CN104898157A - 中子剂量当量测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种中子剂量当量测量装置及测量方法。该装置包括：彼此隔离的多个液体闪烁体计数区，每个液体闪烁体计数区的探测材料是液体闪烁体，用于与中子相互作用以获得产生光子数；透光玻璃面，所有液体闪烁体计数区一端均由透光玻璃面密封；光导和光电倍增管，中子与液体闪烁体相互作用产生的光子透过透光玻璃面输出到光导，通过光导汇集输出到光电倍增管中进行计数，以获得各个液体闪烁体计数区的产生光子数总和；数据处理器，用于对产生光子数总和进行计算获得所在中子辐射场的剂量当量。根据本发明的技术方案，能够对不同能量的中子分段测量，准确获得中子剂量当量，从而实现高灵敏度和宽量程的中子剂量当量测量。

Description

中子剂量当量测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及核与辐射探测领域，尤其涉及一种中子剂量当量测量装置及测量方法。

背景技术

中子辐射防护量的剂量当量监测存在着许多困难，主要有：1）中子辐射场的中子能量范围往往比较宽，并伴随有光子产生；2）中子注量与剂量当量的转换系数随能量变化比较大，有近两个量级的差异；3）用于探测中子的探测器大多数是热中子灵敏的，对快中子灵敏度比较低；4）探测时探头的材料也会对探测器产生一些干扰等。

目前的中子剂量当量仪大多数是采用单个计数器、独立慢化体（或加放吸收体）设计思路研制，其面临的主要问题是剂量当量能量响应不理想，只能兼顾某一特定能量范围的计数响应，同时常不能使用于环境中子本底辐射及低剂量水平中子辐射场的测量；此外，可测量中子辐射场中子能量谱的多球中子谱仪，因为采用多个探测球体进行测量，应用于现场辐射防护测量和低剂量水平中子辐射场测量多有不足之处。

因此，在研制和开发中子剂量监测仪表时，一方面需考虑传统的中子剂量仪的测量快捷使用方便等优点，同时要克服剂量能量响应不理想这一缺点；另一方面吸取多球中子谱仪可以获取中子能谱方面信息的优点，同时克服场所多球中子谱仪在使用上的不方便；现有中子剂量当量仪表尚未有效的将上述两方面有机的结合起来，取长补短。

近年来使用液体闪烁体作为探测部件来研制中子剂量当量仪是辐射防护领域中子剂量测量仪表的新方向，液体闪烁体主要有C和H组成，可有效探测到快中子成份，可探测到能量高达150MeV的中子；同时因为闪烁体为液体状态，易做成大体积的探测部件，因而具有较大的有效灵敏体积，提高探测仪表的灵敏度。进一步开发和利用液体闪烁体优越性能可很好的满足当前辐射防护领域中子剂量探测的需求。

但是，在包含不同能量段的中子辐射场的条件下，目前没有任何一种现有技术能够对中子剂量当量进行全面的监测。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种中子剂量当量测量装置，以解决现有技术存在的中子剂量当量仪的相对单一化、灵敏度偏低、测量能量有限、能量响应不理想等问题。

根据本发明的第一方面，提供了一种中子剂量当量测量装置，其特征在于，包括：彼此隔离的多个液体闪烁体计数区，每个液体闪烁体计数区的探测材料是液体闪烁体，用于与中子相互作用以获得产生光子数；透光玻璃面，所有液体闪烁体计数区一端均由透光玻璃面密封；光导和光电倍增管，中子与液体闪烁体相互作用产生的光子透过透光玻璃面输出到光导，通过光导汇集输出到光电倍增管中进行计数，以获得各个液体闪烁体计数区的产生光子数总和；数据处理器，用于对产生光子数总和进行计算获得所在中子辐射场的剂量当量。

优选地，所述液体闪烁体是掺有¹⁰B或⁶Li的液体闪烁体。

优选地，在不同液体闪烁体计数区，中子的慢化程度不同，不同液体闪烁体计数区对不同能量的响应不同，使得不同液体闪烁体计数区探测不同能量的中子。

优选地，不同液体闪烁体计数区与透光玻璃面的界面涂膜不同的透光衰减材料，使得中子与液体闪烁体相互作用产生的光子以不同的透光率输出到光导中。透光玻璃面可以为高透光率玻璃材料，厚度在0.1cm-1cm之间。

优选地，多个（N个）液体闪烁体计数区由N个半径不同的半圆球壳彼此隔离，每个半圆球壳球心处于同一位置，按照同方向放置。N个半圆球壳端面由透光玻璃面固定并密封，将透光玻璃面分成（N-1）个同心圆环面和1个圆面。半圆球壳由中子反应截面小、密度轻、强度大的轻质金属或非金属材料制成，厚度在0.5mm-3mm之间。半圆球壳内外表面经光学反光处理，均涂膜密制高反光材料。半圆球壳可以是非半球型球壳，球壳立体角在30°-150°之间。

根据本发明的第二方面，提供了一种中子剂量当量测量方法，其特征在于，包括步骤：建立彼此隔离的多个液体闪烁体计数区，每个液体闪烁体计数区的探测材料是液体闪烁体，用于与中子相互作用以获得产生光子数；设置透光玻璃面，使得所有液体闪烁体计数区一端均由透光玻璃面密封；设置光导和光电倍增管，使得中子与液体闪烁体相互作用产生的光子透过透光玻璃面输出到光导，通过光导汇集输出到光电倍增管中进行计数，以获得各个液体闪烁体计数区的产生光子数总和；以及对产生光子数总和进行计算获得所在中子辐射场的剂量当量。

与现有技术相比，根据本发明的技术方案，能够使得单个测量设备分区对不同能量的中子分段测量，通过求解矩阵的方法准确获得中子剂量当量，并采用大体积、掺有可测量热中子材料的液体闪烁体作为探测部件，从而实现高灵敏度和宽量程的中子剂量当量测量。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明实施例的中子剂量当量测量装置的框图；

图2示意性地示出了根据本发明实施例的中子剂量当量测量方法的流程图；

图3示出了根据本发明优选实施例的中子剂量当量仪的结构示意图；并且

图4示出了图3所示中子剂量当量仪的俯视剖面图。

在这些附图中，使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步地详细说明。

在以下描述中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”、“示例”等等的引用表明如此描述的实施例或示例可以包括特定特征、结构、特性、性质、元素或限度，但并非每个实施例或示例都必然包括特定特征、结构、特性、性质、元素或限度。另外，重复使用短语“在一个实施例中”虽然有可能是指代相同实施例，但并非必然指代相同实施例。

为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。

图1示意性地示出了根据本发明实施例的中子剂量当量测量装置100的结构框图。

中子剂量当量测量装置100包括：彼此隔离、大体积的多个液体闪烁体计数区102，每个液体闪烁体计数区102的探测材料是液体闪烁体，用于与中子相互作用以获得产生光子数；透光玻璃面104，所有液体闪烁体计数区102一端均由透光玻璃面104密封；光导106和光电倍增管108，中子与液体闪烁体相互作用产生的光子透过透光玻璃面104输出到光导106，通过光导106汇集输出到光电倍增管108中进行计数，以获得各个液体闪烁体计数区102的产生光子数总和；数据处理器110，用于对产生光子数总和进行计算获得所在中子辐射场的剂量当量。

在不同液体闪烁体计数区102，中子的慢化程度不同，不同液体闪烁体计数区102对不同能量的响应不同，使得不同液体闪烁体计数区102可以探测不同能量的中子。一般的液体闪烁体往往不能准确测到热能到低能这一能量段的中子，所以可以使液体闪烁体掺有¹⁰B或⁶Li，或者使用任何可以探测热能-0.1MeV、0.1MeV-150MeV中子的液体闪烁体。

不同液体闪烁体计数区102与透光玻璃面104的界面涂膜不同的透光衰减材料，使得中子与液体闪烁体相互作用产生的光子以不同的透光率输出到光导106中。透光玻璃面104可以为高透光率玻璃材料，厚度在0.1cm-1cm之间。

在一个实例中，N个（一般为3～15个）液体闪烁体计数区102（图1中示出3个）由N个半圆球壳彼此隔离，每个半圆球壳的半径不同。每个半圆球壳球心处于同一位置，按照同方向放置。N个半圆球壳端面由透光玻璃面104固定并密封，将透光玻璃面104分成（N-1）个同心圆环面和1个圆面。半圆球壳由中子反应截面小、密度轻、强度大的轻质金属或非金属材料制成，厚度在0.5mm-3mm之间。半圆球壳内外表面经光学反光处理，均涂膜密制高反光材料。半圆球壳可以是非半球型球壳，球壳立体角在30°-150°之间。

图2示意性地示出了根据本发明实施例的中子剂量当量测量方法200的流程图。

方法200开始于步骤210，在该步骤中，建立彼此隔离、大体积的N个液体闪烁体计数区，每个液体闪烁体计数区的探测材料是液体闪烁体，用于与中子相互作用以获得产生光子数。可以使中子在不同液体闪烁体计数区的慢化程度不同，不同液体闪烁体计数区对不同能量的响应不同，不同液体闪烁体计数区探测不同能量的中子。采用掺有可探测热中子材料的液体闪烁体，可测量热能-150MeV能量段的中子。

接下来，在步骤220中，设置透光玻璃面，使得所有液体闪烁体计数区一端均由透光玻璃面密封。

在步骤230中，设置光导和光电倍增管，使得中子与液体闪烁体相互作用产生的光子透过透光玻璃面输出到光导，通过光导汇集输出到光电倍增管中进行计数，以获得各个液体闪烁体计数区的产生光子数总和。

可以在不同液体闪烁体计数区与透光玻璃面的界面涂膜不同的透光衰减材料，使得中子与液体闪烁体相互作用产生的光子以不同的透光率输出到光导中。

可以用N个半径不同的半圆球壳使N个液体闪烁体计数区彼此隔离。由透光玻璃面固定并密封N个半圆球壳端面，将透光玻璃面分成N-1个同心圆环面和1个圆面。

方法200结束于步骤240。在该步骤中，对N个产生光子数总和进行计算获得所在中子辐射场的剂量当量。

图3示出了根据本发明优选实施例的中子剂量当量仪的结构示意图。

根据本发明实施例的中子剂量当量仪是一种多球一体型中子剂量当量仪，由探测部件、信号采集与数据处理系统两部分组成。探测部件由多个（n≥3）半径不同半圆球壳1（图3中例示出5个）、透光玻璃面2、掺¹⁰B或⁶Li液体闪烁体3、透光硅油4、光导5、光电倍增管6、反光材料7、透光衰减材料8组件和材料组成。

图4示出了图3所示中子剂量当量仪在透光玻璃面2处的俯视剖面图。

多个半圆球壳1内外表面经光学反光处理，均涂膜反光材料7。将多个半圆球壳1按照直径由小至大、端面朝下依次相套覆盖并固定在透光玻璃面2上，确保多个半圆球壳的球心处于同一位置。n个半圆球壳1端面由透光玻璃2固定并密封，同时将透光玻璃2内表面分成（n-1）个同心圆环面和一个圆面，（n-1）个同心圆环面和一个圆面上分别涂膜了不同的透光衰减材料8。

透光玻璃面2外表面使用透光硅油4与光导5耦合连接，光导5另一端面与光电倍增管6同样使用透光硅油4连接。

半圆球壳1的数量（n）可变化，n的变化范围可以是3≤n≤15。

半圆球壳1可以由中子反应截面小、密度轻、强度大的合金铝制成，合金铝厚度在0.5mm-3mm之间，用材还可以使用铁和钢中的一种，或者其他轻质金属或非金属材料。半圆球壳1内外表面经光学反光处理，均涂膜反光材料7。反光材料7优选是密制的高反光材料MgS。

半圆球壳1中最大同心半圆球壳外围直径在15cm-50cm之间，优选30-35cm，可根据实际应用需要调整直径大小。各同心半圆球壳1直径值可以按照等差设定，也可以不按照等差设定，可根据实际应用需要调整直径大小。

半圆球壳1还可以选用非半球型球壳，球壳立体角可在30°-150°之间。

透光玻璃面2为高透光率玻璃材料，厚度在0.1cm-1cm之间。透光衰减材料8为n种不同透光率的透光衰减材料，分别涂膜在透光玻璃2内表面的（n-1）个同心圆环面和一个圆面上，整体效果要求易于中子与液体闪烁体产生的光子输出到光导5中。

光电倍增管6优选采用无⁴⁰K材质玻璃和金属材料制成。

透光玻璃面2与光导5、光导5与光电倍增管6耦合材料优选硅油，也可选用其他透光的黏合剂。

半圆球壳1与透光玻璃面2之间的空间注满掺¹⁰B或⁶Li液体闪烁体3。掺¹⁰B或⁶Li液体闪烁体3是将¹⁰B或⁶Li的有机材料均匀掺杂在含有丰富氢的液体闪烁体中制成的。

尽管本发明例示的液体闪烁体计数区优选由半圆球壳或非半球型球壳分割，根据本发明的不同液体闪烁体计数区还可以以其他方式进行分割。

本发明的多球一体型中子剂量当量仪在探测部件上采用多球体分区测量的方法，测量不同的能量段的中子。同时为提高热中子-低能中子的探测效率，在液体闪烁体中均匀掺杂了含¹⁰B或⁶Li材料。

理论上讲，在探头部件结构相同的情况下，液体闪烁体越大，中子剂量当量仪探测灵敏度越高。中子与液体闪烁体相互作用产生的光子在各分区经过多重反射经透光衰减材料层，由光导汇集输出到光电倍增管中进行计数，计算获取所在中子辐射场的周围剂量当量（率）。

本发明以液体闪烁体（掺¹⁰B或⁶Li）为探测材料和慢化材料，在不同的探测壳层，中子的慢化程度不同各层对不同能量的响应不同，因此每个壳层可探测不同能量的中子。不同层液体闪烁体（掺¹⁰B或⁶Li）既是中子的慢化层，同时也是中子剂量的探测材料。通过模拟计算确定光导前端不同层的光衰减比例，调节不同探测层计数的权重因子，即建立合理响应函数，实现系统在全能区上较好的周围剂量当量响应。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (16)

1.一种中子剂量当量测量装置，其特征在于，包括：

彼此隔离的多个液体闪烁体计数区，每个液体闪烁体计数区的探测材料是液体闪烁体，用于与中子相互作用以获得产生光子数；

透光玻璃面，所有液体闪烁体计数区一端均由所述透光玻璃面密封；

光导和光电倍增管，中子与所述液体闪烁体相互作用产生的光子透过所述透光玻璃面输出到所述光导，通过所述光导汇集输出到所述光电倍增管中进行计数，以获得各个液体闪烁体计数区的产生光子数总和；以及

数据处理器，用于对所述产生光子数总和进行计算获得所在中子辐射场的剂量当量。

2.根据权利要求1所述的中子剂量当量测量装置，其特征在于，在不同液体闪烁体计数区，中子的慢化程度不同，不同液体闪烁体计数区对不同能量的响应不同，使得不同液体闪烁体计数区探测不同能量的中子。

3.根据权利要求1所述的中子剂量当量测量装置，其特征在于，不同液体闪烁体计数区与所述透光玻璃面的界面涂膜不同的透光衰减材料，使得中子与液体闪烁体相互作用产生的光子以不同的透光率输出到所述光导中。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的中子剂量当量测量装置，其特征在于，所述多个液体闪烁体计数区由多个半径不同的半圆球壳彼此隔离，所述半圆球壳的数量等于计数区数量。

5.根据权利要求4所述的中子剂量当量测量装置，其特征在于，所述多个半圆球壳端面由所述透光玻璃面固定并密封，将所述透光玻璃面分成计数区数量减一个同心圆环面和一个圆面。

6.根据权利要求4所述的中子剂量当量测量装置，其特征在于，所述半圆球壳由中子反应截面小、密度轻、强度大的轻质金属或非金属材料制成，厚度在0.5mm-3mm之间。

7.根据权利要求4所述的中子剂量当量测量装置，其特征在于，所述半圆球壳内外表面经光学反光处理，均涂膜密制高反光材料。

8.根据权利要求4所述的中子剂量当量测量装置，其特征在于，所述半圆球壳是非半球型球壳，球壳立体角在30°-150°之间。

9.根据权利要求1或2所述的中子剂量当量测量装置，其特征在于，所述液体闪烁体是掺¹⁰B或⁶Li液体闪烁体。

10.根据权利要求1或3所述的中子剂量当量测量装置，其特征在于，所述透光玻璃面为高透光率玻璃材料，厚度在0.1cm-1cm之间。

11.一种中子剂量当量测量方法，其特征在于，包括步骤：

建立彼此隔离的多个液体闪烁体计数区，每个液体闪烁体计数区的探测材料是液体闪烁体，用于与中子相互作用以获得产生光子数；

设置透光玻璃面，使得所有液体闪烁体计数区一端均由所述透光玻璃面密封；

设置光导和光电倍增管，使得中子与所述液体闪烁体相互作用产生的光子透过所述透光玻璃面输出到所述光导，通过所述光导汇集输出到所述光电倍增管中进行计数，以获得各个液体闪烁体计数区的产生光子数总和；以及

对所述产生光子数总和进行计算获得所在中子辐射场的剂量当量。

12.根据权利要求11所述的中子剂量当量测量方法，其特征在于，所述建立彼此隔离的多个液体闪烁体计数区的步骤进一步包括：使中子在不同液体闪烁体计数区的慢化程度不同，不同液体闪烁体计数区对不同能量的响应不同，不同液体闪烁体计数区探测不同能量的中子。

13.根据权利要求11所述的中子剂量当量测量方法，其特征在于，还包括步骤：

在不同液体闪烁体计数区与所述透光玻璃面的界面涂膜不同的透光衰减材料，使得中子与液体闪烁体相互作用产生的光子以不同的透光率输出到所述光导中。

14.根据权利要求11-13中任一项所述的中子剂量当量测量方法，其特征在于，所述建立彼此隔离的多个液体闪烁体计数区的步骤进一步包括：用多个半径不同的半圆球壳使所述多个液体闪烁体计数区彼此隔离，所述半圆球壳的数量等于计数区数量。

15.根据权利要求14所述的中子剂量当量测量方法，其特征在于，所述建立彼此隔离的多个液体闪烁体计数区的步骤进一步包括：由所述透光玻璃面固定并密封所述多个半圆球壳端面，将所述透光玻璃面分成计数区数量减一个同心圆环面和一个圆面。

16.根据权利要求11或12所述的中子剂量当量测量方法，其特征在于，所述建立彼此隔离的多个液体闪烁体计数区的步骤进一步包括：在所述液体闪烁体中掺¹⁰B或⁶Li。