测量模型基于放射性核素中子源的热中子参考辐射装置校准热中子探测器。本规范规定参考条件为能量为0.0253eV的单向平行入射中子束。参考条件下，热中子注量响应R可表示为：式中：kp——中子能谱差异修正；kdi——热中子角度分布差异修正；Real——实际中子辐射场中的热中子探测器注量响应。m——实际中子辐射场中能量在镉阈以下的中子造成的探测器读数；——实际中子辐射场中能量在镉阈以下的热中子注量率。式中：N——热中子探测器的计数；Nc——包有厚度1mm镉片的探测器的计数；1——热中子探测器的测量时间；zcd——包有厚度1mm镉片的探测器的测量时间；kDT——热中子探测器计数死时间修正；kd——包有厚度1mm镉片的探测器计数死时间修正；kca——镉对截止能量以上中子的衰减修正。式中：k——放射性核素中子源衰变修正；k——热中子注量率波动修正；kg——热中子探测器扰动修正；k——热中子注量分布不均匀性修正；——金箔活化法确定的热中子注量率。根据以上分析可知，参考条件下热中子探测器热中子注量响应R的不确定度来源有：探测器计数N引入的不确定度、包镉探测器计数N引入的不确定度、探测器测量时间t引入的不确定度、包镉探测器测量时间引入的不确定度、热中子注量率φ引入的不确定度、修正因子kca、kpr、k、ke、k、ka、k、ka、k等引入的不确定度。C.2.2输入量标准不确定度的评定C.2.2.1探测器计数N的标准不确定度u(N)评定探测器计数N的标准不确定度来源主要是热中子探测器计数的统计误差。按照图E.1连接热中子探测器与相关电子学设备，并放置于热中子参考辐射场的参考位置处进行连续测量，测量时间为600s,总计数为3926872。放射性测量的计数值服从正态分布，单次测量的统计误差可表示为：即由统计误差引入的标准不确定度：C.2.2.2包镉探测器计数Nd的标准不确定度u(N)评定包镉探测器计数NCa的标准不确定度来源主要是热中子探测器计数的统计误差。按照图E.1连接热中子探测器和相关电子学设备，放置于热中子参考辐射场参考位置处进行连续测量，测量时间1800s,总计数460837。放射性测量的计数值服从正态分布，单次测量的统计误差为：即由统计误差引入的标准不确定度：C.2.2.3探测器测量时间t的标准不确定度u(t)评定热中子探测器测量时间的标准不确定度主要由系统时钟的振动频率精度引入，假设频率精度为10×10-⁶,则标准不确定度为：C.2.2.4包镉探测器测量时间t的标准不确定度u(zd)评定包镉热中子探测器测量时间的标准不确定度主要由系统时钟的振动频率精度引入，假设频率精度为10×10-⁶,则标准不确定度为：C.2.2.5热中子注量率φ的标准不确定度u(φ)评定热中子参考辐射装置参考位置处的热中子注量率：2000cm-²·s⁻¹,Un=5.0%(k=2)。标准不确定度为：C.2.2.6修正因子kca的标准不确定度u(kca)评定修正因子kca通常采用蒙特卡洛方法计算，不确定度分量主要是计算结果的统计涨落。修正因子kca的标准不确定度u(kca)为：C.2.2.7修正因子kr的标准不确定度u(kpr)评定探测器计数率n为：根据误差传递公式，探测器计数率n的标准不确定度为：探测器系统的非扩展死时间z=7.2μs,标准不确定度u(z)=0.9μs,探测器计数的死时间修正为：根据误差传递公式，修正因子kpT的标准不确定度为：C.2.2.8修正因子k的标准不确定度u(k)评定包镉探测器计数率为：根据误差传递公式，探测器计数率n⁴的标准不确定度为：探测器系统的非扩展死时间z=7.2μs,标准不确定度u(t)=0.9μs,探测器计数的死时间修正为：根据误差传递公式，修正因子的标准不确定度为：C.2.2.9修正因子ke的标准不确定度u(ke)评定修正因子k通常采用蒙特卡洛方法计算，不确定度分量主要是计算结果的统计涨落。修正因子kpe的标准不确定度u(kca)为：C.2.2.10修正因子kdi的标准不确定度u(ka)评定修正因子k通常采用蒙特卡洛方法计算，不确定度分量主要是计算结果的统计涨落。修正因子kai的标准不确定度u(kaic)为：C.2.2.11半衰期修正因子ka的标准不确定度u(ka)评定对于基于放射性核素中子源的热中子参考辐射装置，参考位置的热中子注量率依据放射性核素衰变公式进行修正，修正因子k₂为：式中：φ——金箔活化法确定的热中子注量率，参考日期2022年10月10日；φ——当前日期的热中子注量率，当前日期为2023年10月10日；λ——24¹Am的衰变常量，λ=In2/T₁₂,半衰期Tv₂=432.6年；1——衰变时间。经计算：2#¹Am的半衰期为432.6年，修正因子k的标准不确定度u(k):C.2.2.12修正因子k,的标准不确定度u(kg)评定对于放射性核素中子源产生的热中子参考辐射场，一般采用放射性核素的半衰期修正热中子注量率，无需监测热中子注量率，则：修正因子k的标准不确定度u(kg)为：C.2.2.13修正因子k₈的标准不确定度u(ka)评定修正因子ka通常采用蒙特卡洛方法计算，不确定度分量主要是计算结果的统计涨落。修正因子ka的标准不确定度u(ka)为：C.2.2.14修正因子k的标准不确定度u(k)评定修正因子k△通常采用蒙特卡洛方法计算之不确定度分量主要是计算结果的统计涨落。修正因子k△的标准不确定度u人)为：C.2.3合成标准不确定度依照公式：u²(R)=c₁²u²(N)+c₂²u²(N)+c₃²u²(z)+c₄²u²(rcn²u²(ka)+c₁₂²u²(kg)+c12²C.2.3.1灵敏系数N对R的灵敏系数：N对R的灵敏系数：t对Re的灵敏系数：r对Re的灵敏系数：φ对R的灵敏系数：kca对R的灵敏系数：k对R的灵敏系数：k对R的灵敏系数：kye对R的灵敏系数：k对R的灵敏系数：ka对Re的灵敏系数：k,对Re的灵敏系数：C.2.3.2标准不确定度汇总表标准不确定度分量不确定度来源标准不确定度灵敏系数输出量不确定度分量包镉探测器计数探测器测量时间一0.006748cm²·s⁻¹时间u(φ婴)热中子注量率一0.001946cm⁴·s中子的衰减修正因子一0.1513cm²探测器计数死时间修正因子时间修正因子中子能谱差异修正因子热中子角度分布差异修正因子放射性核素中子源衰变修正因子热中子注量率波动修正因子标准不确定度分量不确定度来源标准不确定度灵敏系数输出量不确定度分量热中子探测器扰动修正因子热中子注量分布不均匀性修正以上各输人量标准不确定度分量互不相关，合成标准不确定度可按下式得到：代入后得到：相对合成标准不确定度为：C.2.4扩展不确定度计算取包含因子k=2,得到相对扩展不确定度：热中子探测器热中子注量响应的扩展不确定度为：20热中子探测器校准配套电子学设备热中子探测器校准配套电子学设备见表D.1。序号仪器设备名称要求1电压灵敏前置放大器合适的放大倍数；放大倍数8h稳定性好于±0.1%;积分非线性(外接负载1kΩ,输出幅度为0.5V时):不2电荷灵敏前置放大器合适的电荷灵敏度；上升时间不大于30ns;3电流灵敏前置放大器合适的转换系数；上升时间不大于50ns;4脉冲线性放大器放大倍数可调；于0.1%;微分、积分时间常数分挡可调；5高压电源输出电压调节范围：0kV~3kV连续可调；输出电压稳定性：8h内优于±0.1%;噪声与纹波(峰-峰):不大于20mV6低压电源为前置放大器，主放大器和脉冲幅度分析器提供低压7幅度甄别器(单道)甄别电压可调范围：0.1V~2V;8脉冲幅度分析器(多道)道数M:不小于512道；9定标器计数率上限：不小于2MHz;准确度：不大于0.1%示波器实时采样率：不小于1GS/s;微电流表准确度：不大于5%热中子探测器校准说明示意图热中子探测器校准说明示意图见图E.1～图E.4。幅度甄别器幅度甄别器高压电源脉冲线性放大器图E.1脉冲探测器校准连线示意图涂硼正比计数管BF,正比计数管图E.2脉冲探测器坪特性曲线示