CN102081166A - 中子伽马探测装置及其探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种中子伽马探测装置和探测方法，其具有中子伽马探测器和甄别计数电路，其中所述中子伽马探测器包括钆转换体、第一慢化体、碘化钠探测器、第二慢化体以及光电倍增管。本发明通过将钆转换体与NaI探测器结合使用，充分发挥了钆的热中子反应截面大以及NaI探测器能量分辨较好的特点，将能量测量和计数测量有效地结合起来，从而实现了对中子和伽马射线的同时探测，分别记录，进而使得可以对中子和伽马射线进行高效探测与甄别。

Description

中子伽马探测装置及其探测方法

技术领域

本发明涉及放射性物质监测技术领域，尤其涉及一种可以同时探测中子和伽马射线的中子伽马探测装置及其探测方法。

背景技术

目前，BF₃管、涂硼管以及³He正比计数管是较常见的中子探测器，其被广泛用于中子能谱测量、特殊核材料监测、放射性物质监测等领域。其中，BF₃管虽然是近年来国内外使用最广泛的用于热中子探测的正比管，但是其对环境存在潜在危害，并且BF₃也不是一种很好的正比工作气体，所以BF₃管目前已趋于淘汰。涂硼管是针对BF₃管的缺点而研制的，涂硼管不会对环境造成危害，并且其可以选择更合适的正比工作气体(如Ar+CO₂)，然而涂硼管在长时间计数稳定性以及γ甄别方面相对要差一些。³He正比计数管的优点在于其反应截面很大，在高气压下可以获得很高的探测效率，因此其特别适用于那些要求高探测效率的场合，然而³He正比计数管价格昂贵、密封技术难度大，此外³He气体是一种稀缺的战略资源，其被少数国家的少数企业控制，所以随时有停止供货的可能。

迄今为止，在放射性物质监测技术领域中尚未出现既不会危害环境，又可以取代上述价格昂贵、原材料缺乏的³He正比计数管，并且还能对中子和伽马射线进行高效探测与甄别的中子伽马探测装置。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种新的中子伽马探测器，其既不会危害环境，又能对中子和伽马射线进行高效探测与甄别，此外由于其所采用的原材料钆和NaI在我国较容易获得，所以还具有较大的实际意义。另外，本发明还提供了包括上述中子伽马探测器的中子伽马探测装置及其相应的探测方法。

本发明所提供的中子伽马探测器包括钆转换体、第一慢化体、碘化钠探测器、第二慢化体以及光电倍增管，所述钆转换体沿所述中子伽马探测器的长轴方向设置在两个第一慢化体之间，所述钆转换体及其两侧的所述第一慢化体位于两个碘化钠探测器之间，每个所述碘化钠探测器的一端都连接有相应的光电倍增管，所述第二慢化体设置在由所述钆转换体、所述第一慢化体和所述碘化钠探测器所构成的结构的外围。

优选地，所述钆转换体为金属钆片。

优选地，所述钆转换体的厚度为1-3mm。

优选地，所述钆转换体的厚度为1-2mm。

优选地，所述第一慢化体和/或第二慢化体为聚乙烯。

优选地，所述钆转换体的与所述两个碘化钠探测器分别相对的两个主表面的面积分别与和其相对的碘化钠探测器的相应侧面的面积相同。

优选地，所述碘化钠探测器的形状是长方体。

优选地，在所述碘化钠探测器与所述光电倍增管之间连接有光导。

本发明所提供的中子伽马探测装置包括如上所述的中子伽马探测器以及甄别计数电路，所述甄别计数电路用于对所述光电倍增管输出的信号进行甄别处理，以分别记录中子计数和伽马计数。

优选地，所述甄别计数电路包含低阈甄别器、符合器、或门、高阈甄别器、中子计数器、延时器和多道分析器。

优选地，所述低阈甄别器和所述符合器用于判断所述两个光电倍增管的输出信号是否同时高于预定低阈甄别阈值，如果是，则由中子计数器进行中子计数。

优选地，所述或门和高阈甄别器用于判断所述两个光电倍增管的输出信号是否有一个超过预定高阈甄别阈值，如果是，则由中子计数器进行中子计数。

优选地，所述延时器和多道分析器用于记录普通伽马射线能谱，当所述中子计数器进行中子计数时，该中子计数器将输出反符合信号给所述多道分析器，此时所述多道分析器的反符合门被关闭，其不记录所述光电倍增管的输出信号；反之，当所述中子计数器不进行中子计数时，所述多道分析器的反符合门打开，其将记录被延时的所述光电倍增管的输出信号。

优选地，每个所述光电倍增管的输出端都与相应的低阈甄别器的输入端相连，每个低阈甄别器的输出端均连接到所述符合器的输入端，所述符合器的输出端与所述中子计数器的输入端相连；所述两个光电倍增管的输出端还与所述或门的输入端相连，所述或门的输出端连接到所述高阈甄别器的输入端，所述高阈甄别器的输出端连接到所述中子计数器的输入端，所述中子计数器的输出端与所述多道分析器相连；所述两个光电倍增管的输出端还与所述延时器的输入端相连，所述延时器的两个输出端分别连接到所述多道分析器的两个输入端。

本发明所提供的中子伽马探测方法包括步骤：使射入中子伽马探测器的中子被第二慢化体慢化，变成能量降低的中子；使所述能量降低的中子依次穿过碘化钠探测器和第一慢化体，从而变成热中子；使所述热中子与钆转换体发生热中子俘获反应，放出伽马射线，使所述伽马射线穿过与所述钆转换体相邻的第一慢化体后射入与第一慢化体相邻的碘化钠探测器中产生闪烁光子，所述闪烁光子经碘化钠探测器的表面多次反射后输入到光电倍增管的光阴极，从而产生与所射入的中子相关的电信号；使射入中子伽马探测器的伽马射线穿过第二慢化体射入到与该射入侧第二慢化体相邻的碘化钠探测器中，其中一部分伽马射线在该碘化钠探测器中产生闪烁光子，而另一部分伽马射线将分别穿过该碘化钠探测器、与该碘化钠探测器相邻的第一慢化体、钆转换体以及与该钆转换体相邻的另一第一慢化体，最终射入另一碘化钠探测器中产生闪烁光子，在上述各碘化钠探测器中所产生的闪烁光子经相应的碘化钠探测器的表面多次反射后输入到与各碘化钠探测器分别耦合的光电倍增管的光阴极，从而产生与所射入的伽马射线相关的电信号；对上述与中子相关的电信号和与伽马射线相关的电信号进行甄别处理，以分别记录中子计数和伽马计数。

优选地，所述中子伽马探测方法还包括如下步骤：对所述光电倍增管输出的电信号进行低阈甄别，将所述电信号与预定低阈甄别阈值进行比较，如果两个光电倍增管输出的所述电信号同时高于所述预定低阈甄别阈值，则进行中子计数，否则，进行伽马计数。

优选地，所述中子伽马探测方法还包括如下步骤：对所述光电倍增管输出的电信号进行高阈甄别，将所述电信号与预定高阈甄别阈值进行比较，如果两个光电倍增管输出的所述电信号中有一个超过了所述预定高阈甄别阈值，则进行中子计数，否则，进行伽马计数。

优选地，所述中子伽马探测方法还包括如下步骤：当进行所述中子计数时，使多道分析器的反符合门关闭，其不记录所述光电倍增管输出的所述电信号；反之，当进行所述伽马计数时，使所述多道分析器的反符合门打开，其记录被延时的所述光电倍增管输出的所述电信号。

本发明的中子伽马探测装置适用于任何需要对放射性物质进行监测控制的地点，如海关口岸、核物理实验室、核电站、核废料掩埋场所或贮藏库、医院、武器制造厂等。

附图说明

图1示出了本发明的中子伽马探测装置之中子伽马探测器的正面剖视图；

图2示出了本发明的中子伽马探测装置之甄别计数电路的结构框图。

具体实施方式

碘化钠(NaI)探测器作为一种闪烁体探测器，在几乎所有的核探测领域都发挥着巨大的作用。碘化钠闪烁体具有较高的能量转换效率和较好的能量分辨率，被广泛地用于X射线和γ射线的探测，可制成各种尺寸与形状的单晶或多晶。

钆(Gd)，其原子序数是64，属于镧系元素，也是稀土元素之一，其在我国的产量很大，而且价格比较便宜。钆是一种热中子反应截面很大的元素，是理想的转换体，其可以与热中子发生反应放出高能伽马射线。在中微子测量领域，掺钆的液体闪烁体发挥了重要的作用，然而在国际上目前尚未将钆直接用于热中子的测量。

本发明利用上述碘化钠晶体、钆以及相关的甄别计数电路构造出了一种新的中子伽马探测装置，以取代目前普遍使用的³He正比计数管和伽马探测器的组合，从而降低了放射性物质监测设备的成本。

下面将详细描述本发明的中子伽马探测装置的具体结构。

本发明的中子伽马探测装置包括中子伽马探测器和甄别计数电路。

图1示出了本发明的中子伽马探测器1。该中子伽马探测器1中具有钆转换体11，该钆转换体11是厚度约为1-3mm(优选为1-2mm)的薄片(优选为金属钆片)。将钆转换体11以机械固定或粘接等方式沿所述中子伽马探测器1的长轴方向固定在两片慢化体12、13之间，所述慢化体12、13的材料优选为聚乙烯，厚度优选为约1cm。之所以要设置该慢化体12、13，是为了保证绝大多数由热中子产生的伽马射线能够进入后述的碘化钠探测器中，从而确保后续甄别计数电路的有效性。将钆转换体11和两片慢化体12、13以机械固定或粘接等方式固定于两个碘化钠探测器14、15之间。其中，碘化钠探测器14、15的形状是长方体，如图1所示，钆转换体11的左、右主表面的面积分别与碘化钠探测器14、15的与上述左、右主表面分别相对的侧面的面积相同。在碘化钠探测器14、15的一端分别连接有光导17、18，在光导17、18的另一侧分别连接有光电倍增管PMT1、PMT2。此处需要说明的是，光导17、18对于本发明而言并不是必需的，其作用仅在于将尽量多的光收集到光电倍增管PMT1、PMT2中，而本发明可以在不设置光导的情况下实施，在该情况下，可以将碘化钠探测器14、15分别直接与光电倍增管PMT1、PMT2连接。在钆转换体11、慢化体12、13和碘化钠探测器14、15所组成的核心结构的周围用慢化体16包裹，该慢化体16优选为5-6cm厚的聚乙烯。

之所以要设置两层慢化体(上述慢化体12、13为第一层慢化体、慢化体16为第二层慢化体)，主要是为了兼顾中子慢化效果和钆转换体与碘化钠探测器之间的距离。因为如果仅仅在外层包裹慢化体，以将中子慢化为热中子，则热中子在穿过碘化钠探测器时会有较大的衰减；而如果仅仅在内层包裹慢化体，则虽然可以使热中子直接与钆转换体发生反应，但钆转换体与碘化钠探测器之间的距离将比较远，所以因中子俘获而产生的伽马射线将有很大一部分无法进入碘化钠探测器，这将大大降低探测效率。因此，在综合考虑了上述两个方面之后，本发明设计了上述的两层慢化结构，从而既可以使中子得到有效的慢化并使热中子到达钆转换体，又可以使绝大多数伽马射线进入NaI探测器，这样便一举两得。

上述中子伽马探测器的具体探测方法为：

如果进入中子伽马探测器1的是中子，那么该进入的中子首先被第二层慢化体16慢化，变成能量较低的中子。随后，低能中子穿过碘化钠探测器14和第一层慢化体12，变成热中子；热中子与钆转换体11发生热中子俘获反应，放出能量总计为7.94MeV(兆电子伏)的若干个伽马射线19，这些伽马射线的能量较高，都在1MeV以上。这些伽马射线19穿过慢化体12、13后射入碘化钠探测器14、15中产生闪烁光子，闪烁光子在碘化钠探测器14、15的表面多次反射后经光导17、18输入到光电倍增管PMT1、PMT2的光阴极，从而产生电信号。如果上述伽马射线19全部进入同一个碘化钠探测器，那么该探测器的输出信号将为7.94MeV左右；如果这些伽马射线19分别进入两个碘化钠探测器，那么这两个碘化钠探测器的输出信号将同时大于1Mev。

如果进入中子伽马探测器1的是伽马射线，那么该进入的伽马射线首先穿过第二层慢化体16，随后射入碘化钠探测器14(即为第一碘化钠探测器)中，其中一部分伽马射线(例如但不限于能量较低的伽马射线)在该第一碘化钠探测器14中产生闪烁光子，该闪烁光子经第一碘化钠探测器14的表面多次反射后经光导17输入到光电倍增管PMT1的光阴极，从而产生电信号；而另一部分伽马射线(例如但不限于能量较高的伽马射线)将依序穿过第一碘化钠探测器14、慢化体12、钆转换体11以及慢化体13，最终射入碘化钠探测器15(即为第二碘化钠探测器)中并产生闪烁光子，该闪烁光子经第二碘化钠探测器15的表面多次反射后经光导18输入到光电倍增管PMT2的光阴极，从而产生电信号。对于普通伽马射线来说，各个碘化钠探测器的输出信号通常都小于3MeV，且两个探测器的输出信号几乎不可能同时高于3MeV。

本发明除了提供上述中子伽马探测器之外，还提供了一种对中子伽马探测器的探测数据进行综合处理以有效地区分中子俘获伽马和环境本底伽马的甄别计数电路。

图2示出了本发明的甄别计数电路2。如图2所示，上述中子伽马探测器1的光电倍增管PMT1、PMT2所产生的电信号分别被输入到低阈甄别器23、24中，低阈甄别器23、24用于判断所述电信号是否高于低阈甄别阈值(该低阈甄别阈值可设为3MeV)，如果其高于低阈甄别阈值，则相应的低阈甄别器将输出脉冲信号给符合器25。如果符合器25的两个输入端均接收到脉冲信号，则表明光电倍增管PMT1、PMT2产生的电信号同时高于低阈甄别阈值，这说明光电倍增管PMT1、PMT2本次输出的电信号是由中子产生的，此时符合器25将输出信号给中子计数器26，由中子计数器26进行中子计数；反之，如果符合器25的至少一个输入端没有接收到脉冲信号，则说明光电倍增管PMT1、PMT2本次输出的电信号是由伽马射线产生的，此时符合器25将不会输出信号给中子计数器26，这时中子计数器26将不会进行计数。此外，上述光电倍增管PMT1、PMT2产生的电信号还被输入到或门27中，或门27将从PMT1、PMT2分别产生的电信号中选择具有较高电平的电信号输出给高阈甄别器28，该高阈甄别器28判断该具有较高电平的电信号是否超过了高阈甄别阈值(该高阈甄别阈值可以设为5MeV)，如果其超过了高阈甄别阈值，则说明光电倍增管PMT1、PMT2本次输出的电信号是由中子产生的，此时高阈甄别器28将输出信号给中子计数器26，由中子计数器26进行中子计数；反之，如果其没有超过高阈甄别阈值，则说明光电倍增管PMT1、PMT2本次输出的电信号是由伽马射线产生的，此时高阈甄别器28不会输出信号给中子计数器26，因而中子计数器26将不会进行计数。延时器29和多道分析器(MCA)30用于记录普通伽马射线能谱。当光电倍增管PMT1、PMT2产生的电信号被前述电路判断为由中子产生时，中子计数器26会输出反符合信号给MCA 30，此时MCA30的反符合门被关闭，其将无法记录光电倍增管PMT1、PMT2产生的电信号；而当光电倍增管PMT1、PMT2产生的电信号被前述电路判断为由伽马射线产生时，中子计数器26将不会输出反符合信号给MCA30，此时MCA30的反符合门被打开，MCA30可以记录被延时器29适当延时的光电倍增管PMT1、PMT2所产生的电信号。

如上所述，本发明的甄别计数电路通过对中子伽马探测器1的两个光电倍增管PMT1、PMT2所输出的电信号进行上述处理，从而利用中子计数器26和多道分析器(MCA)30来实现中子计数和伽马计数的分别记录。

在此需要强调的是，本发明的中子伽马探测器1并不仅限于与上述特定的甄别计数电路2配合使用，其还可以与其他适合的甄别计数电路(例如现有的甄别计数电路)配合使用，只要该甄别计数电路能够产生与本发明所提供的上述甄别计数电路2相同的技术效果即可。

本发明通过将钆转换体与NaI探测器结合使用，充分发挥了钆的热中子反应截面大以及NaI探测器能量分辨较好的特点，将能量测量和计数测量有效地结合起来，从而实现了对中子和伽马射线的同时探测，分别记录，进而使得可以对中子和伽马射线进行高效探测与甄别。同现有技术相比，本发明具有设计合理、适用范围广、探测灵敏度高等优点。此外更重要的是，与现有的³He正比计数管相比，本发明所涉及的各种原材料(例如钆、NaI)的获得不受任何限制，可以满足大批量生产的需要。

虽然已经结合特定实施例详细地描述了本发明，但是应该理解的是，前述实施例仅仅是作为示例，而并不是为了限制本发明。本领域技术人员根据其已有的专业知识可以容易地想象到这些实施例的其他的变形和修改，其可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明做出这些变形和修改，以获得本发明的部分或所有优点。

Claims (15)

1.一种中子伽马探测器(1)，其包括钆转换体(11)、第一慢化体(12、13)、碘化钠探测器(14、15)、第二慢化体(16)以及光电倍增管(PMT1、PMT2)，其特征在于，所述钆转换体(11)沿所述中子伽马探测器(1)的长轴方向设置在两个第一慢化体(12、13)之间，所述钆转换体(11)及其两侧的所述第一慢化体(12、13)位于两个碘化钠探测器(14、15)之间，每个所述碘化钠探测器(14、15)的一端都连接有相应的光电倍增管(PMT1、PMT2)，所述第二慢化体(16)设置在由所述钆转换体(11)、所述第一慢化体(12、13)和所述碘化钠探测器(14、15)所构成的结构的外围。

2.如权利要求1所述的中子伽马探测器(1)，其特征在于，所述钆转换体(11)为金属钆片。

3.如权利要求1或2所述的中子伽马探测器(1)，其特征在于，所述钆转换体(11)的厚度为1-2mm。

4.如权利要求1或2所述的中子伽马探测器(1)，其特征在于，所述钆转换体(11)的与所述两个碘化钠探测器(14、15)分别相对的两个主表面的面积分别与和其相对的碘化钠探测器的相应侧面的面积相同。

5.如权利要求1-4之任一项所述的中子伽马探测器(1)，其特征在于，在所述碘化钠探测器(14、15)与所述光电倍增管(PMT1、PMT2)之间连接有光导(17、18)。

6.一种中子伽马探测装置，其包括如权利要求1-5中任一项所述的中子伽马探测器(1)以及甄别计数电路(2)，所述甄别计数电路(2)用于对所述光电倍增管(PMT1、PMT2)输出的信号进行甄别处理，以分别记录中子计数和伽马计数。

7.如权利要求6所述的中子伽马探测装置，其特征在于，所述甄别计数电路(2)包含低阈甄别器(23、24)、符合器(25)、或门(27)、高阈甄别器(28)、中子计数器(26)、延时器(29)和多道分析器(30)。

8.如权利要求7所述的中子伽马探测装置，其特征在于，所述低阈甄别器(23、24)和所述符合器(25)用于判断所述两个光电倍增管(PMT1、PMT2)的输出信号是否同时高于预定低阈甄别阈值，如果是，则由中子计数器(26)进行中子计数。

9.如权利要求7或8所述的中子伽马探测装置，其特征在于，所述或门(27)和高阈甄别器(28)用于判断所述两个光电倍增管(PMT1、PMT2)的输出信号中是否其中之一超过预定高阈甄别阈值，如果是，则由中子计数器(26)进行中子计数。

10.如权利要求8或9所述的中子伽马探测装置，其特征在于，所述延时器(29)和多道分析器(30)用于记录伽马射线能谱，当所述中子计数器(26)进行中子计数时，该中子计数器(26)将输出反符合信号给所述多道分析器(30)，此时所述多道分析器(30)的反符合门被关闭，其不记录所述光电倍增管(PMT1、PMT2)的输出信号；反之，当所述中子计数器(26)不进行中子计数时，所述多道分析器(30)的反符合门打开，其将记录被延时的所述光电倍增管(PMT1、PMT2)的输出信号。

11.如权利要求7-10之一所述的中子伽马探测装置，其特征在于，每个所述光电倍增管的输出端(PMT1、PMT2)都与相应的低阈甄别器(23、24)的输入端相连，每个低阈甄别器(23、24)的输出端均连接到所述符合器(25)的输入端，所述符合器(25)的输出端与所述中子计数器(26)的输入端相连；所述两个光电倍增管(PMT1、PMT2)的输出端还与所述或门(27)的输入端相连，所述或门(27)的输出端连接到所述高阈甄别器(28)的输入端，所述高阈甄别器(28)的输出端连接到所述中子计数器(26)的输入端，所述中子计数器(26)的输出端与所述多道分析器(30)相连；所述两个光电倍增管(PMT1、PMT2)的输出端还与所述延时器(29)的输入端相连，所述延时器(29)的两个输出端分别连接到所述多道分析器(30)的两个输入端。

12.一种中子伽马探测方法，该方法包括如下步骤：

使射入中子伽马探测器的中子被第二慢化体慢化，变成能量降低的中子；使所述能量降低的中子依次穿过碘化钠探测器和第一慢化体，从而变成热中子；使所述热中子与钆转换体发生热中子俘获反应，放出伽马射线，使所述伽马射线穿过与所述钆转换体相邻的第一慢化体后射入与第一慢化体相邻的碘化钠探测器中产生闪烁光子，所述闪烁光子经碘化钠探测器的表面多次反射后输入到光电倍增管的光阴极，从而产生与所射入的中子相关的电信号；

使射入中子伽马探测器的伽马射线穿过第二慢化体射入到与该射入侧第二慢化体相邻的碘化钠探测器中，其中一部分伽马射线在该碘化钠探测器中产生闪烁光子，而另一部分伽马射线将分别穿过该碘化钠探测器、与该碘化钠探测器相邻的第一慢化体、钆转换体以及与该钆转换体相邻的另一第一慢化体，最终射入另一碘化钠探测器中产生闪烁光子，在上述各碘化钠探测器中所产生的闪烁光子经相应的碘化钠探测器的表面多次反射后输入到与各碘化钠探测器分别耦合的光电倍增管的光阴极，从而产生与所射入的伽马射线相关的电信号；

对上述与中子相关的电信号和与伽马射线相关的电信号进行甄别处理，以分别记录中子计数和伽马计数。

13.如权利要求12所述的中子伽马探测方法，该方法进一步包括如下步骤：对所述光电倍增管输出的电信号进行低阈甄别，将所述电信号与预定低阈甄别阈值进行比较，如果两个所述光电倍增管输出的所述电信号同时高于所述预定低阈甄别阈值，则进行中子计数，否则，进行伽马计数。

14.如权利要求12或13所述的中子伽马探测方法，该方法进一步包括如下步骤：对所述光电倍增管输出的电信号进行高阈甄别，将所述电信号与预定高阈甄别阈值进行比较，如果两个所述光电倍增管输出的所述电信号中有一个超过了所述预定高阈甄别阈值，则进行中子计数，否则，进行伽马计数。

15.如权利要求13或14所述的中子伽马探测方法，该方法进一步包括如下步骤：当进行所述中子计数时，多道分析器的反符合门关闭，其不记录所述光电倍增管输出的所述电信号；反之，当进行所述伽马计数时，使所述多道分析器的反符合门打开，其记录被延时的所述光电倍增管输出的所述电信号。

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