CN102540241A - 利用半导体阵列测量中子剂量当量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中子剂量当量的测量方法，具体涉及一种利用半导体阵列测量中子剂量当量的方法。该方法将三根半导体阵列管按三维坐标轴的方式插入聚乙烯慢化体中，所有半导体探测器的计数之和就是入射中子的注量；由于每个半导体探测器的慢化距离都不相同，因此可以反推得到入射中子的能谱；结合注量和能谱，经计算就可得到中子的剂量当量。本发明测量结果的不确定度远小于巡测型仪表；同时，由于采用三根半导体阵列管的结构，所以又保留了巡测型仪表重量轻、体积小的优点。

Description

利用半导体阵列测量中子剂量当量的方法

技术领域

本发明涉及一种中子剂量当量的测量方法，具体涉及一种利用半导体阵列测量中子剂量当量的方法。

背景技术

同注量的中子对剂量的贡献远大于同注量的γ辐射(依能量的不同大5～20倍)，因此中子剂量的监测是辐射防护工作的重点之一。

中子剂量的测量仪表主要有巡测型和谱仪型两种。巡测型仪表体积小、重量轻、结构简单，测量方便，但由于其能量响应差，测量结果的不确定度大，可能达到500％；谱仪型仪表结构复杂、体积大、重量重，一般需多次测量才能给出结果，谱仪型仪表由于能够得到入射中子的能量信息，其测量结果的不确定度小。因此，体积小、重量轻的谱仪型中子剂量当量测量装置在辐射防护领域必将有广阔的应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种利用半导体阵列测量中子剂量当量的方法，降低测量结果的不确定度，减少测量装置的体积和重量，并提高测量的灵活性。

一种利用半导体阵列测量中子剂量当量的方法，该方法包括：

(1)将多个表面涂硼的半导体探测器设置于电路板上，组成一维阵列，再将此一维阵列置于金属管中，构成半导体阵列管；

(2)将三根半导体阵列管按两两垂直的方式插入慢化体中；

(3)根据粒子的输运理论得到中子入射前的能量；将各个探测器获得的中子入射前的能量合并得到中子的能谱；

(4)将每个半导体探测器测量的计数经转化后得到中子注量；将中子注量值乘以相应能量的注量剂量转换系数，得到需要的中子辐射场剂量当量。

进一步，如上所述的利用半导体阵列测量中子剂量当量的方法，步骤(3)中，通过如下公式计算中子入射前的能量：

$E_n=\frac{{(M_n+M_A)}^2}{M_n}{[\cos \mathrm{\θ}+\sqrt{{\left(\frac{M_A}{M_n}\right)}^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}]}^{-1}$

式中，E_n为入射中子能量，M_A和M_n分别是靶核和中子质量，θ为中子出射角。

进一步，如上所述的利用半导体阵列测量中子剂量当量的方法，步骤(4)中，半导体探测器的计数和中子注量的关系如下：

$A_i={\∫}_0^{\∞}{R}_i\left(E\right)\mathrm{\Φ}\left(E\right)\mathrm{dE}-{\mathrm{\ϵ}}_i$ i＝1，……n

式中，n为分区个数，A_i为第i个探测器计数，R_i(E)为第i个探测器的注量响应函数，Φ(E)是中子能量为E的注量率，ε_i为第i个探测器的测量不确定度。

进一步，如上所述的利用半导体阵列测量中子剂量当量的方法，步骤(1)中所述的金属管为不锈钢管或铜管或钢管。

进一步，如上所述的利用半导体阵列测量中子剂量当量的方法，步骤(2)中所述的慢化体为聚乙烯慢化体。

更进一步，所述的聚乙烯慢化体为球形或圆柱形。

本发明的有益效果如下：本发明所提供的利用半导体阵列测量中子剂量当量的方法由于是按能量的不同来计算中子的剂量当量和剂量当量率，结果的不确定度远小于巡测型仪表；同时，由于采用三根半导体阵列管的结构，所以又保留了巡测型仪表重量轻、体积小的优点。

附图说明

图1为半导体阵列管结构示意图；

图2为探测器的结构示意图；

图3为中子慢化距离示意图；

图4为半导体探测器的电路原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。

本发明所提供的利用半导体阵列测量中子剂量当量的方法，该方法包括：

步骤(1)，将多个表面涂硼的半导体探测器设置于电路板上，组成一维阵列，再将此一维阵列至于金属管中，构成半导体阵列管；

步骤(2)，将三根半导体阵列管按两两垂直的方式插入慢化体中；

步骤(3)，根据粒子的输运理论得到中子入射前的能量，得到中子入射前的能量；将各个探测器获得的中子入射前的能量合并得到中子的能谱；

步骤(4)，将每个半导体探测器测量的计数经转化后得到中子注量；将中子注量值乘以相应能量的注量剂量转换系数，得到需要的中子辐射场剂量当量。

图1是由五个半导体探测器组成的半导体阵列管示意图，半导体探测器的电路原理如图4所示。五个表面涂硼的硅半导体探测器设置于电路板上，组成一维阵列，再将此一维阵列至于金属管中，本实施例的金属管为不锈钢管，也可以用其它金属如铜管或钢管替代。每个硅半导体探测器都有独立的数据采集通道，即采样电路，半导体探测器的采样电路为本领域的公知技术，采样电路得到的模拟信号经模数转换器(ADC)转化为数字信号后送入计算机处理。

将三根半导体阵列管按两两垂直的方式插入聚乙烯慢化体中，即形成了本发明所采用的探头，图2为探头结构示意图。聚乙烯慢化体的形状可以为球形或圆柱形，但圆柱形慢化体的角响应较差，因此，本实施例采用球形聚乙烯慢化体。

入射中子在半导体探测器中引起信号，由于每个探测器的慢化距离都不相同，根据粒子的输运理论可知其入射前的能量，将各个探测器获得的能量信息合并即可得中子的能谱。如图3所示，r1为中子I的慢化距离，r2为中子II的慢化距离。

通过如下公式计算中子入射前的能量：

$E_n=\frac{{(M_n+M_A)}^2}{M_n}{[\cos \mathrm{\θ}+\sqrt{{\left(\frac{M_A}{M_n}\right)}^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}]}^{-1}$

上式中，E_n为入射中子能量，M_A和M_n分别是靶核和中子质量，θ为中子出射角。在实际应用过程中，上式的计算由公知的MCNP软件完成。将中子计数按道址(能量E_n)显示，即可得到中子能谱。

每个探测器测量的计数经转化后就是中子注量，而这个注量是按能量分布的，将注量值乘以相应能量的注量剂量转换系数(国际放射委员会74号出版物给出)即可得到需要的中子辐射场剂量当量和剂量当量率信息。

半导体探测器的计数和中子注量的关系如下：

$A_i={\∫}_0^{\∞}{R}_i\left(E\right)\mathrm{\Φ}\left(E\right)\mathrm{dE}-{\mathrm{\ϵ}}_i$ i＝1，……n

上式中，n为分区个数，A_i为第i个探测器计数(s^-1)，R_i(E)为第i个探测器的注量响应函数(cm²)，Φ(E)是中子能量为E的注量率(cm^-2s^-1)，ε_i为第i个探测器的测量不确定度。

中子辐射场剂量当量计算公式如下：

$\stackrel{\·}{H}*\left(10\right)=\mathrm{\Σ}{\stackrel{\·}{\mathrm{\Φ}}}_i{h}_i$

上式中，

为中子辐射场周围剂量当量(pSvs^-1)，

为第i个探测器的注量，h_i为中子注量剂量转换系数(pSvcm²)。

本发明将三根半导体阵列管按三维坐标轴的方式插入聚乙烯慢化体中，所有半导体探测器的计数之和就是入射中子的注量；由于每个半导体探测器的慢化距离都不相同，因此可以反推得到入射中子的能谱；结合注量和能谱，经计算就可得到中子的剂量当量和剂量当量率等。此方法由于是按能量的不同来计算中子的剂量当量和剂量当量率，结果的不确定度远小于巡测型仪表，同时又保留了巡测型仪表重量轻、体积小的优点。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种利用半导体阵列测量中子剂量当量的方法，该方法包括：

(1)将多个表面涂硼的半导体探测器设置于电路板上，组成一维阵列，再将此一维阵列置于金属管中，构成半导体阵列管；

(2)将三根半导体阵列管按两两垂直的方式插入慢化体中；

(3)根据粒子的输运理论得到中子入射前的能量；将各个探测器获得的中子入射前的能量合并得到中子的能谱；

(4)将每个半导体探测器测量的计数经转化后得到中子注量；将中子注量值乘以相应能量的注量剂量转换系数，得到需要的中子辐射场剂量当量。

2.如权利要求1所述的利用半导体阵列测量中子剂量当量的方法，其特征在于：步骤(3)中，通过如下公式计算中子入射前的能量：

$E_n=\frac{{(M_n+M_A)}^2}{M_n}{[\cos \mathrm{\θ}+\sqrt{{\left(\frac{M_A}{M_n}\right)}^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}]}^{-1}$

式中，E_n为入射中子能量，M_A和M_n分别是靶核和中子质量，θ为中子出射角。

3.如权利要求1或2所述的利用半导体阵列测量中子剂量当量的方法，其特征在于：步骤(4)中，半导体探测器的计数和中子注量的关系如下：

$A_i={\∫}_0^{\∞}{R}_i\left(E\right)\mathrm{\Φ}\left(E\right)\mathrm{dE}-{\mathrm{\ϵ}}_i$ i＝1，……n

式中，n为分区个数，A_i为第i个探测器计数，R_i(E)为第i个探测器的注量响应函数，Φ(E)是中子能量为E的注量率，ε_i为第i个探测器的测量不确定度。

4.如权利要求1所述的利用半导体阵列测量中子剂量当量的方法，其特征在于：步骤(1)中所述的金属管为不锈钢管或铜管或钢管。

5.如权利要求1所述的利用半导体阵列测量中子剂量当量的方法，其特征在于：步骤(2)中所述的慢化体为聚乙烯慢化体。

6.如权利要求5所述的利用半导体阵列测量中子剂量当量的方法，其特征在于：所述的聚乙烯慢化体为球形或圆柱形。

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