CN106405625A - 管形中子探测器及其位置探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管形中子探测器,包括管状的中子敏感闪烁体，其管状结构使得中子垂直入射时，中子与闪烁体内敏感物质的接触路径增加，从而提高探测效率；波移光纤排布在闪烁体的表面，以形成对闪烁体的位置划分；波移光纤的两末端分别延伸到光电转换器，以将输出的光耦合到光电转换器。中子敏感闪烁体呈管状，只需少量波移光纤就能够实现位置划分，波移光纤两端耦合的光电转换器数量就降低了，读出的电信号也减少，降低了装置的成本，提高了位置计算速度。还公开了一种分析仪和一种位置探测方法。分析仪根据第一信号和第二信号的比值或时间差与入射位置的关系式计算中子在闪烁体上的入射位置，能够更加精确计算出中子入射位置。

Description

管形中子探测器及其位置探测方法

技术领域

本发明涉及中子探测技术领域，具体涉及一种管形中子探测器及其位置探测方法。

背景技术

中子和X射线都是人类探索物质微观结构的有效探针。自英国物理学家查德威克(J.Chadwick)在1932年发现中子后，中子及中子散射技术的应用使人们对物质微观结构的认识日新月异。与X射线不同,中子不带电,能轻易的穿透电子层,与原子核发生核反应,其质量衰减系数与入射的中子能量和物质的原子核截面有关。因此可以说中子是目前研究物质结构和动力学性质的理想探针。中子散射技术利用低能中子的波长与原子间距相近，同时能量和原子、分子的热运动能量大体相当，来研究物质结构和运动状态。散射后的中子需要用位置灵敏型中子探测器接收，以获得散射中子的出射角度分部，为分析物质结构提供有效信息。这要求中子探测器具有以下几点基本性能：高中子探测效率、高位置精度和可大面积探测。

由于中子不带电，一般利用核反应法进行探测。较为常用的有3He(n，p)3T、10Be(n，α)7Li和6Li(n，α)3T三种核反应，它们与中子的反应截面都比较大。其中3He(n，p)3T核反应截面最大，且3He气体对gamma信号的灵敏度最低(中子散射中会带有很多gamma本底)，因此基于3He气体发展起来的中子探测器是目前最常用,且技术较成熟的中子探测手段,如美国GE Energy公司生产的高气压3He位置敏感正比计数器。然而，近年来出现3He气体资源严重供应不足的国际形势，近10年3He气体价格涨幅超过20倍，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。

以新型闪烁体和光电读出结构为基础的中子探测器近几年发展迅速，目前在国际上几个中子散射谱仪上的闪烁体中子探测器，都是采用传统的平板结构，如图1所示。其工作原理为：入射中子与中子敏感闪烁体101中的某些核素发生核反应，产生的次级粒子(带电粒子)在闪烁体基材中损失能量，使得闪烁体基材产生闪烁光；由闪烁体基材表面出射的闪烁光被最近的波移光纤102收集，并在波移光纤102内实现波长转化和传输(转换为长波长的光在光纤内通过全反射角传输)，并最终达到波移光纤102末端；波移光纤102末端接光电转换器(图中未视图)，将接收到的光信号转化为电信号；光电转换器件后端接读 出电子学，将电信号整形后读出。

该结构的探测器为得到入射中子的位置信息，波移光纤102需要横向和纵向排列，通过判断对应位置的波移光纤102是否有一定的光信号，来判断入射中子的位置，这样探测器的位置分辨受限于波移光纤102阵列的排列间距，很难做到1mm以下；同时后端的光电转换器件个数上要满足阵列读出的需求，每根光纤的后端都要接一个独立单元的光电转换器件，造价昂贵。读出电子学路数较为庞大，以250mm*250mm有效探测面积的探测器为例，其要实现2mm的位置探测，需要250路电子学，结构复杂。同时由于掺杂中子敏感核素后闪烁体自身的透光性会变差，所以中子敏感闪烁体101的厚度不能制备过厚，这就直接限制了该种结构探测器的中子探测效率。

发明内容

本申请提供一种成本低且探测效率高的管形中子探测器。

根据第一方面，一种实施例中提供一种管形中子探测器,包括：

管状的中子敏感闪烁体；

波移光纤，波移光纤排布在闪烁体的表面，以形成对闪烁体的位置划分；

光电转换器，波移光纤的两末端分别延伸到光电转换器，以将输出的光耦合到光电转换器，光电转换器将光信号转换成电信号输出。

根据第二方面，一种实施例中提供一种分析仪，包括：

上述的中子探测器；

处理电路，其与中子探测器的光电转换器输出端电性连接，接收闪烁体两端光电转换器输出的第一信号和第二信号，根据第一信号和第二信号计算中子在闪烁体上的入射位置。

根据第三方面，一种实施例中提供一种位置探测方法，包括：

将探测器中轴线垂直于中子照射方向放置；

分别获取闪烁体两端光电转换器输出的第一信号和第二信号；

由数据获取系统存储并做相应计算；

根据第一信号和第二信号的比值或时间差，计算中子在闪烁体上的入射位置，从而得到一定时间内散射的中子位置信息；

由中子散射图样推算被测物品内部原子核结构。

依据上述实施例的管形中子探测器，由于中子敏感闪烁体呈管状，使的垂直入射的中子经过敏感物质的路径增加，即卷曲后的中子探测效率明显提高，且只需少量波移光纤就能够实现位置划分，波移光纤两端耦合的光电转换器数 量就降低了，读出的电信号也减少，不仅降低了装置的成本，且提高了位置计算速度，即提高了探测效率。

附图说明

图1为现有技术中子探测器的结构示意图；

图2为本发明管形中子探测器一种实施例的结构示意图；

图3为本发明管形中子探测器一种实施例的侧视图；

图4为本发明管形中子探测器一种实施例波移光纤的结构示意图；

图5为本发明管形中子探测器一种实施例的剖视图；

图6为本发明位置探测方法流程图；

图7为本发明管形中子探测器使用状态图；

图8为本发明管形中子探测器中子位置探测能力的测试结果图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例一：

如图2和图3所示，本实施例提供一种管形中子探测器，包括外层闪烁体201、内层闪烁体202、波移光纤203和光电转换器204。

外层闪烁体201和内层闪烁体202都为管形中空结构且长度一致的中子敏感闪烁体，外层闪烁体201和内层闪烁体202均为一体成型结构。一体成型的内层闪烁体202，若干条波移光纤203螺旋式平行缠绕在内层闪烁体202外表面上，使得中子入射的任何位置与闪烁体发生核反应，附近都有波移光纤203进行光收集，波移光纤203之间不存在大的间隙，提高了探测的位置精度，且生产安装简单。

采用卷曲的中子敏感闪烁体和光纤，形成筒形夹心结构：最外和最内层均为中子敏感闪烁体，中间缠绕1～5根波移光纤实现闪烁光的收集与传输。卷曲后的闪烁体使中子经过敏感物质的路径增加(斜入射)，但由于中子核反应产生的次级粒子，其在闪烁体基材中产生的闪烁光为4π立体角发射，所以针对闪烁光的出射路径与平板状态下的闪烁体比较，保持不变，这就意味着同样厚度的闪烁体，卷曲后的中子探测效率会大大增加；同时结构上采用双层卷曲的闪烁体的结构，中子入射时经过的中子敏感闪烁体层数为4层，传统的平板型闪烁体中子探测器最多的中子敏感闪烁体层数为2层(波移光纤整列处在两层中子敏感闪烁体中间)，这又进一步增加了探测器的中子探测效率。

中子敏感闪烁体，主要是在闪烁体材料中掺杂中子敏感核素，利用中子敏感核素和中子核反应，产生次级带电粒子，次级带电粒子在闪烁体材料中产生电离辐射，损失能量，使得闪烁体材料产生闪烁光。闪烁光可被波移光纤203采集用于确定中子入射位置。外层闪烁体201和内层闪烁体202各自常用为掺6LiF的ZnS闪烁体、锂玻璃、掺6Li或10B的塑料闪烁体，其中掺6LiF的ZnS闪烁体是目前光产额最高的中子敏感闪烁体，同时其为粉末结构，各种形状的制备简单，故外层闪烁体201和内层闪烁体202优选为掺6LiF的ZnS闪烁体。外层闪烁体201的内径大于内层闪烁体202的外径，波移光纤203缠绕在内层闪烁体202外面上，外层闪烁体201包裹在波移光纤203外圆周上。

波移光纤203包括1～5条，螺旋式平行缠绕在内层闪烁体202的外表面上，以形成对闪烁体的位置划分，相邻两条波移光纤203之间的间距在0～5mm范围内均可。波移光纤203两端端面可通过光导材料或空气，耦合到光电转换器204上。在其他实施例中，波移光纤203沿内层闪烁体202轴向平行等间距铺设。如图4所示，以波移光纤203为两条为例，两条波移光纤203螺旋式平行缠绕在内层闪烁体202的外表面上，两条波移光纤203的螺距和半径均相同，仅在两端的切入位置不一样,一条波移纤维203两端分别与A光电转换器204和B光电转换器204耦合在一起，另一波移纤维203两端分别与C光电转换器204和D光电转换器204耦合在一起。两条波移光纤203组合缠绕在内层闪烁体202的外表面上，使得波光纤维之间的间距减小，使得探测更加精确，并且每条波移光纤203的总长度缩短很多，减少了闪烁光在波移光纤203传播过程的能力损失传播过程的光损失，同样提高了探测的精度同样提高了有效中子探测效率。

光电转换器204可将入射到其入射窗内的光信号(一定波长的光子)转换为电信号,并传输给相应电子学系统和数据获取系统,实现对该电信号的幅度或时间分析。光电转换器204有光电倍增管(PMT),半导体光探测原件如硅光二极管(APD),电荷耦合原件(CCD)等。

本实施例的管形中子探测器的中子探测原理为：中子入射到探测器中，分别与外层闪烁体201和内层闪烁体202中的某些核素发生核反应，产生的次级粒子(带电粒子)在闪烁体基材中损失能量，使得闪烁体基材产生闪烁光；由闪烁体基材表面出射的闪烁光被最近的波移光纤203收集，并在波移光纤203内实现波长转化和传输(转换为长波长的光在光纤内通过全反射角传输)，并最终达到波移光纤203末端；波移光纤203末端接光电转换器件204，将接收到的闪烁光信号转化为电信号并输出。

本实施例提供的一种管形中子探测器，双层中子敏感闪烁体和波移光纤203 的管形夹心结构，实现了较高中子探测效率和较高位置分辨，同时缠绕结构的波移光纤203一般仅需要为1～5根，其后端实现光电转换器204个数也就控制在1～10个(波移光纤双端读出)，光电转换器204配备的读出电子学路数就大大减少，直接压低闪烁体探测器整体的造价。由于内层闪烁体202一体成型，若干条波移光纤203间隔的铺设在内层闪烁体202外表面上，使得中子入射的任何位置与闪烁体发现核反应，附近都有波移光纤203进行采集，波移光纤203之间不存在大的间隙，提高了探测的精度，且安装简单；若干条波移光纤203间隔的铺设，使得每条波移光纤203总长度更短，降低了闪烁光在波移光纤203中传输的能量损失，从而提高了探测的精度。

实施例二：

本实施例提供一种分析仪，其包括实施例一种的管形中子探测器和处理电路。

处理电路与中子探测器的光电转换器204输出端电性连接，接收闪烁体两端光电转换器204输出的第一信号和第二信号，根据第一信号和第二信号的比值与入射位置的关系式计算中子在闪烁体上的入射位置，或第一信号和第二信号传输的时间差与入射位置的关系式计算出中子在闪烁体上的入射位置。

由第一信号和第二信号的比值和时间差，推算中子入射位置的具体计算方法如下：

1、光信号比值位置探测法

以交替缠绕式的波移光纤为例，光在其内部传播主要受两个参数影响：一是由于波移光纤自身不透明性带来的光衰减长度，另一个是光纤缠绕使光传输的光轴发生变化而带来的光损耗。两者都满足与光传输距离相关的指数衰减函数。对于本探测器结构，传输到后端光电转换器件的光子数N，近似于：

N＝A·exp(-2πr l/Δlλ₁)·exp(-2πr l/Δlλ₂)+N₀ (1)

如图5所示，其中r为探测器的半径，探测器总长为L，Δl为光纤的排列间距，l为中子发光位置与一端光电转换器件的距离，λ₁，λ₂分别是波移光纤的本征光衰减长度和转弯损耗对应的衰减长度，A为由中子敏感闪烁体表面入射到波移光纤内的光子数，N₀为光电转换器件上的噪声本底。实际应用中，可以把公式(1)简化为：

N＝A·exp(-2πr l/Δlλ)+N₀ (2)

其中λ＝(λ₁+λ₂)/λ₁·λ₂ (3)

可以把λ可以理解为波移光纤总的光衰减长度，由于受到转弯损耗的影响，该光衰减长度要小于波移光纤本征的光衰减长度。这样波移光纤两端耦合到光 电转换器件上的光子数比值R，满足：

其中L为波移光纤的总长度。中子敏感闪烁体发光并被最近波移光纤吸收并传输的位置l，与lnR存在线性关系，这样通过波移光纤两端光信号在光电转换器件上产生的信号电荷比值，就可以推断出中子入射的位置信息。

利用信号电荷比值位置探测计算法得到的中子位置，其最小位置分辨ΔPosition与波移光纤的排列间距Δl，以及光电读出器件后连接的分析仪的的信号电荷精度ΔQ有关，具体满足：

ΔPosition＝ln(1+ΔQ)Δlλ/4πrA (5)

可以看出ΔQ越小，ΔPosition也越小。一般分析仪的电荷精度5％的分辨率是很容易做到的。以直径3cm的探测器为例，光纤间距为2mm时，光纤弯转半径近似于探测器半径r＝1.5cm，此时探测器的最小位置分辨可以达到0.3mm，远小于传统平板式闪烁体中子探测器的位置精度。

2、光信号时间差位置探测法

缠绕的波移光纤使得闪烁体表面单位距离上的波移光纤长度增加，这就增加了闪烁光在光纤中的传输路程，中子敏感闪烁体发光位置的光传输到波移光纤一端的光信号时间T满足：

T＝(2πr l/Δl)/s (6)

如图5所示，其中r为探测器的半径，产生闪烁光的位置据一端光电转换器件的距离为l，探测器总长为L，Δl为光纤的排列间距，s为光在光纤中的群速度。这样传输到波移光纤两端的光信号时间差T’满足：

T’＝(2πr(L-2l)/Δl)/s (7)

同样可以看出，闪烁屏发光并被最近波移光纤吸收的位置l，与T’存在线性关系，这样通过探测器上光纤两端光信号的时间差，也可以得到入射中子的位置信息。

利用信号差位置探测计算法得到的中子位置，其最小位置分辨ΔPosition，同样和光纤的排列间距Δl以及光电读出器件后连接的分析仪的的最小时间分辨ΔT有关系，其满足以下等式：

ΔPosition＝ΔTΔls/4πr (8)

一般市面上分析仪的时间分辨能够达到几十ps量级。同样以直径3cm的探测器为例，光纤的排列间距Δl为2mm，分析仪的时间分辨取100ps，此时探测器的最小位置分辨能达到0.1mm。

通过上述两种比较方法能够精确的探测出中子入射的位置，两者方法能够单独用于计算中子入射位置，也能够同时计算对比，两者得出的入射位置相互补偿，得到更加精确的中子入射位置。

实施例三：

如图6所示，本实施例提供一种基于上述分析仪的位置探测方法。具体步骤如下：

S101：将探测器中轴线垂直于中子照射方向放置；

S102：分别获取闪烁体两端光电转换器输出的第一信号和第二信号；

S103：由数据获取系统存储并做相应计算；

S104：根据第一信号和第二信号的比值或时间差，计算中子在闪烁体上的入射位置，从而得到一定时间内散射的中子位置信息；

S105：由中子散射图样推算被测物品内部原子核结构。

通过上述方法可以精确的探测出中子入射的位置，从而计算出被侧物品内部原子核结构。

以下为本发明一个具体的实施案例：

管形中子探测器内芯为空心圆筒形铝合金，厚度为1mm，直径为4cm，有效长度为5cm，用于支撑整个探测器。内层闪烁体202为美国Eljen Technology公司EJ426型6LiF/ZnS(Ag)闪烁体，其有效厚度为320μm，其中ZnS(Ag):6LiF比分为3:1。内层闪烁体202经卷曲工艺处理后，固定在探测器内芯的外表面上。紧贴6LiF/ZnS(Ag)闪烁体表面，缠绕着美国Saint-Gobain公司生产的BCF-91A型波移光纤203，光纤直径1mm，光纤缠绕间距1mm。缠绕的波移光纤203为3条，平均每根光纤在内层闪烁体202上长绕8圈。多条光纤的设计主要是考虑到，单根波移光纤要达到一定的位置分辨，其缠绕圈数会较多，导致被其传输到光电转换器204的光子数会衰减较多，使得信号过小，给后端电子学的处理增加难度。

波移光纤203两端通过硅油耦合到光电转换器204上，光电转换器C11206为日本Hamamatsu公司生产，C11206是个阵列式的雪崩光二极管(APD)，其光电转化效率高且增益高，同时带有8个独立的光雪崩二极管，即具有8个独立的光电转换器件。C11206后端集成了读出电子学，可直接将其信号输入到数据获取系统。3根光纤6个断面，经硅油耦合到C11206的入射窗上。

探测器的最外一层的外层闪烁体201仍是6LiF/ZnS(Ag)闪烁体，同样经卷曲工艺处理后通过一个空心圆筒形铝合金，固定于光纤外表面。整个探测器组 装好后需避光封装，仅有电子学的数据线和C11206供电线，通过避光接插件，和数据获取系统及供电系统连接。

利用252Cf同位素中子源，测试探测器的中子探测效率和中子位置探测能力。252Cf同位素中子源经慢化准直后，照射到探测器表面。如图7所示探测器a表面放置开孔的2mm厚镉板b，以有效阻挡慢化后的中子。中子探测效率测试，以标准3He管的测试结果作为入射中子数的标定，测试得到的管形中子探测器的中子探测效率为63％。探测器中子位置探测能力的测试结果如图8所示，由于同位素中子源的中子出射方向性较差，准直后仍很难保证其方向性，所以探测器得到的中子图像边沿较模糊。镉板上两个狭缝的宽为1mm，间距为0.5mm，从成像结果上看，探测器的最佳位置分辨好于0.5mm。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (9)

1.一种管形中子探测器,其特征在于包括：

管状的中子敏感闪烁体；

波移光纤，所述波移光纤排布在闪烁体的表面，以形成对闪烁体的位置划分；

光电转换器，所述波移光纤的两末端分别延伸到光电转换器，以将输出的光耦合到光电转换器，光电转换器将光信号转换成电信号输出。

2.如权利要求1所述的管形中子探测器,其特征在于：闪烁体为内外嵌套的双层管状闪烁体，波移光纤排布在外层闪烁体和内层闪烁体之间。

3.如权利要求2所述的管形中子探测器,其特征在于：波移光纤排布在内层闪烁体的外表面，内层闪烁体为一体成型的管状体。

4.如权利要求3所述的管形中子探测器,其特征在于：至少一条波移光纤螺旋式平行缠绕在所述内层闪烁体外表面上。

5.如权利要求3所述的管形中子探测器,其特征在于：多条波移光纤沿闪烁体的轴向平行铺设在所述内层闪烁体外表面上。

6.如权利要求1-4中任一项所述的管形中子探测器,其特征在于：光电转换器分布于管状闪烁体的两端，波移光纤的两末端分别从闪烁体的两端引出并延伸到对应端的光电转换器。

7.一种分析仪，其特征在于包括：

如权利要求1-6所述的管形中子探测器；

处理电路，其与中子探测器的光电转换器输出端电性连接，接收闪烁体两端光电转换器输出的第一信号和第二信号，根据第一信号和第二信号计算中子在闪烁体上的入射位置。

8.如权利要求7所述的分析仪,其特征在于，处理电路根据第一信号和第二信号的比值与入射位置的关系式计算中子在闪烁体上的入射位置，或第一信号和第二信号传输的时间差与入射位置的关系式计算中子在闪烁体上的入射位置。

9.如权7所述的分析仪的位置探测方法，其特征在于包括：

将探测器中轴线垂直于中子照射方向放置；

分别获取闪烁体两端光电转换器输出的第一信号和第二信号；

由数据获取系统存储并做相应计算；

根据第一信号和第二信号的比值或时间差，计算中子在闪烁体上的入射位置，从而得到一定时间内散射的中子位置信息；

由中子散射图样推算被测物品内部原子核结构。