CN104597480A - 直照补偿型脉冲中子探测装置及探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直照补偿型脉冲中子探测装置及探测系统，所述探测装置包括两个硅PIN探测器(1、2)、转换靶(3)以及补偿盒(4)，两个所述硅PIN探测器平行设置，所述转换靶(3)设置在两个硅PIN探测器之间；两个硅PIN探测器的输入端分别与高压电源(5)连接，两个硅PIN探测器输出端分别与所述补偿盒(4)的输入端连接。本发明的探测系统，包括多个直照补偿型脉冲中子探测装置。采用同轴设置本发明探测装置，通过设有信号补偿电路，能够扣除伽马和散射本底的干扰，加强中子的测量信号；在每个探测器中间加入铝片，有效提高了探测器的直照信号扣除的准确度；结构简单，工作可靠。

Description

直照补偿型脉冲中子探测装置及探测系统

技术领域

本发明属于探测领域，具体涉及直照补偿型脉冲中子探测装置及探测系统，该探测装置可以接收来自聚乙烯靶上的核反冲质子，用于测量10¹¹-10¹⁵n·cm^-2·s^-1的高强度脉冲中子。

背景技术

直照补偿型脉冲中子探测器是一种对电荷灵敏的半导体探测器，它直接接收反冲质子，反冲质子在硅PIN探测器中沉积能量，形成电流输出。由于硅PIN探测器对中子和伽马等辐射都很敏感，而且在脉冲混合场中无法将中子伽玛分开，另外在脉冲辐射情况下的散射本底也很严重，导致探测器的伽玛甄别能力下降。为了在强伽马辐射环境中测量中子信号，就必须扣除伽马和散射本底的干扰。

通过补偿电路扣除前后探测器的直照中子和伽玛信号，探测系统输出的中子信号全部由夹在两片探测器之间的聚乙烯靶来提供，称为“直照补偿型脉冲中子探测器”。这种直照补偿型脉冲中子探测器的使用场合是单次强脉冲中子束的测量，需要同轴性(时间响应快)、经济性(结构简洁)、高可靠性的硅PIN半导体探测器。根据以前中子物理诊断的经验，并对反冲质子法中子测量系统进行了适当的灵敏度调整，该系统可以用在任务中测量可几当量中子强度。为了降低测量的下限，可以缩短探测器到聚乙烯距离，为了解决前后探测器直照本底扣除问题，设计了信号补偿电路。为了增加探测器的能量响应曲线的平坦性，聚乙烯和探测器的厚度要减薄。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种直照补偿型脉冲中子探测装置，能够直接扣除伽马和散射本底的干扰，加强中子的测量信号；结构简单，工作可靠。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：提供一种直照补偿型脉冲中子探测装置，其包括两个硅PIN探测器、转换靶以及补偿盒，两个所述硅PIN探测器平行设置，所述转换靶设置在两个硅PIN探测器之间；两个硅PIN探测器的输入端分别与高压电源连接，两个硅PIN探测器输出端分别与所述补偿盒的输入端连接。

进一步，所述补偿盒的输出端与信号同轴连接器连接。

进一步，所述转换靶采用高密度聚乙烯片。

进一步，每个所述硅PIN探测器中间设有铝片。

进一步，所述硅PIN探测器采用Φ60平面工艺硅PIN探测器，所述硅PIN探测器厚度为300μm。

进一步，所述聚乙烯片的厚度为100μm或200μm。

本发明还提供一种探测系统，包括上述所述直照补偿型脉冲中子探测装置，多个直照补偿型脉冲中子探测装置采用同轴设置。

进一步，相邻两个所述直照补偿型脉冲中子探测装置之间通过铝环隔开。

进一步，每块铝环的前端设有铷铁硼磁铁。

进一步，在最前端的所述铷铁硼磁铁前设有过滤器。

本发明的有益技术效果在于：

(1)通过在探测器加正高压，使得探测器全耗尽并具有较大的线性电流；

(2)通过设有补偿电路，在探测时能够扣除伽马和散射本底干的扰，保证中子的测量信号；

(3)在每个探测器中间加入铝片，有效提高了探测器的直照信号扣除的准确度；

(4)本发明提供的探测系统，采用同轴设计，性能好，时间响应快，测量高强度单次脉冲中子波形不畸变；

(5)本发明提供的探测系统，在铅过滤器后端加高强度铷铁硼磁铁，偏转射线在铅过滤器以及前端形成的次级电子；

(6)补偿后的信号有较快的时间响应速度，补偿电路对于不快于80ns的信号不会产生畸变；

(7)结构简单，工作可靠，不需要高真空。

附图说明

图1是本发明直照补偿型脉冲中子探测器的结构示意图；

图2是本发明直照补偿型脉冲中子探测器补偿电路的原理图；

图3是本发明探测系统的结构示意图。

图中：

1、2-硅PIN探测器   3-转换靶          4-补偿盒

5-高压源           6-信号同轴连接器  7-磁铁

8-过滤器           9-铝环

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

如图1所示，是本发明的直照补偿型脉冲中子探测装置，该装置包括两个大面积硅PIN探测器1、2、聚乙烯转换靶3、补偿盒4、高压源5和信号同轴连接器6。

两个硅PIN探测器1、2平行设置，聚乙烯转换靶3设置在两个硅PIN探测器之间；其中，两个硅PIN探测器的输入端分别与高压源5连接，两个硅PIN探测器输出端分别与补偿盒4的输入端连接，补偿盒4的输出端与信号同轴连接器6连接。

本发明的直照补偿型脉冲中子探测装置，它接收由含氢物质与中子反应生成的反冲质子的电荷，在大面积硅PIN探测器中形成电流输出，中子直照信号以及伽马和散射本底经过补偿电路进行扣除，从而保证了中子的测量信号。探测装置采用Φ60的平面工艺硅PIN探测器，硅PIN探测器厚度均为300μm，从而增加了探测装置的能量响应曲线的平坦性。转化靶采用高密度聚乙烯片，聚乙烯厚度为100μm、200μm两种，两个探测器的输出信号经过补偿电路后成一路输出，在两个探测器中间加1mm左右的铝片，有效提高了两个探测器的直照信号扣除的准确度。

实验测量了探测装置对MeV级质子的时间响应小于100ns。实验表明，补偿中子探测装置对14MeV的中子束流，信噪比达到190倍。通过理论分析，探测装置对裂变中子的灵敏度达到每中子10^-16C·cm²量级，信噪比大于20。

如图2所示，是本发明设计的直照补偿型脉冲中子探测装置补偿电路的原理图。补偿电路包括一只集成运放组成的基本差动运算放大器，两个输入信号u_i1、u_i2分别加到反相输入端u_-和同相输入端u₊。当电阻R₁＝R₂＝R₃＝R₄时，输出电压u₀＝u_i2-u_i1，如果将u_i1、u_i2作为前、后两个硅PIN探测器的脉冲电压输出，则u₀可作为最终补偿后的输出信号。由此，该探测装置通过设有补偿电路，解决了伽马和散射本底的干扰。

如图3所示，是本发明提供的探测系统，该探测系统包括多个直照补偿型脉冲中子探测装置。

多个直照补偿型脉冲中子探测装置安装到测量靶室后形成探测系统。图中通过三套探测装置来举例说明，每一套直照补偿型脉冲中子探测装置之间用100mm长的铝环9隔开，每块铝环9前端加上强场铷铁硼磁铁7。在探测系统最前端铷铁硼磁铁7的前端设有直径80mm、厚20mm的铅过滤器8。三套探测器通过分压电路进行供电，同时变压的+12V和－12V的电压提供给补偿电路。通过综合考核实验，在第一个半导体探测装置前端加上1mmAl片，可以使前后两个半导体探测装置(相距约为2mm)的直照灵敏度达到平衡。

探测装置中子灵敏度标定实验在ING-103型DPF脉冲中子发生器装置上进行，理论计算100μm聚乙烯靶扣除直照效应后的14MeV中子灵敏度为1.45×10^-15C·cm²，200μm聚乙烯靶扣除直照效应后的14MeV中子灵敏度为2.73×10^-15C·cm²，硅PIN探测器14MeV中子直照灵敏度为2.45×10^-15C·cm²，在不确定度范围内与实验结果一致。

本发明的直照补偿型脉冲中子探测装置及探测系统并不限于上述具体实施方式，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 (10)

1.一种直照补偿型脉冲中子探测装置，其包括两个硅PIN探测器(1、2)、转换靶(3)以及补偿盒(4)，其特征是：两个所述硅PIN探测器平行设置，所述转换靶(3)设置在两个硅PIN探测器之间；两个硅PIN探测器的一端分别与高压源(5)连接，两个硅PIN探测器另一端分别与所述补偿盒(4)的输入端连接。

2.如权利要求1所述的直照补偿型脉冲中子探测装置，其特征是：所述补偿盒(4)的输出端与信号同轴连接器(6)连接。

3.如权利要求2所述的直照补偿型脉冲中子探测装置，其特征是：所述转换靶(3)采用高密度聚乙烯片。

4.如权利要求1-3任一项所述的直照补偿型脉冲中子探测装置，其特征是：每个所述硅PIN探测器中间设有铝片。

5.如权利要求4所述的直照补偿型脉冲中子探测装置，其特征是：所述硅PIN探测器采用Φ60平面工艺硅PIN探测器，所述硅PIN探测器厚度为300μm。

6.如权利要求5所述的直照补偿型脉冲中子探测装置，其特征是：所述聚乙烯片的厚度为100μm或200μm。

7.一种探测系统，其特征是：包括多个如权利要求1-6任一项所述的直照补偿型脉冲中子探测装置，多个直照补偿型脉冲中子探测装置采用同轴设置。

8.如权利要求7所述的探测系统，其特征是：相邻两个所述直照补偿型脉冲中子探测装置之间通过铝环(9)隔开。

9.如权利要求8所述的探测系统，其特征是：每块所述铝环(9)的前端设有铷铁硼磁铁(7)。

10.如权利要求9所述的探测系统，其特征是：在最前端的所述铷铁硼磁铁(7)前设有过滤器(8)。