氦3中子探測器

氦3中子探測器是指以3He氣體為工作介質的正比計數管，一般為圓柱形管，可用於慢、熱中子的探測。它是基於3He(n,p)T核反應法的中子探測器，反應能為0.765MeV，熱中子反應截面為5333b，中子能量在0.001eV-0.03eV範圍內探測效率遵從1/v定律。主要優點是中子探測效率高、性能穩定、無毒。詞條介紹了其發展意識、原理以及技術參數等。

基本介紹

• 中文名：氦3中子探測器
• 外文名：3He neutron detector
• 套用領域：核能
• 涉及學科：自動化、核化學

中子探測器物理基礎

用於中子探測的痕跡　原子和亞原子微粒可以通過它們與周圍環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徵引發。
·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生微弱作用。
·質量：中子質量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，通過彈性散射產生反衝核，通過非彈性散射產生激發核，或者被吸收而使原子核發生改變。大部分探測方法依賴於檢測大量的反應產物。
·磁矩：儘管中子磁矩為-1.9130427(5)μN，磁矩探測技術對於中子來說太不靈敏。
·電偶極矩：根據預言，中子只有極小的電偶極矩，而且至今還沒被探測到。所以這並不是一個可行的探測特徵。
·衰變：原子核外的中子並不穩定，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。儘管中子衰變產生的質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。典型吸收材料對於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，這一進展主要歸功於對中子結構、動力學、合成物、凝聚態物質磁化作用以及與高強度中子源的開發和建設相結合等中子技術的研究。中子探測在核醫學及臨床診斷、核電站安全檢測系統、環境檢測系統、核爆及隱藏核材料探測、空間物理學、航天航空和工業套用等眾多領域都有著極其重要的意義。

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，氚的製造一直是用於支持美國核武器計畫，因為它是提升武器威力的一個關鍵組成部分。自冷戰結束以來，美國已經減少其核武庫，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於研究和安全套用的中子探測器。

在過去30年間，基於He-3的中子探測器被廣泛安裝在美國國界區域以防止非法放射性材料的運輸。此外，數萬升He-3中子探測器用於美國許多大型科學裝置上。按照美國能源部的數據，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 ，這已經造成了對He-3的嚴重短缺，稱之為“He-3危機”。

基於上述原因，中子探測技術的備選研究的發展，主要基於不同材料的利用如今成為中子散射科學領域連續的關注熱點。

從中子探測器套用的數量與套用廣度來看，BF3正比計數管、3He正比計數管、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。國內外在國土安全套用方面如核材料檢測上仍主要採用基於He-3的氣體電離探測器為主，並都在積極地研發合適的替代產品。

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，幾乎套用於各種裝置中，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開展，並穩步發展，到80年中期到達中子探測器研究的第一個研發高峰，全球專利年申請數量達到90件以上，結合文獻調研，我們認為這一技術時間節點與美國在上世紀80年代全面推行中子探測器技術在國家安全檢領域套用的背景十分吻合。隨後，從2000年開始中子探測器研究又不斷升溫，在2011年前後迎來其研發的第二個高峰，據悉這一研究節點主要由於受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品研發工作有關。

原理

中子是電中性的，不能直接探測。實驗中對中子的探測都是通過核反應方法將中子轉化成帶電粒子來實現的。 探測儀通過中子與3He反應來探測中子，中子與3He反應生成質子(573KeV)和氚核(191KeV)。質子和氚核向相反的方向發射，並使工作氣體電離。通過探測質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

由於質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，需要將質子和氚核限定在一個很小的範圍內。 n3He即使在很高的氣壓下也不能將質子和氚核阻止在足夠小的範圍內，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、便於密封淨化等特點，被廣泛用作工作氣體。 nC3H8的氣壓越高，質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對中子的探測效率。對1.5cm厚的探測器，如果要對波長大於1Å的熱中子有高於50%的效率，3He的氣壓應該大於6atm。

位置測量：

目前主要採用多絲正比室來進行位置測量。 質子和氚核使工作氣體發生電離，產生大量初始電子－離子對，電離電子在電場作用下漂向陽極產生雪崩信號。雪崩信號產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生位置。

密閉容器

密閉容器由鋁合金端蓋板和不鏽鋼底板構成。為了便於密封，端蓋和底板都採用圓盤型結構，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，端蓋採用強度較大的6061型鋁合金為材料。總體厚度為48mm，中央設有面積210mm×210mm、厚9mm的入射窗。 n底板厚25mm，為了便於焊接管道，採用不鏽鋼材料。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，用來實現信號的引出和高壓的引入。系統包括兩個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，實現高壓的引入。

接頭均採用玻璃陶瓷密封技術（Glass-ceramic sealing technology），不鏽鋼材料。耐壓高於60atm；漏氣率（Leak Rate）<1x10-10 atm-cc/sec (He)。多芯接頭的安全電壓和電流為500V5A；高壓接頭15000V7A。

氣體循環淨化系統

為了提高室體內氣體的純度，保證探測器能長時間穩定工作，探測器設有一套循環淨化系統。 氣體循環淨化系統主要包括由電磁泵、淨化器兩部分。在電磁泵的驅動下，工作氣體從室體流出後經過淨化器，然後再流回室體。淨化器由分子篩和吸收劑構成，作用是吸收氧氣、水蒸氣以及工作氣體（丙烷）分解後的有機產物。

技術參數

氣體壓力(Torr)： 3040

陰極材料：不鏽鋼
最大長度(inch/mm): 22.66/575.6
有效長度(inch/mm): 19.68/500.0
最大直徑(inch/mm): 1.0/25.4
有效直徑(inch/mm): 0.96/24.38
連線器： HN 型
有效體積(cm3): 219
工作溫度 C: -50- +100
電性能參數
推薦工作電壓(V): 1150
允許工作電壓範圍(V): 1050-1300
最大坪斜率(%/100V): 1
最大解析度(%fwhm): 10
管子電容(pf): 8
熱中子靈敏度(cps/nv): 104