CN108535769B - 一种用于光纤中子探测系统测试与标定的探头及其测试标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于核辐射探测技术领域，涉及一种用于光纤中子探测系统测试与标定的探头及其测试标定方法。所述的用于光纤中子探测系统测试与标定的探头包括光纤末端、均匀涂覆在光纤末端表面的探测材料，及覆盖在探测材料外的金属盖帽，所述的探测材料由含²³²Th的物质以及闪烁体材料组成；所述的金属盖帽起到既能保证被测中子顺利通过，又能避光的作用。利用本发明的用于光纤中子探测系统测试与标定的探头，可以产生稳定的微弱荧光，该荧光既具有来自高电离能力的粒子(α粒子)的贡献，也具有来自低电离能力的粒子(β、γ粒子)的贡献，从而无需强中子场即可进行整套光纤中子探测系统的测试及部分标定实验，简化了光纤中子探测系统的测试及标定过程。

Description

一种用于光纤中子探测系统测试与标定的探头及其测试标定 方法

技术领域

本发明属于核辐射探测技术领域，涉及一种用于光纤中子探测系统测试与标定的探头及其测试标定方法。

背景技术

近年来，国内外开发了多种用于诸如反应堆堆芯内的燃料棒间等狭窄空间处的中子测量的小型光纤中子探测器。该类探测器的体积可做到1mm³以下甚至更小，便于伸入反应堆中进行中子的实时测量。

该类探测器的探头结构通常有两种。一种为在用于传导的石英光纤或塑料光纤的顶端直接涂覆或安装探测材料(对于传导光纤，由侧面进入的光子很难满足全反射条件，因而仅在其顶端安装或涂覆探测材料)。示例性的该种探头10的结构如图1所示，包括传导光纤11、光学屏蔽层12、闪烁物质13及铝帽14。光学屏蔽层12包覆在传导光纤11非顶端的外侧；闪烁物质13由⁶LiF与ZnS:Ag混合而成，并涂覆在传导光纤11顶端；铝帽14包覆在闪烁物质13的外侧。闪烁物质13中⁶Li与热中子可发生⁶Li(n，t)⁴He反应，其中t为氚核，⁴He为α粒子。α粒子及氚核与闪烁物质中的ZnS:Ag发生作用，可产生闪烁光。

另一种为将探测材料涂覆于波长转换光纤的顶端及侧面，然后将波长转换光纤与传导光纤连接(对于波长转换光纤，由侧面进入的荧光光子会在该纤芯内重新生成发光中心，使得发光方向发生改变，因而即便是侧面进入的光子，也可生成新的可满足全反射条件的光子，因而可在侧面涂覆探测材料，而在侧面涂覆探测材料后，使得探测灵敏面积及体积增大，提高了探测效率)。示例性的该种探头10的结构如图2所示，包括波长转换光纤21、传导光纤11、光学屏蔽层12、闪烁物质13及铝帽14。波长转换光纤21的一端与传导光纤11相连接，另一端的顶部及侧面涂覆闪烁物质13后被铝帽14包覆；波长转换光纤21的外侧除被铝帽14包覆的部分外包覆有光学屏蔽层12，传导光纤11的外侧也包覆有光学屏蔽层12。闪烁光的产生原理如前一种探头部分所述。

包括如上两种探头之一的现有技术的该种光纤中子探测器的探测系统的组成如图3所示。闪烁光通过探头10进入石英光纤11，在驱动单元15的驱动下通过光纤传输进入光电倍增管16，从而转换为电信号后被前置放大器17放大到探测水平。前置放大器17与多道分析器18相连接，从而得到光子谱信息，并转换为探头所在处的中子通量密度信息，传输给计算机19。

在上述光纤中子探测系统的开发过程中，必然要进行整套系统的功能、性能等各种测试。过去使用的方法是将探头置于强中子场中，对系统运行测试；在需要对系统进行标定时，则将探头置于已知能量与注量的辐射场中(如已经进行过标定的反应堆中某区域)进行实验测试。由于在强中子场中进行的实验需要从辐射防护角度考虑很多因素，是费时费力的。

发明内容

本发明的首要目的是提供一种用于光纤中子探测系统测试与标定的探头，以解决现有光纤中子探测系统进行测试与标定时需要引入强中子场，造成整个测试与标定过程较为繁琐的技术问题。

为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种用于光纤中子探测系统测试与标定的探头，所述的探头包括光纤末端、均匀涂覆在光纤末端表面的探测材料，及覆盖在探测材料外的金属盖帽，

所述的探测材料由含²³²Th的物质以及闪烁体材料组成；

所述的金属盖帽起到既能保证被测中子顺利通过，又能避光的作用。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种用于光纤中子探测系统测试与标定的探头，其中所述的含²³²Th的物质为²³²ThO₂。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种用于光纤中子探测系统测试与标定的探头，其中所述的闪烁体材料为ZnS:Ag(即掺银硫化锌)。

所述的闪烁体材料是一类吸收高能粒子或射线后能够发光的材料，在辐射探测领域发挥着十分重要的作用。常用的闪烁体材料有NaI：Tl、CsI：Tl、CsI：Na、ZnS：Ag、塑料闪烁体、蒽、茋等。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种用于光纤中子探测系统测试与标定的探头，其中所述的含²³²Th的物质与所述的ZnS(不计其中掺入的Ag)的摩尔比为1:0.1-1:10。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种用于光纤中子探测系统测试与标定的探头，其中所述的光纤为传导光纤，所述的传导光纤为石英光纤或塑料光纤。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种用于光纤中子探测系统测试与标定的探头，其中所述的探测材料涂覆在所述的传导光纤末端的顶端。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种用于光纤中子探测系统测试与标定的探头，其中所述的光纤为波长转换光纤。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种用于光纤中子探测系统测试与标定的探头，其中所述的探测材料涂覆在所述的波长转换光纤末端的顶端及侧面。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种用于光纤中子探测系统测试与标定的探头，其中所述的光纤为相互连接的传导光纤与波长转换光纤，所述的探测材料涂覆在所述的波长转换光纤末端的顶端及侧面。

本发明的第二个目的是提供一种利用前述探头进行光纤中子探测系统测试与标定的方法，以解决现有光纤中子探测系统进行测试与标定时需要引入强中子场，造成整个测试与标定过程较为繁琐的技术问题。

为实现此目的，在一种基础的实施方案中，本发明提供一种利用前述探头进行光纤中子探测系统测试与标定的方法，所述的方法包括如下步骤：

(1)将所述的探头与已知探测效率η的微弱光探测计数系统相连接(探测效率η指计数系统测得的计数与入射的光子数之比。例如，入射100个光子，测得60个计数，则探测效率为0.6或60％。探测效率η总是小于等于1)，由此可得到探头自动发射光子的速率(即每秒钟可发射出多少个光子)；

(2)将探头与未知探测效率的微弱光探测计数系统相连接，如该系统无计数，可判断该系统发生故障，可起到测试该系统能否正常工作的作用；如该系统能够正常工作，则由该系统测得的计数率除以探头每秒钟发射的光子数，即得到该探测计数系统的探测效率。

由于发射的光子的时间分布对微弱光探测计数系统的探测效率有影响(即，如果1s内输入10个光子，这10个光子是每隔0.1s输入一个，则探测计数系统可能记到10个计数；如这10个光子是在第0.3s时刻同时入射3个，第0.6s时刻同时入射7个，由于探测计数系统对同时入射的光子无法分辨，可能只能探测到两个计数)，利用其它方法产生的微弱光(例如利用发光二极管)，生成的光子的时间分布很难恰巧与射线与探头发生作用时生成的光子的时间分布一致，因此利用其它方法标定的探测计数系统对光子的探测效率不能代表探测系统对由射线与探头相互作用生成的光子的探测效率。由于中子与射线作用生成光子的物理过程是中子先与反应物发生作用，生成α粒子，α粒子再与ZnS:Ag作用产生荧光；探头内的²³²Th可因衰变作用直接发射α粒子，α粒子再与ZnS:Ag作用产生荧光，因此本探头不仅能按照固定速率输出光子，而且输出光子的时间分布与探测中子的探头进行探测时输出光子的时间分布接近，因此，本方法可用于利用闪烁体光纤探头进行中子测量时的微弱光探测计数系统的探测效率的标定。

为实现此目的，在另一种基础的实施方案中，本发明提供一种利用前述探头进行光纤中子探测系统测试与标定的方法，用于对光纤中子探测系统从中子、β、γ混合信号中分辨出中子信号的能力进行测试，包括如下步骤：

(1)将光纤中子探测系统与探头进行连接；

(2)如光纤中子探测系统能够区分出哪些光子信号来自α粒子的贡献，哪些光子信号来自β或γ的贡献，则可说明该系统具有从中子、β、γ混合信号中分辨出中子信号的能力(因系统通过测量中子与反应物质发生作用生成的α粒子进行中子的测量，能甄别出α粒子信号，也即意味着存在中子时，可以甄别出中子信号)；反之，则说明进行测试的光纤中子探测系统不具备从中子、β、γ混合信号中分辨出中子信号的能力。

本发明的有益效果在于，利用本发明的用于光纤中子探测系统测试与标定的探头，可以产生稳定的微弱荧光，该荧光既具有来自高电离能力的粒子(α粒子)的贡献，也具有来自低电离能力的粒子(β、γ粒子)的贡献，从而在用该探头进行测试与标定时，无需强中子场即可进行整套光纤中子探测系统的测试及部分标定实验，简化了光纤中子探测系统的测试及标定过程。而将该探头安装到光纤中子探测系统顶端后，可测试整套系统工作是否正常，可用于进行系统对不同粒子成分的甄别能力的测试。此外，通过实验对该探头进行标定后，还可利用已标定的探头进行整套系统对特定光子信号(感兴趣的光子信号)的探测效率的测试或标定。

附图说明

图1为示例性的现有技术的光纤中子探测器的探头结构图，其中光纤为传导光纤(石英光纤或塑料光纤)。

图2为示例性的现有技术的光纤中子探测器的探头结构图，其中光纤为波长转换光纤。

图3为现有技术的光纤中子探测器的探测系统的组成图。

图4为示例性的本发明的用于光纤中子探测系统测试与标定的探头的组装图，其中光纤为传导光纤(石英光纤或塑料光纤)。

图5为示例性的本发明的用于光纤中子探测系统测试与标定的探头的组装图，其中光纤为波长转换光纤。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

按如下方法制备示例性的本发明的用于光纤中子探测系统测试与标定的探头(未盖上铝盖帽)。

截取一小段波长转换光纤，将已知量的²³²ThO₂与市售的用于核辐射测量的ZnS:Ag粉末(ZnS:Ag粉末来源于市售，其中Ag的质量百分含量在0.001％-0.01％之间；²³²ThO₂与ZnS的摩尔比为1:1)混合均匀后涂覆于光纤顶端或侧面(涂覆前利用精密天平对光纤重量进行称量，在涂覆完成后，再次利用精密天平进行称量，两者相减得到涂覆量)。当需要涂覆的量较大时，可先将²³²ThO₂、ZnS:Ag粉末与胶水一起搅拌均匀，然后连同胶水一起涂覆到光纤上。

²³²Th发生衰变的机理如下：

^a：此处“A”表示如下数据：

β(1.28MeV，25％；1.52MeV，21％；1.80MeV，50％)

γ(0.511MeV，23％；0.583，86％；0.860，12％；2.614，100％)

由上述机理可见，²³²Th衰变过程中可稳定地生成α、β、γ粒子。其中，α粒子具有高的电离能力，一个α粒子可在²³²ThO₂+ZnS:Ag粉末中产生较多的荧光；β或γ粒子具有低的电离能力，一个β或γ粒子在²³²ThO₂+ZnS:Ag粉末中产生的荧光远低于α粒子在该粉末中产生的荧光。

因此，该探头不仅可生成连续稳定的荧光，而且荧光中既具有由高电离能力的α粒子生成的成分，也具有由低电离能力的β、γ粒子生成的成分。因而该探头安装到光纤中子监测系统顶端后，可用于测试整套系统是否能稳定运行以及系统区分高低电离能力粒子的能力。由于²³²Th具有长半衰期，该探头的发光速率在一定的时间内足够稳定，因此利用已知辐射场对该探头进行标定后，可利用该探头进行系统对光的探测效率的标定。该探头通常每秒可产生10～1000个闪烁光子，具体数字取决于探头上涂覆的物质的量及其厚度。一旦探头加工完成后，该探头每秒产生的光子数恒定。

示例性的本发明的用于光纤中子探测系统测试与标定的探头的组装图如图4-5所示。

图4中，传导光纤1(为石英光纤或塑料光纤)的右端连接测量部件，左端安装接头2，并在接头2外露出一段光纤芯3。铝盖帽4内腔的底部用胶水涂覆按如上方法制备的²³²ThO₂与ZnS:Ag的混合粉末5(²³²ThO₂与ZnS的摩尔比为1:1)。然后将铝盖帽4盖到接头2上，从而使外露出的一段光纤芯3被铝盖帽4内腔包覆且使光纤芯3端部与铝盖帽4内腔底部的²³²ThO₂与ZnS:Ag的混合粉末5紧密接触。

图5中，波长转换光纤6的右端与传导光纤连接后再连接测量部件，左端安装接头2，并在接头2外露出一段光纤芯3。铝盖帽4内腔的底部及侧壁均用胶水涂覆按如上方法制备的²³²ThO₂与ZnS:Ag的混合粉末5(²³²ThO₂与ZnS的摩尔比为1:1)。然后将铝盖帽盖4盖到接头2上，从而使外露出的一段光纤芯3被铝盖帽4内腔包覆且使光纤芯3侧面与端部均与铝盖帽4内腔底部及侧壁的²³²ThO₂与ZnS:Ag的混合粉末5紧密接触。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种探头进行微弱光探测计数系统标定的方法，其特征在于，

所述的探头包括光纤末端、均匀涂覆在光纤末端表面的探测材料，及覆盖在探测材料外的金属盖帽，

所述的探测材料由含²³²Th的物质以及闪烁体材料组成；

所述的金属盖帽起到既能保证被测中子顺利通过，又能避光的作用，

所述的方法包括如下步骤：

(1)将所述的探头与已知探测效率η的微弱光探测计数系统相连接，由此可得到探头自动发射光子的速率；

(2)将探头与未知探测效率的微弱光探测计数系统相连接，如该系统无计数，可判断该系统发生故障，可起到测试该系统能否正常工作的作用；如该系统能够正常工作，则由该系统每秒钟测得的计数除以探头每秒钟发射的光子数，即得到该微弱光探测计数系统的探测效率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的含²³²Th的物质为²³²ThO₂；所述的闪烁体材料为ZnS:Ag。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的含²³²Th的物质与所述的ZnS的摩尔比为1:0.1-1:10。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的光纤为传导光纤，所述的传导光纤为石英光纤或塑料光纤。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述的探测材料涂覆在所述的传导光纤末端的顶端。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的光纤为波长转换光纤。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述的探测材料涂覆在所述的波长转换光纤末端的顶端及侧面。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的光纤为相互连接的传导光纤与波长转换光纤，所述的探测材料涂覆在所述的波长转换光纤末端的顶端及侧面。

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