利用3 He中子監(jiān)測儀對中子管產(chǎn)額進行實驗監(jiān)測

白金昌,景士偉,張明睿,喬 雙,嚴長春

(東北師范大學物理學院,吉林長春130024)

利用3He中子監(jiān)測儀對中子管產(chǎn)額進行實驗監(jiān)測

白金昌,景士偉,張明睿,喬 雙,嚴長春

(東北師范大學物理學院,吉林長春130024)

以自主研制的ZFD-1型中子發(fā)生器為例,研究了在不同加速高壓下D-D型中子管中子的軸向分布情況,以及影響3He中子監(jiān)測儀探測性能的一些主要因素.根據(jù)所得實驗數(shù)據(jù)擬合圖線,可對中子管產(chǎn)生中子的軸向分布進行標定.

中子產(chǎn)額;3He管;加速高壓

1 引 言

中子管是一種小型加速器式中子源,應用廣泛,可在中子探礦、石油中子測井、中子輻射照蝦、中子輻射養(yǎng)蠶、中子照相、中子水分子測量、中子活化分析、中子醫(yī)療診斷等領(lǐng)域使用,具有成本低、重量輕、操作維護簡單、防護容易等優(yōu)點,可進行現(xiàn)場輻照或流動輻照,適合推廣.中子產(chǎn)額是中子管的重要參量之一,影響中子產(chǎn)額的因素有很多,除電器指標外,制作工藝也是影響每支中子管產(chǎn)額的主要因素,因此,在中子管的實際應用中,對中子產(chǎn)額進行標定,找出影響中子產(chǎn)額的主要因素及它們之間的函數(shù)關(guān)系對實際的應用很有意義[1-5].

2 實 驗

核反應法是監(jiān)測中子的一種較常見的方法,3He管中子監(jiān)測儀就是根據(jù)此原理制成.實驗中采用的3He管直徑5 cm,全長25 cm,外面包覆5 cm厚的聚乙烯.中子與3He作用產(chǎn)生的信號經(jīng)過電荷靈敏放大器和主放大器放大,最后輸入多道脈沖幅度分析器(MCA)中并存入到計算機內(nèi).

影響中子分布的因素有很多[2]:包括距離,即中子源(中子管)與中子監(jiān)測儀間的距離;監(jiān)測儀外部有無中子屏蔽設(shè)備;監(jiān)測儀的放置方向;加速高壓等.實驗中通過改變這些參量,測得數(shù)據(jù)可以找到一些相應的規(guī)律.

實驗裝置包括中子源、監(jiān)測臺和控制臺3個部分,如圖1所示.中子源部分是由D-D管、絕緣油和在最外層的金屬屏蔽殼組成.其中絕緣油用于隔離高壓,金屬屏蔽殼用于屏蔽高壓電源中高頻電路產(chǎn)生的電磁輻射對電荷靈敏前置放大器進行干擾.

圖1 監(jiān)測儀垂直放置示意圖

實驗中以中子管和3He管監(jiān)測儀的中心連線為x軸,根據(jù)監(jiān)測儀相對中子管外的屏蔽殼的垂直放置和平行放置,可建立2個坐標系,見圖2.x值并不是中子管距監(jiān)測儀的實際距離,實際距離應是l=x+x0(實驗中測得 x0=20 cm),下面所記錄的“距離”均指“實際距離”.

圖2 x軸的建立

3 實驗結(jié)果

3.1 蠟塊屏蔽前監(jiān)測儀在中心線軸向上中子產(chǎn)額的分布測量

3.1.1 監(jiān)測儀垂直放置

實驗中改變中子管與監(jiān)測儀間的距離時,每次將監(jiān)測儀向外移動10 cm,測量600 s時間內(nèi)監(jiān)測儀接收到的中子計數(shù).將中子管存儲器電流和離子源電壓調(diào)節(jié)到適當?shù)墓潭ㄖ?通過改變加速高壓,共記錄3組數(shù)據(jù),每組數(shù)據(jù)包括10次不同距離.首先將監(jiān)測儀垂直放置,中子發(fā)生器存儲室電流2.8 A,離子源電流0.35 m A,離子源電壓2 500 V,加速高壓分別為80,85,90 kV,測量結(jié)果及擬合曲線如圖3所示.

圖3 屏蔽前不同加速電壓時峰面積計數(shù)與距離的關(guān)系及擬合

由圖3可以看出,監(jiān)測儀被蠟塊屏蔽前,其接收到的中子計數(shù)隨距離的逐漸增大是非線性衰減的,距離越大,衰減速度就越慢.3種電壓下圖線的形狀大致相同,這說明在3種電壓下工作時,中子管保持著一種穩(wěn)定的中子產(chǎn)額性能[4].圖中還給出了3種加速電壓下接收到中子計數(shù)的擬合關(guān)系式.

3.1.2 監(jiān)測儀平行放置

將監(jiān)測儀平行放置,測量加速高壓80 kV下接收到中子數(shù)量隨距離的變化情況,其他實驗參量均不作改變,所得結(jié)果如圖4所示.由圖4可以看出,在中子管有相同的加速高壓(即中子產(chǎn)額相同)下,監(jiān)測儀的放置方式對監(jiān)測儀所接收到的中子數(shù)量影響很大.例如在監(jiān)測儀中心距離中子管40 cm處,平行放置時接收到的中子數(shù)量是垂直放置時的5倍,同時隨著軸向距離的增大,監(jiān)測儀接收到中子計數(shù)的衰減速度也不同,平行放置時中子計數(shù)衰減得要更快些,這是2種放置方式下監(jiān)測儀接收面積不同而引起的.

圖4 加速電壓80 kV時平行放置與垂直放置的比較

3.2 蠟塊屏蔽后監(jiān)測儀在中心線軸向上中子產(chǎn)額的分布測量

為研究不同方向散射中子對中子監(jiān)測儀計數(shù)的影響,用含硼石蠟塊將3He管的側(cè)面包裹住,石蠟塊足夠厚,3He管側(cè)面幾乎接收不到中子.屏蔽后中子監(jiān)測儀垂直放置,測量采用與3.1.1相同的方法及參量,測得的3組數(shù)據(jù)及擬合后的結(jié)果如圖5所示.從圖中可以看出,在監(jiān)測儀軸向距離20～80 cm的范圍內(nèi),計數(shù)和距離趨向線性關(guān)系,不同加速電壓下中子計數(shù)的衰減速度不同.當監(jiān)測儀距離增大至85 cm時,3種加速電壓下的中子數(shù)量基本相同.

圖5 屏蔽后不同加速電壓時峰面積計數(shù)與距離的關(guān)系

4 討 論

由實驗結(jié)果可以看出,監(jiān)測儀放置距離、放置方式和是否被屏蔽等因素對監(jiān)測儀所接受到的中子計數(shù)影響不同,所以在監(jiān)測時應該注意中子監(jiān)測儀的距離、放置方向等因素.

中子管在靶處產(chǎn)生的中子發(fā)射到空間理論上是各向同性分布即4π方向,在擬合圖線選擇函數(shù)模型時,可以選擇y=axb這一模型.我們發(fā)現(xiàn)擬合出的函數(shù)關(guān)系式中,b值并不等于-2,這是由于沒有考慮中子管周圍的絕緣油對中子的慢化和吸收作用.在許多實際應用中,中子管工作時必須有絕緣油的保護,因此將中子管和絕緣油看作一個整體來測量這一整體的中子數(shù)量分布情況仍有實際意義.

試著將絕緣油的這一保護作用等效為適當增加監(jiān)測儀的距離Δx,為了找出修正量Δx,可以試著代入幾個假設(shè)的Δx值,直到找出滿足b=-2的函數(shù)關(guān)系式時的Δx值為止.在試驗大量試點后,最終找出了當b=-1.99時,Δx=55.6 cm,模擬曲線與實驗數(shù)據(jù)對比如圖6所示.

圖6 對x修正后的圖線和擬合關(guān)系式

[1]魏寶杰.中子管及其應用技術(shù)[M].長春:東北師范大學出版社,1997:35-51.

[2]劉茂林,劉雨人,景士偉.中子發(fā)生器及其應用[M].北京:原子能出版社,2005:11-12.

[3]Chichester D L,B rainard J,Schwoebel P R,et al.Development of a field desorp tion ion source fo r neutron generato r app lications[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B:Beam Interactionsw ith Materialsand A toms,2007,261(1-2):835-838.

[4]董艾平,李文杰,王強,等.可拆卸的密封中子管[J].東北師大學報(自然科學版),1994,26(1):92-94.

[5]劉名揚,孫維瑾,張民.Penning阱中離子譜的優(yōu)化及離子的分析[J].物理實驗,2008,28(11):12-16.

[責任編輯:郭 偉]

Experimental study on monitoring of neutron yield of neutron tube by3He gas-based neutron monitor

BA IJin-chang,JING Shi-wei,ZHANGM ing-rui,Q IAO Shuang,YAN Chang-chun
(Department of Physics,Northeast Normal University,Changchun 130024,China)

Taking the ZFD-1 neutron generator asan examp le,the axial distribution of neutrons in the neutron tube under several suitable acceleration voltages and the key facto r that affected the detecting performance of the3He gas-based neutron monitor are studied in the experiment.Some fitting curves and its fitting function are given after p rocessing the experimental data.So that the yield of this(D-D)reaction neutron tube in the neutron tube axial center line is calibrated.

neutron yield;3He gas-based tube;accelerato r voltage

O571.5

A

1005-4642(2010)11-0041-03

“第6屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文

2010-01-22;修改日期:2010-08-30

白金昌(1953-),男,吉林九臺人,東北師范大學物理學院工程師,學士,主要從事核物理實驗技術(shù).

景士偉(1975-),男,遼寧葫蘆島人,東北師范大學物理學院講師,博士研究生,從事中子管及其應用技術(shù)方面的研究.