CN104898158B - 中子剂量当量测量方法和测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种中子剂量当量测量方法和测量装置。该方法包括步骤：建立液体闪烁体计数区、中心计数区和周边计数区，液体闪烁体计数区包含液体闪烁体，中心计数区包括第一中子计数器，周边计数区包括多个第二中子计数器；通过中子与液体闪烁体的相互作用获得第一中子剂量当量；通过中子与第一中子计数器的相互作用获得第二中子剂量当量；通过中子与第二中子计数器的相互作用获得第三中子剂量当量；对第一、第二和第三中子剂量当量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，能够相对独立的分别对低能、中能、高能中子进行测量，从而实现高灵敏度和宽量程的中子剂量当量测量。

Description

中子剂量当量测量方法和测量装置

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方法和测量装置。

背景技术

中子剂量当量仪是用于测量辐射场中中子周围剂量当量的一种探测器系统，它一般由探测部件、信号采集与数据处理系统两部分组成。探测部件常用的物理反应是BF₃正比计数管的¹⁰B（n，α）、³He正比计数管的³He（n，Ρ）、LiI闪烁计数器的⁶Li（n，α）等，偶尔也使用活化探测器和固体探测器。其外用聚乙烯或石蜡等慢化材料包裹着，在慢化体内有铅或铁等吸收体按照一定分布镶嵌其中。例如，一种典型的无内吸收体的中子剂量当量仪所用的探头采用BF₃正比计数管，呈现圆柱状，BF₃计数管沿着柱状聚乙烯慢化体的轴线布置，BF₃计数管和慢化体内层的外部是含硼的塑料圆筒，同时在此塑料圆筒上开钻一定直径的小孔。通过适当调整硼塑料圆筒与BF₃计数管的距离、慢化体的外径、圆柱筒内硼含量，所设计的中子剂量当量仪能量响应大有改善，在5keV中能区附近其灵敏度曲线与剂量当量曲线接近了1.7倍。

国内外现行中子剂量当量仪在其所标称的测量能量范围内的能量响应，很难在全部能量段达到较好的一致性，只能兼顾某一特定能量范围的能量响应。例如典型的LB6411型中子周围剂量当量（H*（10））率仪是单慢化球单³He热中子灵敏计数器作为探测部件，中子能量测量范围为10^-8-14MeV，在能量10^-3-10^-2MeV之间周围剂量当量（H*（10））被严重高估，高达4-6倍，在10^-8-10^-6、10-14MeV又被低估，最大可达到1/2。目前采用多探头和多探测技术的中子剂量探测仪器，对能量响应的问题进行了改进；即采用多个探测部件对不同能量段中子分别测量，或是通过不同种探测技术，如用BF₃计数器和TEPC测量技术的组合剂量分析，此类仪器在其测量能量范围内的能量响应可达到0.7-1.4之间。

目前，所开发的中子剂量当量仪主要用于辐射工作场所高剂量场的中子辐射场探测，不适合环境中子本底辐射及低剂量水平中子辐射场的测量；同时目前中子剂量当量仪测量中子能量范围有限，一般只能测量热能—20MeV能区的中子，对于高能中子场所和天然环境中80MeV和200MeV两个峰值上的高能中子束手无策。例如，在国外商品中，目前中子剂量当量仪的灵敏度一般不超过10cps/μSv h^-1，能量响应范围从热中子到几十兆电子伏。中国原子能科学研究院研制的三种高灵敏度中子雷姆计数器，第一种是NR1型，在热能—17MeV能区，剂量范围10^-3-10³μSv/h，中子灵敏度为14cps/μSv h^-1；第二种是NR2型，在热能—7MeV能区，剂量范围10^-3-650μSv h^-1，中子灵敏度为20.9cps/μSv h^-1；第三种是NH-1型，在热能—20MeV能区，剂量范围10^-3-10³μSv h^-1，中子灵敏度为48.9cps/μSv h^-1。现有中子剂量当量仪的灵敏度不能满足高能中子场所和环境级中子辐射场探测的需要。

但是，在包含高、中、低全部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方法和测量装置，以解决现有技术存在的中子剂量当量仪的灵敏度偏低、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方法，其特征在于，包括步骤：建立液体闪烁体计数区、中心计数区以及周边计数区，其中，液体闪烁体计数区包含液体闪烁体，中心计数区包括第一中子计数器，周边计数区包括多个第二中子计数器；通过中子与液体闪烁体的相互作用获得第一中子剂量当量；通过中子与第一中子计数器的相互作用获得第二中子剂量当量；通过中子与第二中子计数器的相互作用获得第三中子剂量当量；以及对第一中子剂量当量、第二中子剂量当量以及第三中子剂量当量进行计算获得所在中子辐射场的剂量当量。

优选地，获得第一中子剂量当量的步骤进一步包括：中子与液体闪烁体相互作用产生的光子输出到光导，通过光导汇集输出到光电倍增管中进行计数。进一步优选地，中子剂量当量测量装置还包括透光玻璃面，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。

优选地，建立中心计数区的步骤进一步包括：将第一中子计数器设置在液体闪烁体中心。

优选地，建立周边计数区的步骤进一步包括：在液体闪烁体中，按照等平面角方法、在同一半径距离上设置多个第二中子计数器。

优选地，计算获得所在中子辐射场的剂量当量的步骤进一步包括：对第一中子剂量当量、第二中子剂量当量以及第三中子剂量当量进行加权计算。

根据本发明的第二方面，提供了一种中子剂量当量测量装置，其特征在于，包括：液体闪烁体计数区，包含液体闪烁体，用于与中子相互作用获得第一中子剂量当量；中心计数区，包括第一中子计数器，用于与中子相互作用获得第二中子剂量当量；周边计数区，包括多个第二中子计数器，用于与中子相互作用获得第三中子剂量当量；以及数据处理器，用于对第一中子剂量当量、第二中子剂量当量以及第三中子剂量当量进行计算获得所在中子辐射场的剂量当量。

优选地，液体闪烁体计数区用于测量高能中子，中心计数区用于测量中能中子，以及周边计数区用于测量低能中子。

优选地，第一中子计数器与第二中子计数器是相同种类或不同种类的中子计数器，并且第一中子计数器和第二中子计数器分别选自以下中子计数器：³He计数器、BF₃计数器、LiI闪烁计数器、“夹层”式半导体探测器。

优选地，液体闪烁体是含有丰富碳和氢的BC501A型液体闪烁体。

优选地，中子剂量当量测量装置还包括圆柱形壳体，液体闪烁体注入圆柱形壳体内。

与现有技术相比，根据本发明的技术方案，能够相对独立的分别对低能、中能、高能中子进行测量，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方法的流程图；

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装置的框图；

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方法100的流程图。

方法100开始于步骤110，在该步骤中，建立液体闪烁体计数区、中心计数区以及周边计数区。

使液体闪烁体计数区包含液体闪烁体。使中心计数区包括第一中子计数器，具体地，将第一中子计数器设置在液体闪烁体中心。使周边计数区包括多个第二中子计数器，具体地，在液体闪烁体中，按照等平面角方法、在同一半径距离上设置多个第二中子计数器。

第一中子计数器与第二中子计数器可以是相同种类也可以是不同种类的中子计数器。中子计数器可以是³He计数器、BF₃计数器、LiI闪烁计数器、“夹层”式半导体探测器等。

接下来，在步骤120中，通过中子与液体闪烁体的相互作用获得第一中子剂量当量。具体地，中子与液体闪烁体相互作用产生的光子输出到光导，通过光导汇集输出到光电倍增管中进行计数。一般地，液体闪烁体计数区用于测量高能中子。

在步骤130中，通过中子与第一中子计数器的相互作用获得第二中子剂量当量。一般地，中心计数区用于测量中能中子。

在步骤140中，通过中子与第二中子计数器的相互作用获得第三中子剂量当量。一般地，周边计数区用于测量低能中子。

值得注意的是，尽管图1中示意性地依次列出步骤120、130、140，但是这三个步骤并不限于以该次序先后发生，而是可以以任何定时或时序发生，或者同时发生。

方法100结束于步骤150。在该步骤中，对第一中子剂量当量、第二中子剂量当量以及第三中子剂量当量进行计算获得所在中子辐射场的剂量当量。

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装置200的结构框图。

中子剂量当量测量装置200包括：液体闪烁体计数区202，包含液体闪烁体，用于与中子相互作用获得第一中子剂量当量；中心计数区204，包括第一中子计数器，用于与中子相互作用获得第二中子剂量当量；周边计数区206，包括多个第二中子计数器，用于与中子相互作用获得第三中子剂量当量；以及数据处理器208，用于对第一中子剂量当量、第二中子剂量当量以及第三中子剂量当量进行计算获得所在中子辐射场的剂量当量。

中子剂量当量测量装置200进一步包括光导201和光电倍增管203，其中，中子与液体闪烁体计数区202中的液体闪烁体相互作用产生的光子输出到光导201，通过光导201汇集输出到光电倍增管203中进行计数，以获得第一中子剂量当量。

中子剂量当量测量装置200中，中心计数区204的第一中子计数器设置在液体闪烁体中心。

中子剂量当量测量装置200中，周边计数区206的多个第二中子计数器按照等平面角方法、在同一半径距离上设置在液体闪烁体中。

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多元探测技术型中子剂量当量仪是由多个探测部件有机组成的中子周围剂量当量仪，由探测部件、信号采集与数据处理系统两部分组成。探测部件包括三个探测单元，第一探测单元是由圆柱形壳体1、液体闪烁体2、透光玻璃面6、光导8和光电倍增管9连接组成的探测单元，即液体闪烁体计数区。液体闪烁体2注入圆柱形壳体1内，圆柱形壳体1下底面用透光玻璃面6密封。在液体闪烁体2中分成中心计数区3和周边计数区4两个探测单元，中心计数区3为第二探测单元，安置一个探测器，周边计数区4为第三探测单元，按照等平面角方法、在同一半径距离上放置多个同种类的探测器。

光导8与透光玻璃面6耦合连接，光电倍增管9与光导8耦合连接。光电倍增管9采用无⁴⁰K材质玻璃和金属材料制成。透光玻璃面6与光导8、光导8与光电倍增管9耦合材料可以选用硅油，也可选用其他透光的黏合剂。

参见图4，在一个实例中，在液体闪烁体1中置入四根长圆柱型³He计数器，中心计数区3放置一根³He计数器，周边计数区4放置三根³He计数器。中心计数区3的计数器一端固定在圆柱形壳体1上底面，周边计数区4的多个计数器的一端也都固定在圆柱形壳体1上底面。长圆柱型³He计数器外侧涂膜反光材料，优选MgS。周边计数区4中的计数器数量不限于三根，可以根据需要增加。

为实现中子剂量当量仪的高灵敏度，可采用大体积的圆柱形壳体1，增加液体闪烁体2的探测体积。圆柱形壳体1的外围直径在15cm-50cm之间，优选为30cm-35cm，高度在10cm-40cm之间，优选为20cm-25cm。可根据实际应用需要调整直径大小。

圆柱形壳体1上底面和圆柱侧面是由轻质金属材料5制成，圆柱形壳体1上底面和圆柱侧面壁厚度为0.5mm-3mm之间。金属材料5是中子反应截面小、强度高的轻质金属材料，此金属材料是铝、合金铝、铁中的一种。

圆柱形壳体1的下底面是由透光玻璃面6组成，易于中子与液体闪烁体2产生的光子输出到光导8中。透光玻璃面6为高透光率玻璃材料，厚度在0.1cm-1cm之间。

圆柱形壳体1上底面和侧面内表面涂膜反光材料7。反光材料7可以是密制的高反光材料MgS。

为扩展中子剂量当量仪对中子的能量测量范围，圆柱形壳体1内注入并注满液体闪烁体2。液体闪烁体2可以是含有丰富碳和氢的BC501A型液体闪烁体，可探测能量为1-150MeV的中子，中子剂量当量仪测量中子能量范围是2.5×10^-8-150MeV。也可采用其他类型的液体闪烁体。

液体闪烁体2对中心计数区3和周边计数区4中计数器的中子探测具有较好的慢化效果，因此中心计数区3和周边计数区4中对辐射场中子的响应不同，可实现对不同能量段的中子分别测量。

中心计数区3和周边计数区4的探测器可以是同类探测器或者可以是不同类探测器。探测器可以是对热中子灵敏的³He计数器、BF₃计数器、LiI闪烁计数器或“夹层”式半导体探测器中的一种。

探测器（计数器）的外围直径在1.5cm-10cm之间，优选为2.5cm-5cm。可根据实际应用需要调整直径大小。

通过采用大体积的圆柱形壳体，增加液体闪烁体的探测体积，并且中心计数区和周边计数区采用灵敏度较高的³He计数器，中子剂量当量仪灵敏度可高于30cps/μSv h^-1。

本发明的多元探测技术型中子剂量当量仪在探测部件上采用分区测量的方法，即周边计数区、中心计数区和液体闪烁体计数区，分别用于测量低能（热中子-0.01MeV）、中能（0.01-1MeV）、高能（1-150MeV）中子，三个分区测量相对独立，从而改善中子剂量当量仪对不同中子的能量响应，在测量能量范围内的能量响应可达到0.75-1.3之间。

理论上讲，在探头部件结构相同的情况下，液体闪烁体和计数器体积越大，中子剂量当量仪探测灵敏度越高，但在选择计数器长度、气压、直径和液体闪烁体体积时，需要综合全面考虑中子剂量当量仪对灵敏度的要求和仪表几何分布。

周边计数区、中心计数区采用的探测器可直接测到对中子辐射场响应的计数值；液体闪烁体计数区是将中子与液体闪烁体相互作用产生的光子数，通过光导汇集输出到光电倍增管中进行计数，此区可测得高能中子的谱数据。三个区测量结果可经加权计算（乘以相应权重因子加和）获取达到所在中子辐射场的周围剂量当量（率）。

根据高能中子辐射场和环境级中子辐射水平对探测器灵敏度和测量能区和能量响应的实际需要和对市场商用产品能力的调查调研，采用蒙特卡罗方法优化设计一种多元探测技术型中子剂量当量仪，能够满足当前辐射防护中子剂量探测的需要。

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 (15)

1.一种中子剂量当量测量方法，其特征在于，包括步骤：

建立液体闪烁体计数区、中心计数区以及周边计数区，其中，所述液体闪烁体计数区包含液体闪烁体，所述中心计数区包括第一中子计数器，所述周边计数区包括多个第二中子计数器，所述中心计数区和所述周边计数区均位于所述液体闪烁体中，所述液体闪烁体用作所述第一中子计数器和所述第二中子计数器中子探测的慢化体；

通过中子与所述液体闪烁体的相互作用获得第一中子剂量当量；

通过中子与所述第一中子计数器的相互作用获得第二中子剂量当量；

通过中子与所述第二中子计数器的相互作用获得第三中子剂量当量；以及

对所述第一中子剂量当量、所述第二中子剂量当量以及所述第三中子剂量当量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方法，其特征在于，所述获得第一中子剂量当量的步骤进一步包括：中子与所述液体闪烁体相互作用产生的光子输出到光导，通过所述光导汇集输出到光电倍增管中进行计数。

3.根据权利要求1所述的中子剂量当量测量方法，其特征在于，所述建立中心计数区的步骤进一步包括：将所述第一中子计数器设置在所述液体闪烁体中心。

4.根据权利要求1所述的中子剂量当量测量方法，其特征在于，所述建立周边计数区的步骤进一步包括：在所述液体闪烁体中，按照等平面角方法、在同一半径距离上设置多个所述第二中子计数器。

5.根据权利要求1所述的中子剂量当量测量方法，其特征在于，所述计算获得所在中子辐射场的剂量当量的步骤进一步包括：对所述第一中子剂量当量、所述第二中子剂量当量以及所述第三中子剂量当量进行加权计算。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的中子剂量当量测量方法，其特征在于，所述液体闪烁体计数区用于测量高能中子，所述中心计数区用于测量中能中子，以及所述周边计数区用于测量低能中子。

7.一种中子剂量当量测量装置，其特征在于，包括：

液体闪烁体计数区，包含液体闪烁体，用于与中子相互作用获得第一中子剂量当量；

中心计数区，包括第一中子计数器，用于与中子相互作用获得第二中子剂量当量，所述中心计数区位于所述液体闪烁体中，所述液体闪烁体用作所述第一中子计数器中子探测的慢化体；

周边计数区，包括多个第二中子计数器，用于与中子相互作用获得第三中子剂量当量，所述周边计数区位于所述液体闪烁体中，所述液体闪烁体用作所述第二中子计数器中子探测的慢化体；以及

数据处理器，用于对所述第一中子剂量当量、所述第二中子剂量当量以及所述第三中子剂量当量进行计算获得所在中子辐射场的剂量当量。

8.根据权利要求7所述的中子剂量当量测量装置，其特征在于，进一步包括光导和光电倍增管，其中，中子与所述液体闪烁体相互作用产生的光子输出到所述光导，通过所述光导汇集输出到所述光电倍增管中进行计数，以获得第一中子剂量当量。

9.根据权利要求7所述的中子剂量当量测量装置，其特征在于，所述第一中子计数器设置在所述液体闪烁体中心。

10.根据权利要求7所述的中子剂量当量测量装置，其特征在于，多个所述第二中子计数器按照等平面角方法、在同一半径距离上设置在所述液体闪烁体中。

11.根据权利要求7-10中任一项所述的中子剂量当量测量装置，其特征在于，所述液体闪烁体计数区用于测量高能中子，所述中心计数区用于测量中能中子，以及所述周边计数区用于测量低能中子。

12.根据权利要求7、9或10所述的中子剂量当量测量装置，其特征在于，所述第一中子计数器与所述第二中子计数器是相同种类或不同种类的中子计数器，并且所述第一中子计数器和所述第二中子计数器分别选自以下中子计数器：³He计数器、BF₃计数器、LiI闪烁计数器、“夹层”式半导体探测器。

13.根据权利要求8所述的中子剂量当量测量装置，其特征在于，还包括透光玻璃面，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。

14.根据权利要求7-10中任一项所述的中子剂量当量测量装置，其特征在于，所述液体闪烁体是含有丰富碳和氢的BC501A型液体闪烁体。

15.根据权利要求7-10中任一项所述的中子剂量当量测量装置，其特征在于，还包括圆柱形壳体，所述液体闪烁体注入所述圆柱形壳体内。