CN106873024A - 一种用于小型块堆的高灵敏环境中子能谱分析系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于小型块堆的高灵敏环境中子能谱分析系统，可用于小型快中子反应堆周围环境的能谱、注量、剂量在线测量，而且不会出现探测器分散布局带来的相互干扰问题。该系统包括中子探头、电子学系统和能谱分析系统；所述中子探头由多个探测单元组成；每个探测单元包括热中子灵敏的探测器和包裹在探测器外部的慢化体，部分探测单元内置嵌入于慢化体的增殖层；不同探测单元的慢化体厚度不同；各探测单元均匀分布在小型快堆周围，且探测单元的中心线与小型快堆的径向垂直；各探测单元探测器同时进行信号探测，探测到的信号经过电子学系统的处理后，发送至能谱分析系统。

Description

一种用于小型块堆的高灵敏环境中子能谱分析系统
技术领域
本发明涉及中子能谱测量分析的技术领域，特别是一种用于小型块堆的高灵敏环境中子能谱分析系统，可适用于小型快中子反应堆周围环境的能谱、注量、剂量在线测量。
背景技术
由多个置于石蜡或聚乙烯腔内的热中子探测器所构成的中子探测器，常用来测量中子能谱。如Bonner多球谱仪，由于其简单、可靠，适用能区广，可以从10keV到几十MeV，被广泛用于中子能谱测量，是中子计量实验室的常用设备，应用广泛。
著名的Bonner多球谱仪有PTB研制的多球谱仪。PTB研制的Bonner多球谱仪由8个不同厚度慢化体的中子探测器组成一个能谱测量分析系统，中子探测器主要由3He正比计数器、球形慢化体组成。不同厚度慢化层的中子探测器其注量能量响应峰值随慢化体厚度增加而向高能区移动，在20MeV以上更高能量的中子能量灵敏度则下降迅速。其采用SP9球形正比计数器作为热中子探测器，探测效率低，环境条件下计数少，测量结果统计误差大。NEMUS型Bonner球谱仪采用高密度聚乙烯作为慢化体，慢化体中增加铅层，改善了20MeV以上高能中子响应。该类NEMUS型中子谱仪的高能响应好，而在环境本底条件下测量结果统计误差大。
在Nucl.Instrum.Methods Phys.Res(2002)中，刊登的“Bonner spherespectrometers-a critical review”公开出版物中所报道的技术方案，采用一套5-6个直径在5cm-30cm低探测效率的聚乙烯球测量环境中子能谱，其灵敏度低，且适用于热中子到20MeV中子能段，未涉及20MeV以上能量测量改善方法，不是十分满足高能成分多的环境中子能谱测量需求。在Nucl.Instrum.Methods A(2002)中，刊登的“Measurement of theerengy spectrum of cosmic-ray induced neutrons aboard an ER-2high-altitudeairplane”公开出版物中所报道的技术方案，采用能量扩展型的中子谱仪测量飞机上宇宙射线高能中子成份，将系列不同直径探测器放置在飞机载核舱里，受飞机空间限制，不同探测器相互间有一定影响。在Radiat.Meas(2010)中，刊登的“Measurements of leakageneutron spectra from a high-energy positron accumulation ring using extended-range Bonner Sphere Spectrometers”公开出版物中所公开报道的技术方案，采用6LiI(Eu)闪烁体作为Bonner多球的热中子探测器，部分慢化体内衬有铅层拓宽高能响应，为了获得测试点能谱，将多个球依次放置在测试点根据测量结果解谱，并根据监视器的结果进行归一化修正。该设计采用分时将多个球轮流放置在同一点的方式，不能实现实时在线解谱。在Radiat.Meas(2008)中，刊登的“Determination of the neutron spectra around a18MV medical LINAC with a passive Bonner sphere spectometer based on goldfoils and TLD pairs”和Radiat.Meas(2010)中，刊登的“Design and experimentalvalidation of a Bonner Sphere spectrometer based on Dysprosium activationfoils”公开出版物所报道的技术方案中，采用TLD对和金或镝活化片测量不同强度、时间结构的粒子加速器产生能谱，该设计灵敏度低，采用离线探测器无法实现在线测量功能，设计的能谱测量系统未涉及到灵敏度和多个探测器布局改善。
在国内的《中国原子科学研究院年报》(2010)中刊登的“适用于1eV～100keV能区中子能谱测量的多球谱仪结构设计及其探测响应的计算”公开出版物中所公开报道的技术方案，研制的多球谱仪用于1eV～100keV能区中子测量，为解决低能中子的监测问题，在多球谱仪外包含硼物质，改善了1eV～100keV能区中子分辨率，但对高能区及灵敏度改善方面未开展工作。高能所在Chinese Physics C上发表的“Simulation of the responsefunctions of an extended range neutron multisphere spectrometer using FLUKA”中选择了九个不同慢化体尺寸的探测器构建多球谱仪，采用3He计数管作为其热中子探测器，并在其中几个探测器中加入铅层来拓展其高能中子的能量响应，将中子能谱测量从热中子到扩展GeV量级，设计的能谱系统未涉及到灵敏度改善和多个探测器布局问题。
由此可见，上述公开报道的技术方案主要针对宇宙环境中子能谱测量，从布局上来说通常采用分散放置的方式获取测试点的能谱，从设计的结构来说，有的采用了在中子探测器外面包上含硼物质改善低能中子响应，有的采用了添加增殖反应补偿材料改善高能中子响应。其它一些针对加速器及中子源场所的能谱测量，布局上通常采用分时依次放置探测器的方式获取测试点能谱。
但是上述技术方案的问题是：
采用分散布局对小型块堆的能谱测量则会产生较大问题，因为小型块堆周围分散点辐射场差异大，不能反映某个测试点的能谱，而且小型块堆周围空间相对小，多个探测器放置在一起，从一个探测器散射出的中子会入射到其他探测器上，导致相互干扰，给测量结果带来较大误差；而采用分时依次放置多个探测器的方式则无法实现在线实时监测功能。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种用于小型快堆的高灵敏环境中子能谱分析系统，可用于小型快中子反应堆周围环境的能谱、注量、剂量在线测量，而且不会出现探测器分散布局带来的相互干扰问题。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
所述用于小型块堆的高灵敏环境中子能谱分析系统，包括：中子探头、电子学系统和能谱分析系统；所述中子探头由多个探测单元组成；每个探测单元包括热中子灵敏的探测器和包裹在探测器外部的慢化体，部分探测单元内置嵌入于慢化体的增殖层；不同探测单元的慢化体厚度不同；各探测单元沿小型快堆的径向均匀分布在小型快堆周围；
各探测单元探测器同时进行信号探测，探测到的信号经过电子学系统的处理后，发送至能谱分析系统。
优选地，所述探测器为柱形结构，柱形中心线与小型快堆的径向垂直，采用均匀分布的布局。
优选地，所述探测器为圆柱形。
所述探测器为大体积高灵敏热中子探测器。
所述探测器为BF3正比计数器、或3He正比计数器、或含6Li热中子探测器。
优选地，对于内嵌有增殖层的慢化体，增殖层将慢化体分为外层慢化体和内层慢化体；其中，外层慢化体的端面凸出，凸出长度与外层慢化体厚度相同。
所述慢化体的材料为聚乙烯、或石蜡、或水。
所述增殖层的材料为可通过(n，xn)发生增殖反应增殖中子的材料。
所述增殖层的材料为铅、钨、铜中的一种，或多种材料的组合。
所述能谱分析系统包括硬件固件和嵌入式IP软核；硬件固件采集从电子学系统输出的脉冲信号，嵌入式软核集成中子解谱算法进行在线中子解谱。
有益效果：
(1)本发明利用小型快堆的周围辐射场沿径向各向同性的特点，将多个探测器沿径向均匀分布的方式布放在小型快堆周围，这种布放方式相当于将多个探测器同时放置在一点，同时从一个探测上散射出来的中子又不致影响其它探测器，避免了干扰问题。而且由于是同时布放，因此能够实现在线测量和分析。
(2)采用大体积正比计数器型热中子探测器，不同厚度慢化型设计，在部分探测单元的慢化体中嵌入了增殖补偿材料，有效解决了传统中子监视器高能响应不足、环境水平中子探测效率不理想的问题，获得在能量范围热中子到1GeV区间的响应特性。
(3)在优选实施例中，外层慢化体端面凸出，目的是使热中子灵敏探测周围和底面慢化体厚度相同，使得各向同性。
本发明设计的中子探头高能响应理想，一致性和角响应好，便于携带，适用于小型快堆周围环境的能谱、注量、剂量在线测量。
附图说明
图1是本发明一种用于小型快堆的高灵敏环境中子能谱分析系统的结构示意图；
图2是图1中子探头的A-A剖视图。
图中附图标记的含义为：1为中子探头；2为电子学系统；3为能谱分析系统；4为热中子灵敏的探测器；5为慢化体；6为增殖层；7为前置放大器；8滤波成形电路；9为幅度甄别电路；10为微处理器，11为硬件固件；12为嵌入式IP软核；13为小型快堆。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明充分利用小型块堆的周围辐射场特沿径向各向同性的特点，采用多个探测器沿小型快堆径向均匀分布在小型快堆周围的布局，结合大体积高灵敏热中子探测器、宽能环境中子能谱分析系统设计，采用嵌入式能谱分析系统，旨在拓宽能量范围和提高灵敏度的中子谱仪设计，实现实时在线解谱，而且不会出现探测器分散布局带来的相互干扰问题，与现有中子能谱分析系统设计有明显的差异。
参考图1所示，本发明用于小型快堆的高灵敏环境中子能谱分析系统，包括中子探头1、电子学系统2和能谱分析系统3。
中子探头1由多个探测单元组成。每个探测单元包括热中子灵敏的探测器4和包裹在探测器4外部的慢化体5。部分探测单元内置增殖层6，增殖层嵌入于慢化体5内部，则这样的探测单元从内到外依次是热中子灵敏的探测器4、外层慢化体5、增殖层6和内层慢化体5。其中，内置增殖层的探测单元数量没有特殊要求。
中子探头的多个探测单元沿小型快堆13的径向均匀分布在小型快堆13的周围，从而利用小型快堆周围辐射场具有各向同性的特点，获得好的一致性。采用该布局可以改善传统多球谱仪需要分时依次测量难以满足实时在线测量需求的问题；径向均匀布放在小型快堆周围相当于将多个探测器同时放置在一点，同时从一个探测上散射出来的中子又不致影响其它探测器，避免了现有技术存在的干扰问题。进一步的，探测单元设计为柱形，在这种情况下，柱形的中心线与小型快堆的径向垂直，以获得好的角响应。
热中子灵敏的探测器4采用大体积、高气压的高灵敏热中子探测器，在全能段响应高，环境中子入射时，增加探测几率，减小统计误差。可以选取大体积BF3正比计数器、或3He正比计数器、或含6Li热中子探测器。
慢化体5将不同能量的入射中子进行慢化成热中子被探测器探测到，不同厚度的慢化体对同一能量中子慢化程度不同，获得的响应峰值在不同能区。对于内嵌有增殖层6的慢化体5，增殖层将慢化体分为外层慢化体和内层慢化体；其中，外层慢化体的端面凸出，凸出长度与外层慢化体厚度相同。这里，外层慢化体端面凸出，目的是使热中子灵敏探测周围和底面慢化体厚度相同，使得各向同性。
慢化体5可以是聚乙烯、或石蜡、或水，优先考虑聚乙烯材料，采用柱形结构使得具有各项同性。
小型块堆周围环境辐射场的特点是：注量率水平低、快中子及高能份额多，沿径向各向同性，同一方向不同距离处辐射水平差异大。为了提高小型快堆周围环境中高能中子的响应，设增殖层6可通过(n,xn)增殖反应将高能中子增殖为多个低能中子，通过内层慢化体进一步慢化成热中子，使高能中子响应得以改善。
增殖层6的材料为可通过(n，xn)发生增殖反应增殖中子的材料。例如铅、钨、铜中的一种，或多种材料的组合。
各探测单元探测器4同时进行信号探测，探测到的信号经过电子学系统2的处理后，发送至能谱分析系统3进行在线能谱分析。
电子学系统2由依次相连的电荷灵敏前置放大器7、滤波成形电路8、幅度甄别电路9构成。
能谱分析系统3采用的微处理器电路10内置有硬件固件11和嵌入式IP软核12；硬件固件11采集从电子学系统2输出的脉冲信号，记录多个中子探测器的脉冲计数，嵌入式软核12集成最大熵原理或者迭代法的中子解谱算法，实现在线中子解谱。
在本发明优选实施例中，中子探头的探测单元个数在3-14个，均采用圆柱形设计，长度在10cm-100cm，外层慢化体厚度d取值在3-50cm之间。端面凸出长度h与慢化体厚度相同。
探测单元中心的热中子灵敏的探测器4是圆柱体，位于探测单元中心，长度在10cm-100cm，外径在12mm-80mm。
增殖层6是圆桶状，入射面开口，嵌入热中子探测器外的慢化体2中，长度在10cm-100cm，壁厚在3mm-20mm。
电子学系统2中前置放大器采用典型的电荷灵敏放大电路，使用的是高性能、高增益的运算放大器；其滤波成形电路采用的是2阶S-K滤波电路，其甄别电路采用的低功耗电压比较器。
能谱分析系统3采用嵌入式FPGA芯片作为微处理器，通过硬件固件采集脉冲信号，采用定制的软核实现中子解谱算法，实现在线解谱。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于小型块堆的高灵敏环境中子能谱分析系统，包括：中子探头(1)、电子学系统(2)和能谱分析系统(3)；其特征在于，所述中子探头(1)由多个探测单元组成；每个探测单元包括热中子灵敏的探测器(4)和包裹在探测器(4)外部的慢化体(5)，部分探测单元内置嵌入于慢化体(5)的增殖层(6)；不同探测单元的慢化体(5)厚度不同；各探测单元沿小型快堆的径向均匀分布在小型快堆(13)周围；
各探测单元探测器(4)同时进行信号探测，探测到的信号经过电子学系统(2)的处理后，发送至能谱分析系统(3)。
2.如权利要求1所述的用于小型块堆的高灵敏环境中子能谱分析系统，其特征在于，所述探测器(4)为柱形结构，柱形中心线与小型快堆(13)的径向垂直。
3.如权利要求2所述的用于小型块堆的高灵敏环境中子能谱分析系统，其特征在于，所述探测器(4)为圆柱形。
4.如权利要求1所述的用于小型块堆的高灵敏环境中子能谱分析系统，其特征在于，所述探测器(4)为大体积高灵敏热中子探测器。
5.如权利要求4所述的用于小型块堆的高灵敏环境中子能谱分析系统，其特征在于，所述探测器(4)为BF3正比计数器、或3He正比计数器、或含6Li热中子探测器。
6.如权利要求1所述的用于小型块堆的高灵敏环境中子能谱分析系统，其特征在于，对于内嵌有增殖层(6)的慢化体(5)，增殖层将慢化体分为外层慢化体和内层慢化体；其中，外层慢化体的端面凸出，凸出长度与外层慢化体厚度相同。
7.如权利要求1所述的用于小型块堆的高灵敏环境中子能谱分析系统，其特征在于，所述慢化体(5)的材料为聚乙烯、或石蜡、或水。
8.如权利要求1所述的用于小型块堆的高灵敏环境中子能谱分析系统，其特征在于，所述增殖层(6)的材料为可通过(n，xn)发生增殖反应增殖中子的材料。
9.如权利要求1所述的用于小型块堆的高灵敏环境中子能谱分析系统，其特征在于，所述增殖层(6)的材料为铅、钨、铜中的一种，或多种材料的组合。
10.如权利要求1所述的用于小型块堆的高灵敏环境中子能谱分析系统，其特征在于，所述能谱分析系统(3)包括硬件固件(11)和嵌入式IP软核(12)；硬件固件(11)采集从电子学系统(2)输出的脉冲信号，嵌入式软核(12)集成中子解谱算法进行在线中子解谱。
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