CN101556331A - 一种光纤耦合有机闪烁纤维脉冲中子探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤耦合有机闪烁纤维脉冲中子探测器，包括探头和光电转换器，探头包括金属外壳以及位于外壳中心位置的辐射灵敏单元，外壳上沿束流入射方向设置有探头入射窗和探头出射窗，它还包括用于连接探头和光电转换器的传光束；辐射灵敏单元为单层平行排列的有机闪烁纤维构成的有机闪烁纤维线阵，有机闪烁纤维线阵垂直于束流入射方向放置且固定于金属外壳的内侧壁上；传光束由多根集束成缆的石英光纤构成，石英光纤与有机闪烁纤维一对一耦合；传光束尾端出光面对准光电转换器的入射窗。解决了现有脉冲中子探测器无法同时满足快时间响应、高n/γ灵敏度比值、强抗电磁干扰能力以及低低屏蔽要求的技术问题。具有高n/γ灵敏度比值以及强抗伽马干扰的能力。

Description

一种光纤耦合有机闪烁纤维脉冲中子探测器

技术领域

本发明涉及辐射探测装置，具体涉及一种适于脉冲中子时间谱(裂变、聚变)测量以及绝对强度测量的探测器。

背景技术

脉冲中子辐射场是由脉冲中子、γ及电磁脉冲等组成的混合辐射场，具有强度大、动态范围宽、时间快等特点，脉冲中子时间谱测量除要求探测器满足脉冲探测的基本要求外存在以下几方面的突出难点：

1、空间距离限制，由于中子能量有一定的分布，不同能量中子到达测点位置的时间存在一定的弥散，与距离成正比，因此对脉冲中子时间谱测量需要在距源较近的位置进行，需要快时间相应；

2、γ干扰，探测器对中子响应的同时对γ也有响应，这会给中子信号探测带来一定的干扰，常用飞行时间法可以将中子、γ射线在时间上分离，避免γ对中子脉冲信号的影响，但当探测器离源较近、脉冲宽度较宽的时，飞行时间法无法使用。抑制γ干扰的一个有效途径是设计具有本征高n/γ(灵敏度比值)能力的中子探测器，通过设计探测器中子灵敏度高于伽马的灵敏度，使探测器工作输出的信号电流主要来自探测器对中子的响应，伽马贡献只占很小的比例；

3、散射本底，由于中子、伽马具有较强的穿透能力，难以屏蔽吸收，而中子时间谱要求在离源很近的位置进行探测，在有限的空间内很难进行理想的准直和屏蔽。

闪烁探测器是辐射探测领域较为常见的一类探测器，其可工作在电流模式，通过配备不同增益光电转换器可实现灵敏度调节跨8个量级，比较适合脉冲辐射场探测，但普通的闪烁探测器并不适合脉冲中子测量，因为其对伽马的响应灵敏度强于对中子的响应。

闪烁薄膜中子探测器、有机闪烁纤维阵列中子探测器是用于脉冲中子测量的闪烁型探测器，其通过结构设计使探测器具有了抑制伽马干扰的能力，但由于光电转换器被安置在闪烁体附近收集闪烁体发光，为降低光电转换器对散射中子、伽马响应带来的干扰，实验中需要进行严格的准直和屏蔽，而中子时间谱测量要求在近测点位置测量，距离的限制使准直和屏蔽难以达到要求，此类探测器难以满足时间谱测量要求。

通过以上叙述可知，研制具有强抗电磁干扰能力、高n/γ灵敏度比值、低屏蔽要求、快时间响应的电流型中子探测器是实现脉冲中子时间谱测量的重要内容。

发明内容

本发明的目的是提供一种光纤耦合有机闪烁纤维脉冲中子探测器，其解决了现有脉冲中子探测器无法同时满足快时间响应、高n/γ灵敏度比值、强抗电磁干扰能力以及低低屏蔽要求的技术问题。

本发明的技术解决方案为：

一种光纤耦合有机闪烁纤维脉冲中子探测器，包括探头1和光电转换器3，所述探头1包括金属外壳4以及位于外壳4中心位置的辐射灵敏单元，所述外壳4上沿束流入射方向设置有探头入射窗7和探头出射窗8，其特征在于：所述脉冲中子探测器还包括用于连接探头1和光电转换器3的传光束2；所述辐射灵敏单元为单层平行排列的有机闪烁纤维5构成的有机闪烁纤维线阵11，所述有机闪烁纤维线阵11垂直于束流入射方向放置且固定于金属外壳4的内侧壁上；所述传光束2由多根集束成缆的石英光纤6构成，所述石英光纤6与有机闪烁纤维5一对一耦合；所述传光束2尾端出光面对准光电转换器3的入射窗。

上述外壳4还包括设置在探头入射窗7后侧的前清扫磁铁12以及设置在探头出射窗8前部的后清扫磁铁13。

上述石英光纤6与有机闪烁纤维5通过毛细管9套接耦合。

上述传光束2尾端出光面呈蜂窝状，其与光电转换器3入射窗直接对接，且与光电转换器3入射窗的间距为1～5cm。

上述传光束2尾端出光面与光电转换器3入射窗之间设置有衰减片。

上述入射窗7及出射窗8均为厚度小于2mm的铝片。

上述有机闪烁纤维5为纤芯加包层结构，其直径小于1mm；所述石英光纤6与有机闪烁纤维5直径相同；所述石英光纤6为一种耐辐照多模光纤；所述石英光纤6长度小于10m，带宽大于1GHz。

上述光电转换器3外部设置有屏蔽腔14。

上述光电转换器3为快响应的光电管或光电倍增管。

上述传光束2外部套有不锈钢波纹管10。

本发明的优点是：

1、本发明采用直径较细的有机闪烁纤维单层平行排列成的有机闪烁纤维线阵作为中子探测辐射转换材料(辐射灵敏单元)，利用有机闪烁纤维对侧面垂直入射中子灵敏度响应强于伽马灵敏度的特性，使探测器具有高n/γ灵敏度比值(中子/伽马灵敏度比值)，因而具有抗伽马干扰的能力。

2、本发明将多根有机闪烁纤维平行排列形成一个平面(单层)组成辐射探测灵敏单元，在不降低n/γ灵敏度比值的前提下提高了探测器的探测效率。

3、本发明将石英光纤与有机闪烁纤维采取毛细管套接的方式直接耦合，在不影响有机闪烁纤维正常工作的前提下保证了耦合效率和接头强度。

4、本发明在光纤束与光电转换器耦合端采用发散的独特设计，使光纤束出射光能基本均匀的照射到光电转换器阴极上，有效避免了光电转换器的局部饱和。

5、本发明在结构设计上采取了将闪烁体与光电转换器分离，由光纤束收集并传输闪烁体发光的设计，使探头可以灵活安置在离源很近的位置，无需很强的屏蔽；而光电转换器放置在其它容易屏蔽的屏蔽腔内，其间由辐射相对不灵敏的光纤束导光，准直和屏蔽困难大为降低，解决了光电转换器直照干扰问题。

6、本发明探测器工作在电流模式，具有纳秒级时间响应、较强的抗干扰能力、较低的屏蔽要求。本发明可采用多套该探测器配备不同增益的光电转换器，中子灵敏度在10^-21～10^-13C·cm²间8个量级可调，很好地满足了脉冲中子时间谱测量的需求。本发明如果使用快响应的有机闪烁纤维、快响应光电转换器及高带宽传光束，探测器响应可达亚纳秒量级。

附图说明

图1为中子和伽马分别与有机闪烁纤维作用沉积能量过程示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明石英光纤与有机闪烁纤维套接耦合示意图；

图4为本发明探头封装示意图；

图5为本发明光纤束尾端出光面的发散结构示意图；

附图标记如下：1-探头，2-传光束，3-光电转换器，4-外壳，5-有机闪烁纤维，6-石英光纤，7-探头入射窗，8-探头出射窗，9-毛细管，10-固定法兰，11-有机闪烁纤维线阵，12-前清扫磁铁，13-后清扫磁铁，14-屏蔽腔，15-光纤涂覆层。

具体实施方式

有机闪烁纤维对侧面入射的中子、伽马响应示意图如图1所示，有机闪烁纤维对中子、伽马的响应机理不同。在MeV级的中子能区，闪烁体对中子的响应主要来自对中子与氢核作用产生的反冲质子的响应，对伽马的响应是通过伽马与物质发生光电效应、康普顿效应和电子对效应产生的次级电子的响应，在MeV级能量范围康普顿效应占主导。对于直径较细的有机闪烁纤维，反冲质子在纤维内沉积大部分能量，而次级电子由于穿出纤维表面在纤维内部沉积较少的能量，根据理论模拟得到有机闪烁纤维的中子灵敏度大于伽马灵敏度，并且发现纤维越细n/γ灵敏度比值越大，可用于脉冲中子探测。

本发明光纤耦合有机闪烁纤维脉冲中子探测器的结构参见图2和图4，包括探头1、光电转换器3以及用于连接探头1和光电转换器3的传光束2，探头1包括金属外壳4以及位于外壳4中心位置的辐射灵敏单元，金属外壳4用于保护探测灵敏单元、避光处理和电磁屏蔽；外壳4上沿束流入射方向设置有探头入射窗7和探头出射窗8，束流经探头入射窗照射到有机闪烁纤维上，为降低窗材料对束流的散射，探头入射窗7及探头出射窗8均采用厚度小于2mm的铝片制成；为了消除通道内部次级电子打到有机闪烁纤维上对探测造成影响，在探头入射窗7后侧设计有前清扫磁铁12，在探头出射窗8前部设计有后清扫磁铁13，分别由对称放置的两块强磁性永磁铁组成；辐射灵敏单元为直径小于1毫米的有机闪烁纤维5单层平行密排构成的有机闪烁纤维线阵11，有机闪烁纤维5具有光纤典型的纤芯加包层结构，直径最好小于0.5毫米；有机闪烁纤维线阵11垂直于束流入射方向放置且固定于金属外壳4的内侧壁上；传光束2由多根集束成缆的耐辐照的石英光纤6构成，传光束2长度小于10米，带宽大于1GHz，其主要功能是收集并传输有机闪烁纤维5的发光；为保护光纤不受损坏，传光束2外部套有不锈钢波纹管加以保护；石英光纤6与有机闪烁纤维5直径相同，石英光纤6与有机闪烁纤维5通过毛细管9一对一套接耦合；参见图5，为避免光纤束出射光局部照射光电转换器阴极，进而影响最大线性电流，传光束2尾端出光面呈蜂窝状的发散结构，且与光电转换器3的入射窗直接对接，同时光纤束尾端端面与光电转换器入射窗之间应有1～5cm的间距，位置固定；另外，可在传光束2尾端出光面与光电转换器3入射窗之间设置衰减片，通过控制光收集效率调节探测器灵敏度。由于应用中还需要考虑避光和电磁屏蔽，所以光电转换器3也被封装在屏蔽腔14内，其间填充有绝缘物质。光电转换器3具体可采用光电管或光电倍增管，其将光信号转变为电信号并放大输出。

有机闪烁纤维5平行排列在同一平面上，并适当涂胶加以固定。由于接头部分的毛细管9直径较有机闪烁纤维略粗，有机闪烁纤维5平行排列时在毛细管接头附近采取上下两层的松散排列，不涂胶，采用两片金属片上下紧压固定，毛细管9之后的石英光纤6逐步集中成一束后，套入波纹管，端头附近采用套管接头固定。在探头灵敏单元与传光束2连接部分设计了金属固定法兰10，用来固定有机闪烁纤维线阵11的位置，以及与传光束的金属波纹管连接。

图3为石英光纤6与有机闪烁纤维5连接示意图。为保证连接质量和接头强度，同时尽可能避免对有机闪烁纤维5的影响，采取了毛细管9套接的光纤接续方式。在接续过程中，所有端面均先进行了抛光处理，石英光纤6端头附近的光纤涂敷层15被剥除。将有机闪烁纤维5与石英光纤6分别从毛细管9两端插入毛细管9内对接，石英光纤6的端头还可涂些许的光学耦合剂以增强耦合质量。在有机闪烁纤维5的一端打入一束参考光，在石英光纤6尾端放置光功率计测量参考光经过有机闪烁纤维5、接头和石英光纤6后的光强，调节有机闪烁纤维与光纤在毛细管内的相对位置以使光功率计读数最大，表示光在接头部分的衰减最小，光纤耦合质量最好，此时在毛细管9两端涂上快速凝固胶固定有机闪烁纤维5、石英光纤6和毛细管9的相对位置。

本发明工作原理为：束流由探头入射窗入射照射到有机闪烁纤维上，有机闪烁纤维受辐照后发射荧光，一部分光由于全反射被约束在光纤内向两端传播，当荧光经光纤传输至光电转换器后，由光电转换器将光转换成电信号输出，实现辐射探测。

Claims (10)

1、一种光纤耦合有机闪烁纤维脉冲中子探测器，包括探头(1)和光电转换器(3)，所述探头(1)包括金属外壳(4)以及位于外壳(4)中心位置的辐射灵敏单元，所述外壳(4)上沿束流入射方向设置有探头入射窗(7)和探头出射窗(8)，其特征在于：所述脉冲中子探测器还包括用于连接探头(1)和光电转换器(3)的传光束(2)；所述辐射灵敏单元为单层平行排列的有机闪烁纤维(5)构成的有机闪烁纤维线阵(11)，所述有机闪烁纤维线阵(11)垂直于束流入射方向放置且固定于金属外壳(4)的内侧壁上；所述传光束(2)由多根集束成缆的石英光纤(6)构成，所述石英光纤(6)与有机闪烁纤维(5)一对一耦合；所述传光束(2)尾端出光面对准光电转换器(3)的入射窗。

2、根据权利要求1所述的光纤耦合有机闪烁纤维脉冲中子探测器，其特征在于：所述外壳(4)还包括设置在探头入射窗(7)后侧的前清扫磁铁(12)以及设置在探头出射窗(8)前部的后清扫磁铁(13)。

3、根据权利要求1或2所述的光纤耦合有机闪烁纤维脉冲中子探测器，其特征在于：所述石英光纤(6)与有机闪烁纤维(5)通过毛细管(9)套接耦合。

4、根据权利要求3所述的光纤耦合有机闪烁纤维脉冲中子探测器，其特征在于：所述传光束(2)尾端出光面呈蜂窝状，其与光电转换器(3)入射窗直接对接，且与光电转换器(3)入射窗的间距为1～5cm。

5、根据权利要求4所述的光纤耦合有机闪烁纤维脉冲中子探测器，其特征在于：所述传光束(2)尾端出光面与光电转换器(3)入射窗之间设置有衰减片。

6、根据权利要求4所述的光纤耦合有机闪烁纤维脉冲中子探测器，其特征在于：所述入射窗(7)及出射窗(8)均为厚度小于2mm的铝片。

7、根据权利要求6所述的光纤耦合有机闪烁纤维脉冲中子探测器，其特征在于：所述有机闪烁纤维(5)为纤芯加包层结构，其直径小于1mm；所述石英光纤(6)与有机闪烁纤维(5)直径相同；所述石英光纤(6)为一种耐辐照多模光纤；所述石英光纤(6)长度小于10m，带宽大于1GHz。

8、根据权利要求7所述的光纤耦合有机闪烁纤维脉冲中子探测器，其特征在于：所述光电转换器(3)外部设置有屏蔽腔(14)。

9、根据权利要求8所述的光纤耦合有机闪烁纤维脉冲中子探测器，其特征在于：所述光电转换器(3)为快响应的光电管或光电倍增管。

10、根据权利要求9所述的光纤耦合有机闪烁纤维脉冲中子探测器，其特征在于：所述传光束(2)外部套有不锈钢波纹管(10)。

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