本發(fā)明屬于精密儀器設(shè)備制造領(lǐng)域，具體涉及一種中子管和前置放大器。

背景技術(shù)：

中子是非帶電子粒子，對(duì)其探測(cè)要經(jīng)過(guò)中子與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的次級(jí)帶電粒子探測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前對(duì)于中子的探測(cè)主要有以下四種方法：核反應(yīng)法、核反沖法、核裂變法和中子活化法。

一、核反應(yīng)法：中子本身不帶電，與原子核不發(fā)生庫(kù)侖作用，因此容易進(jìn)入原子核，發(fā)生核反應(yīng)。選擇可以產(chǎn)生帶電粒子的核反應(yīng)，通過(guò)探測(cè)帶電粒子引起的電離激發(fā)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)中子的探測(cè)。這種方法主要用于探測(cè)慢中子的強(qiáng)度，個(gè)別情況下也可用來(lái)測(cè)量快中子能譜。目前應(yīng)用最多的是以下三種核反應(yīng)：

n + ¹⁰B → α + ⁷Li + 2.792MeV σ=3837±9b

n + ⁶Li → α + ³T + 4.786MeV σ=940±4b

n + ³He →p + ³T + 0.765MeV σ=5333±7b

中子與其他原子核反應(yīng)截面一般是幾個(gè)靶恩，由于上述三種反應(yīng)截面都很大，常采用這三種核反應(yīng)來(lái)探測(cè)中子。目前應(yīng)用最廣泛的是¹⁰B（n,α）反應(yīng)，因?yàn)榕?10材料比較容易獲得。氣態(tài)的可選用BF₃氣體，固態(tài)的可選用氧化硼或碳化硼。Li沒(méi)有合適的氣體化合物，使用時(shí)只能采用固體材料；其中基于⁶LiF/ZnS閃爍體和波移光纖結(jié)構(gòu)的大面積位置靈敏型熱中子探測(cè)器已成為近些年的研究熱點(diǎn)。 ³He（n,p）是三個(gè)反應(yīng)中反應(yīng)截面最大的，但是³He在天然同位素中的豐度非常低，大約只有1.4×10^-4%，獲取十分困難，價(jià)格十分昂貴。因此很多實(shí)驗(yàn)組都開(kāi)始研發(fā)新型中子探測(cè)器來(lái)代替基于³He的中子探測(cè)器。

二、核反沖法：入射能量為E的中子和原子核發(fā)生彈性散射時(shí)，中子的運(yùn)動(dòng)方向改變，能量也有所減少，中子減少的能量傳遞給原子核，使原子核以一定速度運(yùn)動(dòng)，這個(gè)原子核就稱(chēng)為“反沖核”。反沖核作為帶電粒子，易于探測(cè)，反沖核探測(cè)信號(hào)與入射中子強(qiáng)度及能量有關(guān)。此方法主要用來(lái)探測(cè)快中子，主要是利用富含氫材料中的質(zhì)子反沖進(jìn)行探測(cè)。

三、核裂變法：中子與重核作用可以發(fā)生裂變，裂變法就是通過(guò)記錄重核裂變碎片來(lái)探測(cè)中子的方法。對(duì)于熱中子、慢中子，總是選用²³⁵U、²³⁹Pu、²³³U做裂變材料。

四、活化法：中子和原子核相互作用時(shí)，輻射俘獲是主要的作用過(guò)程。中子很容易進(jìn)入原子核形成一個(gè)處于激發(fā)態(tài)的復(fù)合核，復(fù)合核通過(guò)發(fā)射一個(gè)或者幾個(gè)光子迅速退激回到基態(tài)。這種俘獲中子放出γ輻射的過(guò)程稱(chēng)為“輻射俘獲”，用（n，γ）表示。通過(guò)測(cè)量γ計(jì)數(shù)，經(jīng)計(jì)算得到中子輻射場(chǎng)強(qiáng)度。

目前中子探測(cè)方法應(yīng)用較多的是中子與³He和BF₃氣體核反應(yīng)方法。但是也具有以下不足，前者由于³He氣體獲取較為困難，因此³He管不僅昂貴，而且目前為國(guó)外產(chǎn)品所壟斷；后者由于采用氣體，密度較低，因而不易做成小尺寸，且探測(cè)效率較低，同時(shí)BF₃是一種有毒物質(zhì)，制作工藝要求特殊，難度加大，對(duì)探測(cè)的安全性構(gòu)成威脅。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供了一種新型中子管和與其配套使用的前置放大器，從而獲得一種成本低、易于制作、抗γ射線(xiàn)干擾以及工作壽命長(zhǎng)、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)的中子管和具有體積小、工作可靠、信號(hào)成形時(shí)間短、信噪比高等優(yōu)點(diǎn)的前置放大器。

中子管技術(shù)方案如下：一種中子管，包括管體1、絕緣環(huán)2、陽(yáng)極絲3、上端蓋4、絕緣端子5、陰極6、陽(yáng)極7、碳化硼涂層8，

管體1為中空的圓柱形管，內(nèi)壁涂有厚度為1μm～6μm的碳化硼涂層8，所述管體1的一端使用絕緣環(huán)2密封，另一端使用上端蓋4密封，并且所述上端蓋4的中心處制有絕緣端子5，陽(yáng)極7位于所述絕緣端子5上并與上端蓋4絕緣，所述上端蓋4的外側(cè)制有陰極6，并且所述陰極6與管體1的外壁及上端蓋4電導(dǎo)通；

陽(yáng)極絲3置于管體1內(nèi)部，其一端固定于所述絕緣環(huán)2，另一端固定于絕緣端子5并與所述陽(yáng)極7焊接電導(dǎo)通；

同時(shí)，密封的管體1的空腔內(nèi)密封有0.1～1個(gè)大氣壓的Ar氣和CH₄氣的混合氣體，其中按照體積比Ar氣為70%～95%。

上述Ar氣和CH₄氣的混合氣體配比和壓力可以達(dá)到電離信號(hào)大及信號(hào)穩(wěn)定的效果。同時(shí)，碳化硼涂層8的厚度為1μm～6μm，以達(dá)到中子反應(yīng)截面和離子透射率效果。中子管尺寸是基于實(shí)際非均勻性中子場(chǎng)中子通量測(cè)量，適合位置靈敏度要求較高、探測(cè)面積不很大的中子場(chǎng)通量測(cè)量，故本技術(shù)方案中的中子管具體尺寸根據(jù)實(shí)際情況確定。

以上優(yōu)選技術(shù)指標(biāo)按對(duì)效果影響的重要性排序如下：涂硼厚度、混合氣體成份及配比和壓力、陽(yáng)極絲直徑、管體內(nèi)徑，以上所述達(dá)到中子探測(cè)效率高、信號(hào)幅度較大、信號(hào)成形時(shí)間短等效果是指以上技術(shù)指標(biāo)的變化對(duì)中子管及信號(hào)探測(cè)性能的影響。

優(yōu)選，所述碳化硼涂層8中硼-10同位素含量大于90%。

優(yōu)選，所述碳化硼涂層8的厚度為2μm。

優(yōu)選，所述碳化硼涂層8使用氧化硼涂層替換。

優(yōu)選，所述陽(yáng)極絲3的直徑為15μm～50μm，以達(dá)到陽(yáng)極絲附近強(qiáng)電場(chǎng)效果。

優(yōu)選，所述管體1的內(nèi)徑為10mm～30mm，以達(dá)到電場(chǎng)強(qiáng)度和平均自由程目的。

適用于本發(fā)明中子管的前置放大器的技術(shù)方案如下：

前置放大器為電荷靈敏放大器，包括電荷放大電路、極零相消電路、基線(xiàn)恢復(fù)電路，原理圖分別參見(jiàn)附圖2、3、4，前置放大器原理總圖參見(jiàn)附圖9。

直流高壓電源經(jīng)保護(hù)電阻R3、R6供到中子管陽(yáng)極絲，交流成分經(jīng)電阻R3、電容C1接地濾掉；中子管陰極接電阻R11后接地。J1為直流高壓輸入，J2為脈沖信號(hào)輸入，J3為低壓直流電源輸入。J3為獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)電源，經(jīng)電容C10、C11、C12、C13、C14和電感L1、L2進(jìn)行直流濾波，濾掉交流成分，為有源器件進(jìn)行直流供電。

由中子管陽(yáng)極絲引出的脈沖信號(hào)經(jīng)隔直電容C6、電阻R9送入電荷放大器。

電荷放大器（見(jiàn)附圖2）的運(yùn)算放大器為AD8065，由直流低壓電源經(jīng)電阻R1、電容C2和電阻R2、電容C3濾波電路供電，同相輸入端經(jīng)電阻R22接地，同相輸入端由穩(wěn)壓管D1和電阻R13穩(wěn)壓，脈沖信號(hào)經(jīng)電阻R12送入反相輸入端；輸出端信號(hào)經(jīng)反饋電路Rf1和Cf1送入反相輸入端，經(jīng)電荷放大器輸出的電壓信號(hào)送入極零相消電路。

電荷放大器的作用是為了將輸入的電荷信號(hào)經(jīng)放大形成電壓信號(hào)輸出，輸出信號(hào)送入極零相消電路。

極零相消電路（見(jiàn)附圖3）由變阻器VR1和電容C8并聯(lián)后經(jīng)電阻R14接地， 其輸入端接電阻R7將信號(hào)送入測(cè)試點(diǎn)TP1，其輸出端接電阻R8將信號(hào)送入測(cè)試點(diǎn)TP2，輸出信號(hào)送入基線(xiàn)恢復(fù)電路。

極零相消電器是為了將脈沖信號(hào)形成的極點(diǎn)進(jìn)行消除，從而縮短信號(hào)成形時(shí)間，并降低信號(hào)堆積。

基線(xiàn)恢復(fù)電路（見(jiàn)附圖4）的運(yùn)算放大器為AD817A，由直流電源經(jīng)電阻R4、電容C4和電阻R5、電容C5濾波后供電，前級(jí)信號(hào)經(jīng)電阻R10送入同相輸入端；由變阻器VR2、電阻R16、R17和R23對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行分壓送入反相輸入端，通過(guò)電阻R15、R21和改變變阻器VR2的電位對(duì)電源分壓，改變變阻器VR2的電位可使調(diào)節(jié)好后的反相輸入端電位抵消同相輸入端的基線(xiàn)漂移，電容C7、C9對(duì)直流電源進(jìn)行交流濾波。輸出端將信號(hào)送入測(cè)試點(diǎn)P1。

基線(xiàn)恢復(fù)電路是為了將電源零點(diǎn)漂移或由電荷累積造成的零點(diǎn)漂移恢復(fù)為對(duì)地零位。

優(yōu)選，JP1、JP2、JP3為附加設(shè)置，其中，R18、R19、R20、R23為分壓保護(hù)電阻，JP3為預(yù)留設(shè)置，拓展增加濾波或者改變時(shí)間常數(shù)；當(dāng)跳線(xiàn)JP1、JP2選擇為3，4時(shí)，工作在電荷靈敏放大器狀態(tài)下；當(dāng)跳線(xiàn)JP1、JP2選擇為1，2時(shí)，工作在電壓靈敏放大器狀態(tài)下。

優(yōu)選，P2、P3、P4、P5為預(yù)留固定孔，通過(guò)電阻R24、R25、R26、R27電阻接地，或者通過(guò)電容接地是為了通過(guò)電磁兼容性實(shí)驗(yàn)。

優(yōu)選，GND1為預(yù)留固定孔，共四個(gè)，分布在線(xiàn)路板四角，以固定線(xiàn)路板，或者將線(xiàn)路板固定于加慢化層的中子管上。

由中子管引出的脈沖信號(hào)經(jīng)前置放大器后形成電壓脈沖信號(hào)輸出，包含了幅度信息和時(shí)間信息。

對(duì)本發(fā)明的中子管與前置放大器測(cè)試表明：信號(hào)幅度約為0.6V，信噪比約為200:1，最大容許計(jì)數(shù)率大于2×10⁶個(gè)/秒，抗γ干擾能力很強(qiáng)。

附圖說(shuō)明

圖1為一種中子管的結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖1所示，1為管體，2為絕緣環(huán)，3為陽(yáng)極絲，4為上端蓋，5為絕緣端子，6為陰極，7為陽(yáng)極，8為碳化硼涂層。

圖2為電荷放大器原理圖；

圖3為極零相消電路原理圖；

圖4為基線(xiàn)恢復(fù)電路原理圖；

圖5為中子管坪曲線(xiàn)圖；

圖6為高壓750V時(shí)測(cè)得的中子信號(hào)圖；

圖7為高壓1600V時(shí)測(cè)得的γ信號(hào)圖；

圖8為中子探測(cè)效率與碳化硼厚度關(guān)系圖；

圖9為前置放大器原理總圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

一種中子管，如圖1所示，包括管體1、絕緣環(huán)2、陽(yáng)極絲3、上端蓋4、絕緣端子5、陰極6、陽(yáng)極7、碳化硼涂層8，

其中，管體1為Φ24mm×200mm的301不銹鋼管，壁厚2mm，并且其內(nèi)壁涂有0.6mg/cm²厚的硼-10同位素含量為95%的碳化硼涂層8，相當(dāng)于厚度為2μm的碳化硼涂層8；

其中，所述管體1的一端使用絕緣環(huán)2密封，另一端使用上端蓋4密封，并且所述上端蓋4的中心處制有絕緣端子5，陽(yáng)極7位于所述絕緣端子5上，所述上端蓋的外側(cè)制有陰極6，并且所述陰極6與管體1的外壁及上端蓋4電導(dǎo)通；陽(yáng)極絲3為鍍金鎢絲，直徑為25μm，所述陽(yáng)極絲3一端固定于所述絕緣環(huán)2，所述陽(yáng)極絲3的另一端固定于絕緣端子5并與所述陽(yáng)極7焊接電導(dǎo)通；

密封的管體1的空腔內(nèi)充入0.3個(gè)大氣壓的Ar氣和CH₄氣的混合氣體，并且Ar氣與CH₄氣的體積比為9:1。

該實(shí)例中用于該中子管的前置放大器為電荷靈敏放大器，包括電荷放大電路、極零相消電路、基線(xiàn)恢復(fù)電路，原理如附圖2、3、4所示，前置放大器原理總圖見(jiàn)附圖9。

直流高壓電源經(jīng)保護(hù)電阻R3、R6供到中子管陽(yáng)極絲，交流成分經(jīng)電阻R3、電容C1接地濾掉；中子管陰極接電阻R11后接地。J1為直流高壓輸入，J2為脈沖信號(hào)輸入，J3為低壓直流電源輸入。J3為獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)電源，經(jīng)電容C10、C11、C12、C13、C14和電感L1、L2進(jìn)行直流濾波，濾掉交流成分，為有源器件進(jìn)行直流供電。

由中子管陽(yáng)極絲引出的脈沖信號(hào)經(jīng)隔直電容C6、電阻R9送入電荷放大器。

電荷放大器（見(jiàn)附圖2）的運(yùn)算放大器為AD8065，由直流低壓電源經(jīng)電阻R1、電容C2和電阻R2、電容C3濾波電路供電，同相輸入端經(jīng)電阻R22接地，同相輸入端由穩(wěn)壓管D1和電阻R13穩(wěn)壓，脈沖信號(hào)經(jīng)電阻R12送入反相輸入端；輸出端信號(hào)經(jīng)反饋電路Rf1和Cf1送入反相輸入端，經(jīng)電荷放大器輸出的電壓信號(hào)送入極零相消電路。

電荷放大器的作用是為了將輸入的電荷信號(hào)經(jīng)放大形成電壓信號(hào)輸出，輸出信號(hào)送入極零相消電路。

極零相消電路（見(jiàn)附圖3）由變阻器VR1和電容C8并聯(lián)后經(jīng)電阻R14接地， 其輸入端接電阻R7將信號(hào)送入測(cè)試點(diǎn)TP1，其輸出端接電阻R8將信號(hào)送入測(cè)試點(diǎn)TP2，輸出信號(hào)送入基線(xiàn)恢復(fù)電路。

極零相消電器是為了將脈沖信號(hào)形成的極點(diǎn)進(jìn)行消除，從而縮短信號(hào)成形時(shí)間，并降低信號(hào)堆積。

基線(xiàn)恢復(fù)電路（見(jiàn)附圖4）的運(yùn)算放大器為AD817A，由直流電源經(jīng)電阻R4、電容C4和電阻R5、電容C5濾波后供電，前級(jí)信號(hào)經(jīng)電阻R10送入同相輸入端；由變阻器VR2、電阻R16、R17和R23對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行分壓送入反相輸入端，通過(guò)電阻R15、R21和改變變阻器VR2的電位對(duì)電源分壓，改變變阻器VR2的電位可使調(diào)節(jié)好后的反相輸入端電位抵消同相輸入端的基線(xiàn)漂移，電容C7、C9對(duì)直流電源進(jìn)行交流濾波。輸出端將信號(hào)送入測(cè)試點(diǎn)P1。

基線(xiàn)恢復(fù)電路是為了將電源零點(diǎn)漂移或由電荷累積造成的零點(diǎn)漂移恢復(fù)為對(duì)地零位。

JP1、JP2、JP3為附加設(shè)置，其中，R18、R19、R20、R23為分壓保護(hù)電阻，JP3為預(yù)留設(shè)置，拓展增加濾波或者改變時(shí)間常數(shù)；當(dāng)跳線(xiàn)JP1、JP2選擇為3，4時(shí)，工作在電荷靈敏放大器狀態(tài)下；當(dāng)跳線(xiàn)JP1、JP2選擇為1，2時(shí)，工作在電壓靈敏放大器狀態(tài)下。

P2、P3、P4、P5為預(yù)留固定孔，通過(guò)電阻R24、R25、R26、R27（0Ω）電阻接地，或者通過(guò)電容接地是為了通過(guò)電磁兼容性實(shí)驗(yàn)。

GND1為預(yù)留固定孔，共四個(gè)，分布在線(xiàn)路板四角，以固定線(xiàn)路板，或者將線(xiàn)路板固定于加慢化層的中子管上。

由中子管引出的脈沖信號(hào)經(jīng)前置放大器后形成電壓脈沖信號(hào)輸出，包含了幅度信息和時(shí)間信息。

碳化硼（¹⁰B同位素豐度大于90%）涂層最佳厚度確定，如圖8所示。

經(jīng)理論計(jì)算得到不同碳化硼厚度時(shí)中子的探測(cè)效率，從附圖8中可以發(fā)現(xiàn)涂層厚度在1～8μm范圍探測(cè)效率有一個(gè)峰值，極大值位于4μm附近；由于現(xiàn)在還沒(méi)有合適的工藝用作純硼電鍍，而是使用其化合物，如氧化硼或碳化硼。本例中采用碳化硼，碳化硼厚度在2～6μm范圍內(nèi)探測(cè)效率較高，但是碳化硼涂層8相對(duì)厚時(shí)，帶電粒子的電離能力由于碰撞能損而有所下降，使得信號(hào)不易分辨出來(lái)。故在考慮次級(jí)帶電粒子能損和探測(cè)效率關(guān)系后，選擇最佳碳化硼涂層8厚度為2μm，相當(dāng)于0.6mg/cm²，由此計(jì)算中子探測(cè)效率約為14%。

氣體放大倍數(shù)實(shí)現(xiàn)。

熱中子穿過(guò)管壁與內(nèi)壁涂層中的硼10反應(yīng)，產(chǎn)生⁷Li和α離子，從涂層中出射的離子與工作氣體發(fā)生碰撞，電離出電子—正離子對(duì)。在電場(chǎng)作用下，電子向陽(yáng)極絲附近漂移，正離子向陰極管壁漂移；電子在陽(yáng)極絲表面幾個(gè)納米附近強(qiáng)電場(chǎng)作用下形成雪崩電離，產(chǎn)生更多的正負(fù)離子對(duì)，從而將初始電離信號(hào)放大。已知陽(yáng)極絲直徑b、管子內(nèi)徑a、氣體壓力P（KPa）、氣體性質(zhì)（ΔV）和所加陰陽(yáng)極電壓V，可以通過(guò)以下公式計(jì)算得到氣體放大倍數(shù)M：

25μm的鍍金鎢絲，中子管內(nèi)徑為20mm，0.3個(gè)大氣壓的Ar氣和CH₄氣的混合氣體，其中Ar氣占90%和CH₄氣體占10%（ΔV=2.28），然后可計(jì)算出氣體放大倍數(shù)M在高壓850V時(shí)為1694；實(shí)際陽(yáng)極絲電壓工作點(diǎn)要由坪曲線(xiàn)測(cè)量后選定，一般選取坪曲線(xiàn)坪斜較小、放大倍數(shù)較穩(wěn)定的電壓區(qū)間中部位置。

電荷放大器的信號(hào)實(shí)現(xiàn)。

計(jì)算得到電荷放大器輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的關(guān)系為，時(shí)間常數(shù)，以Rf1=10KΩ,Cf1=10pf計(jì)算得到轉(zhuǎn)換增益為10伏/皮庫(kù)倫。

極零相消實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)調(diào)節(jié)VR2，使得電荷放大器送來(lái)的信號(hào)下沖消除，通過(guò)極零相消電路網(wǎng)絡(luò)后的輸出信號(hào)為：

，其中

可見(jiàn)，其輸出幅值不變，時(shí)間常數(shù)由，減小時(shí)間常數(shù)只要改變?chǔ)?sub>2即可，上升時(shí)間一般為納秒量級(jí)，故將R14定為100kΩ。

中子管坪曲線(xiàn)測(cè)量。

利用制作的前置放大器在Am-Be中子輻射場(chǎng)中測(cè)量中子管的坪曲線(xiàn)。使用GW1016智能定標(biāo)器對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)測(cè)量，設(shè)置甄別閾為0.2V，計(jì)數(shù)時(shí)間為30s，采集計(jì)數(shù)，得到的坪曲線(xiàn)如附圖5所示，從而確定該探測(cè)器的陽(yáng)極絲工作電壓為750V。

中子管使用時(shí)，將中子管和前置放大器一起置入中子測(cè)量場(chǎng)中，外部實(shí)施屏蔽。將直流高壓緩慢升高至工作點(diǎn)電壓加到中子管，低壓直流電源為前置放大器供電。將輸出脈沖信號(hào)輸入定標(biāo)器進(jìn)行中子計(jì)數(shù)或計(jì)數(shù)率測(cè)量；若將輸出信號(hào)經(jīng)甄別器甄別后送單道脈沖幅度分析器，并連接服務(wù)器，還可進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

中子探測(cè)信號(hào)的測(cè)量。

中子探測(cè)信號(hào)如附圖6所示，探測(cè)的中子信號(hào)幅值大于600mV，上升時(shí)間小于100ns，脈沖時(shí)間小于500ns，跟據(jù)脈沖寬度可以計(jì)算出其最大計(jì)數(shù)率為2×10⁶，信噪比約為200:1。

抗γ干擾能力。

γ信號(hào)測(cè)量如附圖7所示，高壓加到1600V時(shí)測(cè)量到的γ信號(hào)幅度約為100mV,在1200V以下測(cè)不到穩(wěn)定的γ信號(hào)。

因此，將甄別閾設(shè)為200mV就足以將γ信號(hào)甄別掉。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行多種等同變換，這些等同變換均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

另外需要說(shuō)明的是，在上述具體實(shí)施方式中所描述的各個(gè)具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過(guò)任何合適的方式進(jìn)行組合。

為了避免不必要的重復(fù)，本發(fā)明對(duì)各種可能的組合方式不再另行說(shuō)明。