CN108121005B - 利用溴化铈探测器测量中子剂量率的方法和中子剂量率仪 - Google Patents

利用溴化铈探测器测量中子剂量率的方法和中子剂量率仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了利用溴化铈探测器测量中子剂量率的方法和中子剂量率仪，其中，测量中子剂量率的方法利用中子在溴化铈探测器中产生的中子特征γ能峰的净计数率与所述中子在该点造成的中子剂量率之间存在确定性的函数关系，通过测量γ能谱，并利用所述确定性的函数关系，计算并获得中子剂量率。因此，利用本发明实施例的测量中子剂量率的方法能够更加方便、快速、准确地获得中子剂量率。

Description

利用溴化铈探测器测量中子剂量率的方法和中子剂量率仪
技术领域
本发明属于辐射探测、环境监测设备技术领域，具体而言，本发明涉及利用溴化铈探测器测量中子剂量率的方法和中子剂量率仪。
背景技术
中子剂量率仪是一种用于测量和评价中子辐射产生的周围剂量当量率的辐射监测设备。目前，常见的辐射防护用中子剂量率仪，其基本组成包括慢化体、中子能量补偿材料、热中子灵敏计数器及电子学线路。其结构特点是将热中子灵敏计数器用球形或圆柱形慢化体裹在中心处；慢化体内，离中心探测器某一距离上设置一带有慢中子透过孔的中子吸收筛，或用含硼材料的吸收层，入射中子射入慢化体后被慢化(或热中子扩散)，在通过吸收筛(或吸收层)时一部分慢(热)中子被吸收，一定比例的中子穿过，穿过吸收筛的部分中子继续被慢化或扩散，最后到达中心探测器的部分中子被探测记录下来。
现有的中子剂量率仪，根据结构设计的不同，可大致分为三类：一是单计数器型，这类剂量率仪采用单个球形或柱形聚乙烯作为慢化体，球心放置单个正比计数器(如BF3、3He)或6Li玻璃闪烁体，球体中间夹杂一些经过特殊设计的硼塑料或镉材料等中子能量补偿材料。二是多计数器型，这类剂量率仪的慢化体为单球或多球设计，探头采用多个正比计数器(如3He)，分别放置在慢化体的球心或者球面，球体中间夹杂中子能量补偿材料。三是谱仪型，这类剂量率仪将热中子探测器分别包裹在不同直径的慢化球壳内，利用不同大小慢化球的慢化能力不同，得到不同能量的中子响应，通过对测量得到的慢化中子能谱进行解谱，解出中子辐射场的实际能谱，进而计算得到辐射场的中子剂量率。
溴化铈探测器是继溴化铈探测器之后发现的又一种新型的无机闪烁体探测器，其兼有时间分辨率好(数百皮秒)、能量分辨率高(<4％，对于662keVγ射线)、探测效率高和本征本底低等特点，可应用于γ能谱测量。作为无机闪烁体型探测器，溴化铈探测器主要由溴化铈晶体组成，组成元素主要包括Ce和Br，从天然同位素丰度考虑，主要是140Ce，79Br和81Br，三种核素均为稳定核素。但当中子入射到溴化铈晶体材料时，中子会与靶物质核素发生核反应，主要反应类型包括弹性散射、非弹性散射和辐射俘获。其中，如果中子动能足以激发靶核，发生非弹性散射A(n，n′γ)A′，那么入射中子会将初始动能的一部分传递给原子核，使靶核激发到激发态，靶核退激时放出γ射线，例如79Br(n，n′γ)79mBr，79mBr退激会放出能量为217keV的γ射线；如果发生辐射俘获反应A(n,γ)B，那么靶核俘获中子，产生新的靶核，新核通常处于不稳定的激发状态，激发能取决于中子的结合能与动能，受激核会通过发射一个或数个γ量子而跃迁回基态，且会发射后续的放射性衰变，例如140Ce(n,γ)141Ce，141Ce以β-的形式衰变为141Pr；79Br(n,γ)80Br，80Br以β-和轨道电子俘获的方式衰变为80Kr；81Br(n,γ)82Br，82Br以β-的方式衰变为82Kr。核反应所产生的不同能量的γ射线，可被溴化铈探测器探测并分辨。
近年来，随着研究的深入，国外研究者通过实验研究发现，利用上述核反应产生γ射线的物理机制，采用飞行时间法，可实现溴化铈探测器对中子的探测。但上述探测方法是基于飞行时间法，并不适用于辐射防护领域：因为飞行时间法是基于不同能量(飞行速度)的中子飞越某一确定距离所需时间不同，将对中子能量的测量转换为对该中子飞越选定距离所需时间的测量，通过测量时间分布，从而确定中子能量分布，该方法需要极为精确地记录中子在飞行距离上的起点时刻和终点时刻，这在辐射防护领域显然是无法实现的。
因此，本发明提出一种基于溴化铈探测器的中子剂量率仪，通过测量中子的特征γ能峰的净计数率与解谱计算，实现辐射场的中子剂量率测量。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出测量中子剂量率的方法和中子剂量率仪，采用本发明提出的测量中子剂量率的方法，该方法利用溴化铈探测器可以与入射中子发生反应，产生不同能量的特征γ能峰，并利用溴化铈探测器进行探测与分辨，进而可以利用中子剂量率与特征γ能峰的净计数率之间确定性的函数关系得到中子剂量率。
发明人发现，采用飞行时间法可以实现溴化铈探测器对中子的探测，但是通过精确记录中子在选定飞行距离上的起点时刻和终点时刻来确定中子能量分布在辐射防护领域是无法实现的，飞行时间法并不适用于辐射防护领域。发明人意外发现，中子与溴化铈晶体材料发生反应产生的不同能量的特征γ能峰的净计数(净计数率)的变化与中子剂量率的变化趋势是一致的，利用中子剂量率与特征γ能峰的净计数(净计数率)之间确定性的函数关系，可以通过测量一个或几个中子特征γ能峰的净计数(净计数率)组合与解谱计算，实现辐射场中子剂量率的测量。
为此，根据本发明的第一个方面，本发明提出了一种测量中子剂量率的方法，根据本发明的具体实施例，所述方法利用中子在溴化铈探测器中产生的中子特征γ能峰的净计数率与所述中子在该点造成的中子剂量率之间存在确定性的函数关系，通过测量γ能谱，并利用所述确定性的函数关系，计算并获得中子剂量率。
根据本发明提出的测量中子剂量率的方法，实际上是基于发明人发现了，中子在溴化铈探测器中产生的中子特征γ能峰的净计数率与所述中子在该点造成的中子剂量率之间存在确定性的函数关系。进而可以采用基于溴化铈探测器的中子剂量率仪测量一个或几个入射中子产生的特征γ能峰组合，并利用中子剂量率与中子特征γ能峰的净计数率之间确定性的函数关系得到中子剂量率。
在本发明的一些实施例中，所述测量中子剂量率的方法包括：
采用溴化铈探测器对中子进行探测，以便获得特征γ能峰；
基于所述特征γ能峰，计算获得中子剂量率，其中，所述中子剂量率与所述特征γ能峰的净计数率呈确定性的函数关系，函数关系可表示为：
Di＝f(Ni)
其中，Di为中子剂量率，单位为μSv/h；Ni为入射中子与溴化铈晶体材料发生核反应产生的特征γ能峰的净计数率，单位为cps。
在本发明的一些实施例中，所述确定性的函数关系中，所述净计数率的范围为：Ni>0。
在本发明的一些实施例中，所述确定性的函数关系中，所述中子剂量率的测量范围为：Di>0。
在本发明的一些实施例中，所述中子由锎源产生。由此，可以产生不同能量的中子，并与溴化铈晶体发生反应，进而产生不同能量的特征γ能峰，进而能够利用中子剂量率与峰位的净计数率之间的函数关系得到中子剂量率。
在本发明的一些实施例中，所述特征γ能峰包括选自下列至少之一：557.76±5keV、83.93±5keV、101.8±5keV、121.1±5keV、174.8±10keV、207.9±5keV 215.6±10keV、245.1±10keV、274±10keV、296±10keV、338.7±10keV、389.6±10keV、429.6±10keV、530.1±10keV、507.2±10keV、665.1±10keV、727±10keV、776.6±10keV、848.2±10keV、871.1±10keV、962.8±10keV、1002±10keV、1084±10keV、1115±10keV、1274±10keV。由此，可以进一步提高测量中子剂量率的精准度。
在本发明的一些实施例中，所述确定性的函数关系为对数函数关系，所述对数函数关系表示为：
Di＝alnNi+b
其中，Di为中子剂量率，单位为μSv/h；Ni为入射中子与溴化铈晶体材料发生反应产生的特征γ能峰的净计数率，单位为cps；a，b为常数，且a>0。
在本发明的一些实施例中，所述确定性的函数关系为线性拟合函数，所述线性拟合函数表示为：
Di＝kNi+c
其中，Di为中子剂量率，单位为μSv/h；Ni为入射中子与溴化铈晶体材料发生反应产生的特征γ能峰的净计数率，单位为cps；k，c为常数，且k>0。
根据本发明的另一个方面，本发明还提出了一种中子剂量率仪，所述中子剂量率仪具有溴化铈探测器，所述溴化铈探测器适于与入射中子发生反应产生特征γ能峰，并探测得到特征γ全能峰的能谱。
根据本发明提出的中子剂量率仪，通过将溴化铈探测器用于中子剂量率仪，可以使入射中子与溴化铈晶体材料发生反应，产生不同能量的特征γ能峰，并利用溴化铈探测器对产生的特征γ能峰进行探测。由此，采用本发明提出的中子剂量率仪，可以通过测量一个或几个中子特征γ能峰组合，并利用中子剂量率与特征γ能峰的净计数率之间确定性的函数关系，实现辐射场中子剂量率的测量。
附图说明
图1是利用本发明一个实施例的中子剂量率仪测量得到的本底谱和测量252Cf源得到的测量谱图。
图2是利用本发明一个实施例的中子剂量率仪在不同中子剂量率的辐射场中测量得到的测量谱图。
图3是根据本发明一个实施例的中子剂量率与特征γ能峰的净计数率之间的关系图。
图4是根据本发明一个实施例的中子剂量率与特征γ能峰的净计数率之间的关系图。
图5是根据本发明一个实施例的中子剂量率与特征γ能峰的净计数率之间的关系图。
图6是根据本发明一个实施例的中子剂量率与特征γ能峰的净计数率之间的关系图
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
根据本发明的一个方面，本发明提出了一种测量中子剂量率的方法，根据本发明的具体实施例，所述方法利用中子在溴化铈探测器中产生的中子特征γ能峰的净计数率与所述中子在该点造成的中子剂量率之间存在确定性的函数关系，通过测量γ能谱，并利用所述确定性的函数关系，计算并获得中子剂量率。
根据本发明提出的测量中子剂量率的方法，实际上是基于发明人发现了，中子在溴化铈探测器中产生的中子特征γ能峰的净计数率与所述中子在该点造成的中子剂量率之间存在确定性的函数关系。进而可以采用基于溴化铈探测器的中子剂量率仪测量一个或几个入射中子产生的特征γ能峰组合，并利用中子剂量率与中子特征γ能峰的净计数率之间确定性的函数关系得到中子剂量率。
根据本发明的具体实施，上述实施例的测量中子剂量率的方法包括：采用溴化铈探测器对中子进行探测，以便获得特征γ能峰；基于所述特征γ能峰，计算获得中子剂量率，其中，所述中子剂量率与所述特征γ能峰的净计数率呈确定性的函数关系，函数关系可表示为：
Di＝f(Ni)
其中，Di为中子剂量率，单位为μSv/h；Ni为入射中子与溴化铈晶体材料发生核反应产生的特征γ能峰的净计数率，单位为cps。
根据本发明上述实施例的测量中子剂量率的方法，可以采用中子剂量率仪测量入射中子产生的一个或几个特征γ能峰并利用中子剂量率与特征γ能峰的净计数率之间确定性的函数关系得到被测点位的中子剂量率。
根据本发明的具体实施例，上述确定性函数关系中的Ni>0，Di>0。由此，该方法适用范围更广泛。
根据本发明的具体实施例，被测中子源由锎源(252Cf)产生。由此，可以利用锎源(252Cf)可产生不同能量的中子，并与溴化铈晶体发生反应，进而产生不同能量的特征γ能峰，进而能够利用中子剂量率与峰位的净计数率之间的函数关系得到中子剂量率。
根据本发明的具体实施例，特征γ能峰可以包括但不限定于选自下列之一：57.76±5keV、83.93±5keV、101.8±5keV、121.1±5keV、174.8±10keV、207.9±5keV 215.6±10keV、245.1±10keV、274±10keV、296±10keV、338.7±10keV、389.6±10keV、429.6±10keV、530.1±10keV、507.2±10keV、665.1±10keV、727±10keV、776.6±10keV、848.2±10keV、871.1±10keV、962.8±10keV、1002±10keV、1084±10keV、1115±10keV、1274±10keV。由此，可以进一步提高检测中子剂量率的精准度。
根据本发明的具体实施例，所述确定性的函数关系为对数函数关系，所述对数函数关系表示为：
Di＝alnNi+b
其中，Di为中子剂量率，单位为μSv/h；Ni为入射中子与溴化铈晶体材料发生反应产生的特征γ能峰的净计数率，单位为cps；a，b为常数，且a>0。由此通过上述函数关系式，根据溴化铈探测器对中子进行探测，获得特征γ能峰的净计数率Ni，进而有效计算出中子剂量率Di。因此，本发明上述实施例的测量中子剂量率的方法可以更加方便快速地测定中子剂量率。
根据本发明的具体实施例，所述确定性函数关系，可表示为线性拟合函数。函数的具体形式可表示为：
Di＝kNi+c
其中，Di为中子剂量率，单位为μSv/h；Ni为入射中子与溴化铈晶体材料发生反应产生的特征γ能峰的净计数率，单位为cps；k，c为常数，且k>0。由此通过上述函数关系式，根据溴化铈探测器对中子进行探测，获得特征γ能峰的净计数率Ni，进而有效计算出中子剂量率Di。因此，本发明上述实施例的测量中子剂量率的方法可以更加方便快速地测定中子剂量率。
根据本发明的一个方面，本发明提出了一种中子剂量率仪，中子剂量率仪具有溴化铈探测器，溴化铈探测器适于与入射中子发生反应产生特征γ能峰，并探测得到特征γ全能峰的能谱。
根据本发明上述实施例的中子剂量率仪，通过将溴化铈探测器用于中子剂量率仪，可以使入射中子与溴化铈晶体材料发生反应，产生不同能量的特征γ能峰，并利用溴化铈探测器对产生的特征γ能峰进行探测。由此，采用本发明上述实施例的中子剂量率仪，可以通过测量一个或几个中子特征γ能峰的组合，并利用中子剂量率与特征γ能峰的净计数率之间确定性的函数关系，实现辐射场中子剂量率的测量。
根据本发明的具体实施例，中子剂量率仪的工作原理为：入射中子与溴化铈晶体材料发生反应，产生不同能量的特征γ能峰，特征γ能峰的净计数率与辐射场的中子剂量率之间存在确定性的函数关系，为：
Di＝f(Ni)
其中，Di为中子剂量率，单位为μSv/h；Ni为入射中子与溴化铈晶体材料发生核反应产生的特征γ能峰的净计数率，单位为cps。不同能量的特征γ能峰的净计数率的变化与中子剂量率的变化趋势是一致的，通过测量任何一个或几个中子特征γ能峰的净计数率组合与相应的解谱计算，均可得到被测辐射场的中子剂量率。
实施例1
采用中子剂量率仪测量中子剂量率。其中，中子剂量率仪具有溴化铈探测器，溴化铈探测器采用2in×2in溴化铈探测器(CeBr3)。待测中子源选取锎源(Cf-252源)。
252Cf源与溴化铈晶体发生反应产生的特征γ能峰包括但不限定于表1列出的能量值；表2为中子与溴化铈晶体发生反应产生的特征γ能峰的能量、特征γ能峰的净计数率与中子剂量率，特征γ能峰包括但不限定于表2所列的4个能量。
采用中子剂量率仪测量得到的本底谱和测量252Cf源得到的测量谱如图1所示；图2为测量不同中子剂量率时中子剂量率仪探测得到的伽马能谱，其中中子剂量率包括但不限定于图2所列的7种剂量率水平；图3为中子剂量率与特征γ能峰净计数率之间的关系，中子剂量率包括但不限定于图3所述7种剂量率水平，特征γ能峰包括但不限定于图3所列4种能量。图4为按照各个能峰净计数率的最大值进行归一化处理后，中子剂量率与特征γ能峰净计数率之间的关系，中子剂量率包括但不限定于图4所述7种剂量率水平，特征γ能峰包括但不限定于图4所列4种能量。图5为特征γ峰取121.1keV峰时，中子剂量率与特征γ能峰净计数率之间的关系，该函数关系呈对数函数关系，中子剂量率包括但不限定于图5所述7种剂量率水平，特征γ能峰包括但不限定于图5所列能量。图6为特征γ峰取119.2keV峰时，中子剂量率与特征γ能峰净计数率之间的关系，该函数关系呈线性拟合函数关系，中子剂量率包括但不限定于图6所述7种剂量率水平，特征γ能峰包括但不限定于图6所列能量。
表1 252Cf源与溴化铈晶体发生反应产生的特征γ能峰
表2中子特征γ能峰的能量、特征γ能峰的净计数率与中子剂量率
根据图3和图4的实测结果可以看出，中子与溴化铈晶体发生反应产生的特征γ能峰的净计数率与中子剂量率之间的确定性函数关系可表示为对数函数。函数的具体形式可表示为：
Di＝alnNi+b
其中，Di为中子剂量率，单位为μSv/h；Ni为入射中子与溴化铈晶体材料发生反应产生的特征γ能峰的净计数率，单位为cps；a，b为常数，且a>0。例如，图5为特征γ峰取121.1keV峰时，中子剂量率与特征γ能峰净计数率呈对数函数关系。不同能量的特征γ能峰的净计数率的变化与中子剂量率的变化趋势是一致的，即通过测量任何一个或几个中子特征γ能峰的净计数率组合，均可得到被测辐射场的中子剂量率。
根据图3和图4的实测结果可以看出，中子与溴化铈晶体发生反应产生的特征γ能峰的净计数率与中子剂量率之间的确定性函数关系可表示为线性拟合函数。函数的具体形式可表示为：
Di＝kNi+c
其中，Di为中子剂量率，单位为μSv/h；Ni为入射中子与溴化铈晶体材料发生反应产生的特征γ能峰的净计数率，单位为cps；k，c为常数，且k>0。例如，图6为特征γ峰取121.1keV峰时，中子剂量率与特征γ能峰净计数率呈线性拟合函数关系。不同能量的特征γ能峰的净计数率的变化与中子剂量率的变化趋势是一致的，即通过测量任何一个或几个中子特征γ能峰的净计数率组合，均可得到被测辐射场的中子剂量率。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种测量中子剂量率的方法，其特征在于，所述方法利用中子在溴化铈探测器中产生的中子特征γ能峰的净计数率与所述中子在该点造成的中子剂量率之间存在确定性的函数关系，通过测量γ能谱，并利用所述确定性的函数关系，计算并获得中子剂量率，
其中，所述确定性的函数关系为对数函数关系或线性拟合函数：
所述对数函数关系表示为：Di＝alnNi+b，其中，Di为中子剂量率，单位为μSv/h；Ni为入射中子与溴化铈晶体材料发生反应产生的特征γ能峰的净计数率，单位为cps；a，b为常数，且a>0；
所述线性拟合函数表示为：Di＝kNi+c，其中，Di为中子剂量率，单位为μSv/h；Ni为入射中子与溴化铈晶体材料发生反应产生的特征γ能峰的净计数率，单位为cps；k，c为常数，且k>0。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：
采用溴化铈探测器对中子进行探测，以便获得特征γ能峰；
基于所述特征γ能峰的净计数率和所述确定性的函数关系，计算获得中子剂量率。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述确定性的函数关系中，所述净计数率的范围为：Ni>0。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述确定性的函数关系中，所述中子剂量率的测量范围为：Di>0。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中子由锎源产生。
6.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于，所述特征γ能峰包括选自下列至少之一：57.76±5keV、83.93±5keV、101.8±5keV、121.1±5keV、174.8±10keV、207.9±5keV215.6±10keV、245.1±10keV、274±10keV、296±10keV、338.7±10keV、389.6±10keV、429.6±10keV、530.1±10keV、507.2±10keV、665.1±10keV、727±10keV、776.6±10keV、848.2±10keV、871.1±10keV、962.8±10keV、1002±10keV、1084±10keV、1115±10keV、1274±10keV。
7.一种中子剂量率仪，其特征在于，所述中子剂量率仪具有溴化铈探测器，所述溴化铈探测器适于与入射中子发生反应产生特征γ能峰，并探测得到特征γ全能峰的能谱，
其中，所述中子剂量率仪的工作原理为：入射中子与溴化铈晶体材料发生反应，产生不同能量的特征γ能峰，特征γ能峰的净计数率与辐射场的中子剂量率之间存在权利要求1-6中任一项所述的确定性的函数关系，不同能量的特征γ能峰的净计数率的变化与中子剂量率的变化趋势是一致的，通过测量任何一个或几个中子特征γ能峰的净计数率组合与相应的解谱计算，均可得到被测辐射场的中子剂量率。
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