[科普中國]-氦3中子探測器

中子探測器物理基礎

用于中子探測的痕跡 原子和亞原子微?？梢酝ㄟ^它們與周圍環(huán)境相互作用的痕跡而探測到。這些相互作用由微粒的基本特征引發(fā)。
·電荷：中子是中性粒子，不會直接電離，所以跟帶電粒子相比很難直接探測到。而且，其運動軌跡僅會對電磁場產(chǎn)生微弱作用。
·質(zhì)量：中子質(zhì)量1.0086649156(6)很難直接探測到，但它對相互作用有影響，而相互作用是可以探測到的。
·反應：中子與很多材料反應，通過彈性散射產(chǎn)生反沖核，通過非彈性散射產(chǎn)生激發(fā)核，或者被吸收而使原子核發(fā)生改變。大部分探測方法依賴于檢測大量的反應產(chǎn)物。
·磁矩：盡管中子磁矩為-1.9130427(5)μN，磁矩探測技術對于中子來說太不靈敏。
·電偶極矩：根據(jù)預言，中子只有極小的電偶極矩，而且至今還沒被探測到。所以這并不是一個可行的探測特征。
·衰變：原子核外的中子并不穩(wěn)定，其平均壽命為885.7±0.8s（大約14分鐘46秒）。自由中子衰變成一個質(zhì)子，同時釋放一個電子和一個電反中微子，這一過程被稱為β衰變。盡管中子衰變產(chǎn)生的質(zhì)子和電子可被探測到，但是衰變速度太低，很難作為實際探測系統(tǒng)的基礎。

快速吸收反應-低能中子：

可以通過吸收反應而探測到。典型吸收材料對于中子吸收具有很高的反應截面，包括He-3、Li-6、B-10、U-235等。它們通過高能電離粒子反應，電離徑跡可以有很多種方法探測到。

氦3中子探測器發(fā)展歷史在過去20多年間，中子探測技術得到不斷的細化，這一進展主要歸功于對中子結(jié)構(gòu)、動力學、合成物、凝聚態(tài)物質(zhì)磁化作用以及與高強度中子源的開發(fā)和建設相結(jié)合等中子技術的研究。中子探測在核醫(yī)學及臨床診斷、核電站安全檢測系統(tǒng)、環(huán)境檢測系統(tǒng)、核爆及隱藏核材料探測、空間物理學、航天航空和工業(yè)應用等眾多領域都有著極其重要的意義2。

全世界各國都給予了較高的關注，以美國、歐洲、日本尤為突出，我國研究核輻射探測器的科研單位主要有中國原子能科學研究院、中國工程物理研究院、中國科學院高能物理研究所和近代物理研究所、西北核技術研究所等，總的來說我國在探測器研究方面尚處在跟蹤、消化和吸收國際先進技術的階段，還有待進一步深入研究。

直到1988年，氚的制造一直是用于支持美國核武器計劃，因為它是提升武器威力的一個關鍵組成部分。自冷戰(zhàn)結(jié)束以來，美國已經(jīng)減少其核武庫，從而使得氚和He-3的量都減少。同時，He-3的需求在過去的10年卻升高，主要是因為它被越來越多地用于研究和安全應用的中子探測器。

在過去30年間，基于He-3的中子探測器被廣泛安裝在美國國界區(qū)域以防止非法放射性材料的運輸。此外，數(shù)萬升He-3中子探測器用于美國許多大型科學裝置上。按照美國能源部的數(shù)據(jù)，全球每年對He-3的需求大約是6.5萬立方米，但僅能供應大約2萬立方米 ，這已經(jīng)造成了對He-3的嚴重短缺，稱之為“He-3危機”。

基于上述原因，中子探測技術的備選研究的發(fā)展，主要基于不同材料的利用如今成為中子散射科學領域連續(xù)的關注熱點。

從中子探測器應用的數(shù)量與應用廣度來看，BF3正比計數(shù)管、3He正比計數(shù)管、6Li( Eu)閃爍體、6Li玻璃閃爍體及裂變室等是中子探測最基本與最主要的手段。國內(nèi)外在國土安全應用方面如核材料檢測上仍主要采用基于He-3的氣體電離探測器為主，并都在積極地研發(fā)合適的替代產(chǎn)品。

He-3中子探測器目前，這些散射源裝置上都必須安裝探測器， He-3探測器是熱中子和冷中子探測領域中的主要設備，幾乎應用于各種裝置中，而He-3是散射中子源裝置的重要組成，其嚴重短缺成為全球性問題，很大程度上制約了中子散射源開展各項科學研究活動，因此，尋找可替代He-3的中子探測器技術成為各主要中子散射源裝置國家共同關心的話題。

從上世紀40年代末中子探測器就已經(jīng)開展，并穩(wěn)步發(fā)展，到80年中期到達中子探測器研究的第一個研發(fā)高峰，全球?qū)＠晟暾垟?shù)量達到90件以上，結(jié)合文獻調(diào)研，我們認為這一技術時間節(jié)點與美國在上世紀80年代全面推行中子探測器技術在國家安全檢領域應用的背景十分吻合。隨后，從2000年開始中子探測器研究又不斷升溫，在2011年前后迎來其研發(fā)的第二個高峰，據(jù)悉這一研究節(jié)點主要由于受He-3中子探測器原料的限制，各國紛紛開展新的替代技術和產(chǎn)品研發(fā)工作有關3。

原理中子是電中性的，不能直接探測4。實驗中對中子的探測都是通過核反應方法將中子轉(zhuǎn)化成帶電粒子來實現(xiàn)的。 探測儀通過中子與3He反應來探測中子，中子與3He反應生成質(zhì)子(573KeV)和氚核(191KeV)。質(zhì)子和氚核向相反的方向發(fā)射，并使工作氣體電離。通過探測質(zhì)子和氚核電離的重心就可以得到入射中子的位置。

n+3He→p+3H+764keV

工作氣體的選擇由于質(zhì)子和氚核在工作氣體中射程不一樣，因此電離重心與核反應位置有一定的偏離。這種偏離是測量的主要誤差來源，為了減小測量誤差，需要將質(zhì)子和氚核限定在一個很小的范圍內(nèi)。 n3He即使在很高的氣壓下也不能將質(zhì)子和氚核阻止在足夠小的范圍內(nèi)，工作氣體中還得加入其他對帶電粒子阻止本領強的氣體，如C3H8， CF4等。

C3H8因為對γ射線靈敏度低、便于密封凈化等特點，被廣泛用作工作氣體。 nC3H8的氣壓越高，質(zhì)子和氚核的射程越小，電離重心相對核反應位置的偏離越小。 右圖為電離重心偏離所引起的測量誤差隨著工作氣體氣壓的變化。可見，要達到接近1mm的定位精度， C3H8的氣壓應在3atm以上。

探測效率3He的密度和厚度直接決定了系統(tǒng)對中子的探測效率5。對1.5cm厚的探測器，如果要對波長大于1?的熱中子有高于50%的效率，3He的氣壓應該大于6atm。

位置測量：目前主要采用多絲正比室來進行位置測量。 質(zhì)子和氚核使工作氣體發(fā)生電離，產(chǎn)生大量初始電子－離子對，電離電子在電場作用下漂向陽極產(chǎn)生雪崩信號。雪崩信號產(chǎn)生的正離子向陰極運動過程中會在讀出絲上感應出正電荷，通過測量讀出絲上感應電荷分布的重心就可以確定雪崩發(fā)生位置。

密閉容器密閉容器由鋁合金端蓋板和不銹鋼底板構(gòu)成。為了便于密封，端蓋和底板都采用圓盤型結(jié)構(gòu)，直徑500mm。 n為了減小對入射中子的散射，同時保證能承受較高的壓力，端蓋采用強度較大的6061型鋁合金為材料?？傮w厚度為48mm，中央設有面積210mm×210mm、厚9mm的入射窗。 n底板厚25mm，為了便于焊接管道，采用不銹鋼材料。底板上設有密封槽，信號、高壓法蘭管接口，氣管接口等。

接頭在底板上焊接有真空金屬陶瓷接頭，用來實現(xiàn)信號的引出和高壓的引入4。系統(tǒng)包括兩個50針的多芯接頭，每根讀出條通過Kapton電纜與多芯接頭相接。陽極絲和陰極板分別與兩個高壓接頭相接，實現(xiàn)高壓的引入。

接頭均采用玻璃陶瓷密封技術（Glass-ceramic sealing technology），不銹鋼材料2。耐壓高于60atm；漏氣率（Leak Rate）