CN108089223B - 一种中子探测装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提出一种中子探测装置及系统，涉及中子辐射探测技术领域。该中子探测系统包括中子探测装置、电子学装置、中子源装置，中子探测装置包括输出头、连接件、探测件及外壳。中子探测装置安装于中子源装置中，输出头安装于外壳上，并与电子学装置连接；连接件和探测件安装于外壳内，且连接件分别与输出头和探测件连接；探测件用于采集中子源装置产生的电信号；连接件用于将电信号传输至输出头，以传输至电子学装置进行分析处理，以得到中子数据。本发明的中子探测装置及系统具有阻抗匹配更好的优点。

Description

一种中子探测装置及系统

技术领域

本发明涉及中子辐射探测技术领域，具体而言，涉及一种中子探测装置及系统。

背景技术

在间接驱动惯性约束聚变领域，内爆过程中燃料达到热核反应条件，产生聚变反应，将释放大量高能中子、带电粒子和γ光子，这些聚变产物携带了芯部燃料的燃烧和等离子体状态的信息。其中，大部分带电粒子将在高密度区被慢化，甚至完全沉积在燃料区，无法离开靶到达探测器；γ光子产额极低，是中子产额的十万分之一。而中子不带电，具有非常强的穿透本领，绝大多数中子几乎可以无碰撞地离开芯部等离子体。逃逸出来的中子携带了聚变反应过程的全部信息，因此利用聚变反应产生的中子可以测量内爆过程和聚变燃烧的许多特性参数。

惯性约束聚变源在时间(≤100ps)和空间(≤100μm)上近似理想的点源，且中子在输运到探测器过程几乎不会发生碰撞，因而可以采用飞行时间技术测量中子的飞行时间谱。通过中子的飞行时间谱测量，可以得到中子产额、Bang time、燃料面密度、离子温度等数据。

现有技术中的CVD金刚石中子探测器将金刚石与射频输出头直接相连，具有阻抗匹配性能不足的缺点。金刚石与射频输出头直接相连，金刚石与射频头芯针连接没有考虑阻抗匹配，探测器信号会有反射，并出现失真，影响测量结果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种中子探测装置，所述中子探测装置具有阻抗匹配更好的优点。

本发明的另一目的在于提供一种中子探测系统，所述中子探测系统具有阻抗匹配更好的优点。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种中子探测装置，包括输出头、连接件、探测件以及外壳，所述输出头固定安装于所述外壳上，所述连接件和所述探测件安装于所述外壳内，所述连接件分别与所述输出头和所述探测件连接；

所述探测件用于采集电信号；

所述连接件用于将所述电信号传输至所述输出头。

进一步地，所述连接件包括底端和顶端，所述底端横截面积大于所述顶端横截面积，所述底端与所述探测件连接，所述顶端与所述输出头连接。

进一步地，所述连接件设置有孔洞，所述孔洞与所述输出头配合。

进一步地，所述输出头包括针芯、第一绝缘层以及第一外壳层，所述第一绝缘层和所述第一外壳层由内向外依次设置于所述针芯中部，所述针芯一端与所述连接件连接，所述第一外壳层与所述外壳连接。

进一步地，所述探测件采用CVD金刚石。

进一步地，所述中子探测装置还包括固定环，所述固定环与所述连接件连接，用于将所述探测件夹持于所述固定环与所述连接件之间。

进一步地，所述固定环包括相互连接且同轴设置的第一圆环和第二圆环，所述第一圆环的外径与所述第二圆环的外径相等，所述第一圆环的内径小于所述第二圆环的内径，所述第一圆环在其与所述第二圆环的连接处设置有一阶梯面，所述探测件安装于所述阶梯面处，所述连接件和所述探测件连接的一端与所述第二圆环的内壁过盈配合。

进一步地，所述中子探测装置还包括压环，所述压环沿径向由内至外设有依次连接的压块、连接部及外接环，所述压块穿过所述固定环与所述探测件连接，所述外接环与所述外壳连接。

进一步地，所述压块上设置有通孔，所述通孔与所述压块同轴设置，所述通孔穿过所述固定环与所述探测件连接。

第二方面，本发明实施例提供了一种中子探测系统，包括中子探测装置、电子学装置、中子源装置，所述中子探测装置包括输出头、连接件、探测件以及外壳；所述中子探测装置安装于所述中子源装置中，所述输出头固定安装于所述外壳上，并与所述电子学装置连接；所述连接件和所述探测件安装于所述外壳内，所述连接件分别与所述输出头和所述探测件连接；

所述探测件用于采集所述中子源装置产生的电信号；

所述连接件用于将所述电信号传输至所述输出头，以传输至所述电子学装置进行分析处理，以得到中子数据。

本发明实施例提供的一种中子探测装置及系统，通过连接件将探测件采集到的电信号传输至输出头，由输出头传输至电子学装置进行分析处理，得到中子数据。由于连接件均与输出头和探测件能够充分接触，使得中子探测装置具有良好的阻抗匹配特性，避免信号失真，使得测量更加准确。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例提供的中子探测装置的结构示意图；

图2示出了本发明实施例提供的输出头与外壳装配结构示意图；

图3示出了本发明实施例提供的连接件的结构示意图；

图4示出了图3的A-A截面剖视图；

图5示出了本发明实施例提供的固定环的结构示意图；

图6示出了本发明实施例提供的压环的结构示意图；

图7示出了图6的B-B截面剖视图；

图8示出了本发明实施例提供的另一种压环的结构示意图；

图9示出了图8的C-C截面剖视图；

图10示出了本发明实施例提供的中子探测系统的示意框图。

主要符号说明：10-中子探测装置；100-输出头；110-针芯；120-第一绝缘层；130-第一外壳层；140-第二绝缘层；150-第二外壳层；200-连接件；210-顶端；220-底端；230-十字槽；240-孔洞；300-探测件；310-第一电极；320-第二电极；400-外壳；410-内腔；420-壳体；500-固定环；510-第二圆环；520-第一圆环；530-阶梯面；600-压环；610-外接环；620-压块；630-连接部；640-通孔；20-电子学装置；30-中子源装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

第一实施例

如图1所示，为本发明实施例提供的一种中子探测装置10的结构示意图，该中子探测装置10用于核反应堆或实验室场景，中子探测装置10在采集到电信号后，可以将电信号完整的传输至后续处理装置，该中子探测装置10具有良好的阻抗匹配特性，在传输电信号过程中避免信号失真，使得测量更加准确。

该中子探测装置10包括输出头100、连接件200、探测件300、外壳400、固定环500及压环600，输出头100固定安装于外壳400上，连接件200和探测件300安装于外壳400内，连接件200分别与输出头100和探测件300连接，连接件200还与固定环500连接，探测件300被夹持于固定环500和连接件200之间，压环600分别与探测件300和外壳400连接。其中，输出头100、连接件200、探测件300、外壳400及压环600同轴设置，且连接件200与外壳400构成的同轴结构阻抗设置为50Ω。

探测件300用于采集电信号；连接件200用于将电信号传输至输出头100；固定环500用于将探测件300固定安装于连接件200上，压环600用于通过与外壳400连接，以使得与探测件300紧密连接，其中电信号包括中子信息和X射线信息。

如图2所示，为本发明实施例提供的输出头100与外壳400装配结构示意图。输出头100包括针芯110、第一绝缘层120、第一外壳层130、第二绝缘层140及第二外壳层150，第一绝缘层120和第一外壳层130由内向外依次设置于针芯110的中部的外表面，第二绝缘层140和第二外壳层150由内向外依次设置于针芯110的一端的外表面，针芯110的另一端与连接件200连接，第一外壳层130和第二外壳层150通过焊接方式与外壳400连接，其中，第一外壳层130采用银焊方式与外壳400连接，第二外壳层150通过铅焊方式与外壳400连接。输出头100输出阻抗为50Ω，且输出头100可采用SMA输出头。

如图3-4所示，为本发明实施例提供的连接件200的结构示意图，连接件200包括顶端210、底端220、十字槽230及孔洞240，孔洞240安装于顶端210处，且十字槽230设置于孔洞240处，针芯110的一端嵌入孔洞240内，以使得输出头100固定安装于连接件200的顶端210。十字槽230用于在针芯110安装于孔洞240过程中，改变孔洞240的直径，以使得针芯110方便固定安装于孔洞240内，底端220与探测件300连接，底端220的横截面积与探测件300横截面积相等。其中，连接件200采用金属材料，在本发明实施例中，连接件200采用黄铜材料，表面镀2um的银。且在本发明实施例中，连接件200设置为锥形。

本发明实施例中，探测件300包括第一电极310和第二电极320，第一电极310与第二电极320相对设置，第一电极310与底端220连接。其中，探测件300采用CVD金刚石，且探测件300设置为圆柱形。探测件300还与偏压电源连接，偏压电源的正负极分别与第一电极310和第二电极320连接，用于为探测件300提供工作电压。

本发明实施例中，外壳400包括内腔410和壳体420，输出头100的第一外壳层130和第二外壳层150焊接于壳体420上，连接件200和探测件300安装于内腔410内，且壳体420还与地线连接。其中，壳体420为不锈钢材料，且内腔410的形状与连接件200的形状相配合。在本发明实施例中，连接件200设置为锥形，则内腔410对应设置为锥形，且内腔410的大小由连接件200与壳体420之间的阻抗要求设定，连接件200与外壳400构成的同轴结构阻抗公式为：

其中，μ为磁导率，ε₀为真空介电常数，ε_r为相对介电常数，R₁为连接件200的外径，R₂为外壳400的内径。

如图5所示，为本发明实施例提供的固定环500的结构示意图，固定环500包括第一圆环520、第二圆环510及阶梯面530，第一圆环520的外径与第二圆环510的外径相等，第一圆环520的内径小于第二圆环510的内径，阶梯面530设置于第一圆环520与第二圆环510连接处，探测件300安装于阶梯面530处，连接件200的底端220与第二圆环510过盈连接。其中，固定环500采用聚乙烯或聚四氟乙烯。

如图6-7所示，为本发明实施例提供的压环600的结构示意图，压环600包括外接环610、压块620及连接部630，压环600沿径向依次设有压块620、连接部630及外接环610，压块620穿过第一圆环520与探测件300的第二电极320连接，外接环610与壳体420连接，压块620通过外接环610与壳体420的连接动作与探测件300的第二电极320紧密连接。其中，外接环610与壳体420螺纹连接。压环600采用铝材料，则在中子探测装置10采集电信号过程中，只有中子能够穿透压块620，而被探测件300采集到中子信息。

如图8-9所示，为本发明实施例提供的另一种压环600的结构示意图，压环600包括外接环610、压块620、连接部630及通孔640，压环600沿径向依次设有通孔640、压块620、连接部630及外接环610。通孔640设置于压块620上，压块620穿过第一圆环520与探测件300的第二电极320连接，外接环610与壳体420连接，压块620通过外接环610与壳体420的连接动作与探测件300的第二电极320紧密连接。其中，外接环610与壳体420螺纹连接。压环600采用铝材料，则在中子探测装置10采集电信号过程中，X射线穿过通孔640被探测件300采集到X射线信息，中子穿透压块620及穿过通孔640，而被探测件300采集到中子信息。

本发明工作原理为：首先，中子穿过压块620而被探测件300采集，以得到电信号；然后，通过连接件200将电信号传输至输出头100；最后，通过输出头100的针芯110将电信号传输至后续处理装置。

本发明实施例中，通过连接件200将探测件300采集到的电信号传输至输出头100。由于连接件200均与输出头100和探测件300能够充分接触，使得中子探测装置10具有良好的阻抗匹配特性，避免信号失真，使得测量更加准确。且使用的固定环500和压环600结构简单，使得中子探测装置10结构更简洁，装配更简便。

第二实施例

如图10所示，为本发明实施例提供的一种中子探测系统的示意框图，该中子探测系统使用第一实施例中的中子探测装置10，该中子探测系统的中子探测装置10在采集到电信号后，可以将电信号完整的传输至电子学装置20，该中子探测系统具有良好的阻抗匹配特性，在传输电信号过程中避免信号失真，使得测量更加准确。

该中子探测系统包括中子探测装置10、电子学装置20及中子源装置30，中子探测装置10安装于中子源装置30中，中子探测装置10的输出头100与电子学装置20连接。中子源装置30产生的电信号穿过压块620被探测件300采集，并通过连接件200将该电信号传输至输出头100，输出头100将电信号传输至电子学装置20进行分析处理，以得到中子数据，其中，中子数据为中子产额、Bang time、燃料面密度、离子温度及中子信息波形等数据。

在本发明实施例中，电子学装置20包括示波器和偏压电路，示波器与输出头100连接，偏压电路与探测件300连接，示波器用于根据输出头100传输的电信号生成中子信息波形，偏压电路用于为探测件300提供偏压。在另一实施例中，电子学装置20包括控制器，控制器对输出头100传输的电信号进行处理，以得到中子产额、Bang time、燃料面密度及离子温度等数据中的一种或多种。

本发明实施例中，通过连接件200将探测件300采集到的电信号传输至输出头100，由输出头100传输至电子学装置20进行分析处理，得到中子数据。由于连接件200均与输出头100和探测件300能够充分接触，使得中子探测系统具有良好的阻抗匹配特性，避免信号失真，使得测量更加准确。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

Claims (7)

1.一种中子探测装置，其特征在于，包括输出头、连接件、探测件以及外壳，所述输出头固定安装于所述外壳上，所述连接件和所述探测件安装于所述外壳内，所述连接件分别与所述输出头和所述探测件连接；

所述探测件用于采集电信号；

所述连接件用于将所述电信号传输至所述输出头；

所述连接件包括底端和顶端，所述底端横截面积大于所述顶端横截面积，所述底端与所述探测件连接，所述顶端与所述输出头连接；

所述连接件设置有孔洞，所述孔洞与所述输出头配合；

所述输出头包括针芯、第一绝缘层以及第一外壳层，所述第一绝缘层和所述第一外壳层由内向外依次设置于所述针芯中部，所述针芯一端与所述连接件连接，所述第一外壳层与所述外壳连接。

2.如权利要求1所述的一种中子探测装置，其特征在于，所述探测件采用CVD金刚石。

3.如权利要求1所述的一种中子探测装置，其特征在于，所述中子探测装置还包括固定环，所述固定环与所述连接件连接，用于将所述探测件夹持于所述固定环与所述连接件之间。

4.如权利要求3所述的一种中子探测装置，其特征在于，所述固定环包括相互连接且同轴设置的第一圆环和第二圆环，所述第一圆环的外径与所述第二圆环的外径相等，所述第一圆环的内径小于所述第二圆环的内径，所述第一圆环在其与所述第二圆环的连接处设置有一阶梯面，所述探测件安装于所述阶梯面处，所述连接件和所述探测件连接的一端与所述第二圆环的内壁过盈配合。

5.如权利要求3所述的一种中子探测装置，其特征在于，所述中子探测装置还包括压环，所述压环沿径向由内至外设有依次连接的压块、连接部及外接环，所述压块穿过所述固定环与所述探测件连接，所述外接环与所述外壳连接。

6.如权利要求5所述的一种中子探测装置，其特征在于，所述压块上设置有通孔，所述通孔与所述压块同轴设置，所述通孔穿过所述固定环与所述探测件连接。

7.一种中子探测系统，其特征在于，包括中子探测装置、电子学装置、中子源装置，所述中子探测装置包括输出头、连接件、探测件以及外壳；所述中子探测装置安装于所述中子源装置中，所述输出头固定安装于所述外壳上，并与所述电子学装置连接；所述连接件和所述探测件安装于所述外壳内，所述连接件分别与所述输出头和所述探测件连接；

所述探测件用于采集所述中子源装置产生的电信号；

所述连接件用于将所述电信号传输至所述输出头，以传输至所述电子学装置进行分析处理，以得到中子数据；

所述连接件包括底端和顶端，所述底端横截面积大于所述顶端横截面积，所述底端与所述探测件连接，所述顶端与所述输出头连接；

所述连接件设置有孔洞，所述孔洞与所述输出头配合；

所述输出头包括针芯、第一绝缘层以及第一外壳层，所述第一绝缘层和所述第一外壳层由内向外依次设置于所述针芯中部，所述针芯一端与所述连接件连接，所述第一外壳层与所述外壳连接。