白金昌,景士伟,张明睿,乔 双,严长春

(东北师范大学物理学院,吉林长春130024)

利用3He中子监测仪对中子管产额进行实验监测

白金昌,景士伟,张明睿,乔 双,严长春

(东北师范大学物理学院,吉林长春130024)

以自主研制的ZFD-1型中子发生器为例,研究了在不同加速高压下D-D型中子管中子的轴向分布情况,以及影响3He中子监测仪探测性能的一些主要因素.根据所得实验数据拟合图线,可对中子管产生中子的轴向分布进行标定.

中子产额;3He管;加速高压

1 引 言

中子管是一种小型加速器式中子源,应用广泛,可在中子探矿、石油中子测井、中子辐射照虾、中子辐射养蚕、中子照相、中子水分子测量、中子活化分析、中子医疗诊断等领域使用,具有成本低、重量轻、操作维护简单、防护容易等优点,可进行现场辐照或流动辐照,适合推广.中子产额是中子管的重要参量之一,影响中子产额的因素有很多,除电器指标外,制作工艺也是影响每支中子管产额的主要因素,因此,在中子管的实际应用中,对中子产额进行标定,找出影响中子产额的主要因素及它们之间的函数关系对实际的应用很有意义[1-5].

2 实 验

核反应法是监测中子的一种较常见的方法,3He管中子监测仪就是根据此原理制成.实验中采用的3He管直径5 cm,全长25 cm,外面包覆5 cm厚的聚乙烯.中子与3He作用产生的信号经过电荷灵敏放大器和主放大器放大,最后输入多道脉冲幅度分析器(MCA)中并存入到计算机内.

影响中子分布的因素有很多[2]:包括距离,即中子源(中子管)与中子监测仪间的距离;监测仪外部有无中子屏蔽设备;监测仪的放置方向;加速高压等.实验中通过改变这些参量,测得数据可以找到一些相应的规律.

实验装置包括中子源、监测台和控制台3个部分,如图1所示.中子源部分是由D-D管、绝缘油和在最外层的金属屏蔽壳组成.其中绝缘油用于隔离高压,金属屏蔽壳用于屏蔽高压电源中高频电路产生的电磁辐射对电荷灵敏前置放大器进行干扰.

图1 监测仪垂直放置示意图

实验中以中子管和3He管监测仪的中心连线为x轴,根据监测仪相对中子管外的屏蔽壳的垂直放置和平行放置,可建立2个坐标系,见图2.x值并不是中子管距监测仪的实际距离,实际距离应是l=x+x0(实验中测得 x0=20 cm),下面所记录的“距离”均指“实际距离”.

图2 x轴的建立

3 实验结果

3.1 蜡块屏蔽前监测仪在中心线轴向上中子产额的分布测量

3.1.1 监测仪垂直放置

实验中改变中子管与监测仪间的距离时,每次将监测仪向外移动10 cm,测量600 s时间内监测仪接收到的中子计数.将中子管存储器电流和离子源电压调节到适当的固定值,通过改变加速高压,共记录3组数据,每组数据包括10次不同距离.首先将监测仪垂直放置,中子发生器存储室电流2.8 A,离子源电流0.35 m A,离子源电压2 500 V,加速高压分别为80,85,90 kV,测量结果及拟合曲线如图3所示.

图3 屏蔽前不同加速电压时峰面积计数与距离的关系及拟合

由图3可以看出,监测仪被蜡块屏蔽前,其接收到的中子计数随距离的逐渐增大是非线性衰减的,距离越大,衰减速度就越慢.3种电压下图线的形状大致相同,这说明在3种电压下工作时,中子管保持着一种稳定的中子产额性能[4].图中还给出了3种加速电压下接收到中子计数的拟合关系式.

3.1.2 监测仪平行放置

将监测仪平行放置,测量加速高压80 kV下接收到中子数量随距离的变化情况,其他实验参量均不作改变,所得结果如图4所示.由图4可以看出,在中子管有相同的加速高压(即中子产额相同)下,监测仪的放置方式对监测仪所接收到的中子数量影响很大.例如在监测仪中心距离中子管40 cm处,平行放置时接收到的中子数量是垂直放置时的5倍,同时随着轴向距离的增大,监测仪接收到中子计数的衰减速度也不同,平行放置时中子计数衰减得要更快些,这是2种放置方式下监测仪接收面积不同而引起的.

图4 加速电压80 kV时平行放置与垂直放置的比较

3.2 蜡块屏蔽后监测仪在中心线轴向上中子产额的分布测量

为研究不同方向散射中子对中子监测仪计数的影响,用含硼石蜡块将3He管的侧面包裹住,石蜡块足够厚,3He管侧面几乎接收不到中子.屏蔽后中子监测仪垂直放置,测量采用与3.1.1相同的方法及参量,测得的3组数据及拟合后的结果如图5所示.从图中可以看出,在监测仪轴向距离20～80 cm的范围内,计数和距离趋向线性关系,不同加速电压下中子计数的衰减速度不同.当监测仪距离增大至85 cm时,3种加速电压下的中子数量基本相同.

图5 屏蔽后不同加速电压时峰面积计数与距离的关系

4 讨 论

由实验结果可以看出,监测仪放置距离、放置方式和是否被屏蔽等因素对监测仪所接受到的中子计数影响不同,所以在监测时应该注意中子监测仪的距离、放置方向等因素.

中子管在靶处产生的中子发射到空间理论上是各向同性分布即4π方向,在拟合图线选择函数模型时,可以选择y=axb这一模型.我们发现拟合出的函数关系式中,b值并不等于-2,这是由于没有考虑中子管周围的绝缘油对中子的慢化和吸收作用.在许多实际应用中,中子管工作时必须有绝缘油的保护,因此将中子管和绝缘油看作一个整体来测量这一整体的中子数量分布情况仍有实际意义.

试着将绝缘油的这一保护作用等效为适当增加监测仪的距离Δx,为了找出修正量Δx,可以试着代入几个假设的Δx值,直到找出满足b=-2的函数关系式时的Δx值为止.在试验大量试点后,最终找出了当b=-1.99时,Δx=55.6 cm,模拟曲线与实验数据对比如图6所示.

图6 对x修正后的图线和拟合关系式

[1]魏宝杰.中子管及其应用技术[M].长春:东北师范大学出版社,1997:35-51.

[2]刘茂林,刘雨人,景士伟.中子发生器及其应用[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,王强,等.可拆卸的密封中子管[J].东北师大学报(自然科学版),1994,26(1):92-94.

[5]刘名扬,孙维瑾,张民.Penning阱中离子谱的优化及离子的分析[J].物理实验,2008,28(11):12-16.

[责任编辑:郭 伟]

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届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文

2010-01-22;修改日期:2010-08-30

白金昌(1953-),男,吉林九台人,东北师范大学物理学院工程师,学士,主要从事核物理实验技术.

景士伟(1975-),男,辽宁葫芦岛人,东北师范大学物理学院讲师,博士研究生,从事中子管及其应用技术方面的研究.