CN110031889A - 一种基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法 - Google Patents
一种基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于硼‑10转换体和伽马探测器的热中子探测方法，采用含硼‑10的材料作为转换体，将硼‑10与热中子n反应生成阿尔法粒子α和锂‑7核；所述锂‑7核中的激发态锂‑7核跃迁到基态，并释放能量478keV的伽马光子γ；使用伽马探测器探测能量478keV的伽马光子γ，实现对热中子的探测；由于利用了硼‑10与热中子n反应后有非常大的概率会释放出特定能量伽马光子γ的自然规律，由此在现有的伽马探测器上采用硼‑10转换体，进而无需再额外配备热中子探测器和相关配套电路，极大地降低了仪器成本，明显的减小了仪器体积；同时也避免了采用气体探测器所面临的气压、机械振动等因素的制约。
Description
技术领域
本发明涉及热中子探测方法领域，尤其涉及的是一种基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法。
背景技术
伽马能谱仪是广泛应用的一种核探测仪器，通过所配备的伽马探测器测量伽马能谱来进行放射性核素的识别。伽马能谱仪通常还需要具备热中子探测能力，以便在识别到放射性核素时，通过测量是否有中子放出，来进一步鉴别是普通放射性核素还是特殊核材料。
为了实现热中子探测，现有的伽马能谱仪需要额外配备中子探测器，如氦-3管探测器或者碘化锂、锂玻璃等中子闪烁体探测器。但是，采用额外的中子探测器，还需要配套相应的电路，既增加了仪器成本，又增加了仪器体积；对于采用氦-3管探测器作为中子探测器来说，还需面临着目前氦-3气体资源严重短缺的问题，其价格也在不断上涨；同时，将气体探测器用于手持设备，还会受到气压、机械振动等因素的制约；而对于碘化锂、锂玻璃等中子闪烁体探测器作为中子探测器来说，目前的价格也较为昂贵。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法，无需额外配备热中子探测器和相关配套电路，可极大降低仪器成本，可明显减小仪器体积；同时也可避免采用气体探测器所面临的气压、机械振动等因素的制约。
本发明的技术方案如下：一种基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法，包括以下步骤：
A、采用含硼-10的材料作为转换体，将硼-10与热中子n反应生成阿尔法粒子α和锂-7核；
B、所述锂-7核中的激发态锂-7核跃迁到基态，并释放能量478keV的伽马光子γ；
C、使用伽马探测器探测能量478keV的伽马光子γ，实现对热中子的探测。
所述的基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法，其中：通过观察伽马能谱是否出现478 keV的能量峰，来判断是否检测到热中子n。
所述的基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法，其中：通过分析478keV能量峰范围内的计数是否明显高出本底计数，来判断是否检测到热中子n。
所述的基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法，其中：所述步骤A中，将含硼-10的材料设置为硼铝合金、碳化硼、氧化硼或纯硼材料。
所述的基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法，其中：所述步骤C中，将所述伽马探测器设置为碘化钠闪烁体、溴化镧闪烁体或者碲锌镉半导体探测器。
所述的基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法，其中：将含硼-10材料的转换体直接或间接放置在圆柱体或立方体伽马探测器的前端面上；或者，将含硼-10材料的转换体直接或间接放置在立方体伽马探测器的上侧面、下侧面、左侧面和/或右侧面上。
所述的基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法，其中：将含硼-10材料的转换体直接或间接半包裹在圆柱体或立方体伽马探测器的外侧壁上。
所述的基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法，其中：将含硼-10材料的转换体直接或间接全包裹在圆柱体或立方体伽马探测器的外侧壁上。
所述的基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法，其中：将含硼-10材料的转换体的自身厚度设置在1~5mm之间。
所述的基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法，其中：若所述伽马探测器采用闪烁体伽马探测器，则采用光电倍增管作为该闪烁体伽马探测器光读出器件，并将光电倍增管的阳极输出端信号连接电荷灵敏前置放大器，再经主放大器信号连接至多道脉冲幅度分析器，以采集能量478keV的伽马光子的信号能谱；若所述伽马探测器采用半导体伽马探测器，则该半导体伽马探测器的输出端直接连接电荷灵敏前置放大器，再经主放大器信号连接至多道脉冲幅度分析器，以采集能量478keV的伽马光子的信号能谱。
本发明所提供的一种基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法，由于利用了硼-10与热中子n反应后有非常大的概率会释放出特定能量伽马光子γ的自然规律，由此在现有的伽马探测器上采用硼-10转换体，进而无需再额外配备热中子探测器和相关配套电路，极大地降低了仪器成本，明显地减小了仪器体积；同时也避免了采用气体探测器所面临的气压、机械振动等因素的制约。
附图说明
图1是本发明基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法的原理图；
图2是本发明基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法实施例一的结构示意图；
图3是本发明基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法实施例二的结构示意图；
图4是本发明基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法实施例三的结构示意图；
图5是本发明基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法实施例四的组成示意图；
图6是本发明基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法实施例与现有伽马探测器的测量幅度谱对比图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的具体实施方式和实施例加以详细说明，所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并非用于限定本发明的具体实施方式。
经理论和实践的研究表明：
；
硼-10（即10 B）与热中子n进行核反应时会生成阿尔法粒子α和锂-7核，而在所生成的锂-7核中，仅有6.1%的概率处于基态（即7 Li），却有93.9%的概率处于激发态（即7 Li *），且单个激发态锂-7核（即7 Li *）会进一步跃迁到基态锂-7核（即7 Li），并释放出一个能量为478keV（即千电子伏）的伽马光子γ。
如图1所示，图1是本发明基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法的原理图，该热中子探测方法包括以下步骤：
步骤A、采用含硼-10的材料作为转换体120，将硼-10与热中子n反应生成阿尔法粒子α和锂-7核；
步骤B、所述锂-7核中的激发态锂-7核跃迁到基态，并释放能量478keV的伽马光子γ；
步骤C、使用伽马探测器110探测能量478keV的伽马光子γ，实现对热中子的探测。
优选地，可以通过观察其伽马能谱上是否出现478 keV的能量峰，来判断是否检测到热中子n。
或者，也可以通过分析478 keV能量峰范围内的计数是否明显高出本底计数，来判断是否检测到热中子n。
具体的，所述步骤A中，将含硼-10的材料设置为硼铝合金、碳化硼、氧化硼或纯硼材料。
具体的，所述步骤C中，将所述伽马探测器110设置为碘化钠闪烁体、溴化镧闪烁体或者碲锌镉半导体探测器。
结合图2所示，图2是本发明基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法实施例一的结构示意图，在本发明基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法的具体实施方式中，可以将含硼-10材料的转换体220直接或间接放置在圆柱体伽马探测器210的前端面上，或者将含硼-10材料的转换体220直接或间接放置在立方体伽马探测器210的前端面、上侧面、下侧面、左侧面和/或右侧面上；图2仅示出了含硼-10材料的转换体220直接放置在圆柱体或立方体伽马探测器210前端面上的情况；而且，对立方体伽马探测器210而言，每多一个面设置含硼-10材料的转换体220，都会进一步提高其探测效率。
结合图3所示，图3是本发明基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法实施例二的结构示意图，也可以将含硼-10材料的转换体320直接或间接半包裹在圆柱体伽马探测器310的外侧壁上。
结合图4所示，图4是本发明基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法实施例三的结构示意图，更好的是，将含硼-10材料的转换体420直接或间接全包裹在圆柱体伽马探测器410的外侧壁上；相比半包裹的探测效率来说，全包裹的探测效率会更高些。
优选地，在上述任意实施例中，可将含硼-10材料的转换体的自身厚度设置在1~5mm之间；厚度太薄则热中子的捕获效率较低，厚度太厚又会影响伽马探测器对外部伽马光子的探测。
结合图5所示，图5是本发明基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法实施例四的组成示意图，在本发明基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法的具体实施例中，若以φ3×3英寸的碘化钠闪烁体(或溴化镧闪烁体)作为伽马探测器210，则可在该碘化钠闪烁体(或溴化镧闪烁体)前端面放置一块2mm厚的含硼-10的硼铝合金作为转换体220，例如采用图2的结构形式，测试条件为镅铍中子源，采用光电倍增管230作为伽马探测器210的光读出器件，并将光电倍增管230的阳极输出端信号连接电荷灵敏前置放大器240，再经主放大器250信号连接至多道脉冲幅度分析器260，以采集能量478keV的伽马光子的信号能谱。
若所述伽马探测器210采用的是半导体伽马探测器，例如碲锌镉半导体伽马探测器，则也可在该半导体伽马探测器前端面放置一块2mm厚的含硼-10的硼铝合金作为转换体220，例如采用图2的结构形式，测试条件为镅铍中子源，并将该半导体伽马探测器的输出端直接连接电荷灵敏前置放大器240，再经主放大器250信号连接至多道脉冲幅度分析器260，以采集能量478keV的伽马光子的信号能谱。
结合图6所示，图6是本发明基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法实施例与现有伽马探测器的测量幅度谱对比图，左侧（1）是没有增加含硼-10的材料作为转换体的测量幅度谱，右侧（2）是增加含硼-10的材料作为转换体的测量幅度谱；横坐标代表多道脉冲幅度分析器的道数，纵坐标代表多道脉冲幅度分析器的计数；在增加了含硼-10的材料作为转换体后，从右侧（2）的测量幅度谱上可明显观察到硼-10捕获热中子n后所释放出的478 keV伽马光子γ射线的全能峰。
在本发明基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法的上述实施例里，仅采用了碘化钠闪烁体作为测试，图6的结果就是以φ3×3英寸的碘化钠闪烁体作为伽马探测器210的测试结果，并没有测试其他类型的伽马探测器；若采用溴化镧闪烁体或者碲锌镉半导体探测器作为伽马探测器210，其能量分辨率会更好，且图6的结果也会稍有差异，其478keV的全能峰也会更窄。
需要说明的是，本发明基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法，主要针对伽马能谱仪这类在测量伽马的同时又需要探测中子的应用场景，利用现有的伽马探测器，仅需加上硼-10转换体，便可实现对热中子的探测，无需配备额外的热中子探测器和相关配套电路，极大地降低了仪器成本，明显地减小了仪器体积；同时也避免了采用气体探测器所面临的气压、机械振动等因素的制约，相比现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步。
应当理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不足以限制本发明的技术方案，对本领域普通技术人员来说，在本发明的精神和原则之内，可以根据上述说明加以增减、替换、变换或改进，例如，本发明所用伽马探测器的形状也可以是其他形状，即包括但不限于是圆柱体或立方体，而所有这些增减、替换、变换或改进后的技术方案，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、采用含硼-10的材料作为转换体，将硼-10与热中子n反应生成阿尔法粒子α和锂-7核；
B、所述锂-7核中的激发态锂-7核跃迁到基态，并释放能量478keV的伽马光子γ；
C、使用伽马探测器探测能量478keV的伽马光子γ，实现对热中子的探测。
2.根据权利要求1所述的基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法，其特征在于：通过观察伽马能谱是否出现478 keV的能量峰，来判断是否检测到热中子n。
3.根据权利要求1所述的基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法，其特征在于：通过分析478 keV能量峰范围内的计数是否明显高出本底计数，来判断是否检测到热中子n。
4.根据权利要求1所述的基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法，其特征在于：所述步骤A中，将含硼-10的材料设置为硼铝合金、碳化硼、氧化硼或纯硼材料。
5.根据权利要求1所述的基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法，其特征在于：所述步骤C中，将所述伽马探测器设置为碘化钠闪烁体、溴化镧闪烁体或者碲锌镉半导体探测器。
6.根据权利要求1所述的基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法，其特征在于：将含硼-10材料的转换体直接或间接放置在圆柱体或立方体伽马探测器的前端面上；或者，将含硼-10材料的转换体直接或间接放置在立方体伽马探测器的上侧面、下侧面、左侧面和/或右侧面上。
7.根据权利要求1所述的基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法，其特征在于：将含硼-10材料的转换体直接或间接半包裹在圆柱体或立方体伽马探测器的外侧壁上。
8.根据权利要求1所述的基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法，其特征在于：将含硼-10材料的转换体直接或间接全包裹在圆柱体或立方体伽马探测器的外侧壁上。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法，其特征在于：将含硼-10材料的转换体的自身厚度设置在1~5mm之间。
10.根据权利要求1所述的基于硼-10转换体和伽马探测器的热中子探测方法，其特征在于：若所述伽马探测器采用闪烁体伽马探测器，则采用光电倍增管作为该闪烁体伽马探测器的光读出器件，并将光电倍增管的阳极输出端信号连接电荷灵敏前置放大器，再经主放大器信号连接至多道脉冲幅度分析器，以采集能量478keV的伽马光子的信号能谱；若所述伽马探测器采用半导体伽马探测器，则该半导体伽马探测器的输出端直接连接电荷灵敏前置放大器，再经主放大器信号连接至多道脉冲幅度分析器，以采集能量478keV的伽马光子的信号能谱。
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| Y.BEN-GALIM 等: ""Gamma scintillator system using boron carbide for neutron detection"", 《NUCLEAR INSTRUMENTS AND METHODS IN PHYSICS RESEARCH A》 * |
| Y.BEN-GALIM 等: ""Using the Doppler broadened γ line of the 10B(n,αγ)7Li reaction for thermal neutron detection"", 《NUCLEAR INSTRUMENTS AND METHODS IN PHYSICS RESEARCH A》 * |
| 杨剑波 等: ""初探中子探测器的研究现状与发展趋势"", 《科学技术与工程》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113341453A (zh) * | 2021-07-06 | 2021-09-03 | 散裂中子源科学中心 | 用于核素识别的白光中子成像方法及系统 |
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