CN103513267B - 含硼气膜快中子探测器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种含硼气膜快中子探测器。该快中子探测器包括：具有中空腔室的封装件；设置在所述腔室中的塑料闪烁体阵列，所述塑料闪烁体阵列包括多个塑料闪烁体单元，相邻所述塑料闪烁体单元之间存在间隙；以及充入且气密密封在所述腔室中的含硼气体，所述含硼气体在相邻塑料闪烁体单元之间的间隙中形成含硼气膜。本发明的快中子探测器完全不需要使用紧缺、昂贵的³He气体，无须进行繁冗的硼镀膜工艺，而且提高信号符合的可信度，适用于对环境本底中子的测量，可广泛适用于口岸、港口等场所放射性物质的检测。

Description

含硼气膜快中子探测器

技术领域

本发明一般性地涉及核技术应用，特别是中子散射和安全检测技术。更具体地，本发明涉及一种快中子探测器。

背景技术

对于口岸、港口等场所的安全检测技术而言，放射性物质检测技术是其中重要的一项。对放射性物质的检测主要包含针对γ射线和中子射线的探测。在传统的针对中子射线的探测技术中，利用³He正比计数器和聚乙烯慢化体进行快中子检测是一种常规方案。但是，由于世界性的³He供气不足、价格高昂问题，导致该方案中³He正比计数器的实用性不断下降，因此人们一直在寻找³He的替代解决方案。

由于探测中子的反应类型是核反应，而核反应的参与者是中子与原子核。高探测效率所要求的高中子吸收截面与带电粒子出射特性使得可用的核素（与原子核对应）类型非常有限。总体而言，¹⁰B，⁶Li，^155,157Gd是仅有的可选核素，而¹⁰B又是其中的优选核素。目前，国际上已经成立了合作组来专门研究基于¹⁰B的中子探测器。

在申请人2011年12月28日提交的、申请号为201110446162.4的中国专利申请中，提供了一种可以基于¹⁰B作为中子反应核素的快中子探测器。该专利申请的优选实施例利用由涂硼铝箔包裹的塑料闪烁体来实现快中子探测，其基本原理为：快中子在塑料闪烁体中发生反冲，将能量交给反冲质子（或其它原子核，如¹²C），质子在塑料闪烁体中进行电离、发光形成第一个信号；与此同时，中子的能量降低并被慢化为热中子，直至被附着在铝箔表面的硼层所吸收。硼层中的¹⁰B与热中子发生如下反应：

（1）

该反应的产物为⁷Li和α粒子，它们均携带若干MeV的动能，且互为背向。二者之一穿透硼层进入塑料闪烁体形成电离、发光，从而形成第二个信号。所述第一个信号和第二个信号之间存在时间差。该时间差的大小并不确定，但是近似为指数分布，典型的均值大小一般为数十微秒，具体均值由探测器的结构参数（塑料闪烁体的尺寸与涂硼厚度）决定。

上述中国专利申请中提供的技术方案有其特有的优点，但是该技术需要例如在铝箔等基底材料上涂硼形成含硼镀膜，而该工艺的单位时间产出率较低。此外，由于存在铝箔这样的基底材料，使得反应式（1）中生成的两个背向带电粒子α和⁷Li中只有一个粒子能够进入塑料闪烁体单元，这使得其所形成的信号幅度降低，不利于提高“第二个信号”的幅度，不利于改善符合特性。

发明内容

本发明的一个目的旨在提供一种无需利用紧缺核素³He进行快中子检测的新的技术方案，以便降低制造成本，更好地满足日益增长的安检设备对快中子探测器的需求。

本发明一个进一步的目的是要简化快中子探测器的制造工艺，提高生产效率。

本发明另一个进一步的目的是要提高快中子探测器探测过程中所形成信号的幅度，更有利地改善快中子探测器的符合特性。

总体而言，本发明创造性地采用如下基本思路来实现本发明的上述目的，即：利用塑料闪烁体为中子慢化和信号形成介质，利用含硼气体在相邻塑料闪烁体之间形成的含硼气膜作为中子吸收介质，从而形成一种新型的快中子探测器。为描述方便，本文将这种新型的快中子探测器类型称为“含硼气膜快中子探测器”。

具体地，本发明提供的快中子探测器包括：具有中空腔室的封装件；设置在所述腔室中的塑料闪烁体阵列，所述塑料闪烁体阵列包括多个塑料闪烁体单元，相邻所述塑料闪烁体单元之间存在间隙；以及充入且气密密封在所述腔室中的含硼气体，所述含硼气体在相邻塑料闪烁体单元之间的间隙中形成含硼气膜。

优选地，所述含硼气体为BF₃气体。替代性地，所述含硼气体亦可为BBr₃气体。

优选地，所述含硼气膜的厚度范围由下式确定：0.1atm·mm≤P×d≤9atm·mm，其中P为所充含硼气体的气压，d为所述含硼气膜的厚度。

优选地，当所充含硼气体的气压为1个标准大气压时，所述含硼气膜的厚度为大约0.8mm～1.2mm，更优选地为大约1mm。

优选地，每个所述塑料闪烁体单元的高度为大约10cm～50cm，长度和宽度为大约0.5cm～2cm。

优选地，每个所述塑料闪烁体单元皆为长方体，所述长方体的横截面为正方形。

优选地，每个所述塑料闪烁体单元的高度为大约10cm～50cm；长度和宽度皆为大约0.8cm～1.2cm，更优选地为大约1cm。

优选地，所述封装件由铝或不锈钢制成。

优选地，所述塑料闪烁体阵列沿其高度方向具有接收入射快中子的第一端以及与所述第一端相对的第二端；而且所述快中子探测器还包括：光导装置，其邻近所述塑料闪烁体阵列的所述第二端设置，以对所述塑料闪烁体单元中形成的出射到所述第二端的光进行收集和导向；以及光电转换装置，其设置在所述光导装置的出射端，以将所述光导装置收集和引导到其上的光转换为电信号。

优选地，所述快中子探测器还包括：放大成型电路，其接收所述光电转换装置输出的电信号并对其进行放大整形；信号拣出电路，其接收所述放大成型电路输出的电信号并从中提取出时间信号；延时电路，其接收所述信号拣出电路输出的时间信号并对其进行延时；至少具有第一输入通道和第二输入通道的符合电路，所述第一输入通道接收所述信号拣出电路输出的非延时时间信号，所述第二输入通道接收所述延时电路输出的延时时间信号，并根据所述非延时时间信号和所述延时时间信号生成符合脉冲信号；以及计数器，其接收所述符合电路输出的符合脉冲信号进行计数，获得符合计数。

本发明的这种含硼气膜快中子探测器完全不需要使用紧缺、昂贵的³He气体，而且无须进行繁冗的硼镀膜工艺，仅依靠特定厚度的含硼气膜即可使普通塑料闪烁体单元具备中子敏感特性。

特别地，本发明利用含硼气体在塑料闪烁体单元间自行成膜，无需使用铝箔之类的镀膜基底材料，使得反应式（1）中生成的两个带电粒子α和⁷Li都可以在塑料闪烁体中形成电离信号，从而提高前文提到的“第一个信号”和“第二个信号”符合的可信度，使得探测结果更加精确。

本发明的含硼气膜快中子探测器能够用于对环境本底中子的测量，可广泛适用于口岸、港口等场所放射性物质的检测。

根据下文结合附图对本发明优选实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将会参照附图以示例性而非限制性方式对本发明的优选实施例进行详细描述。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个优选实施例的含硼气膜快中子探测器的示意性原理图；

图2是构成图1所示塑料闪烁体阵列的一个塑料闪烁体单元的示意性放大透视图；

图3利用简化的探测器结构示意性地示出了快中子的探测过程；

图4是根据本发明一个优选实施例的快中子探测器的结构示意图；

图5是基于时间符合方法对光电转换装置输出的电信号进行处理，提高n/γ比值的处理电路的示意性方框图。

具体实施方式

图1是根据本发明一个优选实施例的含硼气膜快中子探测器的示意性原理图。如该图所示，本发明的快中子探测器主要包括封装件10、塑料闪烁体阵列12、和含硼气体14。

具体地，封装件10具有一个中空腔室，用于将塑料闪烁体阵列12和含硼气体14封装起来，为它们提供气密、遮光的密闭工作环境，并且使塑料闪烁体阵列12的塑料闪烁体单元13之间保持精确的位置关系。封装件10可由任何适于提供气密、遮光功能且具有适当机械刚度的材料制成。例如，铝、不锈钢都是制造封装件10的可选材料。特别地，由于铝的中子吸收截面低，因而在本发明的一个优选实施例中，封装件10由铝制成。在满足气密和机械刚度的要求下，封装件10的壁厚w优选越薄越好。至于封装件10的具体厚度，本领域技术人员在实际应用中根据上述教导适当设置。

塑料闪烁体阵列12设置在封装件10的中空腔室中。如图1所示，塑料闪烁体阵列12由多个塑料闪烁体单元13构成，相邻塑料闪烁体单元13之间存在间隙。优选地，这些塑料闪烁体单元13是以相同的均匀间距在封装件10内布置成mxn的矩形阵列，其中m表示该阵列的行数，n表示该阵列的列数，m和n优选为大于等于2的整数。在具体应用中，m和n可以根据需要被设计成相等，也可被设计成不相等。

进一步地，所有塑料闪烁体单元13优选被制成尺寸相同的长方体。该长方体的横截面优选为正方形，也就是说该长方体的长度和宽度相同，如图2所示。在实际应用中，长方体的宽度D和高度L都是可以调整的参数，本领域技术人员可根据期望的探测器效率对其进行调整，其中长方体宽度D通常可为大约0.5cm～2cm，典型地可以是大约1cm，而长方体高度L通常可为大约10cm～50cm。

含硼气体14可被充入和气密密封在封装件10的中空腔室中。由于在各个塑料闪烁体单元13之间存在互相贯通的间隙，因而充入中空腔室的含硼气体14会填充到这些间隙中，形成含硼气膜15。含硼气膜15的厚度d由相邻塑料闪烁体单元13相对侧面之间的间距限定。

需要强调的是，本发明的关键点在于巧妙地利用了气体的填充特性来在精确定位的塑料闪烁体单元13之间自动成膜。特别地，本发明将成膜气体选择为BF₃、BBr₃或其它适当的含硼气体。考虑到BF₃气体较为稳定，本发明的一个实施例将其作为优选对象。但是，BF₃是剧毒气体，实用中应特别加以注意，必须做好探测器封装件10的气密工作。当然，封装件的气密设置本身是本领域技术人员熟知的，本文对其不予赘述。

进一步地，需要考虑的一个重要问题就是含硼气膜15的厚度。本申请的发明人认识到，含硼气膜15的厚度由中子吸收效率和α粒子和⁷Li在气体中的射程共同决定，既不能过小，也不能多大。如果含硼气膜15的厚度过小，则中子的吸收效率太低，前文所述的“第二个信号”太少，无法起到中子探测器的作用。如果含硼气膜15的厚度过大，则α和7Li穿透气体的概率太低，前文所述的“第二个信号”也会减少；另外，中子的慢化效率也会降低，使得中子在被慢化为热中子前就已经逃逸。这可能导致“第一个信号”和“第二个信号”都减少。

特别地，本申请的发明人认识到，含硼气膜15的厚度范围优选可由下式确定：0.1atm·mm≤P×d≤9atm·mm，其中P为所充含硼气体的气压，d为所述含硼气膜的厚度。本发明对与所充气体的气压没有特殊要求，即大于、等于或小于1个标准大气压均可。因此，例如，如果所充含硼气体的气压为1个标准大气压（atm），则含硼气膜的厚度d可在0.1mm~9mm的范围内选择。再例如，在本发明的一个优选实施例中，含硼气体的气压即为1个标准大气压，此时含硼气膜的厚度d被优选为大约0.8mm～1.2mm，最优选地为大约1mm。

图3利用一个简化的探测器结构示意性地示出了快中子的探测过程。如该图所示，入射快中子在射入探测器时，与一个塑料闪烁体单元13发生反应，产生反冲质子和散射中子；该散射中子的能量有所降低但仍将继续反应，在随后的反应中，又形成了进一步的反冲质子和进一步的散射中子；并且中子的能量持续降低直到成为最终的散射中子。在这个过程所产生的所有反冲质子都会在塑料闪烁体单元13中形成电离发光，由于这些质子的产生时刻相邻紧密，因此对于后续的光电转换装置而言，这些质子的发光事件可以被看作同一事件，其所形成的信号就是前文所述的“第一个信号”。与此同时，中子的能量足够低以致于成为热中子，热中子与塑料闪烁体单元15中的H和C发生吸收的概率较小，但是与含硼气体中的¹⁰B反应截面很大。当热中子穿越塑料闪烁体单元13之间的含硼气膜15时，将会与其中的¹⁰B发生式（1）所示的反应，产生两个背向出射的粒子α和⁷Li。由于气体对于带电粒子的阻止能力较低，这两个带电粒子都有很大的概率（具体概率与中子吸收的位置有关）穿透气体、分别进入两个相邻的塑料闪烁体单元15。这两个带电粒子分别在各自的塑料闪烁体单元15中形成电离发光，由于它们的发光也是同时的，因此后续的光电转换装置也只会将它们看作一个信号，即前文所述的“第二个信号”。通过“第一个信号”和“第二个信号”间的真符合，可以提高探测器的n/γ抑制比。

至此，本领域技术人员已可选用任何当前已知或未来已知的适当光导装置和/或光电转换装置结合之前教导的探测器结构成功实现快中子检测，因为这些对光信号的收集、引导和处理装置都是本领域技术人员熟知或易于实现的。特别地，图4和图5示出了优选用于本发明探测器结构的光导装置20和光电转换装置30，以方便本领域技术人员实施本发明，并获得进一步的优点。

如图4所示，塑料闪烁体阵列12是在沿其高度方向的第一端接收入射快中子，而在所述第一端相对的第二端方向上相邻地设置有一个光导装置20。光导装置20对各个塑料闪烁体单元13中形成和出射到塑料闪烁体阵列12第二端的光进行收集和导向。进一步地，在光导装置20的出射端设置有光电转换装置30，以将光导装置20收集和引导到其上的光转换为电信号。

在本发明中，光电转换装置30优选为光电倍增管。不过，在某些实施例中，例如光二极管之类的其他光电转换器件也是可行的。

此外，在本发明的另一些实施例中，还可以在塑料闪烁体阵列12的第一端也设置相同或类似的光导装置和/或光电转换装置，收集和检测那些可能从塑料闪烁体阵列12第一端处出射的光，以便进一步提高探测效率。

仍然如图4所示，当仅在塑料闪烁体阵列12的第二端设置光导装置20和光电转换装置30时，那么在塑料闪烁体阵列12的第一端优选可以增加一层反射材料（例如铝箔，聚四氟乙烯等）来反射光子，从而增加第二端处光导装置20和光电转换装置30收集到的光子数量。

为了不模糊本申请的技术方案，本文不对光电转换装置30之后通常需要的一些常规电路（例如后续处理中可能需要的模数转换电路等）进行赘述，因为这些普通的处理电路都是本领域技术人员熟知或容易实现的。

由于在本发明的探测器中使用了塑料闪烁体，而塑料闪烁体本身对X/γ敏感，导致本发明的探测器无法免除对X/γ测量的敏感性，这对n/γ比值的提高是不利的。为了消除上述不利影响、进一步提高n/γ比值，在本发明的一些优选实施例中，特别地采用了时间符合方法来甄选中子事件，其基本原理为：每个被俘获的中子必然经历了入射动能的全部损失（损失的主要对象是反冲质子）；在反冲质子产生一段时间后，中子将被俘获并形成带电粒子；这两组带电粒子信号的时间分布具有一定的关系，利用符合电路可以提取这个关系，从而可提高n/γ比值。

图5示出了基于时间符合方法对光电转换装置输出的电信号进行处理，提高n/γ比值的处理电路的示意性方框图。如图所示，在光电转换装置30将收集和引导到其上的光转换为电信号后，放大成型电路31接收所述光电转换装置30输出的电信号并对其进行放大整形；信号拣出电路32接收放大成型电路31输出的电信号并从中（例如通过阈值判选或本领域中已知的其它时间提取方法）提取出时间信号；延时电路33接收信号拣出电路32输出的时间信号并对其进行延时；符合电路34的第一输入通道接收信号拣出电路32输出的非延时时间信号，第二输入通道接收延时电路33输出的延时时间信号，并根据所述非延时时间信号和所述延时时间信号生成符合脉冲信号；计数器35接收符合电路34输出的符合脉冲信号进行计数，最终获得符合计数。

最后，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽地示出和描述了多个示例性的优选实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本申请公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种快中子探测器，其特征在于包括：

具有中空腔室的封装件；

设置在所述腔室中的塑料闪烁体阵列，所述塑料闪烁体阵列包括多个塑料闪烁体单元，相邻所述塑料闪烁体单元之间存在间隙；以及

充入且气密密封在所述腔室中的含硼气体，所述含硼气体在相邻塑料闪烁体单元之间的间隙中形成含硼气膜。

2.根据权利要求1所述的快中子探测器，其特征在于，

所述含硼气体为BF₃气体或BBr₃气体。

3.根据权利要求1所述的快中子探测器，其特征在于，

所述含硼气膜的厚度范围由下式确定：0.1atm·mm≤P×d≤9atm·mm，其中P为所充含硼气体的气压，d为所述含硼气膜的厚度。

4.根据权利要求1所述的快中子探测器，其特征在于，所充含硼气体的气压为1个标准大气压时，所述含硼气膜的厚度为0.8mm～1.2mm。

5.根据权利要求1所述的快中子探测器，其特征在于，每个所述塑料闪烁体单元的高度为10cm～50cm，长度和宽度为0.5cm～2cm。

6.根据权利要求1所述的快中子探测器，其特征在于，

每个所述塑料闪烁体单元皆为长方体，所述长方体的横截面为正方形。

7.根据权利要求6所述的快中子探测器，其特征在于，

每个所述塑料闪烁体单元的高度为10cm～50cm，长度和宽度皆为0.8cm～1.2cm。

8.根据权利要求1所述的快中子探测器，其特征在于，

所述封装件由铝或不锈钢制成。

9.根据权利要求1所述的快中子探测器，其特征在于，

所述塑料闪烁体阵列沿其高度方向具有接收入射快中子的第一端以及与所述第一端相对的第二端；而且

所述快中子探测器还包括：

光导装置，其邻近所述塑料闪烁体阵列的所述第二端设置，以对所述塑料闪烁体单元中形成的出射到所述第二端的光进行收集和导向；以及

光电转换装置，其设置在所述光导装置的出射端，以将所述光导装置收集和引导到其上的光转换为电信号。

10.根据权利要求9所述的快中子探测器，其特征在于还包括：

放大成型电路，其接收所述光电转换装置输出的电信号并对其进行放大整形；

信号拣出电路，其接收所述放大成型电路输出的电信号并从中提取出时间信号；

延时电路，其接收所述信号拣出电路输出的时间信号并对其进行延时；

至少具有第一输入通道和第二输入通道的符合电路，所述第一输入通道接收所述信号拣出电路输出的非延时时间信号，所述第二输入通道接收所述延时电路输出的延时时间信号，并根据所述非延时时间信号和所述延时时间信号生成符合脉冲信号；以及

计数器，其接收所述符合电路输出的符合脉冲信号进行计数，获得符合计数。