CN102628954B - 基于聚乙烯组合式气体闪烁体的中子探测器 - Google Patents

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Abstract

一种基于聚乙烯组合式气体闪烁体的中子探测器，包括筒体、密封设置在筒体前端面的入射窗、密封设置在筒体后端面的出射窗、依次设置在入射窗内侧的第一转换靶和第二转换靶、设置在筒体侧面的石英窗、设置在石英窗外的光电探测器、用于联接光电探测器与筒体的套筒、与筒体相连通的充气装置、充于筒体内部的闪烁气体。本发明的目的是提供一种在低强度中子/伽马混合辐射场中能较好的测量中子注量的基于聚乙烯组合式气体闪烁体的中子探测器。该探测器对1～15MeV中子的能量响应非常平坦，且快中子/伽马分辨能力较高。

Description

基于聚乙烯组合式气体闪烁体的中子探测器
技术领域
本发明涉及一种应用于低强度脉冲中子/伽马混合辐射场中测量中子注量率的探测器，特别涉及一种利用中子与聚乙烯、4He气反应产生的反冲质子、反冲4He核激发4He气体发光的原理以实现对快中子探测的探测器。
背景技术
低强度中子/伽马混合辐射场具有如下特点：中子强度低，中子能量分布范围广，伽马射线的辐射强度与中子强度在同一水平。低强度中子/伽马混合辐射场包括裂变反应堆、Am-Be中子源、252Cf中子源，等等。因此，在这种辐射场中测量快中子注量是比较困难的问题，为了在中子/伽马混合辐射场中能较为准确的测量中子注量，要求中子探测器对快中子的能量响应平坦，及有较高的快中子/伽马分辨能力。
而目前在这种辐射场中测量中子的探测器并不完全具备这些要求。例如常用闪烁薄膜探测器、闪烁纤维探测器都是利用中子在闪烁体中产生的反冲质子激发闪烁体发光的原理来探测中子。然而由于电子在薄膜和纤维的发光效率比质子高，中子的能量沉积只依赖1H的中子散射截面，所以闪烁薄膜探测器和闪烁纤维探测器的中子/伽马分辨能力不高，很难大于10倍，并且它们对快中子的能量响应也不是很平坦。
发明内容
本发明的目的是提供一种在低强度中子/伽马混合辐射场中能较好的测量中子注量的基于聚乙烯组合式气体闪烁体的中子探测器。该探测器对1～15MeV中子的能量响应非常平坦，且快中子/伽马分辨能力较高。
本发明的技术解决方案是：
一种基于聚乙烯组合式气体闪烁体的中子探测器，其特殊之处在于：包括筒体1、密封设置在筒体1前端面的入射窗2、密封设置在筒体1后端面的出射窗3、依次设置在入射窗2内侧的第一转换靶4和第二转换靶5、设置在筒体1侧面的石英窗6、设置在石英窗6外的光电探测器7、用于联接光电探测器7与筒体1的套筒8、与筒体1相连通的充气装置9、充于筒体1内部的闪烁气体10；所述闪烁气体10采用4He气；所述第一转换靶4的材料为聚乙烯，所述第二转换靶5的材料为聚四氟乙烯、Al、Be或石墨。
还包括用于将第一转换靶4和第二转换靶5固定在入射窗2上的压环11。
上述筒体1的内部腔室形状为圆柱形或者长方形。
上述充气装置9包括设置在主筒侧面的充气口91以及与充气口相连的三通92。
上述光电探测器7设置在套筒8内，所述套筒8用螺丝固定在石英窗6上。
本发明采用光电探测器探测中子与聚乙烯、4He原子核反应产生的带电粒子激发气体发光来实现对中子的测量，其具有如下优点：
1、本发明对快中子能量响应平坦。本发明所采用的聚乙烯、4He气与中子的作用截面具有互补性，且在聚乙烯后面覆上一层聚四氟乙烯(或Al、或Be、或石墨)能够吸收低能中子在聚乙烯产生的反冲质子，并降低快中子在聚乙烯产生的反冲质子能量，使反冲质子在气体中的能量沉积与反冲4He核在气体中的能量沉积能够互补，从而使本探测器具有平坦的快中子能谱响应，便于准确测量能谱变化大的快中子注量率。
2、本发明对能量低的中子具有卡阈作用。本发明所采用的4He气与低能中子作用截面小，且在聚乙烯后面覆上一层聚四氟乙烯(或Al、或Be、或石墨)能够吸收低能中子在聚乙烯产生的反冲质子，从而极大的降低了低能中子在气体中的能量沉积。计算结果表明，0.5MeV以下的中子在4He气体中的能量沉积比1～15MeV中子要小十倍以上。
3、本发明的时间响应较快，约几十ns。本发明4He气体发光时间很快，在几十纳秒之内，这决定了本探测器具有较快的时间响应。
4、本发明具有较高的快中子/伽马分辨能力。由于4He气体发光效率只与能量沉积有关，与粒子种类无关，且对电子的阻止本领比对质子、α粒子小得多，因而本发明可以实现较高的快中子/伽马分辨能力，理论计算表明，探测器对1～15MeV中子/伽马分辨能力可达到10倍。
5、本发明具有较高的快中子灵敏度。由于反冲质子、α粒子的能量高，在4He气体中的能量沉积较大，且采用光电倍增管，因而本发明可以实现较高的中子灵敏度，能达到10-15C·cm2。
6、本发明采用的将具有不同中子截面的聚乙烯、4He气组合在一起探测中子的思想，可用于设计探测其他射线的探测器。
附图说明
图1是探测器的结构示意图；其中：1-筒体，2-入射窗，3-出射窗，4-第一转换靶，5-第二转换靶，6-石英窗，7-光电探测器，8-套筒，9-充气装置，91-充气口，92-三通，10-4He闪烁体，11-压环。
图2是采用蒙特卡洛方法模拟计算的不同能量中子与聚乙烯、4He气发生弹性散射产生反冲质子、反冲氦核(即α粒子)在4He气中的能量沉积，从图上可知，这两种带电粒子在气体中的能量沉积能够互补。
图3是不同能量中子在探测器中的能量沉积，将反冲质子、反冲氦核(即α粒子)在4He气中的能量沉积相加即可得到该结果，从图上可知，1～15MeV中子的能量沉积非常平坦。
图4是该探测器的中子灵敏度计算结果，这是采用增益为5.7×105的光电倍增管得到的。从图上可知，探测器对1～15MeV中子的能量响应非常平坦，中子灵敏度约为4.0×10-15C·cm2；探测器对0.5MeV以下中子的灵敏度比1～15MeV中子的灵敏度小十倍以上。
图5是采用MCNP程序模拟计算的伽马射线在探测器中的能量沉积。
图6是该探测器的伽马灵敏度计算结果，这是采用增益为5.7×105的光电倍增管得到的。从图上可知，探测器的灵敏度随伽马能量的增加而增大。其中，探测器对1.25MeV伽马的灵敏度约为3.59×10-16C·cm2。
图7是该探测器的n/γ1.25分辨本领计算结果。从图上可知，探测器对1～15MeV中子的n/γ1.25分辨约在10倍以上。
具体实施方式
如图1所示，本发明基于聚乙烯组合式气体闪烁体的中子探测器，包括筒体1、密封设置在筒体1前端面的入射窗2、密封设置在筒体1后端面的出射窗3、固定在入射窗2上的第一转换靶4和第二转换靶5、设置在筒体1一侧石英窗6、固定在石英窗6上的套筒8、安装在套筒8内的光电探测器7、与筒体1相连通的充气装置9、充于筒体内部的4He闪烁气体10、压紧第一转换靶4和第二转换靶5的压环11；筒体1前后端的入射窗2和出射窗3为0.4mm厚的钛合金板；闪烁气体10采用4He气体，气压为1atm；第一转换靶4采用聚乙烯材料，厚度为2mm，第二转换靶5采用聚四氟乙烯、Al、Be或石墨，厚度为0.2mm；筒体1采用不锈钢制成，外形尺寸为长为69mm、宽为89mm、高为89mm的长方体，内部空腔尺寸为直径Φ80mm、高60mm的圆柱体或者长为60mm、宽为80mm、高为80mm的长方体，内部空腔尺寸既能保证光电探测器件尽可能的靠近靶室中线，以提高光收集效率，又能确保射线束不会打到石英窗上；充气装置9包括设置在主筒侧面的充气口91以及与充气口相连的三通92；在筒体1一侧开直径φ55mm的窗口，然后用厚6mm的石英窗密封，光电探测器从侧面固定在石英窗的圆筒插入，通过压接方式或带锁紧装置的螺纹结构(螺丝)固定在石英窗6上，光电探测器通常采用光电倍增管或光电管；第一转换靶4和第二转换靶5通过压环11固定在入射窗2上；筒体1内表面要抛光处理，一是减少内表面放气，二是增强光反射以提高光收集效率。
本发明中子探测器的工作原理是：中子与聚乙烯中的1H核、4He气中的4He核主要发生弹性散射产生反冲质子、反冲氦核(即α粒子)，这两种带电粒子将能量沉积在4He气中从而激发气体发光，然后利用光电倍增管接受气体的发光并输出信号来实现对中子的测量。(1)1H、4He核与中子的作用截面具有互补性，不同能量的反冲质子在材料中的射程不同，通过在聚乙烯后面覆上一片聚四氟乙烯(或Al、或Be、或石墨)调节反冲质子的出射能量，可以使反冲质子在4He气中的能量沉积与反冲4He核在4He气中的能量沉积起到互补的作用，从而使不同能量中子在气体中的总能量沉积变得非常平坦；(2)伽马是通过与物质相互作用产生的电子激发4He气体发光产生信号的，而4He气体发光效率只与能量沉积有关，与粒子种类无关，且对电子的阻止本领比对质子、α粒子小得多，这决定了本探测器具有较高的中子/伽马分辨能力；(3)由于反冲质子与反冲4He核能将其大部分能量沉积在气体中使气体发光，且采用光电倍增管，因而可以实现较高的中子灵敏度。

Claims (4)

1.一种基于聚乙烯组合式气体闪烁体的中子探测器，其特征在于：包括筒体（1）、密封设置在筒体（1）前端面的入射窗（2）、密封设置在筒体(1)后端面的出射窗(3)、依次设置在入射窗(2)内侧的第一转换靶(4)和第二转换靶(5)、设置在筒体(1)侧面的石英窗(6)、设置在石英窗(6)外的光电探测器(7)、用于联接光电探测器(7)与筒体(1)的套筒(8)、与筒体(1)相连通的充气装置(9)、充于筒体(1)内部的闪烁气体(10)；所述闪烁气体(10)采用4He气；所述第一转换靶(4)的材料为聚乙烯，所述第二转换靶(5)的材料为聚四氟乙烯、Al、Be或石墨，还包括用于将第一转换靶(4)和第二转换靶（5）固定在入射窗（2）上的压环(11)。 
2.根据权利要求1所述的基于聚乙烯组合式气体闪烁体的中子探测器，其特征在于：所述筒体（1）的内部腔室形状为圆柱形或者长方形。 
3.根据权利要求2所述的基于聚乙烯组合式气体闪烁体的中子探测器，其特征在于：所述充气装置（9）包括设置在主筒侧面的充气口（91）以及与充气口相连的三通（92）。 
4.根据权利要求3所述的基于聚乙烯组合式气体闪烁体的中子探测器，其特征在于：所述光电探测器（7）设置在套筒（8）内，所述套筒（8）用螺丝固定在石英窗（6）上。 
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