中子探測器

中子是一種不帶電的粒子。中子探測器的工作原理是： 中子與某種核產生反應時放出帶電粒子，帶電粒子在氣體中運動時產生氣體電離，通過測量氣體電離量來確定中子注量率水平。例如， 中子與B的 (n，α) 反應， 放出α粒子;或中子與U反應生成裂變碎片。

下圖示出氣體電離的工作機理，曲線表示兩電極間氣體在受到射線電離後，在電極上收集到的離子數與電極間電壓的關係。其中I區表示生成的離子在被電極收集到以前， 就部分複合了。隨着電壓的升高，離子重新複合的概率越來越低。Ⅱ區表示所產生的離子全部被電極收集到，稱飽和電離電流區。在一個相當寬的電壓變化範圍內， 收集到的離子數僅與射線密度成正比而基本上與電壓無關，即出現一個“坪”。電離室就工作在這個“坪”的範圍內。電壓繼續加大，在電極附近形成相當大的電場強度， 離子在向電極運動時，在電場中獲得比較大的能量，引起氣體二次電離，形成氣體放電。如Ⅲ區，這時輸出脈衝仍保持與原始總電離量成正比，稱比例計數區。基於這一特性的探測器稱正比計數管。Ⅳ區繫有限正比區。Ⅴ區氣體呈雪崩式電離，放大倍數很大，以致輸出脈衝與原始總電離量無關。每次電離，即每個脈衝，電極收集到的離子數是一個常數。利用這個特性做出的探測器稱蓋格彌勒計數管。Ⅵ區是連續放電區。

當中子注量率很小時，用電離室測量很小的電離電流就會很困難，由於此種情況下，γ射線及殘餘放射性的干擾就變得更為顯著。計數管所發出的是不連續的脈衝。要求計數管對每一電離事件都輸出一個電流脈衝，它們可以被放大，而且可用適當的計數率計來測量它們的計數率。因為信號是脈衝，所以“室”的絕緣問題就不是關鍵性的了，通常要求10Ω以上。脈衝高度主要取決於計數管所使用系統的電容和電阻。對於計數管的內部結構，要使電容為最小，並使電極間的距離，對電離事件的射程來説，是最佳的。為了要區別開不想要的電離事件，比較簡單的方法是採用脈衝高度甄別。

（1）BF3正比計數管

由金屬圓管構成一個電極，沿圓管中心軸懸着一根絕緣細導線作為另一電極，管內充有BF₃氣體。中子和B作用放出的α粒子使氣體產生一次電離。在細導線上加的極化電壓是相當高的，約3000 V，這樣可以產生二次電離以增加所產生的離子對數，提高靈敏度。一般每平方釐米每一箇中子可產生3個計數。該計數管是常用的脈衝計數管中最靈敏的。由中子所產生的脈衝高度大約為γ射線所產生的脈衝高度的100倍，所以通過脈衝高度甄別可減少γ本底的干擾。計數管的最大計數率為5×10n/s，但其工作環境的γ射線強度一般要在1 Sv/h以下。BF₃正比計數管可通過提高B的濃縮度來增加靈敏度。圖3示出正比計數管的剖面圖。

（2）塗硼正比計數管

將固態的硼塗在計數管的管壁上，其殼由鋁製成，殼內充有氬氣，中心處裝有細導線的電極。將它接到高壓電源上，以獲得氣體放電所需較高的電場強度。這種計數管壽命比較長，且在高中子注量率輻照後復原情況也較好。但塗硼層能吸收一些α粒子，影響進入填充氣體的α粒子的能量，使輸出脈衝高度出現一些波動，因而脈衝高度甄別的效果就比較差一些。

（3）裂變計數管

鈾的裂變現象也可應用到計數管上。在計數管電極上塗有鈾，管內充以惰性氣體。經中子輻照後，鈾裂變產生的碎片能量很高，具有足夠的電離能力，可以產生適當的脈衝幅度。當電容量為100pF時，脈衝幅度一般在0.1～1 mV範圍內。鈾的α放射性也會引起本底計數率。這種影響亦可利用脈衝高度甄別加以降低。裂變計數管的靈敏度約為單位中子注量率0.2個計數。裂變計數管的重要特性是可以在很強的γ射線場(高達10Sv/h)內工作;而且可以設計得使它能在高達900℃的温度下工作。 ^[2] 

電離室大多系圓柱式平行電極， 封裝在金屬盒或外殼內， 接合處通過絕緣設計， 使漏電為最小。電極與盒之間的典型電阻高達10₁₂Ω的量級或更高。如果預計信號水平很低，為了絕緣可以使用屏蔽結構。這種結構是由圍繞每一根導線的絕緣的屏蔽環或圓筒所組成。屏蔽環保持與相應的電極等電位。電極的設計和裝配必須使電離室的靈敏區內有均勻的電場。可以使用輔助電極，幫助達到電場的均勻性。

（1）硼電離室

用以測量熱中子。在電離室中充以BF3的氣體， 或將硼塗在各電極上。在後者的情況下，容器內所充的氣體一般為氫氣。容器和電極均由純鋁製成。經中子照射後， 中子和硼發生(n，α)反應，產生的α粒子大約具有2.5 MeV的能量，它能使氫或BF₃電離，而產生電流。電離室的外加電壓約200～500V。電離室的中子靈敏度為10-～10- A/(n/cm·s)，而γ射線的靈敏度為10-～10- A/(Sv/h)。電離室的中子靈敏度可以通過下列方法加以調整： 選擇塗有硼的電極的面積， 選擇所充氣體的壓力，以及選擇B同位素的濃度。

（2）γ射線補償電離室

硼電離室存在的問題之一是沒有選擇性，它能探測到任何的電離輻射，因此在強γ場下可能產生相當大的測量誤差。把電離室分成相等兩部分，一部分對中子及γ射線都靈敏，另一部分只對γ射線起作用，即一部分塗硼，另一部分無硼。設法使兩電離室中的電流反向流動， 則所得到的電流就只正比於中子注量率。體積補償不受γ射線能譜和強度變化的影響， 其補償度在出廠時調整到97%～98%，使用時不能再調整。另一個方法是電壓補償，通過從外面調整補償電極的電壓，以改變電力線的分佈，達到改變電離室兩部分的有效體積， 來調整γ射線的補償度(稱電壓補償)， 使用γ補償的電離室能把量程擴展約兩個量級。

（3）長中子電離室

在大型反應堆中，為了測量堆芯軸向功率不平衡，使用了長度與堆芯高度相當的長中子電離室。其內部是由上、下兩節或多節硼電離室組成，分別與堆芯的上、下兩半部分相對應，並在電路上將所測信號加以處理， 以測量軸向功率分佈。

（4）裂變電離室

在充有氬氣的不鏽鋼密閉容器中裝有電極，電極上沉積有鈾，中子與鈾作用生成的裂變碎片，在電離室中產生電離作用。裂變電離室所能測量的最低中子注量率水平受在電離室內電極鈾的天然α蜕變所引起的虛假電流的限制。