基于半經驗法多球中子譜儀校準

孫博文　曾志　張輝　馬豪　李君利

摘 要：基于半經驗法扣除中子散射本底，提出了一種多球中子譜儀校準的新方法。首先用熱中子參考輻射裝置校準多球中子譜儀各中子球內He-3 正比計數器的探測效率。用多球中子譜儀各中子球單獨測量參考241Am-Be中子源，結合半經驗法扣除散射，給出了各中子球的注量響應。結合兩者實驗結果，獲得241Am-Be 源能譜并給出譜儀注量響應。結果表明，校準的多球中子譜儀具備快中子區測量能力。

關鍵詞：多球中子譜儀;校準;中子能譜;半經驗法

中圖分類號：TL817 文獻標識碼：A

相比常規單中子探頭，多球中子譜儀能測量較寬能量范圍中子場的能譜，應用更加廣泛[1] 。在多球中子譜儀使用前，需要對多球中子譜儀探測效率和解譜結果進行校準。Howell 等人[2] 利用能量為14. 8 MeV、1. 2 MeV、565 keV 和144 keV的單能中子校準了多球中子譜儀響應，利用單能中子能較準確地評估多球中子譜儀對特定能量中子的響應，但單能中子源較難獲取。CAO 等人[3]通過測量241 Am-Be 快中子源驗證多球中子譜儀，該方法在近距離單點處開展測量，難以估計散射本底。前期工作用影錐法扣除散射本底， 利用241 Am-Be 快中子源校準一套多球中子譜儀[4] ，只給出了He-3 正比計數器探測效率相對值。結合上述文獻和前期工作經驗，為了更好地實現He-3正比計數器校準，本文改用中國計量科學研究院的熱中子參考輻射裝置測量，可直接給出He-3 正比計數器探測效率。利用通用的241 Am-Be 中子源作為多球中子譜儀校準用源，為了更科學地扣除散射本底干擾，通過國際標準化組織ISO 8529-2標準[5] 推薦的半經驗法扣除散射本底。本研究方法可為多球中子譜儀校準提供參考。

1 多球中子譜儀

本文采用MNS IL100 型多球中子譜儀，該譜儀探測器使用7 個同一型號的中核（北京）核儀器廠生產的ZJ 230-3 型探測器[6] ，其中He-3 正比計數器充氣區域為球形，半徑為1. 5 cm，充氣壓強4. 05×105 Pa。

為了實現中子能譜測量，1 個He-3 正比計數器完全裸露，而其余6 個分別帶有不同半徑球形聚乙烯慢化體，半徑依次為50、60、80、100、120 和150 mm。按照聚乙烯球半徑，7 個中子球分別命名為R0 （ 裸球）、R50、R60、R80、R100、R120 和R150。該譜儀設計中子能譜探測范圍為熱中子～20 MeV。儀器更多詳細信息參見文獻[4]。

He- 3 正比計數器測量中子的原理是利用3 He+n→n+p 核反應，將入射的中子信號轉變為電流信號，實現中子計數。因此需要用中子源對探測效率進行校準。待校準的多球中子譜儀主要用于日常環境中天然中子測量，用EXPACS 軟件[7]計算的北京地區中子能譜如圖1 所示。由圖1 可以看到，該能譜主要有2 個峰區，第一個是能量<0. 4 eV 的熱中子峰，為大氣中經過足夠慢化后的中子;第二個是能量為0. 1 ～ 20 MeV 的快中子峰，主要是宇宙射線與大氣原子發生核反應產生的次級中子?？紤]到ICRP 74 號報告[8] 給出的中子注量-劑量轉換因子在快中子區較高，對劑量貢獻較大，本文工作開展的是快中子能譜校準。

2 多球中子譜儀校準及能譜結果

2. 1 He-3 正比計數器探測效率校準

本文多球中子譜儀為多球同時測量的設計。因各He-3 正比計數器的管內氣壓與其探測效率直接相關，而探測效率對解譜準確性影響較大，因此需要進行He-3 正比計數器的探測效率校準。

使用的He - 3 正比計數器管內氣壓設計值為4. 05×105 Pa，但是由于制造工藝和長時間使用后的設備老化等問題，各管內氣壓不完全一致，這會導致各管的探測效率存在差異。此外，由于采用多通道處理信號，每個通道電路性能可能存在差異，從而導致各管探測效率變化。因此，需對He-3 正比計數器探測效率作單獨校準。由于He-3 正比計數器只對熱中子敏感[4] ，需要采用熱中子源作為校準源。利用中國計量科學研究院建立的熱中子參考輻射裝置[9] 對He-3 正比計數器探測效率開展校準實驗。該裝置共有12枚241 Am-Be 源，總活度為1. 46×108 Bq。經重水、石墨慢化，使用球冠形高密度聚乙烯提高熱中子分布均勻性，形成了一個分布均勻的熱中子參考輻射場，測量點處的中子注量率為519. 6 cm-2·s-1 。

He-3 正比計數器探測效率校準實驗中，熱中子場溫度設定為恒溫17 ℃ 。根據該溫度下麥克斯韋分布的熱中子能譜，結合前期工作給出的裸He-3 正比計數器的響應函數[10] ，計算出He-3 正比計數器測量熱中子的注量響應為4. 09 cm2 。

為了克服He-3 正比計數器各向異性的影響，通常采用He-3 正比計數器軸線沿水平、垂直中子束方向兩次測量取平均的方法，探測器的具體擺放如圖2 所示。每個He-3 正比計數器單方向測量時間均設定為6 min。將兩個方向測量得到的He-3 正比計數器注量響應取平均，再除以理論值，即為He-3 正比計數器探測效率：

式中，RΦ 為He - 3 正比計數器注量響應， cm2 ;εHe-3 為He-3 正比計數器探測效率。

各He-3 正比計數器探測效率測量結果列于表1。各He-3 正比計數器探測效率差異不大，但因多球中子譜儀解譜算法具有初值敏感性，輸入值的較小波動會引起解譜結果的較大波動。實際測量得到的各中子球計數率需要先根據對應的He-3 正比計數器探測效率修正之后，再進行解譜計算。

2. 2 半經驗法校準中子球注量響應

前期工作利用241 Am-Be 源校準He-3 正比計數器探測效率[3] ，由于He-3 正比計數器只對熱中子靈敏，計數由241 Am-Be 源的散射中子貢獻。散射中子受環境因素影響，難以準確評估。因此該次校準只能基于某個He-3 正比計數器給出其它He-3正比計數器的探測效率相對值。本研究利用熱中子參考輻射裝置校準，熱中子參考輻射裝置參考點的注量率是已知量，可結合He-3 正比計數器的能量響應給出各He-3 正比計數器的探測效率值。

2. 3 中子能譜測量結果

根據7 個中子球注量響應，通過解譜算法計算給出了中子能譜，測量能譜與標準241 Am-Be 源能譜[12] 對比如圖5 所示。由圖5 可以看出，測量譜與標準能譜形狀相似。計算了測量譜與標準能譜的能譜參數，具體數列于表3，測量譜的注量響應與標準譜相對偏差僅為0. 07%，基于此給出譜儀校準因子為1. 000 7。表3 也驗證了本套多球中子譜儀的解譜能力。

前期工作利用影錐法對一套多球中子譜儀作了校準[4] ，該方法在中子源與待校準中子球之間放置一影錐體吸收源直射的中子，此時中子球讀數來自散射中子本底，通過不加影錐、加影錐分別測量，計數率相減的方法可扣除散射中子本底。影錐法校準的主要優勢是操作簡便，但是該方法的準確性受影錐、探測器尺寸影響較大，與影錐法相比半經驗法校準操作更加繁瑣，但能更準確地扣除房間散射、空氣散射本底。

CAO 等人[3] 通過多球中子譜儀各中子球單獨測量241 Am-Be 快中子源，解譜獲取241 Am-Be 快中子源驗證多球中子譜儀性能，該研究中每個中子球均在同一位置測量，通過不加源測量評估實驗室本底;設定源-球間距為24 cm，中子球尺寸與源-球間距之比較大，中子球尺寸產生的影響不能忽略。本文則采用多點測量、半經驗法直線擬合的方法，可更科學地扣除散射本底;設定源-球間距為50～150 cm，通過F1（l） 可修正中子球尺寸的影響。

本次實驗的主要問題在于R0 中子球響應不確定度較大，具體數值列于表4。這是因為R0 中子球只對熱中子敏感，直接用快中子源校準R0 中子球，測到的全都是散射本底，引起較大誤差。

2. 4 不確定度分析

譜儀注量響應的不確定度評定包括A 類和B類兩種評定方法。A 類不確定度包括相互獨立的三項：半經驗法直線擬合引起的不確定度、中子球校準實驗計數統計性及He-3 正比計數器探測效率校準實驗計數統計性引起的不確定度。表4 中給出合成A 類相對不確定度，為各項A 類相對不確定度的方和根。

結合表2 中各中子球注量響應和表4 中合成A 類不確定度，可估計解譜引入的不確定度。利用正態分布生成10 000 組隨機的注量響應，解譜計算各組數據的注量響應。通過分析10 000 組注量響應的波動情況，結合譜儀注量響應的變化計算得到解譜對譜儀注量響應引入的相對不確定度為5. 3%。

本次校準實驗中，由放射源特性引入的B 類相對不確定度列于表5。表5 中各不確定度分量之間相互獨立，方和根計算得到合成相對標準不確定度為7. 0%。在k = 2 的情況下，得到譜儀注量響應的合成相對擴展不確定度為14. 0%。

3 結論

本次實驗利用中國計量科學研究院熱中子參考輻射裝置校準了多球中子譜儀各中子球內He-3 正比計數器的探測效率。通過對中國計量科學研究院標準241 Am-Be 源的測量，結合“半經驗法”扣除散射本底，校準了多球中子譜儀的注量響應。利用多球中子譜儀測量的標準241 Am-Be 源能譜與標準能譜形狀相似，能譜參數偏差較小，表明多球中子譜儀具備快中子能譜的測量能力，可用于環境中子能譜測量。

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