_3He中子计数管的机理及结构.doc

 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 . 29 Sep . No . 5 2009 3 He 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 ,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 0 3 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 + 765 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 1 3 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 , 1 E ( r) = ( 1) rl n ( b/ a) 式中 : a 为阳极丝半径 ; 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 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α 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 α 电 离 能 为 26 . 3 eV ,CO2 气对于α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 cm 400 keV 粒子电离能 量损失率 keV/ cm 平均中子 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γ能力 ( R/ h) b 性能 3 He ( 0 . 15 Mp a/ cm) 2 . 1 1 . 1 ～500 4 . 0 125 3 He ( 0 . 15 Mp a/ cm) 0 . 5 6 . 7 ～750 24 . 0 30 1 + 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 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 ,