CN104101895B - 中子探测器和中子探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中子探测器和中子探测方法。中子探测器包括：入射窗和探测阵列；所述探测阵列具有多层叠置的探测单元；所述探测单元包括多条相互平行的方形探测通道，且相邻的所述探测通道相互气体连通，所述探测通道内充有三氟化硼气体；每条所述探测通道内沿轴向布置有阻性阳极丝，所述阻性阳极丝的一端加正高压，用于对中子引起的原初电离信号进行放大并输出放大后的电信号。本发明的中子探测器和中子探测方法可以在提高中子探测效率的同时不降低位置分辨和TOF时间分辨。

Description

中子探测器和中子探测方法

技术领域

本发明涉及一种中子探测技术，特别是一种中子探测器和中子探测方法。

背景技术

当前国际形势下，中子探测器的发展与应用面临巨大挑战。对于热中子(波长下文同)，一般利用核反应法进行探测，常用的有³He(n,p)T、¹⁰B(n,α)⁷Li和⁶Li(n,α)T三个核反应，它们与中子的反应截面都比较大，其中³He气体化学稳定、截面大、在高气压下仍具有很好的正比特性，被认为理想的热中子探测材料。目前国际上超过70%以上的中子散射谱仪采用³He气体探测器，主要有两种，一类是采用多根位置灵敏型高气压³He管组成一个面探测器阵列，配合适当的读出电子学可获得～5mm的位置分辨率；另一类是高气压³He多丝正比室，位置分辨率约2mm；这两类探测器都能实现大面积探测，探测效率达50%以上，γ抑制能力高，且均有商业化产品，是一项工艺成熟的技术。³He气体是由制造核武器氢弹的原料氚经β衰变(半衰期12.3年)生成，然后通过提纯得到高纯度的³He气体，一直以来只有美国能够大量生产该气体，其产量决定于氚的生产及³He气体的需求，美国于1988年关闭了氚的生产，随着近年来日益急剧增长的³He气体的需求，导致自2008年开始，出现³He气体资源供应严重不足的国际形势，价格也在近5年内上涨超过20倍，而且³He气体被作为战略物质由美国能源部严格控制出口，这一情况的出现使得中子散射谱仪继续使用高气压³He气体探测器搭建大规模探测系统几乎不再可能，研发新型中子探测器已迫在眉睫。近年来，全世界科学家一直在努力寻求替代³He气体的新型中子探测技术，使得该方向目前已成为粒子探测领域的新热点。现在大致有四个方向：⁶LiF/ZnS(Ag)闪烁体，涂硼GEM，内涂硼管以及三氟化硼（BF₃）管。其中BF₃管，沿丝方向做一维位置分辨，采用多根排列在一起组成阵列，实现二维成像，除了探测效率低以外，其它性能均可与³He管相比，能制作大面积谱仪探测器，造价便宜，技术相对成熟可靠，其研究前景备受期待。

BF3探测技术作为最早的中子探测技术之一，使用时间长，然而由于探测效率低，到目前为止，主要仅限于剂量监测等领域的应用，气压一般小于1个大气压（1atm），管直径从1/2-2英寸不等，工作电压1-4kV，目前国际上还没有超过2atm的BF3计数管出现。这是由于BF3气体本身是负电性气体，使得探测效率低于中子俘获效率，在高气压下不具有很好的正比特性，且需要很高的工作电压，故不能像3He气体通过提高气压来大幅提高探测效率，这也是自3He气体出现后，BF3几乎完全被3He所取代的直接原因，并导致了BF3气体探测器技术研究的中断，其大量研究集中在上世纪50-70年代，研究内容包括气压，气体纯度，气体老化以及气体密封与气室处理等制作BF3管的关键技术，气压都在1atm以下，也没有涉及到位置灵敏管的研究。

在面对当前³He气体严重短缺的局面，BF₃探测技术又再度重新被重视。除了增加气压可以提高探测效率以外，另外一种方法就是通过增加探测器灵敏厚度，然而，随着探测器厚度的增加，一方面，电子横向扩散变大，位置分辨变差；另一方面，入射中子被俘获的位置不确定范围变大，导致飞行时间（Time of Flight,TOF）分辨变差；这两个方面都会降低谱仪的分辨率。谱仪探测器常用的管直径为1英寸、1/2英寸和1/3英寸三种尺寸，图1为1atm和2atm浓缩BF₃(¹⁰B丰度96%)气体不同厚度的热中子俘获效率，由图1可知，即使采用2atm直径1英寸管中心处俘获效率也只有35%。

发明内容

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本发明提供一种中子探测器和中子探测方法，用于实现在提高中子探测效率的同时不降低位置分辨和TOF时间分辨。

一方面，本发明提供了一种中子探测器，包括：入射窗和探测阵列；

所述探测阵列具有多层叠置的探测单元；

所述探测单元包括多条相互平行的方形探测通道，且相邻的所述探测通道相互气体连通，所述探测通道内充有三氟化硼气体；

每条所述探测通道内沿轴向布置有阻性阳极丝，所述阻性阳极丝的一端加正高压，用于对中子引起的原初电离信号进行放大并输出放大后的电信号。

另一方面，本发明还提供了一种中子探测方法，包括：

步骤一：中子穿过中子探测器的入射窗进入中子探测器的探测阵列；

步骤二：探测阵列中的其中一个探测单元接收所述中子；

步骤三：接收到所述中子的探测单元的一方形的探测通道内充有的三氟化硼气体与所述中子发生核反应，产生带电粒子；

步骤四：所述探测通道内沿其轴向延伸方向布置的阻性阳极丝获取所述带电粒子的电信号并从两端输出。

采用本发明的中子探测器和中子探测方法，可以实现在提高中子探测效率的同时不降低位置分辨和TOF时间分辨。

附图说明

参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本发明的原理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。

图1为现有的BF₃管的中子探测器的管直径与中子探测效率之间的曲线关系图；

图2为本发明的中子探测器的一种实施方式的结构图；

图3为本发明的中子探测器在1atm的气压下，探测单元层数与探测效率之间的在不同探测通道边长下的函数曲线图；

图4为本发明的中子探测器在2atm的气压下，探测单元层数与探测效率之间的在不同探测通道边长下的函数曲线图；

图5为本发明的中子探测方法的一种实施方式的流程图；

图6为本发明的中子探测方法的另一种实施方式的流程图。

具体实施方式

下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

参见图2所示，为本发明的中子探测器的一种实施方式的结构图。

在本实施方式中，中子探测器1包括入射窗和探测阵列。

探测阵列具有多层叠置的探测单元11，例如，如图2所示的中子探测器1包含四层叠置的探测单元11。

每层探测单元11包括多条相互平行的方形探测通道，且相邻的探测通道相互气体连通，探测通道内充有三氟化硼气体。例如，如图2所示的中子探测器1中，每层探测单元11均包含有两条相互平行的探测通道（111,112）。

每条探测通道（111,112）内沿轴向布置有阻性阳极丝113，其一端加正高压，用于对中子引起的原初电离信号进行放大并输出放大后电信号。

中子经入射窗进入探测阵列之后，与其中一个探测通道内的BF₃气体中硼的同位素¹⁰B发生如下核反应：

n+¹⁰B→α+⁷Li⁺2.79MeV 7%

E_α=1.79MeV E_Li=1.0MeV

→α+⁷Li+γ+2.31MeV 93%

E_α=1.47MeV E_Li=0.84MeV

如上式所示，该反应有两个反应道，其中93%分支比反应生成激发态⁷Li*，瞬间立即退激产生1.47MeV的α和0.84MeV的⁷Li两种粒子；另7%分支比反应直接到基态产生1.79MeV的α和1.0MeV的⁷Li，α和⁷Li两种粒子的运动方向相反，同时在BF₃气体内产生电离，在阻性阳极丝113附近进行气体放大，由阻性阳极丝113确定两个粒子电离质心，从而确定中子入射的位置。

采用“多层结构”的探测阵列（即包括多层叠置的探测单元的结构）并将探测单元中的探测通道设置为方形，一方面增加了探测器的厚度（即BF₃气体的总厚度），然而并未增大每个探测通道的厚度，因而可以实现在提高中子探测效率的同时不降低位置分辨和TOF时间分辨的目的。

在一种可选的实施方式中，中子探测器1还包括多组读出电路，每组读出电路与每条探测通道（111，112）内的阻性阳极丝113的两端连接，用于根据阻性阳极丝113获取的电信号计算中子的入射位置。

中子的入射位置为一个二维位置，其中一个维度代表中子入射到的探测通道，另一个维度代表中子入射到该探测通道的沿轴向的位置。

例如，如图2所示，读出电路可以包括电容C1、C2，前置放大器D1、D2以及施加在电容C2一端的电压Hv。假设阻性阳极丝113的长度为l，中子入射位置距阻性阳极丝113右端的距离为x，那么x可表达为：

$x=\frac{Q_L}{Q_L+Q_R}l$

其中，Q_L和Q_R分别为前置放大器D1和D2的输入端接收到的电荷数。

作为一种可选方案，每个探测通道（111，112）的横截面为正方形，横截面的边长可以设置为6mm～25mm之间。与横截面为圆形相比，采用方形横截面的探测通道（111,112）可以保证探测通道内所充的气体的厚度的一致性，从而保证了探测效率的均匀性。另外，采用方形横截面的探测通道，可以减少探测通道之间的死区，从而进一步提高探测效率。

作为一种可选方案，探测通道内充的三氟化硼气体的气压可以为1atm～2atm，且BF₃气体中，¹⁰B的丰度不小于96%。

参见图3和图4所示，分别为在1atm和2atm的气压下，探测单元层数与探测效率之间的在不同探测通道边长下的函数曲线图。可以看出，当探测通道内充的三氟化硼气体的气压为2atm，且探测单元在四个或以上时，采用边长为12mm的探测通道，可以使得中子的探测效率达到50%以上。

作为一种可选方案，各探测通道的壁厚可设置为0.5mm～1mm之间。由于探测通道内所充的BF₃气体的气压不大（通常在1atm～2atm），因此，可以设置较薄的探测通道壁厚，从而减少壁厚材料对中子的散射。

参见图5所示，为本发明的中子探测方法的一种实施方式的流程图。

该实施方式的中子探测方法包括：

S10：中子穿过中子探测器的入射窗进入中子探测器的探测阵列。

S20：探测阵列中的其中一个探测单元接收所述中子；

S30：接收到所述中子的探测单元的一方形的探测通道（如探测通道111）内充有的三氟化硼气体与所述中子发生核反应，产生带电粒子。

S40：探测通道111内沿探测通道轴向延伸的阻性阳极丝113获取带电粒子的电信号并从两端输出。

在一种可选方案中，S30可具体包括：探测通道111内的三氟化硼气体中的¹⁰B与中子发生反应，产生带电粒子。

在一种实施方式中，带电粒子的电信号包括：代表产生带电粒子的位置和时间的电信号。

在一种实施方式中，产生带电粒子的位置的电信号包括：代表产生带电粒子的探测通道111的电信号以及代表产生带电粒子的探测通道轴向位置的电信号。

作为一种可选方案，如图6所示，中子探测方法还可以包括：

S50：读出电路根据阻性阳极丝113获取的电信号计算中子的入射位置。

上面对本发明的一些实施方式进行了详细的描述。采用本发明的中子探测器和中子探测方法，可以在提高中子探测效率的同时不降低位置分辨和TOF时间分辨。

如本领域的普通技术人员所能理解的，本发明的方法和装置的全部或者任何步骤或者部件，可以在任何计算设备（包括处理器、存储介质等）或者计算设备的网络中，以硬件、固件、软件或者它们的组合加以实现，这是本领域普通技术人员在了解本发明的内容的情况下运用他们的基本编程技能就能实现的，因此不需在此具体说明。

在本发明的设备和方法中，显然，各部件或各步骤是可以分解、组合和/或分解后重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。还需要指出的是，执行上述系列处理的步骤可以自然地按照说明的顺序按时间顺序执行，但是并不需要一定按照时间顺序执行。某些步骤可以并行或彼此独立地执行。同时，在上面对本发明具体实施例的描述中，针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本申请的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (8)

1.一种中子探测器，其特征在于，包括：入射窗和探测阵列；

所述探测阵列具有多层叠置的探测单元；

所述探测单元包括多条相互平行的方形探测通道，且相邻的所述探测通道相互气体连通，所述探测通道内充有三氟化硼气体；

所述探测通道内充的三氟化硼气体的气压为1atm～2atm，且所述三氟化硼气体中¹⁰B的丰度不小于96％；

每条所述探测通道内沿轴向布置有阻性阳极丝，所述阻性阳极丝的一端加正高压，用于对中子引起的原初电离信号进行放大并输出放大后的电信号。

2.根据权利要求1所述的中子探测器，其特征在于，还包括多组读出电路；

每组所述读出电路与每条探测通道内的所述阻性阳极丝的两端连接，用于根据所述阻性阳极丝获取的所述电信号计算所述中子的入射位置。

3.根据权利要求1所述的中子探测器，其特征在于：

每个所述探测通道的横截面的边长为6mm～25mm。

4.根据权利要求1所述的中子探测器，其特征在于：

所述探测通道的壁厚为0.5mm～1mm。

5.一种中子探测方法，其特征在于，包括：

步骤一：中子穿过中子探测器的入射窗进入中子探测器的探测阵列；

步骤二：探测阵列中的其中一个探测单元接收所述中子；

步骤三：接收到所述中子的探测单元的一方形的探测通道内充有的三氟化硼气体与所述中子发生核反应，产生带电粒子；

步骤四：所述探测通道内沿其轴向延伸方向布置的阻性阳极丝获取所述带电粒子的电信号并从两端输出；

步骤五：读出电路根据阻性阳极丝获取的所述电信号计算所述中子的入射位置。

6.根据权利要求5所述的中子探测方法，其特征在于：

所述步骤三中，三氟化硼气体中的¹⁰B与中子发生反应，产生带电粒子。

7.根据权利要求5所述的中子探测方法，其特征在于：

所述带电粒子的电信号包括：代表产生带电粒子的位置的电信号。

8.根据权利要求7所述的中子探测方法，其特征在于：

所述产生带电粒子的位置的电信号包括：代表产生带电粒子的探测通道的电信号以及代表产生带电粒子的探测通道轴向位置的电信号。