1、實驗8用BF3正比計數管探測慢中子實驗目的1. 了解BF3正比管探測慢中子的基本原理。2. 學會選取BF3正比管最佳工作點的方法。實驗內容1. 用示波器觀察BF3正比管的輸出脈沖波形。2. 測量BF3正比管的坪曲線，并確定管子的工作電壓。3. 測量BF3正比管的偏壓曲線，并確定其偏壓。4. 用多道分析器測BF3正比管探測中子時的脈沖幅度譜。原理BF3正比管內充的是三氟化硼氣體，它是用核反應方法探測中子的。用BF3氣體探測慢中子所依據的核反應方程式如下：3Li 煒 2.792MeV0n +；0B = <7Li +口2+2.310MeV（ 1）3 Li* +Y + 0.478MeV10B（n

2、,Li反應是放熱反應，忽略入射中子的能量，反應后的反應能變成了a粒子和7Li核的動能，BF3正比管就是通過探測10B（n, a）7Li反應生成的a粒子和7Li反沖核間接地探測中 子的。10B（n,Li反應對熱中子的反應截面比較大（3840 ±1巴），而且中子能量小于 30keV時，它的反應截面符合“速度反比律”。如圖1所示。BF3正比管是坪寬較長的慢中子探測器，它的特點是探測靈敏度高，抗丫干擾能力比較強。由于快中子可以被含氫物質（例如石蠟等）慢化，所以帶有慢化裝置的BF3計數管，也能用來探測快中子。根據這個原理制成的一種快中子探測器叫“長中子管”，它的特點是在很寬的中子能量范圍里對快

3、中子響應有幾乎不變的靈敏度，工作穩定可靠。目前，BF3正比管在慢中子探測和快中子通量測量與監測等方面仍有廣泛的應用。1. BF3正比管的探測效率BF3正比管記錄 a粒子和7Li核的效率可以認為是 100%。中子探測效率主要決定于 10B（n,口反應發生的幾率。BF3正比管探測中子的效率定義為：和10B發生反應的中子數與入射到管子靈敏體積內的中子數之比。假定在計數管靈敏體積內種子通量是均勻的，計數管的有效體積是 V =水21 , r和I分別是管子的半徑和有效長度。根據定義，垂直入射 到剖面面積為S（S=2rl）的計數管上的中子的探測效率為：2V n； 二 r I n； 二 rn”_'（2

4、）S©2rl©2式中n是單位體積中10B的原子數，c是10B反應截面。這里的 n可以由管內所充氣體壓力 并根據20C個大氣壓下一克分子 BF3氣體（分子數為 6.022 >1023個）占有22400cm3體積 計算得到，這時對熱中子的探測效率可以寫為：_4:=2.13 10 apr（3）式中，a是10B的同位素豐度，p是BF3氣體壓力（以 mmHg為單位）。2. BF3正比管探測中子的脈沖幅度譜BF3正比管探測中子時測得的脈沖幅度譜是a粒子和7Li核的能譜，而不是中子能譜。Y射線等低幅度 事件BF3正比管的脈沖幅度譜中反應產物全能 峰的分辨率是判斷管子質量的重要指標，

5、 通常以譜中相應于能量為 2.31MeV峰的 半寬度來表示。（理想的BF3正比管輸出的 脈沖幅度譜形如圖2所示）。如果不考慮電子學儀器等外部因素、 制造工藝及氣體純度方面的問題，影響 BF3正比管脈沖幅度譜形狀的主要因素是 管子的“壁效應”（如圖3所示）。£1加的"卜1用比勵出的曲Wm辭郡由于"F改應t飽影韋,BF,工比賛的輸出歸沖 隅度攜中出議兩牛連績的“臺階”比較圖2和圖3,我們發現，圖 中2.31MeV的反應產物全能峰左邊有兩 個連續的“臺階”，臺階的起點分別為 0.84MeV和1.47MeV。這兩個臺階就 是由管子的“壁效應”引起的。當入 射中子能量很低時

6、，按反應動力學的 原理，反應生成的a粒子和7Li核應在 一直線上并反向運動，但在離管壁很 近的地方產生的 a粒子（1.47MeV ） 和7Li核（0.84MeV ）沒有把全部能量 都耗盡在BF3氣體里，而是把它們當 中的一個粒子的部分以至全部能量交 給了管壁，這就是所謂的 BF3正比管 的“壁效應”。加大管子的直徑，改進 管子的機械結構，可以減小“壁效應” 的影響但理論和實踐都證明，BF3正比管的“壁效應”是不能完全消除的。3. BF3正比管坪曲線和偏壓曲線測量BF3正比管坪曲線和偏壓曲線是為了確定管子的工作點。BF3正比管坪曲線的形狀和測量方法和G-M計數管相類似，只是BF3計數管的坪曲線隨

7、甄別閾的選取有較大變化。在我們適當選取甄別閾以后，由于丫脈沖、電子學儀器的噪聲等小幅度事件的脈沖幅度低于選定的閾值，當高壓在一定范圍里變化時，測量系統測得的計數率基本不變，高壓的這個變化范圍就是BF3正比管的坪區。BF3正比管的坪長和坪斜是管子性能的重要指標，經屏蔽并選取合適的甄別閾后，BF3正比管的坪斜小于1%，坪長可達500伏以上坪斜定義為坪斜=n2二山，也二y（% /百伏）n 100式中V1,V2是管子坪區的起點和終點（單位是伏） ，n1n2是它們相應的計數率，而N' nin=（n 1+ n2）/2,如果在整個坪區測幾個實驗點，則n二厘 ，這里N是所取實驗點的個數。N通常管子的工

8、作點選在坪區的中點。固定高壓后不斷改變單道閾值時測得的積分曲線，習慣上叫做該BF3正比管的偏壓曲線。BF3正比管的偏壓曲線也有平坦的部分，平坦部分越寬管子的性能越好，平坦部分的中 點就是我們要選取的閾值。BF3正比管的偏壓曲線和坪曲線的形狀還與測量系統有關。國4 一貝國產亠愛型比曾的坪曲線如上所述，。BF3正比管的偏壓和工作高壓都有相當大的可變范圍，單道閾值和高壓在一定范圍里的漂移對計數率影響不大，所以BF3正比管用于中子通量監測是比較可靠的。4 甄別丫射線的能力丫射線幾乎都是伴隨中子存在的，抗丫干擾問題是中子探測器難點之一。BF3正比計數管抗丫干擾能力是比較強的。丫射線在管壁上打出的快電子只

9、把很小一部分能量消耗在管內，形成的脈沖幅度小， 用簡單的幅度甄別就能把 丫脈沖去掉。國產SZJ-2型正比管耐丫強 度的出廠指標是1X 104維倫/秒。在更強的丫場下，丫脈沖的堆積和丫射線輻照使BF3氣體 分子鏈斷裂，丫脈沖幅度大大增加，中子脈沖幅度大大降低，n-丫就無法分辨了。實驗裝置實驗儀器高壓電源FH1016A 3kV1臺BF3計數管SZJ-21只前置放大器FH1048A1臺線性放大器FH1002A1臺單道分析器FH1008A1臺定標器FH1011A1臺多道分析器FH419G11臺脈沖示波器SBM-101臺石蠟慢化裝置及中子源吊裝裝置1套石蠟慢化裝置及中子源吊裝裝置中子源Am-Be 源 105-106 中子 /4 ns-1個石蠟慢化裝置高壓電源實驗步驟1. 用示波器觀察BF3正比管的輸出脈沖波形，注意脈沖幅度隨高壓的變化并和無源時比較。2. 測不同甄別閾下的坪曲線，選取管子的工作高壓，畫出坪曲線，計算坪長和坪斜，說明 確定高壓的方法。3. 測管子的偏壓曲線，選定管子的偏壓，畫出偏壓曲線，說明確定偏壓的方法。4. 用多道分析器測BF3正比管輸出的脈沖幅度譜，描