CN102928866A - 一种利用被动式探测器测量中子能谱和累积剂量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用被动式探测器测量中子能谱和累积剂量的方法，该方法采用慢化体探头测量辐射场内中子剂量，处理数据时，基于中子入射到各个探测器上所经历的慢化距离的不同计算出入射中子能量，然后将各个探测器测量的计数转化为中子累积注量，采用解谱软件得到入射中子的实际注量能谱，最后根据入射中子的实际注量能谱计算中子累积剂量。采用本方法的测量方法，测量时不需要电源的供应，对环境的适应能力强、价格低廉、使用方便，同时采用本发明的方法能够获取中子的能量信息，测量结果的不确定度远好于常规的被动式中子测量方法，将广泛应用于核事故应急和环境的中子剂量监测工作。

Description

一种利用被动式探测器测量中子能谱和累积剂量的方法

技术领域

本发明属于中子探测技术领域，具体涉及一种利用被动式探测器测量中子能谱和累积剂量的方法。

背景技术

自从1932年查德维克(J.chadwike)发现中子以来，人们搞清了核的基本组成。直到现在不到八十年，核科学与技术在工业，农业，医学，国防等各领域中有着广泛的应用，并展现广阔的应用前景。原子能科学与技术的开发与利用，解决或正在解决人类生存发展面临的诸多困难，然而由于电离辐射对人体有损失作用，这也给我门带来了某些直接的或潜在的危害。所以对其的必要防护是非常重要的，而其中对于中子的防护致关重要。

由于中子本身不带电，是一种间接致电离粒子，因此中子的探测通常是通过中子同原子核的相互作用，对产生的产物(α、β、γ射线或一定波长的光)进行测量。

在中子辐射防护监测中，中子剂量监测的目的在于控制场所辐射并评估个人接受的有效剂量，以确保辐射安全。在中子辐射如反应堆、加速器、核电站、同位素源等工作环境中，常规辐射防护监测项目主要是场所中子注量、中子周围剂量当量和中子个人剂量当量等。中子注量、剂量和辐射场能谱的测量是中子辐射防护监测所关注的主要内容。

描述中子剂量通常指的是中子吸收剂量或中子剂量当量。吸收剂量D反应电离辐射授予单位质量物质的平均能量，单位：戈瑞(Gy)。

在辐射防护中，更常用剂量当量H。剂量当量H定义为组织内被研究点上的D、Q和N三者的乘积，即H＝DQN，Q为品质因数，N为其他修正因子的积(ICRP的推荐值为1)单位为Sv。剂量当量是为统一衡量不同辐射产生等同效应而引入的加权吸收剂量，它不仅与吸收剂量有关，而且与射线种类、能量有关。即当量剂量是在吸收剂量的基础上引入一与辐射类型及能量有关的权重因子而得到的。

中子剂量的测量主要通过中子剂量监测仪器来实现。国内外生产的监测仪器种类繁多。这类仪器大多采用一定形状、一定厚度、富含氢元素以慢化快中子的聚乙烯材料作慢化体，中间夹一些独特设计的硼塑料或镉材料等中子能量补偿材料以改善能量响应，内层放置热中子灵敏计数器探测慢化中子。慢化体分别采用柱形或球形慢化体。计数器先后采用⁶LiI闪烁体、¹⁰BF₃计数器和后来发展起来的³He管计数器，监测灵敏度因之也得以不断提高。

然而，现有的主动式中子剂量测量方法和仪表(如由中辐院自行研制的能谱型单球多探测器中子测量系统)虽能获取入射中子能量信息，但在缺少电力供应或某些严重核事故的场合下，这种测量方法和仪表无法或很难应用；而现在常用的被动式中子剂量测量方法，如热释光(TLD)、核径迹等技术，主要用于记录中子累积剂量，不能获取入射中子的能量信息，因此对未知能量中子的测量结果的不确定度较大，不能满足辐射防护监测工作的需求。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种利用被动式探测器测量中子能谱和累积剂量的方法。这种测量方法不但能够获取中子能谱，在测量结果的不确定度方面有很大提高。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种利用被动式探测器测量中子能谱和累积剂量的方法，该方法采用在慢化球体2内安装有若干探测器3的慢化体探头测量辐射场内中子剂量，经过一个测量周期后，将探头取回并测读，处理数据时，

基于中子入射到各个探测器3上所经历的慢化距离计算出入射中子能量，然后将各个探测器3测量的计数转化为中子累积注量，采用解谱软件得到入射中子的实际注量能谱，最后根据入射中子的实际中子注量能谱计算中子累积剂量。

进一步，探测器3为热释光探测器、气泡室探测器或核径迹探测器。

再进一步，所述热释光探测器可以为⁶LiF和⁷LiF探测器对或CaSO₄:Dy探测器，所述核径迹探测器为CR-39固体径迹探测器。

更进一步，所述探测器采用⁶LiF和⁷LiF对，并将⁶LiF和⁷LiF对等间距地封装在不锈钢管1内，将三根封装有⁶LiF和⁷LiF探测器对的不锈钢管1按照两两垂直的方向插入慢化球体2内，组成慢化体探头。

进一步，慢化球体2由富氢材料制成。

再进一步，所述富氢材料为聚乙烯材料。

本发明的有益效果在于：

(1)由于本发明提供的方法应用的是被动式测量技术，测量时不需要电源的供应，对环境的适应能力强，价格低廉。

(2)本发明提供的方法能够获取中子的能量信息，并且通过中子的能量信息获取的中子剂量测量结果的不确定度远好于常规的被动式中子测量方法。

(3)采用本发明的方法，其测量系统体积小、重量轻、使用方便，可广泛应用于核事故应急和环境的中子剂量监测工作。

附图说明

图1是本发明测量方法中使用的慢化体探头的结构示意图；

图2显示了图1中不锈钢管内探测器的排列方式；

图3显示了入射中子进入慢化球体内经历的慢化距离的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明测量方法中所使用的慢化体探头包括一个慢化球体2，探测器安装在一个慢化球体2中。具体地，先将探测器封装在不锈钢管1内，再将三根封装有探测器的不锈钢管1按两两垂直的方式插入慢化球体2中，即得到本发明测量方法中所使用的慢化体探头。

本发明测量方法中应用的探测器可以是热释光(TLD)探测器、气泡室探测器或CR-39固体核径迹探测器，以下以应用最广泛的LiF(Mg、Cu、P)热释光探测器为例进行说明本发明提供的测量中子能谱和累积剂量的方法，其中LiF(Mg、Cu、P)简写为LiF。

本实施例采用⁶LiF和⁷LiF各一片组成探测器对，以扣除γ本底，由⁶LiF测量γ和中子的总注量，由⁷LiF测量γ引起的注量，二者相减得到中子的累积注量；由于每个探测器对上覆盖的慢化球体厚度不同，利用中子输运程序(如MCNP等)可以计算出中子的注量能量谱。由于气泡室探测器和核径迹探测器对γ射线不敏感，采用它们做探测器时可以不用扣除γ本底。

如图2所示，探测器3成对等间距地封装于不锈钢管1中，探测器对的具体数量可根据慢化球体2的直径进行调整。

采用本发明提供的的方法测量中子能谱和累积剂量时，预先将图1所示的慢化体探头放置于待测辐射场中，经过一个测量周期后，将探头取回并测读，然后按照本发明提供的下述方法处理数据：

首先，由于入射中子打到探测器3前所经历的慢化距离(即中子穿过慢化球体的厚度)都有所不同，如图3所示，某一中子的慢化距离为L1，另一中子的慢化距离为L2，根据中子与物质相互作用的理论可计算出相应的入射中子能量。

对于某一中子场，测量结果可以用以下方程描写：

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

n为探测器的个数，A_i为第i个探测器的计数(率)(单位为s^-1)，R_i(E)为第i个探测器的注量能量响应函数(单位为cm²)，Φ(E)是中子能量为E的注量(率)(单位为cm^-2 s^-1)，ε_i为第i个探测器的测量不确定度。

从有限的几个测量量A_i不可能确定唯一的连续函数Φ(E)，要解决这个问题，只能通过解谱的办法得到一个物理上相关的能谱，即在能量范围内的中子离散成各个小的能量区间(箱)，用离散函数Φ_j(E)替代连续函数Φ(E)。

A_i+ε_i＝∑R_ijΦ_j(E)j＝1，…，m                         (2)

方程(1)、(2)中，已知数即多球谱仪探测器的个数(n)通常不会超过20个，而未知数即中子能量箱的个数(m)反而都比较大，因此方程(1)、(2)实际上是一种病态方程，即未知数大于方程数，解决方法分为三类，即迭代法、直接法和蒙卡法。蒙卡法即蒙特卡罗方法在核物理中应用十分广泛，它是根据实验场所的具体环境和实验条件，基于射线与物质相互作用的原理，用计算机程序模拟物理实验条件下的实际情况，得到所需要的量。本发明就是利用现有蒙特卡罗计算软件MCNP-4B来解决上述问题。

然后，将⁶LiF和⁷LiF探测器对测量的计数转化为中子累积注量，采用解谱软件得到入射中子的实际注量能谱。

最后，根据入射中子的实际注量能谱，通过计算机完成中子累积剂量的计算。

此外，由于每个探测器对测量的计数经转化后就是中子累积注量，而这个注量是按能量分布的，将该中子累积注量的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累积剂量当量等信息。计算公式如下：

E＝H_p(d)＝∑Φ(E)*k(E)                              (3)

式中，E为中子累积剂量当量(单位为pSv)，Φ(E)为随能量分布的中子累积注量(单位为cm^-2)，k(E)为随能量分布的中子注量剂量转换系数(单位为pSv*cm^-2)。

根据本发明的方法得到的中子累积注量、中子累积剂量当量、可能的入射中子的实际注量能谱以及解谱得到的中子累积剂量，与参考数据相比，其偏差不超过±30％，表明采用本发明的方法在测量结果的不确定度方面有所提高。

在本发明的测量方法中，所使用的慢化体探头采用球形、直径为20-25cm、富氢的聚乙烯材料作慢化体以慢化快中子，也可以采用其他的慢化体材料，同样能实现本发明的目的。

采用本发明的测量方法，既利用了被动式探测器具有无源、环境适应能力强、价格低廉、使用方便等优点，又能获取中子的能量信息，测量结果的不确定度远好于常规的被动式中子测量方法，在核事故应急及环境监测领域有广阔的应用前景。

本发明所述的方法并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (6)

1.一种利用被动式探测器测量中子能谱和累积剂量的方法，该方法采用在慢化球体(2)内安装有若干探测器或探测器对(3)的慢化体探头测量辐射场内中子剂量，经过一个测量周期后，将探头取回并测读，处理数据时，

基于中子入射到各个探测器(3)上所经历的慢化距离的不同计算出入射中子能量，然后将各个探测器(3)测量的计数转化为中子累积注量，采用中子解谱软件得到入射中子的实际注量能谱，最后根据入射中子的实际中子注量能谱计算中子累积剂量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，探测器(3)可以为热释光探测器、气泡室探测器或核径迹探测器。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述热释光探测器为⁶LiF和⁷LiF探测器对或CaSO₄:Dy探测器，所述核径迹探测器为CR-39固体核径迹探测器。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述探测器采用⁶LiF和⁷LiF探测器对，并将多个⁶LiF和⁷LiF探测器对等间距地封装在不锈钢管(1)内，将三根封装有⁶LiF和⁷LiF探测器对的不锈钢管(1)按照两两垂直的方向插入慢化球体(2)内，组成慢化体探头。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，慢化球体(2)由富氢材料制成。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述富氢材料为聚乙烯材料。

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