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,可對中子管產生中子的軸向分布進行標定.

中子產額;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.中子產額是中子管的重要參量之一,影響中子產額的因素有很多,除電器指標外,制作工藝也是影響每支中子管產額的主要因素,因此,在中子管的實際應用中,對中子產額進行標定,找出影響中子產額的主要因素及它們之間的函數(shù)關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.

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 實驗結果

3.1 蠟塊屏蔽前監(jiān)測儀在中心線軸向上中子產額的分布測量

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管的側面包裹住,石蠟塊足夠厚,3He管側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,計數(shù)和距離趨向線性關系,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)與距離的關系

4 討 論

由實驗結果可以看出,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的Δx值,直到找出滿足b=-2的函數(shù)關系式時的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系式

[1]魏寶杰.中子管及其應用技術[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.

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方面的研究.