CN109154673A - 中子检测装置的操作状态验证方法 - Google Patents
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Abstract
一种验证中子检测装置的操作状态的方法包含至少部分地将包含中子检测器的中子检测装置围封在具有包括热中子吸收材料的外壁的容器中，以及确定所述中子检测装置的衰减中子计数率。所述方法然后包含从所述容器中移除所述中子检测装置，将所述中子检测装置暴露于源自宇宙射线背景的中子辐射，确定所述中子检测装置的操作中子计数率，确定所述操作中子计数率与所述衰减中子计数率之间的比率，以及如果所述操作中子计数率比所述衰减中子计数率高至少预定量并且所述比率在预定范围内，那么验证所述中子检测装置的操作状态。
Description
技术领域
本发明一般涉及一种验证中子检测装置的操作状态的方法。
背景技术
用于伽马和中子辐射的灵敏检测和分析的仪器的用户经常面临关于仪器性能和校准的可靠验证的困难，这通常需要使用合适的伽马和中子检查源。这对于放射性核素实验室和核工业用户可能不是一大障碍，但例如执法人员等其它用户没有合适的手段来定期测试和验证其辐射检测设备的性能。将设备发送到校准实验室对应于拥有成本的显着增加和仪器可用性的降低。特别是，设计用于执法人员的个人辐射检测器(personal radiationdetector，PRD)或光谱辐射检测器(spectroscopic radiation detector，SPRD)属于所描述的关于缺少合适的人造检查源的问题。
关于伽马辐射检测器，存在一些使用天然放射性(原始同位素)的已建立的解决方案。例如，含有原始Lu-176或天然含钾原始K-40的天然镥测试适配器可用作验证PRD或SPRD装置性能的安全方法。参见美国专利第7,544,927号，在此以全文引用的方式并入(然而，当所并入参考文献中的任何内容与本申请中所陈述的任何内容抵触时，以本申请为准)。然而，不存在这样的天然放射性核素来测试中子检测器。另一方面，人造中子源的所有权容易出现重大的管理问题，并且还可能与辐射防护问题有关。因此，通常很少检查或根本不检查这种PRD和SPRD装置中的中子检测器。与通常每秒5到50个计数(cps)的伽马辐射背景不同，那些装置的中子辐射背景计数率极低(<<1cps)，因此操作员习惯于在那些装置的显示器中看到零计数率并且可能无法通过有缺陷的中子检测器发出警报。制造商可以在仪器中设置中子失效率阈值，但是操作期间的中子背景可能局部极低(例如，用于例如地铁系统的地下位置)。因此，为了避免仪器的错误故障消息，此健康状态指示可以仅检测检测器的完全故障(例如，几小时没有计数)。
因此，需要一种方法来验证操作状态并校准中子检测器(例如便携式中子检测器)的灵敏度，而无需使用例如AmBe或Cf-252等常规中子源。
发明内容
在一个实施例中，一种验证中子检测装置的操作状态的方法包含至少部分地将包含中子检测器的中子检测装置围封在具有包括热中子吸收材料的外壁的容器中；并确定中子检测装置的衰减中子计数率。所述方法然后包含从容器中移除中子检测装置，将中子检测装置暴露于源自宇宙射线背景的中子辐射，确定中子检测装置的操作中子计数率，确定操作中子计数率与衰减中子计数率之间的比率，以及如果操作中子计数率比衰减中子计数率高至少预定量并且所述比率在预定范围内，那么验证中子检测装置的操作状态。容器可具有至少一个外壁，所述外壁包括至少部分地覆盖中子检测器的热中子吸收材料。热中子吸收材料可包含硼(B)、锂(Li)、镉(Cd)和钆(Gd)中的至少一种。在某些实施例中，预定范围可以在4与10之间。
在一些实施例中，所述方法还可包含：在将中子检测装置暴露于源自宇宙射线背景的中子辐射之前，将中子检测装置放置成与中子慢化剂装置直接接触，并确定中子检测装置的增强中子计数率。中子慢化剂装置可包含聚乙烯(polyethylene，PE)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)和水中的至少一种。中子慢化剂装置可以是半球形外壳或板。在一些实施例中，中子慢化剂装置还可包含高原子序数材料，例如铅(Pb)、锡(Sn)或钨(W)中的至少一种。在包含中子慢化剂装置的实施例中，所述方法还可包含基于增强中子计数率与衰减中子计数率之间的差值来确定中子检测器的中子检测效率，从而校准中子检测装置。在一些实施例中，确定衰减中子计数率可以在建筑物的地下室中执行，并且所述方法还可包含将与中子慢化剂装置直接接触的中子检测装置放置在建筑物的屋顶上或放置在建筑物屋顶正下方，建筑物的地下室与屋顶之间的竖直质量层至少为250g/cm2。
在某些实施例中，所述方法还可包含，在将中子检测装置围封在具有包括热中子吸收材料的外壁的容器中之后，使容器以适合于商业客机的海拔高度在第一位置与第二位置之间飞行，在第二位置处从容器中移除中子检测装置，将中子检测装置放置成与中子慢化剂装置直接接触，以及然后使中子检测装置以基本上相同的海拔高度飞回到第一位置。
本发明具有许多优点，包含能够验证中子检测装置的操作状态和校准中子检测装置。
附图说明
图1是根据本发明的示例性实施例的中子检测装置的操作状态验证方法的流程图。
图2A是根据本发明的示例性实施例的容器内部的中子检测装置的示意图，所述容器具有包括热中子吸收材料的外壁。
图2B是根据本发明的示例性实施例的与中子慢化剂装置直接接触的中子检测装置的示意图。
图2C是根据本发明的示例性实施例的与包含高原子序数材料的中子慢化剂装置直接接触的中子检测装置的示意图。
图3A是根据本发明的示例性实施例的具有外壁的容器内的高灵敏度中子检测装置的示意图，所述外壁包括热中子吸收材料。
图3B是根据本发明的示例性实施例的与包含高原子序数材料的中子慢化剂装置直接接触的高灵敏度中子检测装置的示意图。
图3C是根据本发明的示例性实施例的作为国土安全门户的一部分的高灵敏度中子检测装置的示意图。
图3D是根据本发明的示例性实施例的由包括热中子吸收材料的外壁围封的高灵敏度中子检测装置的示意图。
图4是根据本发明的示例性实施例的中子检测装置的操作状态验证方法的流程图，所述方法包含将中子检测装置放置成与中子慢化剂装置直接接触。
在附图的多个视图中，相同的附图标记表示对应的部件。
具体实施方式
在本文中的本发明描述中，应理解，除非另外隐含地或明确地理解或陈述，否则以单数形式呈现的词语涵盖其复数对应物，且以复数形式呈现的词语涵盖其单数对应物。此外，应理解，对于本文中所描述的任何给定组件或实施例，除非另外隐含地或明确地理解或陈述，否则针对所述组件列出的任何可能候选或替代方案通常可以个别地使用或彼此结合使用。此外，应了解，如本文中所示的图式未必按比例绘制，其中为了本发明的清楚起见可仅仅绘制一些元件。并且，附图标记可在各图中重复以展示对应的或相似的元件。另外，应理解，除非另外隐含地或明确地理解或陈述，否则此类候选或替代方案的任何列表仅是说明性的，而不是限制性的。另外，除非另外指示，否则本说明书和权利要求书中所用的表示成分的量、组分、反应条件等等的标号应理解为均由术语“约”修饰。
因此，除非相反地指示，否则本说明书和随附权利要求书中所阐述的数值参数是可以取决于寻求通过本文提出的主题获得的所希望性质而改变的近似值。最低限度地，且并不试图限制等效物原则应用于权利要求书的范围，每一数值参数都应至少根据所报告的有效数字的数目并且通过应用一般四舍五入技术来解释。尽管阐述本文中提出的主题的广泛范围的数值范围和参数为近似值，但具体实例中所阐述的数值是尽可能精确地报告的。然而，任何数值固有地含有某些由其相应测试测量中所发现的标准差必然造成的误差。
当宇宙射线进入地球大气层时，它们会与空气中的原子和分子发生碰撞。这种相互作用产生了一连串的二次辐射，包含X射线、μ介子、质子、α粒子、π介子、电子和中子。参见T.Nakamura，《宇宙射线中子测谱术和剂量测定法(Cosmic-ray Neutron Spectrometryand Dosimetry)》，核科学技术期刊，增刊5，第1到7页(2008)，在此以全文引用的方式并入(然而，当所并入参考文献中的任何内容与本申请中所陈述的任何内容抵触时，以本申请为准)。如图1中的流程图所示，使用图2A、2B和2C中所示的元件示出了寻呼机型中子检测装置(尺寸和灵敏度要求符合IEC 62401或ANSI 42.32或IEC 62618或ANSI 42.48)，且使用图3A和3B所示的元件示出了高灵敏度中子检测装置(尺寸和灵敏度要求符合IEC 62534)，分别包含背包型辐射检测系统(尺寸和灵敏度要求符合IEC 62694或ANSI 42.53)和国土安全门户监视器(尺寸和灵敏度要求符合IEC 62244和IEC 62484)，一种验证中子检测装置的操作状态的方法100包含在步骤110处至少部分地将包含中子检测器220或320的中子检测装置210或310围封在具有包括热中子吸收材料的外壁的容器230或330中，持续时间在1小时与24小时的范围内，这取决于中子检测器的灵敏度和局部宇宙中子注量率。除了空气和中子检测装置210或310之外，容器230或330的壁和内部容积不应含有任何其它东西。容器230或330优选地足够大以完全围封至少一个中子检测装置210或310。容器230或330可以放置在建筑物的地下室中以降低中子注量率。然而，如果中子检测装置310太大而不能完全围封在容器330中，或者是包含安装在地板上的支架315的国土安全门户305的一部分，如图3C所示，那么如图3D所示，容器330可具有至少一个外壁，所述外壁包括热中子吸收材料，其至少部分地覆盖中子检测器320的中子敏感检测表面区域。国土安全门户305任选地包含在中子检测器320后面的中子防护屏335，以及任选地包含下文所描述的中子慢化剂装置340，其位于中子检测器320与中子防护屏335之间，如图3C和3D所示。
热中子吸收材料可包含硼(B)(例如厚度为至少1mm的Flexboron)、锂(Li)、镉(Cd)和钆(Gd)中的至少一种。合适的中子检测器220或320包含如下所述的检测器，例如闪烁晶体，或含有B-10、Li-6或He-3的气体正比检测器，其主要对热(能量为25meV)和低能中子(能量高达几eV)敏感。由于本文中描述的计数率的确定通常需要几个小时，因此中子检测装置210或310需要具有在内部或外部记录检测器计数的能力，使得可以在暴露时间结束时确定平均计数率。
方法100然后包含在步骤120处确定中子检测装置210或310的衰减中子计数率，然后在步骤130处从容器230或330中移除中子检测装置210或310，从而将中子检测装置210或310暴露于中子辐射(分别由图2A和2B中的箭头和图3B中的箭头指示)，所述中子辐射源自宇宙射线背景，持续时间在1小时与24小时之间，例如持续时间在10小时与12小时之间。然后，方法100包含在步骤140处确定中子检测装置210或310的操作中子计数率，并且在步骤145处，确定操作中子计数率与衰减中子计数率之间的比率。如果在步骤150处，操作中子计数率比衰减中子计数率高至少预定量并且所述比率在预定范围内，那么在步骤160处验证中子检测装置210或310的操作状态。否则，在步骤170处，中子检测装置210或310需要维修，并且不再可操作。对于中子检测装置，所述比率的预定范围通常在4与10之间，所述中子检测装置可以被由热中子吸收材料制成的外壁完全包围。对于使用具有部分覆盖的容器导致的衰减中子计数率，预定范围较小。如果所述比率基本上在预定范围之外，那么可以得出结论，所测量的中子计数率包含来自某一干扰的贡献，例如电子噪声或除宇宙中子之外的辐射的溢出。操作中子计数率与衰减中子计数率之间的比率的预定范围和计数率的预定量或绝对差值取决于中子检测装置210或310、中子检测器220或320以及中子吸收容器230或330的设计细节，且因此在工厂建立。如果两个测量都在同一位置执行，那么操作中子计数率与衰减中子计数率之间的比率与局部宇宙中子注量率的大小无关。
如图4中的流程图所示，验证中子检测装置的操作状态的方法400包含在步骤410处至少部分地将包含中子检测器220或320的中子检测装置210或310围封在如上所述的具有包括热中子吸收材料的外壁的容器230或330中，持续时间为1小时与24小时之间。容器230或330可以放置在建筑物的地下室中以降低中子注量率。然后，方法400包含在步骤420处确定中子检测装置210或310的衰减中子计数率，然后在步骤430处从容器230或330中移除中子检测装置210或310。方法400然后包含在步骤435处将中子检测装置210或310放置成与中子慢化剂装置240或340直接接触，然后在步骤436处将中子检测装置210或310暴露于中子辐射(分别由图2A和2B中的箭头和图3B中的箭头指示)，所述中子辐射源自宇宙射线背景，持续时间为1小时与24小时之间；在步骤440处确定中子检测装置210或310的增强中子计数率；并且在步骤445处确定增强中子计数率与衰减中子计数率之间的比率。如果在步骤450处，增强中子计数率比衰减中子计数率高至少预定量并且所述比率在预定范围内，那么在步骤460处验证中子检测装置210或310的操作状态。否则，在步骤470处，中子检测装置210或310需要维修，并且不再可操作。所述比率的预定范围通常在3与10之间。如果所述比率基本上在预定范围之外，那么可以得出结论，所测量的中子计数率包含来自某一干扰的贡献，例如电子噪声或除宇宙中子之外的辐射的溢出。增强中子计数率与衰减中子计数率之间的比率的预定范围和计数率的预定量或绝对差值取决于中子检测装置210或310、中子检测器220或320、中子吸收容器230或330以及中子慢化剂装置240或340的设计细节，且因此在工厂建立。如果两个测量都在同一位置执行，那么增强中子计数率与衰减中子计数率之间的比率与局部宇宙中子注量率的大小无关。
中子慢化剂装置240或340由主要含有氢的材料制成，例如聚乙烯(PE)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和水中的至少一种。中子慢化剂装置240是半球形外壳，如图2B和2C所示。在优选的设计中，中子检测器220在所有侧上嵌入到中子慢化剂装置240中。中子慢化剂装置240的壁的厚度在2cm与6cm之间的范围内，以便使宇宙中子场中的中子计数率最大化。
中子慢化剂装置340是厚度在2cm与6cm之间的板，其可以是仪器的可移除部分。在中子检测装置310的正常定向操作期间，中子慢化剂板340通过中子撞击中子检测器320的前侧的慢化和反向散射来增强对中子辐射的响应。中子慢化剂装置240和340都引起撞击中等和高能宇宙中子的慢化。此外，壁通过例如对周围结构材料或土壤中的宇宙中子的慢化充当对源自环境的热中子的部分屏蔽，其可能对测量结果具有可变的影响，例如由于土壤含水量的变化。参见E.Eroshenko等人，《宇宙射线中子通量与雨流之间的关系(Relationships between cosmic ray neutron flux and rain flows)》，提交在ECRS(2008)，在此以全文引用的方式并入(然而，当所并入参考文献中的任何内容与本申请中所陈述的任何内容抵触时，以本申请为准)。应选择增强中子计数率的测量位置，使得允许进入的宇宙辐射优选地在最小可能的衰减的情况下撞击中子慢化剂装置。例如，在建筑物中，中子检测装置和中子慢化剂装置应放置在屋顶正下方而不是地下室中。
如图2C所示，中子慢化剂装置240还可包含高原子序数材料245，例如铅(Pb)、锡(Sn)或钨(W)中的至少一种，以在高能宇宙中子撞击中子慢化剂装置240时最大化中子检测器220旁边的散裂中子的产生。
在包含中子慢化剂装置240或340的实施例中，所述方法还可包含基于增强中子计数率与衰减中子计数率之间的差值来确定中子检测器220或320的中子检测效率，从而校准中子检测装置210或310。例如，如果测量的中子计数率差值是预期的一半，那么展示中子检测器220或320对中子敏感，但中子检测效率损失50％。为了提供中子注量率响应方面的定量校准，可以通过影响宇宙中子注量率的一些外部参数来校正测量结果：气压、海拔高度和地理纬度。预期的平均粒子注量率是海拔高度的函数，并且在较小程度上是所述位置的地磁纬度的函数。对于中子，关于海平面暴露和纬度大于50°的文献值在0.013n/cm2s范围内，而这个值大约是地磁纬度小于30°时的大小的一半。参见M.S.Gordon等人，《IEEE核科学学刊(IEEE Transactions on Nuclear Science)》，第51(6)卷，第3427到3434页(2004)，在此以全文引用的方式并入(然而，当所并入参考文献中的任何内容与本申请中所陈述的任何内容抵触时，以本申请为准)。海拔高度为1km的位置可能会产生比海平面高约70％的注量率。由大气的局部气压引起的中子注量率变化在几个百分点的范围内并且可易于校正。根据Kowatari等人的说法，所述变化在985hPa与1015hPa之间为+/-10％。参见Kowatari等人，《日本的对宇宙射线中子和电离成分的顺序监测(Sequential monitoring of cosmic-rayneutrons and ionizing components in Japan)》，和Kowatari等人，《日本富士山的宇宙射线中子能量谱和环境剂量当量的海拔高度变化(Altitude Variation of cosmic-rayneutron energy spectrum and ambient dose equivalent at Mt.Fuji in Japan)》，这两篇参考文献都在2004年5月提交在马德里的IRPA 11，以及Kowatari等人，《富士山地区的宇宙射线诱发环境中子的海拔高度变化评估(Evaluation of the Altitude Variationof the Cosmic-ray Induced Environmental Neutrons in the Mt.Fuji Area)》，核科学技术期刊，第42(6)卷，第495到502页(2005)，在此以全文引用的方式并入(然而，当所并入参考文献中的任何内容与本申请中所陈述的任何内容抵触时，以本申请为准)。建筑物外的测量结果尤其可能受到土壤中水分的影响，并且可能需要特别考虑测量位置的选择。
在一个实施例中，特别适合于对快中子(即，能量大于或等于1keV的中子)敏感的中子剂量率检测器，确定衰减中子计数率在建筑物，优选地是一座巨大的建筑物的地下室中进行，以减少快中子成分。所述方法接着还包含将与中子慢化剂装置直接接触的中子检测装置放置在建筑物屋顶上或其正下方，在建筑物地下室与屋顶之间的竖直质量层至少为250g/cm2，优选大于500g/cm2，以实现至少一个衰减长度。参见L.D.Hendrick和R.D.Edge，《地球附近的宇宙射线中子(Cosmic-Ray Neutrons near the Earth)》，物理评论，第145(4)卷，第1023到1025页(1966)，在此以全文引用的方式并入(然而，当所并入参考文献中的任何内容与本申请中所陈述的任何内容抵触时，以本申请为准)。
在某些实施例中，所述方法还可包含，在将中子检测装置210或310围封在具有包括热中子吸收材料的外壁的容器230或330中之后，使容器230或330以适合于商业客机的海拔高度在第一位置与第二位置之间飞行，在第二位置处从容器230或330中移除中子检测装置210或310，将中子检测装置放置成与中子慢化剂装置直接接触，以及然后使中子检测装置210或310以基本上相同的海拔高度飞回到第一位置。如上所讨论，在10km海拔高度处的中子计数率比在地平面上高约50倍，且因此，对于寻呼机型中子检测装置210，校准测量可能需要10分钟，而不是10小时。
虽然已通过描述示例性实施例说明本发明且虽然已相当详细地描述这些实施例，但本申请人并不意图将所附权利要求书的范围约束或以任何方式限于此类细节。所属领域的技术人员将容易地看出额外优势和修改。因此，本发明在其较广方面并不限于所展示且描述的具体细节、代表性设备和方法，以及说明性实例。因此，可在不脱离本申请人的一般发明概念的精神或范围的情况下对此类细节进行变更。
Claims (14)
1.一种验证中子检测装置的操作状态的方法，所述方法包括：
a.至少部分地将包含中子检测器的中子检测装置围封在具有包括热中子吸收材料的外壁的容器中；
b.确定所述中子检测装置的衰减中子计数率；
c.从所述容器中移除所述中子检测装置；
d.将所述中子检测装置暴露于源自宇宙射线背景的中子辐射；
e.确定所述中子检测装置的操作中子计数率；
f.确定所述操作中子计数率与所述衰减中子计数率之间的比率；以及
g.如果所述操作中子计数率比所述衰减中子计数率高至少预定量并且所述比率在预定范围内，那么验证所述中子检测装置的操作状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述热中子吸收材料包括硼(B)、锂(Li)、镉(Cd)和钆(Gd)中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述容器具有至少一个外壁，所述外壁包括至少部分地覆盖所述中子检测器的所述热中子吸收材料。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定范围在4与10之间。
5.根据权利要求1所述的方法，其还包含在将所述中子检测装置暴露于源自宇宙射线背景的中子辐射之前，将所述中子检测装置放置成与中子慢化剂装置直接接触。
6.根据权利要求5所述的方法，其还包含确定所述中子检测装置的增强中子计数率，并确定所述增强中子计数率与所述衰减中子计数率之间的比率。
7.根据权利要求6所述的方法，其还包含基于所述增强中子计数率与所述衰减中子计数率之间的差值确定所述中子检测器的中子检测效率，从而校准所述中子检测装置。
8.根据权利要求5所述的方法，其中所述中子慢化剂装置包括聚乙烯(PE)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和水中的至少一种。
9.根据权利要求5所述的方法，其中所述中子慢化剂装置是半球形外壳。
10.根据权利要求5所述的方法，其中所述中子慢化剂装置是板。
11.根据权利要求5所述的方法，其中所述中子慢化剂装置还包含高原子序数材料。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述高原子序数材料是铅(Pb)、锡(Sn)或钨(W)中的至少一种。
13.根据权利要求5所述的方法，其中确定所述衰减中子计数率是在建筑物的地下室中执行的，并且所述方法还包含将与所述中子慢化剂装置直接接触的所述中子检测装置放置在所述建筑物的屋顶上或者放置在所述建筑物的屋顶的正下方，在所述建筑物的所述地下室与所述屋顶之间的竖直质量层至少为250g/cm2。
14.根据权利要求1所述的方法，其还包含在将所述中子检测装置围封在具有包括热中子吸收材料的外壁的所述容器中之后，使所述容器以适合于商业客机的海拔高度在第一位置与第二位置之间飞行，在所述第二位置处从所述容器中移除所述中子检测装置，将所述中子检测装置放置成与中子慢化剂装置直接接触，以及然后使所述中子检测装置以基本上相同的海拔高度飞回到所述第一位置。
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