本發(fā)明屬于中子能譜測量技術領域，具體涉及到一種³he夾心譜儀正比探測器輸出幅度補償方法及裝置。

背景技術：

³he快中子夾心譜儀探測器芯體采用正比探測器和兩個對置的半導體探測器，正比探測器中充³he氣體，具體結構如圖1所示。³he與中子發(fā)生如公式(1)的n-p核反應，核反應產(chǎn)物(帶電重離子)首先在正比探測器中沉積能量，最終分別進入兩個半導體探測器并被探測，

³he+n→p+t+0.765mev(1)

當三個探測器同時產(chǎn)生脈沖信號輸出時(即為一次符合事件)，才可被記錄為一次有效的n-p核反應。通過測量中子與³he發(fā)生n-p反應的符合事件，可有效甄別中子散射、探測器壁效應等非符合事件的影響。

³he快中子夾心譜儀所采用的正比探測器截面為矩形，尺寸為23mm×21mm×11mm，是中子與³he反應的區(qū)域，也是核反應后粒子能量沉積的探測器，理論上正比探測器輸出幅度與原電離產(chǎn)生的位置無關，但由于矩形正比探測器電場分布均勻性較差、電子漂移過程中被氣體復合等因素，造成正比探測器輸出幅度與原電離位置有一定關系，從而使正比探測器能量測量精度降低。實驗測量證實正比探測器實際輸出幅度與原電離距陽極絲距離有關，對能量測量準確性有一定影響，有必要對其加以校正。

技術實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術中正比探測器輸出幅度與原電離位置有關，使正比探測器測量精度降低的問題，本發(fā)明提供了一種對正比探測器輸出幅度修正，提高³he夾心譜儀正比探測器能量測量精度的方法及裝置。

本發(fā)明解決上述問題的技術方案是：

³he夾心譜儀正比探測器輸出幅度補償方法，包括以下步驟：

1)補償系數(shù)建立

1.1)標定測量設備建立

將正比探測器置于u型槽內(nèi)，放射源置于u型槽上方并與u型槽固定，半導體探測器置于u型槽下方，u型槽側(cè)壁正對放射源的位置分別設置有準直孔，u型槽側(cè)壁上設置有刻度標識，正比探測器、u型槽、放射源、半導體探測器均位于測量罐內(nèi)；

1.2)標定數(shù)據(jù)測量

在測量罐內(nèi)充工作氣體，移動u型槽，實現(xiàn)對正比探測器不同位置照射，記錄照射位置、正比探測器延遲時間、正比探測器輸出幅度；

1.3)計算補償系數(shù)

粒子軌跡距陽極最小距離補償方法：根據(jù)放射源在正比探測器內(nèi)不同照射位置與正比探測器輸出幅度，不同照射位置與正比探測器延遲時間的關系，將數(shù)據(jù)擬合成曲線，得到正比探測器延遲時間與正比探測器輸出幅度的補償系數(shù)η的關系式：

其中：td為正比探測器延遲時間；

2)³he夾心譜儀正比探測器實際測量：

2.1)測量中子譜數(shù)據(jù)，獲得正比探測器輸出幅度及其相對半導體探測器輸出信號的延遲時間；

2.2)根據(jù)補償系數(shù)η，對正比探測器輸出幅度進行補償：

eg＝em/(1-η)

其中：eg為補償后正比脈沖信號幅度；

em為測量脈沖信號幅度；

η為補償系數(shù)。

上述步驟1.3)中的補償系數(shù)也可通過粒子軌跡距陽極等效距離補償方法獲得：利用geant4軟件模擬³he夾心譜儀正比探測器內(nèi)符合事件核反應產(chǎn)物軌跡，確定粒子軌跡距陽極絲最小距離對應的軌跡分布概率，如圖14所示，根據(jù)軌跡分布概率計算出粒子軌跡距陽極最小距離對應的等效距離de，

其中：

de為等效距離；

dmin為通過延遲時間測量得到的距陽極絲最小距離；

d為粒子軌跡上各點距陽極的距離；

pd為利用geant4軟件模擬不同距離的概率；

根據(jù)放射源在正比探測器內(nèi)不同照射位置與正比探測器輸出幅度，不同照射位置與正比探測器延遲時間的關系，利用該等效距離將數(shù)據(jù)擬合成曲線，得到正比探測器延遲時間與正比探測器輸出幅度的補償系數(shù)，

上述u型槽為鋁槽。

³he夾心譜儀正比探測器輸出幅度補償裝置，包括測量罐、放射源、支架、正比探測器、u型槽、半導體探測器、時幅轉(zhuǎn)換器和eagle-2000譜儀；正比探測器設置在u型槽內(nèi)，放射源設置在u型槽上方，并通過支架與u型槽固定連接，半導體探測器設置在u型槽下方，u型槽側(cè)壁上下面正對放射源的位置分別設置有準直孔，u型槽側(cè)壁上設置有刻度標識，正比探測器、u型槽、放射源、半導體探測器均位于測量罐體內(nèi)，時幅轉(zhuǎn)換器分別與正比探測器和半導體探測器連接，eagle-2000譜儀與正比探測器連接。

本發(fā)明的優(yōu)點為：

1.本發(fā)明通過建立專用測量裝置預先測量出正比探測器輸出延遲、幅度與原電離距陽極距離的數(shù)據(jù)，獲得正比探測器幅度補償關系及參數(shù)。在實際能譜測量中通過測量系統(tǒng)符合事件中正比探測器延遲時間，對³he夾心譜儀正比探測器輸出幅度補償，可以有效提高正比探測器測量精度，從而提高³he夾心譜儀能量分辨率。

2.本發(fā)明通過測量正比探測器相對于半導體探測器的相對延遲時間，確定核反應帶電粒子距正比探測器陽極最小距離，通過geant4軟件模擬³he夾心譜儀符合事件中帶電粒子距陽極最小距離與帶電粒子軌跡分布規(guī)律，建立了正比探測器延遲時間與距陽極等效距離間關系，得到的粒子軌跡距陽極等效距離補償方法可進一步提高補償效果。

3.利用西安脈沖堆熱柱熱中子源開展了驗證工作，結果表明利用該方法對西安脈沖堆熱柱熱中子能譜數(shù)據(jù)加以修正，熱中子峰半高寬由140kev降至70kev左右(見圖13)，從而效提高熱中子分辨率，證明了該方法可以有效提高正比探測器能量測量精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明³he快中子夾心譜儀原理圖；

圖2為本發(fā)明裝置結構側(cè)視圖；

圖3為本發(fā)明裝置結構俯視圖；

圖4為本發(fā)明u型槽刻度標識示意圖；

圖5為本發(fā)明測量系統(tǒng)電子學組成圖；

圖6為本發(fā)明成形時間對輸出信號差異影響的關系圖；

圖7為本發(fā)明輸出幅度與原電離位置關系圖；

圖8為本發(fā)明正比探測器延遲時間與原電離位置關系圖；

圖9為本發(fā)明采用粒子軌跡距陽極最小距離補償方法正比探測器延遲時間與幅度補償關系圖；

圖10為本發(fā)明探測器內(nèi)粒子軌跡示意圖；

圖11為本發(fā)明符合事件軌跡分布概率圖；

圖12為本發(fā)明實施例熱中子測量電子學系統(tǒng)圖；

圖13為本發(fā)明符合熱中子譜圖；

圖14為符合事件最小距離分布。

附圖標記：11-半導體探測器，12-正比探測器；

1-測量罐，2-放射源，3-支架，4-正比探測器陽極，5-正比探測器，6-u型槽，7-半導體探測器。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例對本發(fā)明的內(nèi)容作進一步的詳細描述：

因正比探測器中原電離距陽極的距離會影響正比探測器輸出幅度，本發(fā)明通過設置補償裝置，預先測量出正比探測器中原電離位置、正比探測器延遲時間和正比探測器輸出幅度,建立正比探測器延遲時間與輸出幅度的補償關系。在實際能譜測量中可通過測量得到正比探測器延遲時間，分析出原電離的大致位置及幅度修正量，從而對正比探測器輸出幅度加以修正，提高能量測量精度。

³he夾心譜儀正比探測器輸出幅度補償裝置包括測量罐1、放射源2、支架3、正比探測器5、u型槽6、半導體探測器7、時幅轉(zhuǎn)換器和eagle-2000譜儀；正比探測器5設置在u型槽6內(nèi)，放射源2設置在u型槽6上方，并通過支架3與u型槽6固定連接，半導體探測器7設置在u型槽6下方，u型槽6側(cè)壁上下面正對放射源2的位置分別設置有準直孔，u型槽6側(cè)壁上設置有刻度標識，正比探測器5、u型槽6、放射源2、半導體探測器7均位于測量罐1體內(nèi)，時幅轉(zhuǎn)換器分別與正比探測器5和半導體探測器7連接，eagle-2000譜儀與正比探測器5連接。

³he夾心譜儀正比探測器輸出幅度補償方法，包括以下步驟：

1)補償系數(shù)建立

1.1)標定測量設備建立

如圖2所示，由測量罐1、正比探測器5、半導體探測器7及一枚²⁴¹am放射源組成標定設備，利用²⁴¹am的5.486mevα粒子開展正比探測器能量沉積與輸出幅度關系的測量。將正比探測器5置于u型槽6內(nèi)，放射源α粒子置于u型槽6上方，半導體探測器7置于u型槽6下方，u型槽6側(cè)壁正對放射源α粒子的位置分別設置有直徑0.5mm準直孔；α粒子置于準直孔正上方距u型槽6側(cè)壁表面20～30mm，并通過支架3與u型槽6固定連接，u型槽6側(cè)壁上設置有刻度標識，正比探測器5、u型槽6、放射源2、半導體探測器7均位于測量罐1內(nèi)，由測量罐1提供所需的工作環(huán)境，u型槽為鋁槽。

如圖3、圖4所示，α粒子穿過兩準直孔打到半導體探測器7上，u型槽6上刻度可以確定α粒子在正比探測器5中的照射位置，由于α粒子從不同位置入射時在正比探測器5內(nèi)射程相同，故在正比探測器5內(nèi)沉積的能量相同。通過測量α粒子從不同位置入射時正比探測器輸出幅度，可以比較正比探測器5不同位置能量響應差異。將正比探測器及半導體探測器脈沖信號經(jīng)過恒比定時電路后，輸入時幅轉(zhuǎn)換器可測量出正比探測器信號相對于半導體的延遲時間(即正比探測器延遲時間)。

測量電子學系統(tǒng)如圖5所示，兩套eagle-2000譜儀分別測量正比探測器輸出幅度及正比探測器相對半導體探測器的信號延遲譜，用996定標器監(jiān)測半導體探測器7工作狀態(tài)，利用551定時單道的50％后沿恒比定時輸出功能實現(xiàn)正比探測器5及半導體探測器7脈沖信號恒比定時，避免了因信號幅度差異造成的時間游動問題，提高了正比探測器延遲時間測量的準確性。

1.2)標定數(shù)據(jù)測量

在測量罐1內(nèi)充工作氣體，移動u型槽6，實現(xiàn)對正比探測器5不同位置照射，記錄照射位置、正比探測器延遲時間、正比探測器輸出幅度。由于³he氣體較為昂貴，采用⁴he氣體代替³he氣體開展該項測試。

正比探測器放大器成形時間：首先測量放大器成形時間對輸出幅度的影響。成形時間設置分別為0.5μs、1μs、2μs、3μ、6μs，測量陽極絲徑向0mm位置上輸出幅度最大相對差定義為δ，如式(6)所示，其中v10、v0分別為α粒子由徑向0mm與徑向10mm準直孔入射時正比探測器輸出幅度，

圖6為輸出幅度最大相對差與主放大器成形時間的關系，可看出主放大器成形時間選擇2μs較合理。

原電離位置與輸出幅度及延遲時間關系測量：設置主放大器成形時間為2μs，在正比探測器5軸向0mm、4mm、8mm位置處，開展正比探測器輸出幅度、正比探測器延遲時間隨距陽極絲軸向距離變化的測量。輸出幅度與原電離位置關系如圖7所示，正比探測器延遲時間與陽極絲距離關系如圖8所示。由圖7可見正比探測器輸出幅度隨距陽極絲徑向距離增大逐漸降低。在軸向位置較小時輸出幅度差異不明顯，由于正比探測器5端效應的影響，在軸向位置較大時(靠近正比探測器陰極箱側(cè)壁)，輸出幅度會比軸向位置較小時略有降低，但遠小于徑向距離造成的輸出幅度差異。為此可以使用各徑向位置平均值表示輸出幅度與距陽極絲徑向距離的關系。由圖8可看出正比探測器5輸出信號延遲基本只與原電離距陽極絲徑向距離有關，與陽極絲軸向距離關系不大。因此，可以根據(jù)延遲時間對正比探測器輸出幅度進行修正。

通過測量正比探測器5相對于半導體探測器7的延遲時間，確定原電離發(fā)生的位置。根據(jù)所測定的正比探測器5不同位置實際能量響應及正比探測器延遲時間，建立正比探測器延遲時間與信號幅度補償?shù)年P系。

1.3)補償系數(shù)計算

補償系數(shù)可通過粒子軌跡距陽極最小距離補償方法或粒子軌跡距陽極等效距離補償方法得到；

1.3.1)粒子軌跡距陽極最小距離補償方法：

根據(jù)測得的正比探測器5內(nèi)不同照射位置與正比探測器輸出幅度及正比探測器輸出信號延遲時間的數(shù)據(jù)，可建立正比探測器延遲時間與信號幅度補償?shù)年P系，將數(shù)據(jù)擬合成曲線，并得到正比探測器延遲時間與正比探測器輸出幅度補償系數(shù)η的關系式：

其中：td為正比探測器延遲時間；

1.3.2)粒子軌跡距陽極等效距離補償方法：

在實際中子能譜測量過程中，符合事件的核反應產(chǎn)物在³he氣體中的軌跡大都比較隨機，與研究背景實驗中的α粒子軌跡都是垂直于陽極絲不同，如圖9所示，α粒子軌跡到陽極絲垂直距離為l，利用³he快中子夾心譜儀測量中子時，正比探測器延遲時間對應的是軌跡距陽極絲最小距離dmin，用最小距離代表符合事件核反應產(chǎn)物軌跡與實際情況還有較大差異。為此直接利用能量響應與正比探測器延遲時間關系推算粒子位置，進而對正比探測器輸出幅度進行補償效果必然欠佳。

由于正比探測器延遲時間與粒子軌跡距正比探測器陽極4最小距離相關，利用geant4軟件可以模擬正比探測器5內(nèi)符合事件核反應產(chǎn)物，確定粒子軌跡距陽極絲最小距離對應的軌跡分布概率，如圖10所示，由圖可看出距陽極絲最小距離較小時，軌跡分布概率曲線較寬，隨著距陽極絲最小距離增大，分布曲線明顯變窄。如圖14所示，根據(jù)軌跡分布概率可以計算出每種概率下對應的等效距離，計算方法如式(3)，其中de為等效距離，dmin為通過延遲時間測量得到的距陽極絲最小距離，d為距陽極絲距離，pd為利用geant4軟件計算得到的距陽極絲距離為d的概率，

由于刻度α粒子上各點距離陽極距離也不相同，因此對刻度α粒子也需做同樣的等效距離處理，如公式(4)所示：

其中：le為α粒子運動路徑等效距離，

n為α粒子運動路徑等分數(shù)，

l為α粒子運動路徑距陽極絲最小距離，

h為正比探測器5半厚度；

利用(3)標定得到的信號補償關系及(4)式得到的等效距離關系，對測量數(shù)據(jù)進行處理，完成正比探測器5數(shù)據(jù)信號幅度補償。利用geant4軟件模擬出符合事件中核反應產(chǎn)物軌跡分布概率，計算出不同延遲時間所對應的等效距離，并提出基于等效距離開展幅度補償?shù)姆椒?，擬合出相應的補償公式。幅度補償公式是同α粒子運動路徑距正比探測器陽極4最小距離向關聯(lián)的，將其與刻度射線等效距離相關聯(lián)得式，這樣就可通過原電離位置為橋梁，建立正比探測器輸出信號幅度補償與延遲時間關系。利用該等效距離重新將數(shù)據(jù)擬合成曲線，得到正比探測器延遲時間與輸出信號幅度的補償系數(shù)，

2)³he夾心譜儀正比探測器實際測量，對正比探測器輸出幅度進行補償；

2.1)利用³he夾心譜儀測量中子場能譜，測量中子譜數(shù)據(jù)，通過符合系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)并判斷符合事件，獲得符合事件中正比探測器輸出幅度及其相對半導體探測器7信號的延遲時間；

2.2)根據(jù)補償系數(shù)，對正比探測器輸出幅度進行補償：

eg＝em/(1-η)(7)

其中：

eg為補償后正比脈沖信號幅度；

em為測量脈沖信號幅度；

η為補償系數(shù)。

3)正比探測器幅度補償驗證

為了證實利用延遲時間校正正比探測器輸出幅度方法的可行性，利用西安脈沖堆熱柱開展能量補償驗證工作。西安脈沖堆熱柱可產(chǎn)生慢化良好的熱中子場，出口束斑直徑35mm，束斑內(nèi)熱中子束流均勻，可覆蓋整個³he快中子夾心譜儀靈敏區(qū)。譜儀系統(tǒng)測量符合事件能量應為熱中子與³he反應能765kev。

圖12為探測器電子學系統(tǒng)圖，每路放大器脈沖信號輸出被分為兩路，一路經(jīng)延遲放大進入線性門，另一路進入551定時單道，產(chǎn)生脈沖后延50％恒比定時信號，用于線性門開門。這樣由線性門輸出的信號具有恒比定時前沿。利用419信號發(fā)生器產(chǎn)生信號校準正比探測器5相對延遲時間，使其與基礎研究實驗中的測量方法一致。利用三通道數(shù)字符合系統(tǒng)采集脈沖信號幅度與定時信息，將551定時單道閾值設置高于ad過閾點電壓，可實現(xiàn)三通道數(shù)字符合系統(tǒng)對信號恒比定時。圖11為示波器獲取的符合信號，可看出三路脈沖信號都經(jīng)過恒比電路處理具有恒比前沿。圖12為半導體探測器7測量核反應產(chǎn)物能譜，能譜中有高能質(zhì)子(574kev)、與低能氚(191kev)兩個獨立峰。圖13為利用脈沖信號幅度與時間信息，經(jīng)過符合甄別軟件獲得的熱中子能譜，由圖可看出利用兩種方法對正比探測器輸出幅度進行修正后，測量熱中子峰明顯變窄、峰值變高。尤其是利用等效距離方法進行修正后，峰形高能沿明顯變陡，峰值較未校正時提高30％、峰半高寬降低50％左右。說明利用該方法對正比探測器輸出幅度補償，可有效提高正比探測器測量能量準確性。

通過實驗測量證明了³he正比探測器輸出能量響應與原電離與陽極距離有一定關系。利用241amα粒子源精細測量了正比探測器在主放大器成形時間為2μs條件下，原電離距陽極距離、脈沖信號輸出幅度、正比探測器與半導體探測器信號的延遲時間等參數(shù)相互關系；利用geant4軟件模擬了符合時間與軌跡分布概率，提出了等效距離正比探測器輸出幅度修正方法。利用該方法對西安脈沖堆熱柱熱中子能譜數(shù)據(jù)加以修正，可有效提高熱中子分辨率，該方法可以有效提高正比探測器能量測量精度。