CN102498416A

CN102498416A - 用于利用中子吸收热量测定伽马检测器的中子检测的装置和方法

Info

Publication number: CN102498416A
Application number: CN2009801616499A
Authority: CN
Inventors: G.保施; C.M.赫尔巴赫; J.施泰因
Original assignee: Flir Radiation GmbH
Current assignee: Flir Radiation GmbH
Priority date: 2009-07-27
Filing date: 2009-07-27
Publication date: 2012-06-13
Also published as: RU2501040C2; CA2771904A1; IL217805A0; WO2011012155A1; JP2013500481A; US20120074326A1; RU2012107149A

Abstract

本发明涉及一种用于检测中子辐射、优选为热中子的装置，该装置包括伽马射线闪烁体，所述闪烁体包括针对5MeV能量的伽马射线具有小于10cm、优选小于5cm的衰减长度L_g的无机材料，以便针对伽马射线闪烁体内的高能伽马射线提供高伽马射线停止能力，伽马射线闪烁体还包括具有中子俘获横截面与浓度的乘积的部件，该乘积造成针对热中子的吸收长度L_n，该吸收长度L_n大于0,5cm、但是小于所述闪烁体中的针对5MeV伽马的衰减长度L_g的五倍、优选地小于衰减长度L_g的两倍，伽马射线闪烁体的中子吸收部件主要经由伽马辐射来释放在中子俘获之后在受激核中部署的能量，伽马射线闪烁体具有为L_g的至少50%、优选为至少L_g的直径或者边缘长度以便吸收在闪烁体中的中子俘获之后释放的伽马射线能量的主要部分，该装置还包括光学耦合到伽马射线闪烁体以便检测伽马射线闪烁体中的光量的光检测器，该装置还包括耦合到光检测器的评估设备，所述设备能够确定光检测器针对一个闪烁事件检测到的光量，该量有与通过伽马射线闪烁体中的伽马辐射而部署的能量的已知关系，其中评估设备被配置成当测量的总伽马能量E_sum在2,614MeV以上时将检测到的辐射分类为中子。

Description

用于利用中子吸收热量测定伽马检测器的中子检测的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于将伽马射线闪烁体（scintillator）用于间接检测来检测中子辐射（优选为热（慢）中子）的装置。

背景技术

尽管有可用于中子检测的广泛多种方法和设备，在需要以最低成本具有最高效率的中子计数的多数应用中仍然以常见³He管为主。然而预计³He短缺，使得需要替代物。

在现有技术中已知这样的替代检测器。Knoll的Radiation Detection and Measurement 、2000年第3版第506页陈述了用来检测中子的所有常见反应是具有带电粒子发射的反应。更具体而言，用于检测的可能反应产物是反冲核（主要为质子）、氚核、阿尔法粒子和裂变碎片（fission fragment）。然而在中子俘获反应之后的伽马射线使用于一些专用检测器中，但是这些应用相对罕见。

已经在Grodzins的US 7 525 101 B2中公开一种使用伽马射线闪烁体的检测器。Grodzins公开一种包括夹在两个光导之间的中子闪烁体的检测器，该中子闪烁体对于传入光学光子而言是不透明的，光导之一也作为伽马射线闪烁体。这一检测器也一般地利用在中子俘获之后的重型带电粒子发射。Grodzins确实提到⁶Li、¹⁰B、¹¹³Cd或者¹⁵⁷Gd作为中子俘获材料。那些材料与ZnS闪烁成分组合使用，其中带电粒子失去能量，从而使ZnS材料闪烁而每kV能量损耗发射约50个光学光子，因此在每次中子俘获之后产生数十万的光学光量子。

因而，Grodzins公开的检测器向中子闪烁体片的两侧发射光量子。检测器本身然后测量光检测在中子闪烁体片的两侧上的重合（coincidence）。这样的重合测量被视为用于中子闪烁片中的中子俘获的标志。这一检测器区分伽马辐射，因为伽马量子将仅在与另一光导在光学上分离的伽马闪烁体中停止。

除了复杂的设置之外，Grodzins公开具有如下劣势：它不能区分中子事件与宇宙背景辐射以及其他如下高能带电粒子辐射，该高能带电粒子辐射可能引起中子吸收体材料内的闪烁或者光导中的契伦科夫（Cerenkov）光，之后也引起向两个光导中的光发射。

Grodzins公开的另一劣势是在使用¹¹³Cd或者¹⁵⁷Gd作为中子俘获材料的情况下的无法令人满意的中子-伽马区分。在这一情况下，检测器也对外部伽马敏感。通过检测中子闪烁体中的外部伽马辐射而生成的脉冲不能区别于归因于中子俘获反应产生的伽马的脉冲。

Reeder在Physics Research A 340 (1994) 371中的Nuclear Instruments and Methods提出一种由硅酸钆（GSO）制成的中子检测器，该中子检测器由与GSO重合作为全伽马吸收分光计来操作的塑料闪烁体包围。由于通过针对高能伽马射线的大衰变长度来区别塑料闪烁体，所以提出的全吸收分光计将相当无效率或者将需要大量塑料闪烁体。又一劣势在于当用合理数目的光电检测器从塑料材料收集光时有困难。此外，大塑料层不仅缓和而且也吸收中子通量的一部分，因此减少中子检测器效率。又一劣势在于不能消除由于伽马射线从中子检测器中的外部源的康普顿散射、继而为散射的伽马与伽马检测器的互作用的背景。

Bell在US 6 011 266中公开另一种利用伽马射线闪烁体的中子检测器。Bell使用由对中子敏感的材料（优选包括硼）包围的伽马射线闪烁体。中子俘获反应造成对中子敏感的材料裂变成阿尔法粒子和⁷Li离子，其中锂离子的第一受激态经由在478 keV发射闪烁检测器然后检测到的单个伽马射线来衰变。同时，在Bell中公开的检测器对入射辐射场产生的伽马射线敏感，因为对中子敏感的材料未充当针对伽马射线的屏蔽。

这样的检测器的劣势之一在于在⁷Li的第一受激态衰变之后的单个伽马射线落在其中存在许多其他伽马射线的能量区域内。因此有必要非常准确地测量这一单个衰变以便实现至少合理的结果，因此大量增加技术复杂性和有关成本。另外，利用如Bell公开的检测器即使并非不可能也难以区分带电粒子辐射（例如宇宙起源的带电粒子辐射）。

概括而言，如果同时考虑决定性参数（比如每体积的中子检测效率、每成本的中子检测效率、伽马抑制因子、检测器材料的简单性和坚固性以及可用性），则已知的中子检测器概念无一可与³He管竞争。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服现有技术的劣势并且提供一种具有简单设置并且中子检测高度保密的高效中子检测器。

这一问题由一种用于检测中子辐射（优选为热中子）的装置解决，该装置至少包括伽马射线闪烁体，所述闪烁体包括针对5 MeV能量的伽马射线具有小于10cm、优选小于5cm的衰减长度L_g的无机材料，以便针对伽马射线闪烁体内的高能伽马射线提供高伽马射线停止能力，伽马射线闪烁体还包括具有中子俘获横截面与浓度的乘积的部件，该乘积造成针对热中子的吸收长度L_n，该吸收长度L_n大于0,5cm、但是小于所述闪烁体中针对5 MeV伽马的衰减长度L_g的五倍、优选地小于比衰减长度L_g的两倍，伽马射线闪烁体的中子吸收部件主要经由伽马辐射来释放在中子俘获之后在受激核（nuclei）中部署的能量，伽马射线闪烁体具有为L_g的至少50%、优选为至少L_g的直径或者边缘长度，以便吸收在闪烁体中的中子俘获之后释放的伽马射线能量的主要部分。该装置还包括光学耦合到伽马射线闪烁体以便检测伽马射线闪烁体中的光量的光检测器和耦合到光检测器的评估设备，所述设备能够确定光检测器针对一个闪烁事件检测到的光量，该量有与通过伽马射线闪烁体中的伽马辐射而部署的能量的已知关系。评估设备被配置成当测量的总伽马能量E_sum在2,614 MeV以上时将检测到的辐射分类为中子。

上文提到的术语直径和边缘长度是指伽马射线闪烁体的大小。在它是圆柱形闪烁体的情况下，术语直径或者边缘长度是指圆柱体的直径或者高度——边缘长度——中的任一较小者。

优选地，评估设备被配置成当测量的总伽马能量还在预定阈值以下、优选地在10 MeV以下时将检测到的辐射分类为中子。

根据一个优选实施例，伽马射线闪烁体包括元素氯（Cl）、锰（Mn）、钴（Co）、硒（Se）、溴（Br）、碘（I）、铯（Cs）、镨（Pr）、镧（La）、钬（Ho）、镱（Y）、镥（Lu）、铪（Hf）、钽（Ta）、钨（W）或者汞（Hg）中的至少一种元素作为成分。最优选地，伽马射线闪烁体选自于以下组：钨酸铅（PWO）、碘化钠（NaI）、碘化铯（CsI）或者溴化镧（LaBr₃）。

根据另一实施例，伽马射线闪烁体包括元素镉（Cd）、钐（Sm）、镝（Dy）、铕（Eu）、钆（Gd）、铱（Ir）、铟（In）或者汞（Hg）中的至少一种元素作为活化剂或者掺杂剂。例如，伽马射线闪烁体可以选自于以下组：铕掺杂的碘化锶（SI₂）或者氟化钙（CaF₂）。

根据本发明的另一实施例，伽马射线闪烁体分成至少三个单独部分，这些部分中的每个部分耦合到光检测器，使得可以区别来自不同部分的信号，其中评估设备被配置成在至少两个不同部分已经检测到由于在伽马射线闪烁体的中子吸收部件中的中子俘获之后由于伽马互作用的信号时将检测到的辐射分类为中子。允许区别来自伽马射线闪烁体的不同部分的信号的光检测器可以是多阳极光电倍增器管。

将理解如在前段中描述的伽马射线闪烁体的部分可以形成单个检测器的若干或多或少的完整部分，或者作为替代可以包括至少三个个别伽马射线闪烁体，如上文描述的那样共同评估这些闪烁体的信号。

在又一实施例中，伽马射线闪烁体至少部分由屏蔽分段包围，所述屏蔽分段包括闪烁体，所述闪烁体的发射光由光检测器测量，其中光检测器的输出信号由该装置的共同评估设备评估。评估设备优选地被配置成当尚未在相同时帧内从屏蔽分段闪烁体检测到具有在某一屏蔽阈值以上的能量的信号（防重合）时将检测到的辐射分类为中子，所述屏蔽阈值根据以下步骤来确定：测量闪烁体在第三分段中的厚度t（以cm为单位），然后通过将所述厚度乘以闪烁体材料的以g/cm³为单位给定的密度并且乘以所述闪烁体中的最小电离粒子的以 MeV/(g/cm²)为单位给定的能量损耗来确定与所述闪烁体中的覆盖距离t的最小电离粒子的能量沉积对应的能量E_min（以 MeV为单位），并且通过最终将屏蔽阈值设置在所述能量以下。屏蔽分段优选地光学耦合到伽马射线闪烁体的光检测器，并且评估设备优选地被配置成通过来自伽马射线闪烁体和屏蔽分段的信号的信号性质来区别它们的信号。当波长移动器安装于屏蔽分段的闪烁体与光电检测器之间时也是有利的。

屏蔽分段的闪烁体可以选自于作为用于快中子的中子缓和器的包括具有低原子序数Z的成分的一组材料。

也公开一种用于使用如上文描述的装置来检测中子、优选为热中子的方法，该方法包括以下步骤：在伽马射线闪烁体中俘获中子，然后测量由于伽马辐射能量损耗而从伽马射线闪烁体发射的光，并且根据从装置的伽马射线闪烁体发射的光确定在中子俘获之后的伽马辐射的总能量损耗，并且最终当测量的总能量损耗在2,614 MeV以上时将事件分类为中子俘获。优选地，仅当测量的总能量损耗在预定阈值以下、优选在10 MeV以下时将事件分类为中子俘获。

根据另一种用于检测中子、优选为热中子的方法，如上文描述的具有分成至少三个部分的伽马射线闪烁体的装置用来利用以下方法：在伽马射线闪烁体中俘获中子，然后测量由于伽马辐射能量损耗而从伽马射线闪烁体发射的光，然后根据从伽马射线闪烁体发射的光确定在中子俘获之后的伽马辐射的总能量损耗，并且最终当测量的总能量损耗在2,614 MeV以上时并且当在伽马闪烁体中的至少两个部分中测量能量损耗时将事件分类为中子俘获。

一种用于使用如上文描述的具有屏蔽检测器的装置来检测中子、优选为热中子的方法，所述方法包括以下步骤：在伽马射线闪烁体中俘获中子，然后在根据从伽马射线闪烁体发射的光确定在中子俘获之后的伽马辐射的总能量损耗之前，测量由于伽马辐射能量损耗而从伽马射线闪烁体发射的光，并且当测量的总能量损耗在2,614 MeV以上时将事件分类为中子俘获。根据这一方法，还要求当尚未在相同时帧内从屏蔽闪烁体检测到具有在某一屏蔽阈值以上的能量的信号（防重合），以便将事件当做归因于中子俘获，所述屏蔽阈值根据以下步骤来确定：测量屏蔽闪烁体的厚度t（以cm为单位），通过将所述厚度乘以闪烁体材料的以g/cm³为单位给定的密度并且乘以所述闪烁体中的最小电离粒子的以 MeV/(g/cm²)为单位给定的能量损耗来确定与所述屏蔽闪烁体中的覆盖距离t的最小电离粒子的能量沉积对应的能量E_min（以 MeV为单位），并且然后将屏蔽阈值设置在所述能量以下。优选地，根据从伽马射线闪烁体和屏蔽闪烁体两者发射的光确定在中子俘获之后的伽马辐射的总能量损耗。

根据另一种使用具有屏蔽的本发明的装置的方法，仅当在中子俘获之后的伽马辐射的总能量损耗在预定阈值以下、优选在10 MeV以下时将事件分类为中子俘获。

还公开一种使用具有屏蔽的本发明的装置的方法，根据该方法，如果在屏蔽闪烁体中观测到在屏蔽阈值以下的能量损耗，但是未在伽马射线闪烁体中观测到能量损耗，则将事件分类为外部伽马辐射。

附图说明

与以下图一起描述本发明的一些具体实施例。

图1示出了具有圆柱形闪烁体和光检测器的本发明一个实施例，

图2示出了具有包围屏蔽检测器的本发明的检测器，

图3示出了仅使用单个光检测器的相似检测器，并且

图4示出了从不同闪烁体材料发射的信号的各种衰变时间。

具体实施方式

图1示出了经过一个实施例的纵向切割。这里示出了检测器100及其主要分段中的两个分段。可以看见安装于光检测器103（优选为光电倍增器管或者盖尔模式雪崩光电二极管（G-APD）阵列）上的伽马闪烁体材料101。伽马闪烁体材料可以由材料106封装。在一个优选实施例中，该材料106可以有充分厚度并且同时包括具有低原子序数Z以便作为用于快中子的缓和器的充分材料。

以伽马闪烁体材料包含如下成分或者掺杂物这样的方式选择伽马闪烁体材料，这些成分或者掺杂物具有大到足以俘获大部分撞击检测器的热中子的浓度和用于热（慢）中子的中子俘获横截面。

负责中子俘获的伽马射线闪烁体101内的材料并非一旦已经俘获中子就大量造成带电粒子裂变或者发射的材料，而是主要经由伽马射线发射来释放它的激发能量。尤其在用作闪烁体材料的成分时，适当材料例如是包含氯（Cl）、锰（Mg）、钴（Co）、硒（Se）、溴（Br）、碘（I）、铯（Cs）、镨（Pr）、镧（La）、钬（Ho）、镱（Y）、镥（Lu）、铪（Hf）、钽（Ta）、钨（W）或者汞（Hg）的材料。在一个尤其优选实施例中，伽马射线闪烁体101由钨酸铅（PWO）、碘化钠（NaI）、碘化铯（CsI）或者溴化镧（LaBr₃）制成。

另一种用于增加伽马射线闪烁体101中的中子俘获率的方式是用可行材料掺杂闪烁体。这样的材料可以是钆（Gd）、镉（Cd）、铕（Eu）、钐（Sm）、镝（Dy）、铱（Ir）、汞（Hg）或者铟（In）。这允许通过增加或者减少伽马射线闪烁体101中的掺杂物浓度来控制针对热中子的吸收率。

由于每次中子俘获根据俘获核素（nuclide）而在核子中沉积了主要约为5至10 Mev的可观量的激发能量，所以这大约是以能量范围从几keV上至一些MeV的多个伽马量子的形式释放的能量。与此对照，在现有技术的检测器中使用的通常中子俘获反应主要通过裂变产物和/或带电粒子的发射来造成能量释放。那些过程也经常伴随有伽马辐射，然而该伽马辐射总计仅为全部能量释放的较小部分。

本发明的装置利用中子俘获、之后为释放具有在5至10 MeV之间某处的总能量的伽马量子。因而，具有高效伽马闪烁体的新颖检测器概念允许测量发射的那些伽马量子的大量部分，并且因此针对辐射背景（特别地针对由于多数放射性衰变的伽马辐射）充分区分在中子俘获之后的事件。

必须注意，很快发射在中子俘获之后的伽马级联使得伽马闪烁体101不能区分单个伽马事件。因此，如这样的伽马闪烁体101合计所有伽马能量，从而产生主要与沉积于闪烁体材料中的总能量E_sum成比例的光量。闪烁体因此不能在相同时间窗中吸收的单个高能量伽马与多种更低能量伽马射线之间进行区分。

伽马闪烁体101因此被设计成作为一种热量计来操作、因此合计在单个中子俘获事件之后沉积的所有能量。以如下方式构造和布置它，该方式以最小成本和最小检测器体积最大化和能量E_sum的在中子吸收体中的中子俘获之后在闪烁材料中平均吸收的部分。考虑根据所用具体反应而事实上吸收了和能量E_sum的仅一部分，在检测器中定义适当窗（换而言之为和能量门）是有利的。然后以充分确信度仅将具有在该窗内的和能量E_sum的事件标识为中子俘获。

评估从光检测器103输出的信号的评估设备（这里未示出）被设置成在和能量E_sum大于2,614 MeV时将事件定义为中子俘获。对于这一条件用于下阈值，本发明利用如下事实：自然放射性系之一产生的最高单个伽马能量确切具有2,614 MeV，这是²⁰⁸T1中的伽马衰变（是自然钍放射性系的部分）。

由于很不可能重合测量来自两个源的两个独立伽马射线，所以阈值2,614 MeV好到足以区分自然或者其他背景辐射。

值得注意的是，这样的伽马热量计也是用于在检测器以外产生的中子俘获伽马射线的高效检测器。这可以改进本发明的装置用于检测中子源的灵敏度。这归因于如下事实：包围中子源的所有材料在或多或少程度上俘获中子，从而最终俘获源产生的所有中子。在这些过程之后通常发射高能伽马，其经常具有适当在3 MeV以上的能量。如果那些伽马射线在装置的伽马射线闪烁体中沉积它们的能量的充分部分，则它们可以对本发明的检测器中的中子信号有所贡献。

为了在热量计体制中操作伽马闪烁体，以可以在伽马闪烁体中停止在中子俘获之后发射的伽马射线的大部分的方式依赖于（in dependence from）闪烁体材料选择闪烁体的大小是有利的。很适合的材料例如是钨酸铅（PWO或者PbWO₄），因为通过针对感兴趣的伽马能量（包括最高伽马能量）的显著停止能力以及由于作为晶体成分之一的钨（W）的相当高的中子俘获能力来区别这一材料。PWO的低光输出（以每MeV的光子为单位）对于这一应用而言是可接受的，因为它无需卓越的分光性能。一个也重要的方面是这一材料容易低成本大量可用。

建议使用具有约5至8厘米直径的PWO闪烁体作为装置的伽马射线闪烁体。这样的检测器能够吸收（1）撞击检测器的热中子的约50%（或者甚至更多），以及（2）当在这一检测器的体积中产生具有在4 MeV以上的能量的伽马射线时，在所有情况的多于50%情况下多于3 MeV的伽马能量。

为伽马射线闪烁体101适当选择材料，也就是说，尤其针对5 MeV的伽马辐射，用于热中子的吸收长度L_n大于0,5cm、但是小于衰减长度L_g的两倍，将从伽马射线闪烁体101的表面足够多地俘获多数中子，使得之后的伽马发射将主要出现于伽马射线闪烁体101内。在伽马射线闪烁体足够大的情况下，吸收长度可以大于衰减长度的两倍、但是不应超过衰减长度的五倍。因而伽马源将由伽马射线闪烁体或多或少地全部包围，因此明显增加在中子俘获之后的伽马检测效率——并且因此增加中子检测效率。

也可以建议在约10 MeV设置用于和能量E_sum的又一上阈值。在中子俘获之后发射的总能量通常未超过这一个值。然而具有在该阈值以上的能量标志的信号尤其在检测器相对大时可能在宇宙辐射（例如μ介子）穿过伽马闪烁体之后出现。所述阈值区分和抑制那些事件。实际上应当以针对感兴趣的场景优化效果与背景之比的方式优化用于分段二中的能量沉积的下和上阈值两者。

通常在伽马射线闪烁体101中通过使用光检测器103收集和测量在伽马射线闪烁体中产生的光并且评估来自光检测器的测量信号来测量和能量E_sum。主要中子检测标准之一是一般要求和能量E_sum高于2,614 MeV。

在图2中示出了本发明的另一实施例200。在中心将看见如在第一实施例中描述的由伽马射线闪烁体分段201和光检测器203构成的装置。这一检测器可以可选地由材料206封装。检测器的伽马闪烁体部分由也包括闪烁体材料204的屏蔽分段208包围。在这一屏蔽闪烁体材料中生成的光由附加光检测器205检测。

这一外检测器208优选地作为针对背景辐射（例如宇宙辐射）的防重合屏蔽。当屏蔽分段208利用具有相当低原子序数的闪烁体材料时，它也可以同时作为用于快中子的缓和器，因此允许装置也检测快中子。在该上下文中必须提到也可以用检测器的封装材料206作为中子缓和器的方式选择这一材料，而这样的材料选择并不限于具有包围屏蔽分段208的实施例而也可以与其他实施例组合使用。

在一个优选实施例中，第三分段的外闪烁体材料204包括塑料闪烁体材料。这样的材料容易可用并且易于操纵。

穿透带电粒子在屏蔽分段的闪烁体中的最小能量沉积（以MeV为单位）由闪烁体厚度（以厘米为单位给定）乘以闪烁体的密度（以克每立方厘米为单位给定）并且乘以对应闪烁体材料中的最小电离粒子（mips）的能量损耗（以MeV每克每平方厘米为单位给定）给定。后者对于所有常见材料而言大于1 MeV/(g/cm²)并且对于所有光材料而言大于1,5 MeV/(g/cm²)，这允许容易估计所述上限。例如，在屏蔽分段中使用2cm塑料（PVT）闪烁体例如将针对由于屏蔽分段中的穿透带电粒子的信号造成约2×1×1,5 MeV或者约3 MeV的下限。那些信号将必须作为背景而加以拒绝。在这一情况下，用于外屏蔽分段的防重合条件可以是尚未在屏蔽分段中检测到多于3 MeV的能量。

因而在具体例子中在装置的外屏蔽分段中检测到的小于3 MeV的能量可能并非源于高能宇宙辐射，使得这样的更低能量事件如果与伽马射线闪烁体201中的伽马射线重合检测到则可能添加到和能量E_sum，因为它可能源于伽马射线闪烁体内的中子俘获。然而如果这一信号实际上归因于外部伽马辐射，则和能量条件（E_sum>2614 keV）将拒绝对应事件。

值得提到的是当在屏蔽分段208中观测到比穿透带电粒子的最小能量沉积小的能量沉积而未同时在伽马射线闪烁体201中观测到信号时，这可以取作用于检测屏蔽分段208中的外部伽马射线的标志，因此并行使用屏蔽闪烁体作为用于（外部）伽马射线的检测器（或者分光计）。

以相似方式，屏蔽分段208中小于穿透带电粒子的最小能量沉积的能量沉积、伴随有具有 2,614 MeV和能量E_sum的伽马射线闪烁体201中信号可以取作用于检测如下外部伽马的标志，该外部伽马由于在第二散射动作或者光吸收之前的康普顿散射而在两个分段中均沉积能量。因此，屏蔽分段208与伽马射线闪烁体201的组合可以作为用于外部伽马射线的检测器（或者分光计）来操作，而和能量标准允许区分中子俘获事件。

在图3中示出了所述屏蔽检测器变体的又一改进。伽马射线闪烁体301同样安装于光检测器303上。伽马射线闪烁体同样可以由某些种封装306包围。

不同于其他实施例，光检测器303的光敏表面跨越由伽马射线检测器301覆盖的直径延伸。光检测器303的这一外范围光学耦合到包围检测器的伽马射线闪烁体301的圆形屏蔽分段（同样优选为塑料闪烁体304）。

为了恰当区分源于伽马射线闪烁体301的信号与源于塑料闪烁体304的信号，可能添加波长移动器307。这样的波长移动器优选地吸收来自塑料闪烁体材料304的光，从而发射具有与从伽马射线闪烁体301发射的波长相似的波长的光，使得它可以由相同光检测器303恰当测量。为了区分来自塑料闪烁体304的信号与伽马射线闪烁体301的那些信号，如果从波长移动器307发射的光具有不同衰变时间、则因此允许评估设备如上文描述的那样清楚地在两个信号源之间进行区分则是有优势的。

在图4中示出了具有不同衰变时间的相应信号的例子。脉冲408例如产生于由具有短衰变时间的闪烁材料构成的伽马射线闪烁体。当从屏蔽闪烁体发射的光的衰变时间如图4中的虚线409所示大得多时，可以容易地通过数字信号处理或者通过在光检测器的信号输出上简单地设置两个时序窗418和419来区别那些信号。以相同的方式，来自具有更长衰变时间的伽马射线闪烁体的信号可以容易地区别于来自具有短得多的衰变时间的屏蔽闪烁体的信号。

伽马射线闪烁体包括在用共同光电检测器读出的单个检测器块中布置的单个伽马闪烁体材料并非必需的。在这里未示出的另一实施例中，用作热量计的伽马射线闪烁体由可以基于不同闪烁体材料并且由个别光电检测器读出的多个个别部分——检测器——构成。在这一情况下，通过合计个别检测器的所有伽马能量贡献（这些伽马能量贡献从个别检测器的在相同时帧内（即重合）出现的光信号导出）来构造和能量E_sum。如果可以在本发明的装置中涉及到原先为另一目的（例如外部伽马辐射的检测和分光）设计的检测器以便减少总开支，则这样的实施例是有利的。

本发明的又一特征是有可能利用在中子俘获之后发射的伽马射线的高多重性。如果以伽马射线闪烁体包括三个或者更多检测器的方式设置它，则也可以评估多重性。如果以可以例如通过使用多阳极光电倍增器管来区别例如四个伽马射线闪烁体的光的方式划分光检测器，则也可以单独评估它。因此除了测量和能量E_sum之外，也有可能需要测量的伽马事件的某一多重性。

考虑到检测器的有限效率，要求这样的伽马射线闪烁体的至少两个部分已经检测到伽马事件已经证实是有优势的。尤其是除了比2,614 MeV大的和能量条件E_sum之外，这一多重性条件进一步增加本发明的检测器的准确度。

概括上文，要求保护的本发明确实提供一种基于公知、廉价、现货闪烁体材料和公知、廉价、现货光电检测器的低成本、易于设置的检测器以及一种用于以可与现有技术的³He计数器相媲美的效率和准确度评估发射的信号的方法。

Claims

1.一种用于检测中子辐射、优选为热中子的装置，包括：

- 伽马射线闪烁体，包括针对5 MeV能量的伽马射线具有小于10cm、优选小于5cm的衰减长度L_g的无机材料以便针对所述伽马射线闪烁体内的高能伽马射线提供高伽马射线停止能力，

- 所述伽马射线闪烁体包括具有中子俘获横截面与浓度的乘积的部件，所述乘积针对热中子的吸收长度L_n，所述吸收长度L_n大于0,5cm、但是小于所述闪烁体中的针对5 MeV伽马的衰减长度L_g的五倍、优选地小所述于衰减长度L_g的两倍，所述伽马射线闪烁体的中子吸收部件主要经由伽马辐射来释放在中子俘获之后在受激核中部署的能量，

- 所述伽马射线闪烁体具有为L_g的至少50%、优选为至少L_g的直径或者边缘长度以便吸收在所述闪烁体中的中子俘获之后释放的伽马射线能量的主要部分，

所述装置还包括光学耦合到所述伽马射线闪烁体以便检测所述伽马射线闪烁体中的光量的光检测器，所述装置还包括耦合到所述光检测器的评估设备，所述设备能够确定所述光检测器针对一个闪烁事件检测到的光量，该量有与通过所述伽马射线闪烁体中的伽马辐射而部署的能量的已知关系，其中所述评估设备被配置成当测量的总伽马能量E_sum在2,614 MeV以上时将检测到的辐射分类为中子。

2.根据前述权利要求所述的装置，其中所述评估设备被配置成当所述测量的总伽马能量还在预定阈值以下、优选地在10 MeV以下时将检测到的辐射分类为中子。

3.根据权利要求1所述的装置，所述伽马射线闪烁体包括元素氯（Cl）、锰（Mn）、钴（Co）、硒（Se）、溴（Br）、碘（I）、铯（Cs）、镨（Pr）、镧（La）、钬（Ho）、镱（Y）、镥（Lu）、铪（Hf）、钽（Ta）、钨（W）或者汞（Hg）中的至少一种元素作为成分。

4.根据前述权利要求所述的装置，其中所述伽马射线闪烁体选自于以下组：钨酸铅（PWO）、碘化钠（NaI）、碘化铯（CsI）或者溴化镧（LaBr₃）。

5.根据权利要求1所述的装置，所述伽马射线闪烁体包括元素镉（Cd）、钐（Sm）、镝（Dy）、铕（Eu）、钆（Gd）、铱（Ir）、铟（In）或者汞（Hg）中的至少一种元素作为活化剂或者掺杂剂。

6.根据前述权利要求所述的装置，其中所述伽马射线闪烁体选自于以下组：铕掺杂的碘化锶（SI₂）或者氟化钙（CaF₂）。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述伽马射线闪烁体分成至少三个单独部分，这些部分中的每个部分耦合到光检测器，使得可以区别来自不同部分的信号，其中所述评估设备被配置成在至少两个不同部分已经检测到由于在所述伽马射线闪烁体的所述中子吸收部件中的中子俘获之后的伽马互作用的信号时将检测到的辐射分类为中子。

8.根据前述权利要求所述的装置，其中允许区别来自所述伽马射线闪烁体的不同部分的信号的所述光检测器是多阳极光电倍增器管。

9.根据权利要求1所述的装置，其中所述伽马射线闪烁体至少部分地由屏蔽分段包围，所述屏蔽分段包括闪烁体，所述闪烁体的发射光由光检测器测量，其中所述光检测器的输出信号由所述装置的共同评估设备评估。

10.根据前述权利要求所述的装置，其中所述评估设备被配置成当尚未在相同时帧内从所述屏蔽分段闪烁体检测到具有在某一屏蔽阈值以上的能量的信号（防重合）时将检测到的辐射分类为中子，所述屏蔽阈值根据以下步骤来确定：

- 测量所述闪烁体在第三分段中的厚度t（以cm为单位），

- 通过将所述厚度乘以闪烁体材料的以g/cm³为单位给定的密度并且乘以所述闪烁体中的最小电离粒子的以 MeV/(g/cm²)为单位给定的能量损耗来确定与所述闪烁体中的覆盖距离t的最小电离粒子的能量沉积对应的能量E_min（以 MeV为单位），

- 将所述屏蔽阈值设置在所述能量以下。

11.根据前述权利要求所述的装置，其中所述屏蔽分段光学耦合到所述伽马射线闪烁体的所述光检测器，并且其中所述评估设备被配置成通过来自所述伽马射线闪烁体和屏蔽分段的信号的信号性质区别它们的信号。

12.根据前述权利要求所述的装置，其中波长移动器安装于所述屏蔽分段的所述闪烁体与所述光电检测器之间。

13.根据权利要求9所述的装置，其中所述闪烁体选自于作为用于快中子的中子缓和器的包括具有低原子序数Z的成分的一组材料。

14.一种用于使用根据权利要求1所述的装置来检测中子、优选为热中子的方法，包括以下步骤：

- 在伽马射线闪烁体中俘获中子，

- 测量由于伽马辐射能量损耗而从所述伽马射线闪烁体发射的光，

- 根据从所述装置的所述伽马射线闪烁体发射的光确定在中子俘获之后的所述伽马辐射的总能量损耗，并且

- 当测量的总能量损耗在2,614 MeV以上时将事件分类为中子俘获。

15.根据前述权利要求所述的方法，其中仅当测量的总能量损耗在预定阈值以下、优选在10 MeV以下时将事件分类为中子俘获。

16.一种用于使用根据权利要求7所述的装置来检测中子、优选为热中子的方法，包括以下步骤：

- 在伽马射线闪烁体中俘获中子，

- 根据从所述伽马射线闪烁体发射的光确定在中子俘获之后的所述伽马辐射的总能量损耗，并且

- 当测量的总能量损耗在2,614 MeV以上时并且当在伽马闪烁体中的至少两个部分中测量到能量损耗时将事件分类为中子俘获。

17.一种用于使用根据权利要求9所述的装置来检测中子、优选为热中子的方法，包括以下步骤：

- 在伽马射线闪烁体中俘获中子，

- 根据从所述伽马射线闪烁体发射的光确定在中子俘获之后的所述伽马辐射的总能量损耗，

- 当测量的总能量损耗在2,614 MeV以上时并且当尚未在相同时帧内从屏蔽闪烁体检测到具有在某一屏蔽阈值以上的能量的信号（防重合）时将事件分类为中子俘获，所述屏蔽阈值根据以下步骤来确定：

- 测量所述屏蔽闪烁体的厚度t（以cm为单位），

- 通过将所述厚度乘以闪烁体材料的以g/cm³为单位给定的密度并且乘以所述闪烁体中的最小电离粒子的以 MeV/(g/cm²)为单位给定的能量损耗来确定与所述屏蔽闪烁体中的覆盖距离t的最小电离粒子的能量沉积对应的能量E_min（以 MeV为单位），

- 将所述屏蔽阈值设置在所述能量以下。

18.根据前述权利要求所述的方法，其中根据从所述伽马射线闪烁体和所述屏蔽闪烁体两者发射的光确定在中子俘获之后的所述伽马辐射的总能量损耗。

19.根据权利要求17或者18所述的方法，其中仅当在中子俘获之后的所述伽马辐射的总能量损耗在预定阈值以下、优选在10 MeV以下时将事件分类为中子俘获。

20.根据权利要求17或者18所述的方法，其中如果在所述屏蔽闪烁体中观测到在所述屏蔽阈值以下的能量损耗，但是未在所述伽马射线闪烁体中观测到能量损耗，则将事件分类为外部伽马辐射。