CN108562929A - 一种重金属倍增的宽能中子源强测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种重金属倍增的宽能中子源强测量系统，可适用于高能加速器、反应堆等单能及宽能中子辐射场源强测量及量值传递，其包括中子探头、信号处理系统和数据分析系统；中子探头由中心热中子探测器、内层慢化体、中子倍增层、外围热中子探测器、反射层、侧向热中子吸收体、外层慢化体、前向热中子吸收体组成。其中，中心热中子探测器采用位置灵敏型中子探测器，获取辐射场的能谱信息，并设置能量权重因子对中心热中子探测器的能量响应进行补偿，进而提高测量精度。本发明具有结构新颖，测量能区范围宽，角响应特性好，能够进行能量响应补偿，源强测量精度高等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种重金属倍增的宽能中子源强测量系统，特别是高能加速器、反应堆定向辐射场的中子源强测量及量值传递。
背景技术
利用中子源开展研究工作的一个基本要求是给出准确、可靠的中子源强度。常用的有活化法、伴随粒子法、反冲质子望远镜、裂变电离室和长中子计数器。
活化法测量精度高，是离线测量方式，不能实现在线测量；伴随粒子法有一定的适用范围，只适应于特定的核反应类型；反冲质子望远镜能比较准确地探测单能中子个数，但在强流辐射场中会产生电子学阻塞及强本底干扰和中子辐照损伤等问题。
长中子计数器通常由置于石蜡或聚乙烯腔内的热中子探测器构成，其简单、可靠，方向性强，能量响应特性较为平坦，n、γ甄别本领强，被广泛用于中子注量率测量的次级标准，在中子计量传递方面起着重要作用，传统长中子计数器5MeV以上存在随着能量增加注量能量响应而逐渐减小，不适用于高能中子辐射场源强测量，针对不同的测量需求，国内外对传统长中子计数器进行一定的改善。
在Radiation Measurements(2010)中，刊登的“Design of a new long counterfor the determination of the neutron fluencereference values at the IRSNAMANDE facility”公开出版物中所报道的技术方案，在正比计数管前面增加聚乙烯柱，改善低能响应。
在Radiation Protection Dosimetry(2013)中，刊登的“long counter and itsapplication for the calibration of the neutron irradiators”公开出版物中所报道的技术方案，研制了外屏蔽层可组装拆卸的长中子计数器以便于携带。
在Radiation Protection Dosimetry(2014)中，刊登的“Response Improved forNeutron Long Counter”公开出版物中所报道的技术方案，在慢化体中嵌入钨材料，利用金属补偿材料的(n,xn)散裂反应改善高能响应，设计的长中子计数器未涉及到高能角响应改善。
在Radiation Protection Dosimetry(2016)中，刊登的“Design of an extendedrange long counter using super monte carlo simulation”公开出版物中所报道的技术方案，利用金属材料改善高能响应，未涉及低能响应改善和能量响应修正，其误差精度达±9％，且未考虑GeV高能区混合场其他带电粒子与探头作用产生次级中子的改善办法。
在中国专利文献CN104898156A公开了一种定向宽能中子监视器探头，其采用裂变增殖材料和中子反射材料，拓宽能量范围和改善高能角响应，由于采用裂变材料必然带来防护问题，且采用单一热中子探测器，其能量适用范围通常小于6个能级，不能兼顾高能和低能两个能区，且源强测量未考虑响应补偿问题造成精度下降和其他高能粒子如高能质子与探头相互作用产生次级中子造成精度下降问题。
采用多探测器测量方法在中子周围剂量当量仪中有一定应用，在中国专利文献CN101419290A公开了一种二元慢化型高能中子剂量仪，其利用中心计数区和外围计数区测量的方式解决高能中子剂量仪的能量响应不理想的问题，可使剂量仪能量响应到0.65-1.5之间，虽然能满足剂量仪这类辐射防护仪表的测量要求(响应误差按±100％要求)，但是由于采用比值法确定平均能量，无法对整个能区响应进行精细补偿，难以满足源强测量的精度要求(通常要求小于10％)，且其采用球形设计适用于各向同性辐射场如环境中子剂量测量，对于加速器、反应堆定向辐射场中子强度测量并不适用。
上述公开报道均未给出高精度的宽能中子源强测量系统设计，有必要加以改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种重金属倍增的宽能中子源强测量系统，以提高中子源强测量精度。
为此，本发明提供了一种重金属倍增的宽能中子源强测量系统，该系统包括中子探头、信号处理系统和数据分析系统，中子探头包括中心热中子探测器、内层慢化体、中子倍增层、外围热中子探测器、反射层、侧向热中子吸收体、外层慢化体、前向热中子吸收体；中心热中子探测器、中子倍增层、外围热中子探测器、反射层均嵌入在内层慢化体中，中心热中子探测器在1keV-1GeV能量响应特性较为平坦，从而实现高能区中子的源强测量，外围热中子探测器在若干eV-1MeV能量响应特性较为平坦，从而实现较低能区中子的源强测量，两者之间结合拓宽能量测量区间达10个量级，中心热中子探测器采用位置灵敏型中子探测器，获取辐射场的能谱信息，所述数据分析系统用于设置能量权重因子对中心热中子探测器的能量响应进行补偿。
进一步地，上述所述中心热中子探测器至少有两路输出信号，将两路输出信号差异经信号处理系统求和及相除后以确定位置信号，位置信号经模数转换器转换为数字信号输入到多道分析器，输出的脉冲幅度大小与中心热中子探测器位置建立一一对应关系，根据脉冲幅度差异确定位置信息，根据脉冲个数确定不同位置分区中子信号大小，所述信号处理系统获取中心热中子探测器各分区计数和外围热中子探测器的多路信号平均值并输出到数据分析系统。
进一步地，上述中心热中子探测器被分为M个区域，每个区域i位于不同慢化深度，因而对不同能区响应不同，确定一个与中心热中子探测器每个区域i在第j段的能量响应Pi(Ej)与外围热中子探测器的能量响应RO(Ej)相关的f(Ej)函数，使其满足以下关系：根据以上函数确定第j个能量段能量权重因子Wj，对中心热中子探测器在第j个能量段的响应Rj进行补偿，补偿后的能量响应Rc的计算方法如下：其中Rt为目标能量响应，Rr为中心热中子探测器计算的能量响应。
进一步地，上述中子倍增层由内外两层或多层组成，每层是不同种类、增殖能力不同的重金属材料，中子倍增层是采用(n,xn)反应实现中子倍增的重金属材料，例如铅、铬、铁、铜等。
进一步地，上述的中子倍增层(6)外涂覆有对质子阻止本领高的涂层，其涂层是SiO2，或Al2O3。
进一步地，上述外围热中子探测器选自BF3正比计数器、3He正比计数器、裂变电离室、涂硼电离室、或γ补偿型硼电离室。
进一步地，上述中心热中子探测器位于中子探头的前端面，其端面位置在前向热中子吸收体覆盖范围内，外层留有空气孔或空气环，其目的是提高keV能区中子能量响应，目的是获得使得keV-1GeV能区能量响应特性较为平坦；外围热中子探测器距前端面一定距离深度，范围在5-20cm，其端面位置在前向热中子吸收体覆盖范围之外，目的是保持一定的聚乙烯厚度降低eV-keV中子能区能量响应，获得在eV-1MeV较为平坦的能量响应特性曲线。
进一步地，上述外围热中子探测器个数大于3个，均匀沿径向分布在中子倍增层及反射层之间，方向与中心热中子探测器平行，测量系统获取每个外围热中子探测器的计数取平均值，目的是使外围热中子探测器能量响应满足各向同性的要求。
本发明的有益效果：
(1)本源强测量系统采用多探测器组合的中子探测器进行测量，到达中心热中子探测器的中子经过深度慢化，适用于能量较高的中子测量，并与中子增殖材料发生充分非弹性散射反应，因而适用中子能量更高；到达外围热中子探测器的中子慢化层较浅，因而适用于较低能量中子测量，由二者组合可将测量系统的能区测量范围扩展到10个能级以上，可以兼顾高能区中子和低能区中子辐射场测量需求。
(2)本源强测量系统的中心热中子探测器采用位置灵敏中子探测器，位置灵敏中子探测器的不同位置处慢化深度不同，从而对中子能量响应峰值能区不同，从而根据位置灵敏中子探测器输出的多路信号获取辐射场能谱信息设置能量权重因子对高能区和低能区能量响应进行补偿，提高源强测量精度。
(3)本源强测量系统，其外围热中子探测器由3个及以上组成，均匀分布在内慢化层内，减少了由各向异性导致测量误差，采用反射层材料改善了角响应，增殖层材料外涂覆有对质子阻止本领高的涂层，降低了高能带电粒子与探头金属材料相互作用，进一步改善高能区响应，提高源强测量精度。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明的重金属倍增的宽能中子源强测量系统的结构示意图；
图2是中子探头的结构示意图；
图3是图2的A-A截面图。
附图标记说明
1、中子探头； 2、信号处理系统；
3、数据分析系统； 4、中心热中子探测器；
5、内层慢化体； 6、中子倍增层；
7、外围热中子探测器； 8、反射层；
9、侧向热中子吸收体； 10、外层慢化体；
11、前向热中子吸收体。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
针对现有源强测量系统只适用于特定辐射场和能量点监测问题，本发明采用一种中子倍增的中子探头拓宽能量测量上限；针对现有宽能辐射场中高能区与低能区中子源强测量难以兼顾的问题，采用一种多探测器组合方式拓宽高能区和低能区测量范围；针对现有源强测量系统精度较低的问题，采用位置灵敏型中子探测器对能量响应差异确定中子能谱信息进行能量响应修正提高测量精度。
如图1和图2所示，在一实施例中，本发明的重金属倍增的宽能中子源强测量系统包括中子探头1、信号处理系统2和数据分析系统3。
其中，中子探头的结构和布局从里到外依次是中心热中子探测器4、中子倍增层6、内层慢化体5、外围热中子探测器7、反射层8、侧向热中子吸收体9、外层慢化体10。所述内层慢化体5内嵌有中心热中子探测器4、外围热中子探测器7、中子倍增层6和反射层8。中子倍增层6由内中子倍增层和外中子倍增层组成，二者之间夹设有慢化体层。
其中，中心热中子探测器4采用位置灵敏型中子探测器，位置灵敏型中子探测器至少有两个信号输出端子，中子在位置灵敏型中子探测器内的不同位置引起核反应，产生的脉冲幅度不同，根据两个输出端的信号差异来确定入射粒子的位置。
其中，所述中子倍增层6由内外两层或多层组成，每层是不同种类、增殖能力不同的重金属材料，中子倍增层是采用(n,xn)反应实现中子倍增的重金属材料铅、铬、铁、铜等，内层采用倍增能力较强的铅、钨等材料，外层采用倍增能力弱的铬、铜等材料，其原因是采用一种倍增材料的增殖能力有限，可以在一个能区获得较好的增殖性能，而难以在宽能区内保持相同增殖效果，而采用两种或以上中子倍增材料，由于其在不同能区增殖性能不同，通过设置材料尺寸厚度，可使得在宽能区内达到近似增殖效果
其中，所述中子倍增层6外涂覆有对质子阻止本领高的涂层，其涂层是SiO2，或Al2O3。该中子探头用于高能中子探测，由于高能中子达GeV，通常伴随混合场，不可避免会受到其他高能粒子如质子影响，高能带电粒子会与金属材料发生散裂反应产生次级中子从而影响测量结果，在金属材料外层涂覆有高能质子及其他粒子阻止本领大的材料，减少中子探头对其他粒子与探头材料发生反应产生次级中子的能量响应，改善源强测量系统测量精度。
其中，所述外围热中子探测器7是BF3正比计数器、或3He正比计数器、或裂变电离室、或涂硼电离室、或γ补偿型硼电离室。
其中，所述中心热中子探测器4位于中子探头内层慢化体5的中心，探测器前端面位于中子探头前端面，由于较大的慢化深度，在高能区响应平坦，配合外包裹的中子倍增层6，能拓展中心热中子探测器4的响应特性曲线平坦能区到GeV，然而较大的慢化深度对keV能区中子有一定吸收，使得keV能区中子能量响应偏低，因此在中心热中子探测器4外层留有空气孔或空气环，其目的是提高keV能区中子能量响应，目的是获得使得keV-GeV能区能量响应特性较为平坦，且中子探头前端面设置前向热中子吸收体进一步吸收低能区中子。
外围热中子探测器7位于中子探头内层慢化体5的外层，慢化深度较小，在低能区响应平坦，可以获得eV-1MeV能区相对平坦的响应特性曲线，而较浅的慢化深度导致eV-keV响应偏高，因此将外围热中子探测器端面设置在距前端面一定距离深度，范围在5-20cm，目的是保持一定的聚乙烯厚度降低eV-keV中子能区能量响应，使得外围热中子探测器7获得在eV-1MeV较为平坦的能量响应特性曲线，其前端面位置设置在前向热中子吸收体覆盖范围外有利于进一步改善低能区响应。
其中，所述外围热中子探测器7个数大于3个，均匀沿径向分布在中子倍增层6及反射层8之间，方向与中心热中子探测器4平行，测量系统获取每个外围热中子探测器7的计数取平均值，目的是使外围热中子探测器7能量响应具备各向同性特性，不受辐射场方向性的影响，且其分布在中子倍增层6的外层，可以尽量降低高能区中子能量响应，慢化深度浅，可获得低能区较为平坦的能量响应特性，与中心热中子探测器的作用相区分开，其方向与中心热中子探测器4平行目的是使其在定向辐射场中获得较为平坦的响应特性曲线。
其中，所述信号处理系统2包括信号收集单元和信号处理单元，中子探头(中心热中子探测器4和外围热中子探测器7的信号)输出信号经信号收集单元放大，信号处理单元将收集到的信号进行相加、相除，并将模拟信号转换为数字信号，数字信号经多道分析器进行道址分析处理获取位置信息，把多道分析器不同道址处的计数进行统计获取中子信号大小信息，从而把不同位置分区处的计数信号输出到数据分析系统，获取中心热中子探测器4的各分区计数。
其中，中心热中子探测器4的两路输出信号经信号处理系统求和及相除后以确定位置信号，位置信号经模数转换器转换为数字信号输入到多道分析器，输出的脉冲幅度大小与中心热中子探测器4位置建立一一对应关系，根据脉冲幅度差异确定位置信息，根据脉冲个数确定不同位置分区中子信号大小，所述信号处理系统获取中心热中子探测器4的各分区计数和外围热中子探测器7的多路信号平均值并输出到数据分析系统。
所述数据分析系统3采用嵌入式FPGA芯片作为微处理器，通过硬件固件采集从信号处理系统输出的中心热中子探测器4输出的各分区计数和外围热中子探测器7输出的计数平均值，采用嵌入式软核进行以下运算：根据位置灵敏型中子探测器不同分区的响应函数，采用Sand-II解谱算法进行解谱，根据解析获得的能谱将能量分为10个能段(10-6，10-4，10-2，10-1，1，5，10，20，100和400MeV)，设置能量权重因子Wi对中心热中子探测器的能量响应进行补偿，给出最终源强测量结果输出显示。
其中，响应补偿方法如下：
根据中心热中子探测器4所采用的位置灵敏型中子探测器获取多个分区计数，采用解谱算法获取辐射场的能谱信息，并设置能量权重因子对中心热中子探测器4的能量响应进行补偿。具体地，根据入射粒子位置信息将所述中心热中子探测器4被分为M个区域，每个区域i位于不同慢化深度，因而对不同能区响应不同，确定一个与中心热中子探测器(4)每个区域i在第j段的能量响应Pi(Ej)与外围热中子探测器7的能量响应RO(Ej)相关的f(Ej)函数，使其满足以下关系：
根据以上函数确定第j个能量段能量权重因子Wj，对中心热中子探测器(4)在第j个能量段的响应Rj进行补偿，补偿后的能量响应Rc的计算方法如下：
Rt为目标能量响应，Rr为中心热中子探测器4计算的能量响应。
其中，所述中心热中子探测器4和外围热中子探测器7能量响应差异特征值包含了中子能谱信息，通过二者之间能量响应差异特征值确定能量设置权重因子对中心热中子探测器4能量响应进行补偿，改善能量响应平坦度进而提高测量精度。
源强度的求解过程具体如下：
采用蒙特卡罗模拟计算方法，获取中子探头的能量响应特性曲线，该曲线在一定误差范围内波动，获取各能区平均值作为响应实际值，取整个能区响应平均值作为目标值。根据上述响应补偿方法计算补偿后的能量响应Rc(Ej)，根据解谱获得辐射场能谱为S(Ej)，根据中心热中子探测器读数和外围热中子探测器计数确定第Ej个能区中子信号强度N(Ej)，对于给定距离R，则源强度Y可表示为：
本发明采用中心热中子探测器和外围热中子探测器组合法拓宽源强测量系统的高能区和低能区能量适用范围，并采用位置灵敏型中子探测器获得中子辐射场能谱，设置能量权重因子对能量响应进行补偿提高中子源强测量精度，与现有源强测量系统设计有明显的差异。
实施例
所述中心热中子探测器是圆柱体位置灵敏正比计数器，有10个位置分区，根据多道分析器采集的中心热中子探测器输出信号获取10个位置分区信号，中心热中子探测器位于中子探头中心，长度在10cm-40cm，外径在12mm-80mm，其侧面开有空气柱。
所述外围热中子探测器是圆柱体BF3正比计数器，共4个径向分布在中子探头增殖层和反射层之间，外围热中子探测器前端面距离中子探头前端面5-20cm，前端面不设置热中子吸收体，使得在低能区获得较高的能量响应。
所述中子倍增层是圆环状，两端开口，分内中子倍增层和外中子倍增层，内中子倍增层包裹在中心热中子探测器外，长度在10cm-40cm，壁厚在3mm-20mm，材料为铅，外中子倍增层嵌入到热中子探测器外的内层慢化体中，长度在10cm-40cm，壁厚在10mm-20mm，材料为铬。
所述中子倍增层6外涂覆有对质子阻止本领高的涂层，其涂层是SiO2，其厚度在50μm-2mm。
所述反射层是圆桶状，入射面开口，嵌入热中子探测器外的慢化体中，长度在10cm-50cm，壁厚在2mm-20mm，材料为BeO材料，其作用是将从前端面入射的中子经慢化后反射回中心热中子探测器，改善中子探头角响应。
所述侧向热中子吸收体是圆桶状，入射面开口，长度在10cm-50cm，壁厚在3mm-20mm，材料为三氧化二硼，用于吸收散射中子，改善中子探头角响应。
所述前向热中子吸收体是圆片状，厚度在0.5-2mm，材料为镉，其覆盖范围为中心热中子探测器，和中子倍增层，外围热中子探测器不在其覆盖范围内。
所述内层慢化体是多层桶状，长度在20-60cm，外径在8-50cm。
所述外层慢化体是圆桶状，外层慢化体厚度d在10-50cm之间，长度在30cm-120cm之间。
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。
Claims (8)
1.一种重金属倍增的宽能中子源强测量系统，包括中子探头、信号处理系统(2)和数据分析系统(3)，其特征在于，
所述中子探头(1)包括中心热中子探测器(4)、内层慢化体(5)、中子倍增层(6)、外围热中子探测器(7)、反射层(8)、侧向热中子吸收体(9)、外层慢化体(10)、以及前向热中子吸收体(11)，
其中，所述中心热中子探测器(4)、中子倍增层(6)、外围热中子探测器(7)和反射层(8)均嵌入在所述内层慢化体(5)中，
其中，所述中心热中子探测器(4)采用位置灵敏型中子探测器，获取辐射场的能谱信息，所述数据分析系统(3)用于设置能量权重因子、对中心热中子探测器(4)的能量响应进行补偿。
2.根据权利要求1所述的重金属倍增的宽能中子源强测量系统，其特征在于，所述信号处理系统用于获取中心热中子探测器(4)各分区计数和外围热中子探测器(7)的多路信号平均值、并输出到数据分析系统。
3.根据权利要求1或2所述的重金属倍增的宽能中子源强测量系统，其特征在于，响应补偿方法为：
将所述中心热中子探测器(4)分为M个区域，每个区域i位于不同慢化深度，因而对不同能区响应不同，确定一个与中心热中子探测器(4)每个区域i在第j能段的能量响应Pi(Ej)与外围热中子探测器(7)的能量响应RO(Ej)相关的f(Ej)函数，使其满足以下关系：
根据以上函数确定第j个能量段能量权重因子Wj，对中心热中子探测器(4)在第j个能量段的响应Rj进行补偿，补偿后的能量响应Rc的计算公式如下：
其中，Rt为目标能量响应，Rr为中心热中子探测器(4)计算的能量响应。
4.根据权利要求1所述的重金属倍增的宽能中子源强测量系统，其特征在于，所述中子倍增层(6)由内外两层或多层组成，每层选自不同种类、增殖能力不同的重金属材料，中子倍增层是采用(n,xn)反应实现中子倍增的重金属材料。
5.根据权利要求1所述的重金属倍增的宽能中子源强测量系统，其特征在于，所述中子倍增层(6)外涂覆有对质子阻止本领高的涂层，其涂层是SiO2，或Al2O3。
6.根据权利要求1所述的重金属倍增的宽能中子源强测量系统，其特征在于，所述外围热中子探测器(7)选自BF3正比计数器、3He正比计数器、裂变电离室、涂硼电离室、或γ补偿型硼电离室。
7.根据权利要求1所述的重金属倍增的宽能中子源强测量系统，其特征在于，所述中心热中子探测器(4)位于中子探头的前端面，其端面位置在前向热中子吸收体(11)覆盖范围内，外层留有空气孔或空气环，外围热中子探测器(7)距前端面保持设定距离深度，其端面位置在前向热中子吸收体(11)覆盖范围之外。
8.根据权利要求1所述的重金属倍增的宽能中子源强测量系统，其特征在于，外围热中子探测器(7)个数大于3个，在中子倍增层(6)及反射层(8)之间沿径向均匀分布，方向与中心热中子探测器(4)平行。
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