基于半经验法多球中子谱仪校准

孙博文　曾志　张辉　马豪　李君利

摘 要：基于半经验法扣除中子散射本底，提出了一种多球中子谱仪校准的新方法。首先用热中子参考辐射装置校准多球中子谱仪各中子球内He-3 正比计数器的探测效率。用多球中子谱仪各中子球单独测量参考241Am-Be中子源，结合半经验法扣除散射，给出了各中子球的注量响应。结合两者实验结果，获得241Am-Be 源能谱并给出谱仪注量响应。结果表明，校准的多球中子谱仪具备快中子区测量能力。

关键词：多球中子谱仪;校准;中子能谱;半经验法

中图分类号：TL817 文献标识码：A

相比常规单中子探头，多球中子谱仪能测量较宽能量范围中子场的能谱，应用更加广泛[1] 。在多球中子谱仪使用前，需要对多球中子谱仪探测效率和解谱结果进行校准。Howell 等人[2] 利用能量为14. 8 MeV、1. 2 MeV、565 keV 和144 keV的单能中子校准了多球中子谱仪响应，利用单能中子能较准确地评估多球中子谱仪对特定能量中子的响应，但单能中子源较难获取。CAO 等人[3]通过测量241 Am-Be 快中子源验证多球中子谱仪，该方法在近距离单点处开展测量，难以估计散射本底。前期工作用影锥法扣除散射本底， 利用241 Am-Be 快中子源校准一套多球中子谱仪[4] ，只给出了He-3 正比计数器探测效率相对值。结合上述文献和前期工作经验，为了更好地实现He-3正比计数器校准，本文改用中国计量科学研究院的热中子参考辐射装置测量，可直接给出He-3 正比计数器探测效率。利用通用的241 Am-Be 中子源作为多球中子谱仪校准用源，为了更科学地扣除散射本底干扰，通过国际标准化组织ISO 8529-2标准[5] 推荐的半经验法扣除散射本底。本研究方法可为多球中子谱仪校准提供参考。

1 多球中子谱仪

本文采用MNS IL100 型多球中子谱仪，该谱仪探测器使用7 个同一型号的中核（北京）核仪器厂生产的ZJ 230-3 型探测器[6] ，其中He-3 正比计数器充气区域为球形，半径为1. 5 cm，充气压强4. 05×105 Pa。

为了实现中子能谱测量，1 个He-3 正比计数器完全裸露，而其余6 个分别带有不同半径球形聚乙烯慢化体，半径依次为50、60、80、100、120 和150 mm。按照聚乙烯球半径，7 个中子球分别命名为R0 （ 裸球）、R50、R60、R80、R100、R120 和R150。该谱仪设计中子能谱探测范围为热中子～20 MeV。仪器更多详细信息参见文献[4]。

He- 3 正比计数器测量中子的原理是利用3 He+n→n+p 核反应，将入射的中子信号转变为电流信号，实现中子计数。因此需要用中子源对探测效率进行校准。待校准的多球中子谱仪主要用于日常环境中天然中子测量，用EXPACS 软件[7]计算的北京地区中子能谱如图1 所示。由图1 可以看到，该能谱主要有2 个峰区，第一个是能量<0. 4 eV 的热中子峰，为大气中经过足够慢化后的中子;第二个是能量为0. 1 ～ 20 MeV 的快中子峰，主要是宇宙射线与大气原子发生核反应产生的次级中子。考虑到ICRP 74 号报告[8] 给出的中子注量-剂量转换因子在快中子区较高，对剂量贡献较大，本文工作开展的是快中子能谱校准。

2 多球中子谱仪校准及能谱结果

2. 1 He-3 正比计数器探测效率校准

本文多球中子谱仪为多球同时测量的设计。因各He-3 正比计数器的管內气压与其探测效率直接相关，而探测效率对解谱准确性影响较大，因此需要进行He-3 正比计数器的探测效率校准。

使用的He - 3 正比计数器管内气压设计值为4. 05×105 Pa，但是由于制造工艺和长时间使用后的设备老化等问题，各管内气压不完全一致，这会导致各管的探测效率存在差异。此外，由于采用多通道处理信号，每个通道电路性能可能存在差异，从而导致各管探测效率变化。因此，需对He-3 正比计数器探测效率作单独校准。由于He-3 正比计数器只对热中子敏感[4] ，需要采用热中子源作为校准源。利用中国计量科学研究院建立的热中子参考辐射装置[9] 对He-3 正比计数器探测效率开展校准实验。该装置共有12枚241 Am-Be 源，总活度为1. 46×108 Bq。经重水、石墨慢化，使用球冠形高密度聚乙烯提高热中子分布均匀性，形成了一个分布均匀的热中子参考辐射场，测量点处的中子注量率为519. 6 cm-2·s-1 。

He-3 正比计数器探测效率校准实验中，热中子场温度设定为恒温17 ℃ 。根据该温度下麦克斯韦分布的热中子能谱，结合前期工作给出的裸He-3 正比计数器的响应函数[10] ，计算出He-3 正比计数器测量热中子的注量响应为4. 09 cm2 。

为了克服He-3 正比计数器各向异性的影响，通常采用He-3 正比计数器轴线沿水平、垂直中子束方向两次测量取平均的方法，探测器的具体摆放如图2 所示。每个He-3 正比计数器单方向测量时间均设定为6 min。将两个方向测量得到的He-3 正比计数器注量响应取平均，再除以理论值，即为He-3 正比计数器探测效率：

式中，RΦ 为He - 3 正比计数器注量响应， cm2 ;εHe-3 为He-3 正比计数器探测效率。

各He-3 正比计数器探测效率测量结果列于表1。各He-3 正比计数器探测效率差异不大，但因多球中子谱仪解谱算法具有初值敏感性，输入值的较小波动会引起解谱结果的较大波动。实际测量得到的各中子球计数率需要先根据对应的He-3 正比计数器探测效率修正之后，再进行解谱计算。

2. 2 半经验法校准中子球注量响应

前期工作利用241 Am-Be 源校准He-3 正比计数器探测效率[3] ，由于He-3 正比计数器只对热中子灵敏，计数由241 Am-Be 源的散射中子贡献。散射中子受环境因素影响，难以准确评估。因此该次校准只能基于某个He-3 正比计数器给出其它He-3正比计数器的探测效率相对值。本研究利用热中子参考辐射装置校准，热中子参考辐射装置参考点的注量率是已知量，可结合He-3 正比计数器的能量响应给出各He-3 正比计数器的探测效率值。

2. 3 中子能谱测量结果

根据7 个中子球注量响应，通过解谱算法计算给出了中子能谱，测量能谱与标准241 Am-Be 源能谱[12] 对比如图5 所示。由图5 可以看出，测量谱与标准能谱形状相似。计算了测量谱与标准能谱的能谱参数，具体数列于表3，测量谱的注量响应与标准谱相对偏差仅为0. 07%，基于此给出谱仪校准因子为1. 000 7。表3 也验证了本套多球中子谱仪的解谱能力。

前期工作利用影锥法对一套多球中子谱仪作了校准[4] ，该方法在中子源与待校准中子球之间放置一影锥体吸收源直射的中子，此时中子球读数来自散射中子本底，通过不加影锥、加影锥分别测量，计数率相减的方法可扣除散射中子本底。影锥法校准的主要优势是操作简便，但是该方法的准确性受影锥、探测器尺寸影响较大，与影锥法相比半经验法校准操作更加繁琐，但能更准确地扣除房间散射、空气散射本底。

CAO 等人[3] 通过多球中子谱仪各中子球单独测量241 Am-Be 快中子源，解谱获取241 Am-Be 快中子源验证多球中子谱仪性能，该研究中每个中子球均在同一位置测量，通过不加源测量评估实验室本底;设定源-球间距为24 cm，中子球尺寸与源-球间距之比较大，中子球尺寸产生的影响不能忽略。本文则采用多点测量、半经验法直线拟合的方法，可更科学地扣除散射本底;设定源-球间距为50～150 cm，通过F1（l） 可修正中子球尺寸的影响。

本次实验的主要问题在于R0 中子球响应不确定度较大，具体数值列于表4。这是因为R0 中子球只对热中子敏感，直接用快中子源校准R0 中子球，测到的全都是散射本底，引起较大误差。

2. 4 不确定度分析

谱仪注量响应的不确定度评定包括A 类和B类两种评定方法。A 类不确定度包括相互独立的三项：半经验法直线拟合引起的不确定度、中子球校准实验计数统计性及He-3 正比计数器探测效率校准实验计数统计性引起的不确定度。表4 中给出合成A 类相对不确定度，为各项A 类相对不确定度的方和根。

结合表2 中各中子球注量响应和表4 中合成A 类不确定度，可估计解谱引入的不确定度。利用正态分布生成10 000 组随机的注量响应，解谱计算各组数据的注量响应。通过分析10 000 组注量响应的波动情况，结合谱仪注量响应的变化计算得到解谱对谱仪注量响应引入的相对不确定度为5. 3%。

本次校准实验中，由放射源特性引入的B 类相对不确定度列于表5。表5 中各不确定度分量之间相互独立，方和根计算得到合成相对标准不确定度为7. 0%。在k = 2 的情况下，得到谱仪注量响应的合成相对扩展不确定度为14. 0%。

3 结论

本次实验利用中国计量科学研究院热中子参考辐射装置校准了多球中子谱仪各中子球内He-3 正比计数器的探测效率。通过对中国计量科学研究院标准241 Am-Be 源的测量，结合“半经验法”扣除散射本底，校准了多球中子谱仪的注量响应。利用多球中子谱仪测量的标准241 Am-Be 源能谱与标准能谱形状相似，能谱参数偏差较小，表明多球中子谱仪具备快中子能谱的测量能力，可用于环境中子能谱测量。

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