基于组合式He气闪烁体的中子探测技术研究

Measuring neutron flux changed with time parameter is the most important point at investigating the progress and characteristic of nuclear reaction.When the neutron spectrum is unknown and the neutron flux is measured exactly, the detecting technology and experimentation having flat energy respond are the key.A new method of measuring neutrons based on combinatorial helium gas scintillator will be introduced in this research project.The principle of this method is that the recoiled protons and alpha particles produced by neutrons colliding elasticly with hydrogen nucleus and helium nucleus excitated gas emitting photons, and photomultiplier is used to collect these photons for measuring neutron flux.The virtue of helium gas scintillator and the characteristic of neutron reacting with hydrogen nucleus and helium nucleus are used in this method.Neutron energy deposition in helium gas is compensated by fitting together polythene ,helium gas and other material,which makes neutron detector to have flat energy respond to fast neutron and higher n/γ discrimination. Firstly,the light yield and scintillation decay of helium gas excitateded by alpha particles and γ-ray will be investigated.Secondly,the reacting process of neutron colliding elasticly with hydrogen nucleus and helium nucleus can be simulate systemicly by computer,then the analog calculation and experiment research will be done.In the end ,a neutron detector based on helium gas scintillator will be designed.The detector will offers a new method and technology for measuring neutron flux in mixed radiation field.

测量中子强度随时间变化参数是研究核反应过程机理和特性的重要途径，在能谱不能准确获知的情况下，准确测量中子强度的关键是需要研究能量响应平坦的探测技术和实验方法。本项目提出一种基于组合式He气闪烁体的中子测量方法，其探测原理是采用光电倍增管探测中子与聚乙烯、He气产生的反冲质子、α粒子激发He气体发光来实现对中子的测量。该方法利用了He气闪烁体的发光特点，利用H、He两种核素与中子作用截面的特点，通过组合聚乙烯、He气等材料，补偿不同能量中子在He气中沉积的能量，可使探测器具有中子能量响应平坦、n/γ分辨能力高等优势。本课题将从He气闪烁体对α粒子、γ射线的发光产额和发光衰减时间等特性研究入手，通过系统的理论模拟中子与H核、He核的作用过程，进行理论计算及实验研究，研制基于He气闪烁体的中子探测器，为混合辐射场的中子强度准确测量提供一种新的思路和技术途径。

在脉冲裂变辐射场中子总数测量中，需要中子探测器有平坦的能谱响应，高的n/γ分辨能力以及快的时间响应等特性，而目前常用探测器对中子的能谱响应并未达到理想的水平，因此为更好地测量中子，需要探索具有能谱响应更平坦、中子/伽马分辨能力更高的探测技术。为此本项目研究了一种新的电流型探测器——基于组合式4He气闪烁体的中子探测器，它采用几种核素与中子共同作用而产生能量沉积的原理，使之对中子的能谱响应更平坦，并能符合裂变中子总数测量的要求。本项目重点研究了基于组合式4He气闪烁体的中子探测技术，包括设计了基于不同核素的组合式4He气闪烁体的结构，建立了组合式4He气闪烁体的中子、伽马能量沉积及时间响应理论计算模型，完成了对不同类型组合式气体闪烁体的尺寸计算和设计，成功设计研制了基于聚乙烯组合式4He气体闪烁探测器和基于10B组合式4He气体闪烁探测器，并对这两种探测器的性能进行了研究。计算结果表明该探测器在很宽的能量范围内对中子的能量响应非常平坦。实验结果表明，探测器的中子灵敏度可到10^−15 cm2·C，伽马射线灵敏度约为10^−16 cm2·C，n/γ1.25分辨约为8倍，理论值与实验值比较一致。这证明了基于组合式4He气闪烁体的中子测量方法是可行的。该项目成果能为我们今后探测中子提供一种新的思路和新的有效技术方法，因此将具有十分重要的意义。