CN102608651B

CN102608651B - 中子探测器

Info

Publication number: CN102608651B
Application number: CN201110459081.8A
Authority: CN
Inventors: 李元景; 杨祎罡; 李铁柱; 张勤俭; 吴彬
Original assignee: Tsinghua University; Nuctech Co Ltd
Current assignee: Tsinghua University; Nuctech Co Ltd
Priority date: 2009-12-29
Filing date: 2009-12-29
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2029-12-29
Also published as: CN102608651A

Abstract

本发明公开了一种中子探测器。其中，中子探测器包括中子慢化体，其适于吸收通过其中的X射线，并将快中子慢化为热中子；和热中子探测器，其适于探测所述热中子以获得关于所述快中子的信息。本发明通过设置中子慢化体能够排除X射线对快中子测量的干扰，从而提高了中子测量的准确性。并通过同时获得X射线和中子的两种不同的衰减信息，提高了对检测物体的识别能力。

Description

中子探测器

技术领域

本发明总的涉及利用X射线和中子进行安全检测的领域，更具体地涉及中子探测器。

背景技术

随着经济和社会的发展，安全检测技术的应用范围越来越广，如地铁站、机场、银行、商场等，几乎随处可见。安全检测技术有很多种，其中利用加速器产生的光中子进行安全检测技术是一种已经得到了部分研究的技术，已经有人在利用光中子进行元素分析方面做了深入的工作——这种方法利用高能电子加速器产生的X射线轰击包括重水、铍等在内具有低光中子反应阈值的靶材来产生光中子，产生的光中子与被检测的物体中的某些核素发生反应，即可放出具有特征性的γ射线，通过分析γ射线的能谱构成，就能够对被检测物体的元素构成进行判断，从而达到物质识别的目的。这种方法具有能够识别元素种类的特别优点，不过它在成像质量方面效果较差，在与X射线图像相融合方面具有一定的不足。

因此出现了另外一种方案，利用X射线和光中子的具有不同衰减特性的透射信息来进行成像，同时能够得到X射线成像和中子透射成像两幅图像，通过对X射线衰减信息和中子衰减信息的融合，可以提高对被检测物体的识别能力。但是这种方案还处在原理阶段，要使之能够实现，必须解决一个问题：如何在X射线的强脉冲下实现对光中子的测量？因为光中子是伴随X射线产生的，虽然光中子转换靶起到一定的X射线屏蔽作用，但是进入中子探测器的X射线仍然是非常多，一般可以认为超过4个量级。尽管中子探测器可以选择对中子敏感的探测器，但由于X射线的数量过分地多，无论该探测器对X射线多么地不灵敏，一般情况仍是X射线在中子探测器中形成了巨大的信号，显著超过了中子探测器在其中形成的信号，这实际使得中子透射信息的获取无法完成。本发明就是要解决这个问题。

发明内容

本发明的目的是提供能够检测伴有X射线的快中子的中子探测器，该中子探测器能够排除X射线对快中子测量的干扰，从而提高关于快中子的信息的准确性。

本发明的目的通过下列方案得以实现：一种中子探测器，包括：中子慢化体，其适于吸收通过其中的X射线，并将所述快中子慢化为热中子；和热中子探测器，其适于探测所述热中子以获得关于中子的信息，其中其基于下列公式识别物质，

Figure 2011104590818100002DEST_PATH_IMAGE001

其中，t为被检测物体的厚度；μ_n(t)为光中子的衰减系数；μ_X(t)为X射线的衰减系数；I_n(t)为入射光中子在被检测物体厚度t处的强度, I_n(0)则为入射光中子的未衰减强度；I_X(t)为入射X射线在被检测物体厚度t处的强度, I_X(0)则为入射X射线的未衰减强度。该中子探测器通过能吸收X射线而允许快中子通过并将该快中子慢化为热中子的中子慢化体，能够排除X射线的干扰，从而提高了测量中子信息的准确性。

作为本发明中子探测器的一个优选实施例，中子探测器还包括热中子屏蔽体，其适于屏蔽存在于环境中的散射热中子。

通过阅读下列的详细描述及参考附图，本发明的其他目的和优点将变得很明显。

附图说明

图1为产生光中子的示意图；

图2为光中子的测量时序；

图3为根据本发明的同时利用X射线和光中子识别物质的方法的示意图；

图4为根据本发明的中子探测器的一个实施例的示意图。

具体实施方式

如图1所示，已知快中子产生方式之一就是首先由电子加速器提供的电子束轰击电子靶11产生X射线，再用X射线轰击光中子转换靶12以产生光中子。一般用到的光中子靶材都是具有低光中子阈值的核素，例如⁹Be和²H，因此，铍靶和重水靶通常作用中子转换体，其中，铍靶的反应类型可以用下式表示：

（1）

其中，γ代表光子，n代表中子，中子的能量由光子的能量与反应阈值的差值决定。重水靶的反应类型则可以用下式表示：

（2）

由上述反应式（1）和（2）可知，光中子是伴随X射线产生的，一般认为光中子的产生时刻与X射线的产生时刻是相同的。

由于这种光中子的能量在几百keV到几个MeV之间（具体由加速器的能量决定），因此属于快中子。尽管光中子转换靶对X射线起到一定的屏蔽作用，但是仍有大量的X射线伴随光中子。如果用中子探测器直接探测这种光中子，大量的X射线也会进入中子探测器。由于光中子和X射线是同时产生的，而电子加速器又是在脉冲状态下工作，脉宽为μs的量级，因此光中子和X射线会在很短的（通常小于1μs）时间内从光中子转换靶同时飞到中子探测器，即中子探测器在测量中子的同时也会测量到X射线。由于进入中子探测器的X射线的数量非常多，一般会超出4个量级，因此无论中子探测器对X射线多么不灵敏，X射线仍会在中子探测器中形成巨大的信号，并且这种信号显著超过中子在中子探测器中形成的信号，从而对光中子的测量造成严重干扰，导致中子探测器无法获取关于光中子的信息。

已知X射线和光中子在物质中具有不同特性：

● X射线经过数次碰撞之后，就会被物质吸收，其在物质中的存活时间仅在ns的量级解决了X射线对光中子测量的干扰；

● 光中子在物质中一般要经过大量的碰撞才会被物质吸收。根据物质材料的不同，光中子的碰撞次数可以从几十次到几千次不等，从时间上看可以从几个μs到几十ms不等。

由这两种射线不同的行为特性可知：如果设置合适的中子慢化结构，让中子在该慢化体中进行减速。由于将光中子由快中子减速为热中子通常需要大于几个μs的时间，因此当光中子被慢化为热中子时，X射线脉冲已经不存在了，此时用热中子灵敏的探测器对慢化后的光中子进行测量，就可以得到关于光中子的信息，而不会受到X射线的干扰。

作为本发明快中子探测方法的一个实施例，首先使光中子进入由聚乙烯制成的中子慢化体以吸收X射线并将光中子慢化为热中子，再用热中子探测器测量热中子，从而获得光中子的相关信息。其中，热中子探测器是常规的，因此在此不作详细叙述。热中子探测器的面积较大，能够形成吸收热中子的足够大的立体角。在其它的实施例中，中子慢化体也可由石墨、其它烯聚合物或其它含氢材料的聚合物制成；热中子探测器则可以采用10B、6Li等其它中子吸收核素。

图2显示了光中子的测量时序。从图2中可以看到X射线脉冲1在中子慢化体中的持续时间tX，一般为4μs，在这个时间段内光中子是无法进行测量的。在tX之后还有一个td的时间，这个时间是用于光中子探测器从X射线脉冲的影响中恢复回来的时间，这个时间一般在几十μs，如45μs。在td之后，由于已经没有了X射线的影响，此时就是光中子的测量时间，图中给出的tn就是热中子的测量时间，一般在1000μs，由此可见，热中子的测量延迟时间应大于X射线在慢化体中的持续时间。这里给出的tX，td，tn等都是典型时间，实际工作中可以根据探测器的情况来进行微调。这样，在一个脉冲周期T内，通过中子慢化体延迟光中子的测量以避开X射线，同时将光中子慢化为热中子再测量热中子的方法，获得光中子的相关信息。在下一个脉冲开始后，重复上述步骤，这样就能连续地获得光中子的相关信息。

作为本发明快中子探测方法的一个更优选的实施例，光中子在进入中子慢化体之前，先经过热中子屏蔽体以屏蔽存在于环境中的散射热中子。这样，就能避免环境中的热中子对中子测量的干扰。热中子屏蔽体也是常规的，因此在此不作详细叙述。

根据上述的快中子探测方法，本发明提供了利用光中子识别物质的方法。作为该方法的一个优选实施例，先用X射线轰击含光中子转换靶以产生光中子；再用中子准直器引导光中子透射被检测物体；然后引导穿过被检测物体的光中子进入中子慢化体以使伴随光中子的X射线在中子慢化体中被吸收掉，同时光中子在中子慢化体中被慢化为热中子；最后由热中子探测器测量热中子以获得光中子在被检测物体中的透射衰减信息，从而通过此透射衰减信息达到识别被检测物体所含物质的目的。

作为利用光中子识别物质的方法的一个更加优选的实施例，在穿过被检测物体的光中子进入中子慢化体之前，先经过热中子屏蔽体以屏蔽存在于环境中的散射热中子，以避免散射热中子对中子测量的干扰。

根据上述的快中子探测方法，本发明还提供了同时利用X射线和光中子识别物质的方法。图3显示了同时利用X射线和光中子两种透射信息识别物质的方法的示意图。由于光中子反应可以将无用的X射线转换为光中子，因此，利用一个电子加速器就能够同时获得两种射线。如果采用两种探测器来分别探测X射线和光中子，利用两种射线在物体中的不同衰减特性，可以提高对被检测物体的识别能力。在图2中，电子轰击电子靶11产生X射线，第一部分X射线在经过X射线准直器32之后穿过被检测物体，并被X射线探测器测量，得到X射线衰减信息；在电子靶11的前面，放置了一个光中子转换靶12，使第二部分 X射线在此转换为光中子，光中子经过中子准直器31之后穿透被检测物体33；穿过被检测物体33的光中子先进入中子探测器34中的热中子屏蔽体以屏蔽环境中的散射热中子；然后光中子进入中子探测器34中的中子慢化体中以使伴随光中子的X射线消失，并使光中子慢化为热中子；该热中子最后到达中子探测器34中的热中子探测器，由此，热中子探测器获得了光中子在被检测物体中的透射衰减信息。需要注明的是，中子慢化体完全包围热中子探测器，因此在吸收X射线和慢化光中子的同时，中子慢化体也对环境中散射的热中子起到屏蔽的作用。

通过结合X射线和光中子衰减信息，可以实现对被检测物体的识别。下面的公式（3）反映了如何将两种衰减信息结合在一起来进行物质识别的一种方式。

其中，t为被检测物体的厚度；μ_n(t)为光中子的衰减系数；μ_X(t)为X射线的衰减系数；I_n(t)为入射光中子在被检测物体厚度t处的强度, I_n(0)则为入射光中子的未衰减强度；I_X(t)为入射X射线在被检测物体厚度t处的强度, I_X(0)则为入射X射线的未衰减强度。在等式右侧，分母反映了厚度为t的物体对X射线强度的衰减倍数，而分子则反映了同样厚度的物体对中子射线强度的衰减倍数；利用其比值V(t)，即可对厚度为t的物体的属性进行判断，从而实现对物质种类的识别。

图4显示了上述中子探测器的一个实施例的示意图。如图所示，中子探测器34包括热中子屏蔽体341，聚乙烯中子慢化体342和热中子探测器343。热中子屏蔽体341位于入射光中子进入中子探测器34的入口处(1) ，穿过热中子屏蔽体341的黑色箭头代表来自被检测物体的入射光中子。热中子屏蔽体341能够消除环境中的散射热中子对入射光中子的影响。中子慢化体342完全包围热中子探测器343，因此，中子慢化体342不仅能够吸收掉入射光中子中的X射线，和将光中子慢化为热中子，而且还起到屏蔽环境中的散射热中子的作用。慢化体一般选用具有含氢材料，如烯的聚合物，石墨也是一种选择。热中子探测器一般选用3He，10B，6Li等为中子吸收核素，探测器类型是常规的，但是希望其面积较大，以形成吸收热中子的足够大的立体角。

光中子由光中子靶出射之后，穿透被检测物体之后，形成入射光中子进入中子探测器34。由于环境中存在散射的热中子，会构成干扰，因此在光中子进入探测器34内部之前，首先经过热中子屏蔽体341的吸收，这样进入探测34内部的才是反映光中子在物质中衰减信息的快光中子。这些快中子在慢化体342中进行慢化，同时时间上得到了延迟，从而避开了X射线脉冲的干扰。当中子被慢化为热中子时，就可以被热中子探测器343所测量，此时热中子探测器343的计数值就反映了光中子在被检测物体中的衰减信息。

虽然已经描述了本发明的典型实施例，应该明白本发明不限于这些实施例，对本专业的技术人员来说，本发明的各种变化和改进都能实现，但这些都在本发明权利要求的精神和范围之内。

Claims

1.一种用于物质识别的中子探测器，包括：

中子慢化体，其用于慢化由脉冲X射线轰击光中子转换靶产生的伴有X射线的快中子以将其转换为热中子；和

热中子探测器，其适于探测所述热中子以获得关于所述快中子的信息，

其基于下列公式识别物质，

Figure 2011104590818100001DEST_PATH_IMAGE001

其中，t为被检测物体的厚度；μ_n(t)为光中子的衰减系数；μ_X(t)为X射线的衰减系数；I_n(t)为入射光中子在被检测物体厚度t处的强度, I_n(0)则为入射光中子的未衰减强度；I_X(t)为入射X射线在被检测物体厚度t处的强度, I_X(0)则为入射X射线的未衰减强度，

其中，所述热中子的测量延迟时间大于所述X射线在所述中子慢化体中的持续时间。

2.根据权利要求1所述的中子探测器，其特征在于：还包括热中子屏蔽体，其适于屏蔽存在于环境中的散射热中子。

3.根据权利要求1或2所述的中子探测器，其特征在于：所述中子慢化体包围所述热中子探测器。

4.根据权利要求1或2所述的中子探测器，其特征在于：所述中子慢化体也适于屏蔽存在于环境中的散射热中子。

5.根据权利要求1或2所述的中子探测器，其特征在于：所述中子慢化体由含氢材料的聚合物制成。

6.根据权利要求1或2所述的中子探测器，其特征在于：所述中子慢化体由烯聚合物制成。

7.根据权利要求1或2所述的中子探测器，其特征在于：所述中子慢化体由石墨制成。

8.根据权利要求1或2所述的中子探测器，其特征在于：所述中子慢化体由聚乙烯材料制成。