【正文】 東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 緒論 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目 幾種中子閃爍探測器性能比較研究 英文題 Several Comparative Study of Neutron Organic Scintillation Detector Performance學(xué)生姓名 專 業(yè) 核工程與核技術(shù) 班 級 指導(dǎo)教師 二零一一年六月東華理工大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 摘要摘 要 自30年代末發(fā)現(xiàn)了中子轟擊鈾原子核能引起核的分裂，人類開始利用原子能以來，中子探測就占有者特殊的地位。近年來中子活化分析、中子測井探礦、中子輻射育種和中子致癌等技術(shù)有了很大發(fā)展。這些工作都要涉及中子的測量。可用于中子探測的閃爍材料種類繁多，按探測器的工作機(jī)理分類，可分成氣體電離探測器、半導(dǎo)體探測器、閃爍探測器及自給能探測器。其中閃爍探測器中子探測效率高、脈沖衰減快，易用于高計(jì)數(shù)率場合在中子探測及中子測譜中有很重要的地位。本文在對中子探測技術(shù)以及有機(jī)閃爍體探測器進(jìn)行研究和分析的基礎(chǔ)上對目前中子探測中常用的有機(jī)閃爍探測器進(jìn)行介紹，對其性能進(jìn)行研究比較進(jìn)而了解其特性及原理。關(guān)鍵詞：中子； 有機(jī)閃爍探測器； 中子探測 東華理工大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） ABSTRACTABSTRACT Since th e end of the 30s finding with using neutrons collide uranium nucleus can cause of the division of nucleus, humans began to use atomic energy, neutron detection is ownership special position. In recent years the neutron activation analysis, neutron log prospecting, neutron radiation breeding and neutron carcinogenic technology had the very big of these works will involve neutron measurement. There are a lot of flashing materials which can be used for neutron detection,and they can be divided into gas ionization detectors,semiconductor detectors,scintillation detectors and selfsufficiency detector according to the working mechanism of the detector has a high neutron detection efficiency,pulse decay fast,and has a easy occasion for the high count rate,also it has a very important role in neutron detection and neutron article is about organic scintillation detectors which are used to neutron detection on the neutron detection technology and the research of the organic scintillation detector.Keyword：neutron；organic scintillation detectors；neutron detection東華理工大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 目錄目 錄緒 論 1 課題背景 1 目前研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 12 中子與中子探測原理 3 3 中子探測的基本原理 4 核反應(yīng)法 4 核反沖法 4 核裂變法 4 活化法 5 中子探測器 5 慢中子探測器 5 快中子探測器 63 脈沖輻射場及探測器特性 8 脈沖輻射測量的特殊性 8 脈沖輻射場的基本參數(shù) 9 脈沖輻射測量對測量系統(tǒng)的要求 10 選擇性要求 10 測量系統(tǒng)靈敏度和動態(tài)工作范圍的要求 11 測量系統(tǒng)線性的要求 11 測量系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)性能的要求 11 測量系統(tǒng)可靠性的要求 12 脈沖輻射探測器的特性 13 探測效率 13 輻射粒子電流靈敏度 14 時(shí)間響應(yīng) 14 可探測粒子注量率的上下限 154 閃爍探測器 18 18 閃爍體 19 閃爍體的分類 19 閃爍體的性能 20 閃爍體的選擇 22 光電倍增管的特性 22 閃爍體探測器 24 光收集 24 探測效率 24 能量分辨率和線性 25 時(shí)間測量和時(shí)間分辨率 25 閃爍體輻照效應(yīng) 255 幾種中子閃爍探測器簡介及性能比較 27 有機(jī)晶體閃爍體 27 中子探測玻璃閃爍體 28 塑料閃爍體 28 液體閃爍體 30結(jié) 論 33致 謝 34參考文獻(xiàn) 35東華理工大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 緒論 緒 論 課題背景在30年代末，發(fā)現(xiàn)了中子轟擊鈾原子核能引起核的分裂，并釋放出大量能量，從而開辟了一條原子能利用的道路。中子探測在核能的釋放過程中起著關(guān)鍵的作用。所以，研究中子的性質(zhì)和研究中子與物資的相互作用，是過去幾十年，也是目前的一個重要研究方向。中子本身的特點(diǎn)是不帶電，所以中子通過物質(zhì)時(shí)和物質(zhì)中的電子是不發(fā)生作用的，中子在物質(zhì)中不能直接引起電離，而要靠中子和原子核相互作用產(chǎn)生能引起電離反應(yīng)的次級粒子才被記錄。中子既可以由重核自發(fā)裂變產(chǎn)生也可以由核反應(yīng)或粒子加速器中產(chǎn)生。中子具有很強(qiáng)的穿透力、能識別輕元素特別是氫和鋰等元素、分辨近鄰元素、實(shí)現(xiàn)同位素替換、探測原子磁矩、測定材料內(nèi)部的動力學(xué)特性等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)[2]。隨著中子探測在核能的利用、放射性同位素的產(chǎn)生和應(yīng)用核物理研究等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，對中子探測材料的研究越來越受到世界各國材料和物理學(xué)者的重視。中子由于是中性的高能粒子，它不能直接引起物質(zhì)電離而被探測，探測中子必須借助其與原子核發(fā)生的相互作用而產(chǎn)生的次級帶電粒子來實(shí)現(xiàn)，因此通常的閃爍體材料無法達(dá)到探測中子的目的。實(shí)現(xiàn)中子探測的方法主要有核反應(yīng)法、核反沖法、核裂變法與核激活法。 其中核反應(yīng)法因方法簡單，測試精確快速而應(yīng)用最為廣泛?？捎糜谥凶犹綔y的探測器種類繁多，按探測器的工作機(jī)理分類，可分成氣體、半導(dǎo)體探測器、閃爍探測器及自給能探測器等。其中閃爍探測器中子探測效率高、脈沖衰減快，易用于高計(jì)數(shù)率場合在中子探測及中子測譜中有很重要的地位。二十一世紀(jì)是核能應(yīng)用的能源時(shí)代，高速的科技發(fā)展喚起了人們對利用更廣泛更環(huán)保的能源要求，原子能以走進(jìn)人們的生活。同時(shí)在不斷擴(kuò)展的技術(shù)領(lǐng)域里核科學(xué)技術(shù)也將推動許多行業(yè)的發(fā)展。在不遠(yuǎn)的將來核科學(xué)技術(shù)將被更多的人所熟知，中子探測也將發(fā)揮更重要的作用。 目前研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢觀測和測量是人類認(rèn)識世界的主要手段之一。從1896年貝克勒爾（Henri Becquerel)發(fā)現(xiàn)放射性到1939年哈恩(Hann)和斯特拉斯曼(Strassman)發(fā)現(xiàn)裂變現(xiàn)象，核物理學(xué)發(fā)展史上幾乎每一重大的事件，無不和射線探測與分析相關(guān)聯(lián)。人類對原子核世界的探索和認(rèn)識，最初以射線探測為主要技術(shù)手段，它不僅能夠揭示核反應(yīng)過程特性和核內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，而且能夠給出定量描述，為核科學(xué)技術(shù)，特別是核能、放射性束流應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。事實(shí)上，探測射線并確定其性質(zhì)，一直奔視為是核物理研究和核技術(shù)應(yīng)用的中心環(huán)節(jié)[4]。目前常用的中子探測器有：半導(dǎo)體探測器、氣體探測器、閃爍體探測器。由于幾乎所有的中子設(shè)備都有γ射線背景。甚至在脈沖（散射）中子源也會由于設(shè)備和環(huán)境中的中子激活同位素的放射性衰減而出現(xiàn)γ射線的背景。所以中子探測要求探測器所用的材料具有低的γ射線靈敏性，并且耐γ輻照，也就是小的原子序數(shù)，另外又要有高的中子響應(yīng)截面σ。不同的中子探測器其特點(diǎn)、用途也不同，氣體探測器的特點(diǎn)是：耐高溫、耐輻照、對γ明敏度極低。閃爍探測器的特點(diǎn)是：中子探測效率高、脈沖衰減快，易用于高計(jì)數(shù)率場合，對高壓電源穩(wěn)定性要求高，耐γ輻射性能較差，應(yīng)用較廣?？偟膩碚f，體積小，攜帶方便的中子探測器性能還比較差；然而性能好的中子探測器體積相對較大并且對電源要求較高，不適合攜帶、現(xiàn)場檢測。未來的中子探測將朝著精確化、簡單化、更具實(shí)時(shí)性發(fā)展。35東華理工大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 中子與中子探測原理2 中子與中子探測原理自由中子是不穩(wěn)定的中性粒子。 中子的物理特性[5] 名 稱 特 性 質(zhì)量（靜止） 1.(6749543177。）1027kg =(177。)u 電荷1018e[e=(177。)1019C] 半衰期 衰變 n→p+e+ + 衰變β粒子最大能量782keV 自旋 磁矩＜ 統(tǒng)計(jì)學(xué)遵從費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì)學(xué) 通常中子按能量分類。 中子能量的分類序能量區(qū)間組別1（0～）eV慢中子冷中子2(～)eV熱中子3～1keV超熱中子、鎘上中子、共振中子4(1～500)keV中能中子5(～10)MeV快中子6(10～50)MeV極快中子750MeV相對論中子熱中子是一個常用術(shù)語，它除了代表能量為（～）eV的中子之外，經(jīng)常用來表示快中子慢化而達(dá)到與周圍介質(zhì)原子處于熱平衡狀態(tài)的中子。這類中子的速度（能量）分布近似地服從麥克斯韋分布（見公式21）： dn(v)=Av2emv2/2kTdv （21）式中：v—中子速度；m—中子質(zhì)量；k—波耳茲曼常數(shù)；T—絕對溫度。常見的中子源有：放射性同位素中子源、自發(fā)裂變型中子源、模擬裂變中子源、加速器中子源反應(yīng)堆中子源等。常見的中子源有：放射性同位素中子源、自發(fā)裂變中子源、加速器中子源、反應(yīng)堆中子源。 中子探測的基本原理中子和原子核的相互作用有：產(chǎn)生帶電粒子的核反應(yīng)、核反沖、核裂變、活化等。這4種過程也是探測中子的4種原理。探測中子首先必須了解所測中子的能量。不同能量中子的探測原理和探測器的結(jié)構(gòu)差別都很大。中子能量的區(qū)分有很多種，習(xí)慣的區(qū)分是：（1）慢中子：能量為＜1keV；（2）中能中子：能量為1～100keV；（3）快中子：～20MeV。 核反應(yīng)法 中子本身不帶電，它和物質(zhì)中原子核之間沒有庫侖斥力，因此比較容易進(jìn)入原子核，發(fā)生核反應(yīng)。選擇某種能產(chǎn)生帶電粒子的核反應(yīng)，記錄帶電粒子引起的電離現(xiàn)象就可探測中子。這種方法主要用于探測慢中子的強(qiáng)度，在個別情況下，也可用以測量快中子能譜。 核反沖法入射能量為E的中子和原子核發(fā)生彈性散射時(shí)，中子的運(yùn)動方向改變，能量也有所減少。中子減少的能量傳遞給原子核，使原子核以一定速度運(yùn)動。這個原子核就稱為“反沖核”，反沖核具有一定電荷，可以作為帶電粒子來記錄。記錄了反沖核，就是探測到中子。這種方法就稱為“反沖法”。它是探測快中子的主要方法。 核裂變法 中子與重核作用可以發(fā)生裂變，裂變發(fā)就是通過記錄重核裂變碎片來探測中子的方法。對于熱中子、慢中子，總是選用235U，239PU，233U做裂變材料。 表 三種核裂變材料的熱中子裂變截面[6]核σf(1024cm2)235U177。239Pu177。233U177。 活化法中子和原子核相互作用時(shí)，輻射俘獲是很重要的作用過程。中子很容易進(jìn)入原子核形成一個處于激發(fā)態(tài)的復(fù)合核，復(fù)合核通過發(fā)射一個或幾個光子迅速躍回基態(tài)。這種俘獲中子，放出γ輻射的過程為“輻射俘獲”，用（ n，γ）表示。 中子探測器 慢中子探測器 慢中子探測器類型中子探測器探測原理主要特點(diǎn)、用途氣體電離探測器硼電離室核反應(yīng)發(fā)耐高溫、耐輻照、堆芯中子探測233U 裂變室235U 裂變室239Pu 裂變室核裂變法輸出脈沖高、耐γ輻照特性高，堆芯中子探測BF3 正比計(jì)數(shù)管3HE 正比計(jì)數(shù)