He-3中子正比计数管中子 -γ混合场下的性能研究

李彪 刘海林 王永迪

中核控制系统工程有限公司 北京市大兴区 100176

摘要：本文对比了He-3中子正比计数管在不同工作参数、不同的充气比例下在中子-γ混合场下的性能，并通过对测试的结果，得出了适合在混合场下正常工作的He-3中子正比计数管的充气比例和工作参数。

关键字：中子正比计数管、混合场

1. 前言

中子正比计数管主要有、BF₃正比计数管、涂硼正比计数管三种类型。而He-3中子正比计数管由于其中子灵敏度高，应该最为广泛。

由于He-3平均气体电离能较高，而耐压性能较差，一般需要混合一定比例的易电离的淬灭气体如Ar、CO₂、P10、Kr、CF₄才能制成可用的正比计数管。由于He-3的中子反应截面很大且有淬灭气体的存在，因此He-3充气压力可以很高，最高可超过20个标准大气压，高气压的He-3正比计数管可达到接近100%的探测效率【1】。国内外探测器生产厂家对He-3正比计数管的充气比例和成分均有较多的研究，配合相应的充气参数，可使He-3正比计数管适用于较强γ场、高温下等条件工作，在环境剂量监测、石油测井等领域有广泛的应用。理论上在He-3充气压力相同的情况时，其中子灵敏度基本一致，而在正常工作电压下，相同强度的γ射线产生的脉冲幅度与淬灭气体对γ射线的敏感度有关，即淬灭气体的原子量、充气压力。

我们制作了几种不同充成分的He-3中子正比计数管进行中子-γ混合场下的测试，以研究不同类型的正比计数管的充气工艺参数与正比计数管的γ性能的关系。

2. 计数管参数对比

   序号	类型	编号	外径	灵敏区长度mm	阳极外径mm	充气成分及压力
   	He-3正比计数管	He-3-01#	25.4	200	0.025	3 bar He-3 +1.1 bar Ar
   		He-3-02#	25.4	200	0.025	3 bar He-3+0.05bar Ar+0.15bar CO2
   		He-3-03#	25.4	200	0.025	3 bar He-3+0.2bar CO2

3. 测试条件及方法

3．1纯中子场测试

中子源：Am-Be源，测试位置平均中子注量率约1200 nv

测试仪表：前放：BH2213-A型，放大倍数~100倍，距离探测器连线长1米。

BH1218线性放大器 100倍

多道：ORTEC 927型多道分析器

在纯中子场中测试探测器的坪特性及脉冲幅度谱，验证探测器的基础性能。

3．2混合场测试

γ源：Co-60，中核控制γ源库，最近处剂量率约1.5Gy/h，最远处约0.015Gy/h

中子源：Am- Be源，测试位置平均中子注量率约10 nv

测试仪表：前放：BH2213-A型，放大倍数~100倍，距离探测器连线长1米。

BH1218线性放大器 50倍（此时工作电压需要增加100V，信号幅度才能与放大倍数100倍时一致）

多道：ORTEC 927型多道分析器

计数管布置灵敏区10cm在γ照射区，10cm在中子场中。

针对同一只探测器，设置在正常工作电压下，分别在无GAMMA源时、0.2Gy/h（距离源罐出口约1.4m）、0.5Gy/h（距离源罐出口约0.93m）、1Gy/h（距离源罐出口约0.63m）测试系统输出的脉冲幅度谱，验证探测器在混合场下性能。

图 1 探测器测试布置图

4. 中子场中测试结果

He-3-01#

He-3-02#

He-3-03#

图 2 中子场脉冲幅度谱（上为He-3-01#@1150V， 中为He-3-02#@850V， 下为He-3-03#@750V）

根据上述测试结果可知：坪特性He-3-01#优于He-3-02#优于 He-3-03#；工作电压He-3-01#高于He-3-02#高于He-3-03#；脉冲幅度谱 He-3-01#优于He-3-02#近似于 He-3-03#；因此，在纯中子场下，仅充氩气作为淬灭气体的He-3正比计数管其性能更优。

5. 中子-γ混合场脉冲幅度谱测试结果

5.1 He-3-01#

He-3-01#在不同γ剂量率下混合辐照场下的脉冲幅度谱如图2所示：

图 3 He-3-01# 脉冲幅度谱测试结果（左上为纯中子测试，右上为中子+0.2Gy/h，左下为中子+0.5Gy/h，右下为中子+1Gy/h）@1250VDC

根据多道采集的数据，整理甄别特性曲线如图3所示：

图 4 He-3-01#在不同γ剂量率下的甄别特性曲线@1250VDC

5.2 He-3-02#

He-3-02#不同γ剂量率下的脉冲幅度谱如图4所示：

图 5 He-3-02# 脉冲幅度谱测试结果（左上为纯中子测试，右上为中子+0.2Gy/h，左下为中子+0.5Gy/h，右下为中子+1Gy/h）@950VDC

根据多道采集的数据，整理甄别特性曲线如图5所示：

图 6 He-3-02#在不同γ剂量率下的甄别特性曲线@950VDC

5.3 He-3-03#

He-3-03#在不同γ剂量率下混合辐照场的脉冲幅度谱如图6所示：

图 7 He-3-03# 脉冲幅度谱测试结果（左上为纯中子测试，右上为中子+0.2Gy/h，左下为中子+0.5Gy/h，右下为中子+1Gy/h）@800VDC

根据多道采集的数据，整理甄别特性曲线如图7所示：

图 8 He-3-03#在不同γ剂量率下的甄别特性曲线@800VDC

5.4 中子-γ信噪比分析

由于正比计数管的脉冲幅度与工作高压成正比关系，因此在两个不同工作电压下对正比计数管信噪比进行分析。本文的信噪比分析选取纯中子甄别曲线上计数率小于10cps时的道址D₁作为信号幅度，D₁/10对应的计数率作为中子本底计数，在混合场的甄别曲线上计数率等于中子本底计数率时的道址作为噪声幅度D_z。（注：信号幅度仅可针对同一型号的探测器进行直接对比）

表 2 中子-GAMMA信噪比汇总

5.4 小结

从脉冲幅度谱及甄别特性曲线上以及信噪比分析结果可以看出，选择低气压的淬灭气体（He-3-02#、He-3-03#），GAMMA噪声幅度更小，中子-GAMMA信噪比更优，同时低工作电压时，其信噪比更优。

6. 总结

传统的He-3正比计数管在小于0.5Gy/h的照射量率时，可以通过提高甄别电压的方式甄别GAMMA噪声，但是同时会导致中子灵敏度下降；而通过降低淬灭气体的充入量，可以明显提高He-3正比计数管可在较强GAMMA场中提升其在中子-γ混合场下的信噪比，可以使He-3正比计数管工作在更高的照射量率（超过1Gy/h）的应用场合，如区域中子剂量监测。此次试验采用的淬灭气体为常用的气体，充入低气压时，He-3正比计数管的脉冲幅度谱不是典型谱，后续工作中可以通过试验其他类型的淬灭气体改善脉冲幅度谱。

参考文献：

【1】廖俊辉等 一维位置灵敏热中子^3He高气压正比计数管的研究, 《核电子学与探测技术》2008年第6期1249-1253