Vol 55 ,No. 1
Jan.2021
第55卷第1期
2021年1月
原子能科学技术
AtomicEnergyScienceandTechnology
基于脉冲幅度谱的3He 正比计数管 中子散射谱仪探测系统关键参数测定方法
余周香，孙凯，李眉娟，刘蕴韬％，陈东风
(中国原子能科学研究院中子散射实验室，北京102413)
摘要：中子散射谱仪探测系统各部件性能参数需相互匹配，准确的参数测定方法利于改进谱仪探测系统
的实际性能，提高物理实验数据质量(可信度等)本文基于3He 正比计数管中子散射谱仪探测系统，开
发了脉冲幅度甄别器甄别阈、核辐射探测器工作电压以及气体核辐射探测器性能参数的脉冲幅度谱测
定方法，这些方法较传统的积分曲线测定方法、坪曲线测定方法以及电压-电流曲线测定方法具有测量 时间短、准确度高、应用范围广等优势$
关键词：中子散射；3He 正比计数管；脉冲幅度甄别器；核辐射探测器；气体增益曲线
中图分类号:TL816
文献标志码:A 文章编号：10006931(2021)0-016909
doi ：10. 7538/yzk. 2020. youxian. 0089
Key Parameter Determination Methods of Neutron Scattering Spectrometer Detector System with 3 He Proportional Counting Tube
Bad on Pul Amplitude Spectrum
YU Zhouxiang , SUN Kai , LI Meijuan , LIU Yuntao % , CHEN Dongfeng %
(Neutron Scattering Laboratory , China Institute of Atomic Energy , Beijing 102413 , China )
Abstract : For neutron scattering spectrometer, performance parameters of each detector
MyMtem component need to be adjuMted.Accurate determination methodMcanimprove practicalperformanceMofdetectorMyMtem andexperimentaldataquality (credibility ).
BaMedonneutronMca t eringMpectrometerdetectorMyMtem with 3He proportional count-
ingtube !pulMe amplitude Mpectrum determination methodMfor diMcrimination level determinationanddemarcatingdetectoroperatingvoltageandgaMamplificationcurveof gaMradiationdetectorweredeveloped.ComparedwithtraditionaldeterminationmethodM五行属土的女孩常用字
(integralcurve !plateaucurveandvoltage-currentcurve )!thenewdetermination meth-
odMhavemanyadvantageMMuchaMMhortmeaMuringtime !highaccuracyand wideappli-
收稿日期20200213修回日期：2020-05-01
基金项目：国家重点研发计划资助项目(2017YFA0403702)国家自然科学基金资助项目(11775309)中国原子能科学研究院
稳定支持经费资助项目(BJ19001904-1)
作者简介：余周香(1980-)，男，安徽寿县人，副研究员，博士，中子散射专业
% 通信作者：刘蕴韬，E-mail ： ytliu@ciae. ac. cn ；陈东风，E-mail ： dongfeng@ciae. ac. cn
170
原子能科学技术 第55卷
cationarea.
Key words ： neutron scattering % 3 He proportional counting tube % pul amplitude dis
criminator % nuclear radiation detector % gas amplification curve
由于中子（热、冷中子）具有磁矩、不带电、穿 透力强、能识别轻元素（特别是氢、氘、氚等元 素）、分辨近邻元素和同位素、波粒二象性等一系
列特点，中子散射技术作为从原子和分子尺度上 研究材料微观结构和动力学行为的实验手段，在 基础研究和工业应用方面发挥着不可替代的作 用⑴2*。为发展中子散射技术，我国兴建中国先
进研究堆（CARR ）、中国绵阳研究堆（CMRR ）和中
国散裂中子源（CSNS ），同时围绕每个中子源建造 十几至几十台不同用途的中子散射谱仪）16 $
中子散射谱仪是开展中子散射研究的实验孙庞斗智
装置，探测系统是谱仪的关键组成部分$中子散 射谱仪探测系统获取最终从样品散射进入探测 器的散射中子实验数据$典型中子探测系统硬 件包括中子探测器"He 正比计数管）、前置放大 器、主放大器、脉冲幅度甄别器、计数器等「78。
为获得优质的实验数据，这些部件的性能参数需 相互匹配$有些参数（探测器工作电压、主放大 器时间常数、放大器放大倍数、甄别器甄别阈等）
可调节，针对确定的谱仪探测系统，这些参数在 物理实验前需通过实验测量确定，参数的准确性 影响探测系统实际性能进而影响物理实验数据
的质量（可信度等）$探索更准确的参数测定方
法对于改进谱仪探测系统的实际性能，提高物理 实验数据质量（可信度等）十分必要$
反应堆中子源中子散射谱仪中子探测器大
部分是3He 气体探测器，包括3He 正比计数管、 一维位置灵敏探测器、多丝正比室等$由于
3 He 正比计数管结构简单，基于3He 正比计数管
的中子散射谱仪探测系统关键参数测定方法开 发可为结构更复杂的其他类型3He 气体探测器
（一维位置灵敏探测器、多丝正比室等）提供借
鉴和参考「9「10*$本文基于3He 正比计数管的中
子散射谱仪探测系统，开发脉冲幅度甄别器甄 别阈、核辐射探测器工作电压以及气体核辐射 探测器性能参数的脉冲幅度谱测定方法$
1 脉冲幅度甄别器甄别阈的脉冲幅度
谱测定方法
大多中子物理实验伴有-
辐射，主要源自 天然放射性以及中子源自发、散射和慢化中子 的辐射俘获$因此
，n/-
甄别性能是中子探测
器的基本特性之一，有些场合会成为中子探测 器应用的限制因素）11]$ n/-甄别有脉冲幅度 甄别和脉冲形状甄别两种方式，脉冲幅度甄别 适用于具有n/-脉冲信号幅度分辨特性的中子
探测器，如BF 3正比计数管、3He 正比计数管 及6Li 玻璃闪烁体；脉冲形状甄别适用于快中子
探测的闪烁体探测器，中子闪烁体探测器给出的 中子与-
信号脉冲的形状不同，脉冲形状甄别技
术对-
抑制能力很强，而中子效率损失很小$
脉冲幅度甄别器是脉冲幅度甄别方式的核 心部件，采用脉冲幅度甄别方式的中子散射谱
仪探测系统硬件流程如图1 所示$ 脉冲幅度甄
别器的甄别阈根据具体实验条件调节，-信号
及电子学噪声信号的脉冲幅度较小，中子信号 的脉冲幅度较大，合适的甄别阈既能尽可能多
地去除-
信号及电子学噪声信号，又能尽可能 多地记录中子信号$
积分曲线测定方法是核辐射强度测量系统 传统的脉冲幅度甄别器甄别阈测定方法，其硬
件结构）12*如图2所示$在探测器高压、放大器 放大倍数、时间常数等参数不变的条件下，加载 辐射源后从小到大调节甄别器（或工作于积分
图1采用脉冲幅度甄别方式的中子散射谱仪探测系统硬件流程
Fig.1 Hardwareflowchartofneutronsca t eringspectrometerdetectorsystem
adoptingpulamplitudediscrimination
method
第1期 余周香等：基于脉冲幅度谱的3He 正比计数管中子散射谱仪探测系统关键参数测定方法
171
图2积分曲线(坪曲线)测定方法硬件结构
Fig. 2 Hardware structure of integral curve (plateau curve)
方式的单道脉冲幅度分析器）阈值，通过定标器 读取计数率（或固定测量时间计数），测量计数 率（或固定测量时间计数）随甄别器阈值变化的
曲线即积分曲线。测得的积分曲线如图3所 示，阈值取变化缓慢曲线段（计数坪）的中间值
（图3箭头所示位置#积分曲线测定方法须进 行多点测量，各点之间有一定的间隔，导致测量严寒的近义词
时间长、准确度差。阈值高会降低系统的电效 率，阈值低会引入电子学和伽马噪声而降低数
据的可信度。图3积分曲线示意图
Fig.3 Sketch mapofintegralcurve
脉冲幅度甄别器相当于单道脉冲幅度分析
器工作于积分方式， 多道脉冲幅度分析器相当 于多个道宽连续的单道的组合（道数一般有几
千，道宽很窄，约几mV #为缩短测量时间，提
高阈值测定的准确度，针对核辐射强度测量系 统基于多道脉冲幅度分析器开发脉冲幅度甄别 器甄别阈的脉冲幅度谱测定方法。
脉冲幅度谱测定方法的硬件结构如图4所 示，在探测器高压、放大器放大倍数、时间常数
等参数不变的条件下，加载辐射源测量核辐射 探测器的脉冲幅度谱（硬件结构如图4a 所示）， 结果如图5所示。核信号位于谱右侧，噪声位
于谱左侧，核信号与噪声之间有一段计数较低的
区域，称为计数谷。阈值定在计数谷谷底，即计 数最小处，若计数谷近似水平线则选择计数谷中 间
位置（图5中M 点）。所定的甄别阈对应多道 脉冲幅度分析器的横坐标道址m U 将道址m U 弋
入多道脉冲幅度分析器道址与电压变换公式 A = pm +A ° （该式由多道脉冲幅度分析器的说
明书给出,m 为道址,A 为m 对应的电压,Q 为系
数A 0为常数），求出最佳阈值A '。
得到最佳阈值A ，后需将甄别器的阈值调
节至该值，其硬件结构如图4b 所示，甄别器的
阈值调节需借助信号发生器和示波器。主放大
器放大倍数、时间常数等参数不变，使用信号发 生器为主放大器输入方波脉冲信号，使用示波
器观察主放大器输出，调节方波脉冲信号幅值，
使主放大器输出为A ，的脉冲信号。使用示波
器观察甄别器输出，将甄别器的阈值从小到大 调节，直至甄别器刚好无脉冲信号输出为止，此 时甄别器的实际阈值已调节至最佳阈值A\
图4脉冲幅度谱测量(a)和脉冲幅度甄别器阈值调节(b)硬件结构
Fig. 4 Hardware structure for pul amplitude spectrum measurement (a) and
amplitude discrimination threshold adjustment
婚联精选大全100对
(b)
172原子能科学技术第55卷
图5脉冲幅度谱示意图
Fig.5Sketch map of pul amplitude spectrum
积分曲线测定方法须进行多点、多次测量计数，次数一般为20左右。脉冲幅度谱测定方法测量脉冲幅度谱的时间是积分曲线测定方法测量1次计数的时间。积分曲线测定方法需多次测量计数，辐射源的统计涨落引起测量误差!相同测量时间探测器处源强越弱则测量误差越大。脉冲幅度谱测定方法测量脉冲幅度谱1次完成，消除了辐射源统计涨落引起的测量误差!有利于提高阈值测定的准确度。积分曲线测定方法须进行多点测量，各点之间有一定的间隔（阈值变化量）。为缩短测量时间，这种间隔不能太小，但给阈值的测定带来误差，在计数坪窄时尤为明显，当这种间隔大于计数坪时会导致测定失败。脉冲幅度谱测定方法使用多道脉冲幅度分析器，道宽约几mV，基本消除了积分曲线测定方法中各点间隔带来的误差，有利于提高阈值测定的准确度，在计数坪窄时尤为有效。
分别使用脉冲幅度谱测定方法和积分曲线测定方法测定基于3He正比计数管中子散射谱仪探测系统脉冲幅度甄别器甄别阈，辐射源使用241Am-Be同位素中子源。脉冲幅度谱测定方法得到的结果如图6所示，相较图5，图6的计数谷很窄，阈值定在计数谷中间位置，如图6所示的M点。所定的甄别阈M点对应多道脉冲幅度分析器的240道，代入变换公式，求得240道对应的电压为1.245V，将甄别器的阈值调节至该值，甄别器的实际阈值调节至1.245V 时，甄别器的显示阈值为119V。积分曲线测定方法的甄别器起始阈值为0.3V，步长为0.4V，共测量21个点，结果如图7所示，相较图3，图7的计数坪非常窄，阈值取计数坪的中间值（图7中M点），为1.5V。积分曲线测定方法较脉冲幅度谱测定方法，时间增加20倍（脉冲幅度谱测定方法测量时间10min，积分曲线测定方法每点测量时间10min），对于大
数量（50支甚至100支以上）正比计数管中子散射谱仪探测系统，积分曲线测定方法十分耗时。此外，阈值1.5V较1.19V高，会降低系统的电效率，损失一部分中子计数，降低谱仪实验效率。
图63He正比计数管脉冲幅度谱
Fig.6Pul amplitude spectrum
of3He proportional counting tube
图73He正比计数管积分曲线
Fig.7Integralcurve
of3Heproportionalcountingtube
2核辐射探测器工作电压的脉冲幅度谱测定方法
核辐射探测器将核信号转换成电信号供后续核电子学系统处理，核辐射探测器须外加高压才能正常工作，高压电源通过前置放大器转接到核辐射探测器上。核辐射探测器工作电压测定一方面是确定其最佳工作电压，另一方面是确定高压波动对测量数据的影响。坪曲线测定方法是传统的核辐射探测器工
作电压测定方法，其硬件结构如图2所示）11-5*。在甄别器阈值、放大器放大倍数、时间常数等参数不变的条件下，加载辐射源后从小到大调节探测器外
为什么叫韩国人棒子呢
第1期 余周香等：基于脉冲幅度谱的3He 正比计数管中子散射谱仪探测系统关键参数测定方法
173
加电压，通过定标器读取计数率（或固定测量时 间计数），测量计数率（或固定测量时间计数）随 外加电压变化的曲线。测得计数曲线上有明显
的计数坪区，即坪曲线，如图8所示。最佳工作 电压设在坪中，即图8中箭头位置。实际上，在 计数坪区计数率（或固定测量时间计数）仍随工
作电压升高而增加，表现出坪有坡度，即坪斜
k ，即每升高100 V 时计数率（或固定测量时间 计数）增加的百分比，其计算公式口1皿为：N —N
—J 1
100(N “ F N 1)/2X 100f (1)k =
X
式中:J 1、J （分别为坪的起始电压和终止电压;
N 和M 分别为J 1和处计数率。k 表征高压 波动引起计数率（或固定测量时间计数）的相对变
化量,k 越小，高压波动对测量数据的影响越小。
野子歌词坪曲线测量是在甄别器阈值、放大器放大 倍数、时间常数不变的条件下开展，坪曲线确定 的工作电压是在甄别器阈值、放大器放大倍数、
时间常数等参数固定不变时探测器的最佳工作 电压。实际上，甄别器阈值和放大器放大倍数
关于滑雪的作文对坪曲线测量影响极大，不同的甄别器阈值和 放大器放大倍数测量所得的坪曲线也不相同，
潮湿的季节所确定的工作电压也不相同。若甄别器阈值和
放大器放大倍数选择不合适，甚至不能测出坪 曲线，确定不出最佳工作电压。
核辐射探测器工作电压有一区间，区间内 任一点均能满足测量要求，而低工作电压有助 于延长探测器使用寿命，提高-信号抑制能力，
减小漏电打火等风险，因此本文选择的最佳工 作电压是探测器工作电压区间的下限，对其测
量需剔除甄别器阈值、放大器放大倍数、时间常
数的影响。本文基于多道脉冲幅度分析器开发 脉冲幅度谱测定方法，首先确定主放大器时间
常数，继而确定该时间常数下探测器最佳工作电 压，再确定该探测器最佳工作电压下放大器放大
倍数和甄别器阈值。在该条件下测量坪曲线，通 过计算k 确定高压波动对测量数据的影响。
脉冲幅度谱测定方法确定时间常数硬件结 构如图9所示，由于同类型的核辐射探测器工 作电压区间差别不会太大，实验时，将核辐射探 测器外加电压调至估计的电压区间内任一点$
在该高压下，加载辐射源测量主放大器输出脉 冲幅度谱$调节主放大器微分与积分时间常
数，选择脉冲幅度谱分辨率高的时间常数（分辨
率=主峰半高宽/主峰道址）$脉冲幅度谱测量 时，还需使用示波器观察主放大器输出脉冲的
形状，确保其为高斯峰形，不发生畸变$对同一
核辐射探测器，由于时间常数越大，主放大器输 出脉冲越宽，漏计数率越高，所以在相同脉冲幅
度谱分辨率前提下为减小漏计数率，选择小时 间常数$
在该时间常数下使用脉冲幅度谱测定方法
确定探测器最佳工作电压，硬件结构如图4a 所 示，方法是加载辐射源，将高压从小到大调节,
测量主放大器输出脉冲幅度谱，调节主放大器
放大 倍 数 将 脉 冲 幅 度 谱调 至 合 适 宽 度 !直 到 脉 冲幅度谱出现图5的有一定宽度的计数谷（达 到核信号与噪声信号甄别的要求）$此时的外
加电压即探测器最佳工作电压，放大器放大倍 数即最佳工作电压下放大器放大倍数$
图9脉冲幅度谱测定方法确定时间常数的硬件结构
Fig.9 Hardwares+ruc+ureofpulampliudespec+rum de+ermina+ion
me+hodfor+imecons+an+
