3He夹心谱仪正比探测器输出幅度补偿方法及装置与流程

本发明属于中子能谱测量技术领域，具体涉及到一种³he夹心谱仪正比探测器输出幅度补偿方法及装置。

背景技术：

³he快中子夹心谱仪探测器芯体采用正比探测器和两个对置的半导体探测器，正比探测器中充³he气体，具体结构如图1所示。³he与中子发生如公式(1)的n-p核反应，核反应产物(带电重离子)首先在正比探测器中沉积能量，最终分别进入两个半导体探测器并被探测，

³he+n→p+t+0.765mev(1)

当三个探测器同时产生脉冲信号输出时(即为一次符合事件)，才可被记录为一次有效的n-p核反应。通过测量中子与³he发生n-p反应的符合事件，可有效甄别中子散射、探测器壁效应等非符合事件的影响。

³he快中子夹心谱仪所采用的正比探测器截面为矩形，尺寸为23mm×21mm×11mm，是中子与³he反应的区域，也是核反应后粒子能量沉积的探测器，理论上正比探测器输出幅度与原电离产生的位置无关，但由于矩形正比探测器电场分布均匀性较差、电子漂移过程中被气体复合等因素，造成正比探测器输出幅度与原电离位置有一定关系，从而使正比探测器能量测量精度降低。实验测量证实正比探测器实际输出幅度与原电离距阳极丝距离有关，对能量测量准确性有一定影响，有必要对其加以校正。

技术实现要素：

为解决现有技术中正比探测器输出幅度与原电离位置有关，使正比探测器测量精度降低的问题，本发明提供了一种对正比探测器输出幅度修正，提高³he夹心谱仪正比探测器能量测量精度的方法及装置。

本发明解决上述问题的技术方案是：

³he夹心谱仪正比探测器输出幅度补偿方法，包括以下步骤：

1)补偿系数建立

1.1)标定测量设备建立

将正比探测器置于u型槽内，放射源置于u型槽上方并与u型槽固定，半导体探测器置于u型槽下方，u型槽侧壁正对放射源的位置分别设置有准直孔，u型槽侧壁上设置有刻度标识，正比探测器、u型槽、放射源、半导体探测器均位于测量罐内；

1.2)标定数据测量

在测量罐内充工作气体，移动u型槽，实现对正比探测器不同位置照射，记录照射位置、正比探测器延迟时间、正比探测器输出幅度；

1.3)计算补偿系数

粒子轨迹距阳极最小距离补偿方法：根据放射源在正比探测器内不同照射位置与正比探测器输出幅度，不同照射位置与正比探测器延迟时间的关系，将数据拟合成曲线，得到正比探测器延迟时间与正比探测器输出幅度的补偿系数η的关系式：

其中：td为正比探测器延迟时间；

2)³he夹心谱仪正比探测器实际测量：

2.1)测量中子谱数据，获得正比探测器输出幅度及其相对半导体探测器输出信号的延迟时间；

2.2)根据补偿系数η，对正比探测器输出幅度进行补偿：

eg＝em/(1-η)

其中：eg为补偿后正比脉冲信号幅度；

em为测量脉冲信号幅度；

η为补偿系数。

上述步骤1.3)中的补偿系数也可通过粒子轨迹距阳极等效距离补偿方法获得：利用geant4软件模拟³he夹心谱仪正比探测器内符合事件核反应产物轨迹，确定粒子轨迹距阳极丝最小距离对应的轨迹分布概率，如图14所示，根据轨迹分布概率计算出粒子轨迹距阳极最小距离对应的等效距离de，

其中：

de为等效距离；

dmin为通过延迟时间测量得到的距阳极丝最小距离；

d为粒子轨迹上各点距阳极的距离；

pd为利用geant4软件模拟不同距离的概率；

根据放射源在正比探测器内不同照射位置与正比探测器输出幅度，不同照射位置与正比探测器延迟时间的关系，利用该等效距离将数据拟合成曲线，得到正比探测器延迟时间与正比探测器输出幅度的补偿系数，

上述u型槽为铝槽。

³he夹心谱仪正比探测器输出幅度补偿装置，包括测量罐、放射源、支架、正比探测器、u型槽、半导体探测器、时幅转换器和eagle-2000谱仪；正比探测器设置在u型槽内，放射源设置在u型槽上方，并通过支架与u型槽固定连接，半导体探测器设置在u型槽下方，u型槽侧壁上下面正对放射源的位置分别设置有准直孔，u型槽侧壁上设置有刻度标识，正比探测器、u型槽、放射源、半导体探测器均位于测量罐体内，时幅转换器分别与正比探测器和半导体探测器连接，eagle-2000谱仪与正比探测器连接。

本发明的优点为：

1.本发明通过建立专用测量装置预先测量出正比探测器输出延迟、幅度与原电离距阳极距离的数据，获得正比探测器幅度补偿关系及参数。在实际能谱测量中通过测量系统符合事件中正比探测器延迟时间，对³he夹心谱仪正比探测器输出幅度补偿，可以有效提高正比探测器测量精度，从而提高³he夹心谱仪能量分辨率。

2.本发明通过测量正比探测器相对于半导体探测器的相对延迟时间，确定核反应带电粒子距正比探测器阳极最小距离，通过geant4软件模拟³he夹心谱仪符合事件中带电粒子距阳极最小距离与带电粒子轨迹分布规律，建立了正比探测器延迟时间与距阳极等效距离间关系，得到的粒子轨迹距阳极等效距离补偿方法可进一步提高补偿效果。

3.利用西安脉冲堆热柱热中子源开展了验证工作，结果表明利用该方法对西安脉冲堆热柱热中子能谱数据加以修正，热中子峰半高宽由140kev降至70kev左右(见图13)，从而效提高热中子分辨率，证明了该方法可以有效提高正比探测器能量测量精度。

附图说明

图1为本发明³he快中子夹心谱仪原理图；

图2为本发明装置结构侧视图；

图3为本发明装置结构俯视图；

图4为本发明u型槽刻度标识示意图；

图5为本发明测量系统电子学组成图；

图6为本发明成形时间对输出信号差异影响的关系图；

图7为本发明输出幅度与原电离位置关系图；

图8为本发明正比探测器延迟时间与原电离位置关系图；

图9为本发明采用粒子轨迹距阳极最小距离补偿方法正比探测器延迟时间与幅度补偿关系图；

图10为本发明探测器内粒子轨迹示意图；

图11为本发明符合事件轨迹分布概率图；

图12为本发明实施例热中子测量电子学系统图；

图13为本发明符合热中子谱图；

图14为符合事件最小距离分布。

附图标记：11-半导体探测器，12-正比探测器；

1-测量罐，2-放射源，3-支架，4-正比探测器阳极，5-正比探测器，6-u型槽，7-半导体探测器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：

因正比探测器中原电离距阳极的距离会影响正比探测器输出幅度，本发明通过设置补偿装置，预先测量出正比探测器中原电离位置、正比探测器延迟时间和正比探测器输出幅度,建立正比探测器延迟时间与输出幅度的补偿关系。在实际能谱测量中可通过测量得到正比探测器延迟时间，分析出原电离的大致位置及幅度修正量，从而对正比探测器输出幅度加以修正，提高能量测量精度。

³he夹心谱仪正比探测器输出幅度补偿装置包括测量罐1、放射源2、支架3、正比探测器5、u型槽6、半导体探测器7、时幅转换器和eagle-2000谱仪；正比探测器5设置在u型槽6内，放射源2设置在u型槽6上方，并通过支架3与u型槽6固定连接，半导体探测器7设置在u型槽6下方，u型槽6侧壁上下面正对放射源2的位置分别设置有准直孔，u型槽6侧壁上设置有刻度标识，正比探测器5、u型槽6、放射源2、半导体探测器7均位于测量罐1体内，时幅转换器分别与正比探测器5和半导体探测器7连接，eagle-2000谱仪与正比探测器5连接。

³he夹心谱仪正比探测器输出幅度补偿方法，包括以下步骤：

1)补偿系数建立

1.1)标定测量设备建立

如图2所示，由测量罐1、正比探测器5、半导体探测器7及一枚²⁴¹am放射源组成标定设备，利用²⁴¹am的5.486mevα粒子开展正比探测器能量沉积与输出幅度关系的测量。将正比探测器5置于u型槽6内，放射源α粒子置于u型槽6上方，半导体探测器7置于u型槽6下方，u型槽6侧壁正对放射源α粒子的位置分别设置有直径0.5mm准直孔；α粒子置于准直孔正上方距u型槽6侧壁表面20～30mm，并通过支架3与u型槽6固定连接，u型槽6侧壁上设置有刻度标识，正比探测器5、u型槽6、放射源2、半导体探测器7均位于测量罐1内，由测量罐1提供所需的工作环境，u型槽为铝槽。

如图3、图4所示，α粒子穿过两准直孔打到半导体探测器7上，u型槽6上刻度可以确定α粒子在正比探测器5中的照射位置，由于α粒子从不同位置入射时在正比探测器5内射程相同，故在正比探测器5内沉积的能量相同。通过测量α粒子从不同位置入射时正比探测器输出幅度，可以比较正比探测器5不同位置能量响应差异。将正比探测器及半导体探测器脉冲信号经过恒比定时电路后，输入时幅转换器可测量出正比探测器信号相对于半导体的延迟时间(即正比探测器延迟时间)。

测量电子学系统如图5所示，两套eagle-2000谱仪分别测量正比探测器输出幅度及正比探测器相对半导体探测器的信号延迟谱，用996定标器监测半导体探测器7工作状态，利用551定时单道的50％后沿恒比定时输出功能实现正比探测器5及半导体探测器7脉冲信号恒比定时，避免了因信号幅度差异造成的时间游动问题，提高了正比探测器延迟时间测量的准确性。

1.2)标定数据测量

在测量罐1内充工作气体，移动u型槽6，实现对正比探测器5不同位置照射，记录照射位置、正比探测器延迟时间、正比探测器输出幅度。由于³he气体较为昂贵，采用⁴he气体代替³he气体开展该项测试。

正比探测器放大器成形时间：首先测量放大器成形时间对输出幅度的影响。成形时间设置分别为0.5μs、1μs、2μs、3μ、6μs，测量阳极丝径向0mm位置上输出幅度最大相对差定义为δ，如式(6)所示，其中v10、v0分别为α粒子由径向0mm与径向10mm准直孔入射时正比探测器输出幅度，

图6为输出幅度最大相对差与主放大器成形时间的关系，可看出主放大器成形时间选择2μs较合理。

原电离位置与输出幅度及延迟时间关系测量：设置主放大器成形时间为2μs，在正比探测器5轴向0mm、4mm、8mm位置处，开展正比探测器输出幅度、正比探测器延迟时间随距阳极丝轴向距离变化的测量。输出幅度与原电离位置关系如图7所示，正比探测器延迟时间与阳极丝距离关系如图8所示。由图7可见正比探测器输出幅度随距阳极丝径向距离增大逐渐降低。在轴向位置较小时输出幅度差异不明显，由于正比探测器5端效应的影响，在轴向位置较大时(靠近正比探测器阴极箱侧壁)，输出幅度会比轴向位置较小时略有降低，但远小于径向距离造成的输出幅度差异。为此可以使用各径向位置平均值表示输出幅度与距阳极丝径向距离的关系。由图8可看出正比探测器5输出信号延迟基本只与原电离距阳极丝径向距离有关，与阳极丝轴向距离关系不大。因此，可以根据延迟时间对正比探测器输出幅度进行修正。

通过测量正比探测器5相对于半导体探测器7的延迟时间，确定原电离发生的位置。根据所测定的正比探测器5不同位置实际能量响应及正比探测器延迟时间，建立正比探测器延迟时间与信号幅度补偿的关系。

1.3)补偿系数计算

补偿系数可通过粒子轨迹距阳极最小距离补偿方法或粒子轨迹距阳极等效距离补偿方法得到；

1.3.1)粒子轨迹距阳极最小距离补偿方法：

根据测得的正比探测器5内不同照射位置与正比探测器输出幅度及正比探测器输出信号延迟时间的数据，可建立正比探测器延迟时间与信号幅度补偿的关系，将数据拟合成曲线，并得到正比探测器延迟时间与正比探测器输出幅度补偿系数η的关系式：

其中：td为正比探测器延迟时间；

1.3.2)粒子轨迹距阳极等效距离补偿方法：

在实际中子能谱测量过程中，符合事件的核反应产物在³he气体中的轨迹大都比较随机，与研究背景实验中的α粒子轨迹都是垂直于阳极丝不同，如图9所示，α粒子轨迹到阳极丝垂直距离为l，利用³he快中子夹心谱仪测量中子时，正比探测器延迟时间对应的是轨迹距阳极丝最小距离dmin，用最小距离代表符合事件核反应产物轨迹与实际情况还有较大差异。为此直接利用能量响应与正比探测器延迟时间关系推算粒子位置，进而对正比探测器输出幅度进行补偿效果必然欠佳。

由于正比探测器延迟时间与粒子轨迹距正比探测器阳极4最小距离相关，利用geant4软件可以模拟正比探测器5内符合事件核反应产物，确定粒子轨迹距阳极丝最小距离对应的轨迹分布概率，如图10所示，由图可看出距阳极丝最小距离较小时，轨迹分布概率曲线较宽，随着距阳极丝最小距离增大，分布曲线明显变窄。如图14所示，根据轨迹分布概率可以计算出每种概率下对应的等效距离，计算方法如式(3)，其中de为等效距离，dmin为通过延迟时间测量得到的距阳极丝最小距离，d为距阳极丝距离，pd为利用geant4软件计算得到的距阳极丝距离为d的概率，

由于刻度α粒子上各点距离阳极距离也不相同，因此对刻度α粒子也需做同样的等效距离处理，如公式(4)所示：

其中：le为α粒子运动路径等效距离，

n为α粒子运动路径等分数，

l为α粒子运动路径距阳极丝最小距离，

h为正比探测器5半厚度；

利用(3)标定得到的信号补偿关系及(4)式得到的等效距离关系，对测量数据进行处理，完成正比探测器5数据信号幅度补偿。利用geant4软件模拟出符合事件中核反应产物轨迹分布概率，计算出不同延迟时间所对应的等效距离，并提出基于等效距离开展幅度补偿的方法，拟合出相应的补偿公式。幅度补偿公式是同α粒子运动路径距正比探测器阳极4最小距离向关联的，将其与刻度射线等效距离相关联得式，这样就可通过原电离位置为桥梁，建立正比探测器输出信号幅度补偿与延迟时间关系。利用该等效距离重新将数据拟合成曲线，得到正比探测器延迟时间与输出信号幅度的补偿系数，

2)³he夹心谱仪正比探测器实际测量，对正比探测器输出幅度进行补偿；

2.1)利用³he夹心谱仪测量中子场能谱，测量中子谱数据，通过符合系统采集数据并判断符合事件，获得符合事件中正比探测器输出幅度及其相对半导体探测器7信号的延迟时间；

2.2)根据补偿系数，对正比探测器输出幅度进行补偿：

eg＝em/(1-η)(7)

其中：

eg为补偿后正比脉冲信号幅度；

em为测量脉冲信号幅度；

η为补偿系数。

3)正比探测器幅度补偿验证

为了证实利用延迟时间校正正比探测器输出幅度方法的可行性，利用西安脉冲堆热柱开展能量补偿验证工作。西安脉冲堆热柱可产生慢化良好的热中子场，出口束斑直径35mm，束斑内热中子束流均匀，可覆盖整个³he快中子夹心谱仪灵敏区。谱仪系统测量符合事件能量应为热中子与³he反应能765kev。

图12为探测器电子学系统图，每路放大器脉冲信号输出被分为两路，一路经延迟放大进入线性门，另一路进入551定时单道，产生脉冲后延50％恒比定时信号，用于线性门开门。这样由线性门输出的信号具有恒比定时前沿。利用419信号发生器产生信号校准正比探测器5相对延迟时间，使其与基础研究实验中的测量方法一致。利用三通道数字符合系统采集脉冲信号幅度与定时信息，将551定时单道阈值设置高于ad过阈点电压，可实现三通道数字符合系统对信号恒比定时。图11为示波器获取的符合信号，可看出三路脉冲信号都经过恒比电路处理具有恒比前沿。图12为半导体探测器7测量核反应产物能谱，能谱中有高能质子(574kev)、与低能氚(191kev)两个独立峰。图13为利用脉冲信号幅度与时间信息，经过符合甄别软件获得的热中子能谱，由图可看出利用两种方法对正比探测器输出幅度进行修正后，测量热中子峰明显变窄、峰值变高。尤其是利用等效距离方法进行修正后，峰形高能沿明显变陡，峰值较未校正时提高30％、峰半高宽降低50％左右。说明利用该方法对正比探测器输出幅度补偿，可有效提高正比探测器测量能量准确性。

通过实验测量证明了³he正比探测器输出能量响应与原电离与阳极距离有一定关系。利用241amα粒子源精细测量了正比探测器在主放大器成形时间为2μs条件下，原电离距阳极距离、脉冲信号输出幅度、正比探测器与半导体探测器信号的延迟时间等参数相互关系；利用geant4软件模拟了符合时间与轨迹分布概率，提出了等效距离正比探测器输出幅度修正方法。利用该方法对西安脉冲堆热柱热中子能谱数据加以修正，可有效提高热中子分辨率，该方法可以有效提高正比探测器能量测量精度。