CN110361773A - 一种定位未知能谱中子辐射场中子源位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种定位未知能谱中子辐射场中子源位置的方法，方法包括：(1)将组合编码板作为相机屏蔽箱的一个端面，在相机屏蔽箱内沿组合编码板一端依次放置具有热中子、快中子及伽马甄别能力的位置灵敏中子探测器和位置灵敏吸收中子探测器；(2)记录组合编码板到位置灵敏中子探测器的距离D₁，让待测中子源透过组合编码板被位置灵敏中子探测器探测获得第一成像；(3)调节组合编码板到位置灵敏中子探测器的距离为D₂，让待测中子源透过组合编码板被位置灵敏中子探测器探测获得第二成像，计算得到待测中子源到组合编码板的距离L。本发明提供的方法能同时探测热中子和快中子并根据探测不同粒子的产生信号衰减时间不同分辨源项种类且能快速定位。

Description

一种定位未知能谱中子辐射场中子源位置的方法

技术领域

本发明属于辐射测量技术领域，具体涉及一种定位未知能谱中子辐射场中子源位置的方法。

背景技术

911事件爆发之后、世界各国投入大量人力物力进行反恐。其中大规模杀伤性武器(铀弹、钚弹、贫铀弹等)更是需要严格管控，而从源头上防止核材料扩散，国际社会采用的重要做法就是控制核材料非法走私。对于核弹头的统计、核武器管控及防止偷运特殊核材料的，这些均离不开中子相机技术。核应急响应中也需要宽能谱中子相机的支援。核事故应急场所的放射源项复杂，除了伽马源项外，往往可能还有中子源项，单纯的探测伽马源项和监测伽马剂量不能很好的反映辐射场实际情况。况且，核应急场所中子源项的信息未知，可能是快中子源项也可能是热中子源项，也可能是被含H材料所包裹的快中子源项。准确的定位和分辨源项种类、强度、几何结构和其屏蔽材料及厚度对辐射防护安全要求及应急响应方案的制定至关重要。

传统的³He或BF₃气体探测器有计数功能，却无法对中子源进行定位。对于核材料放出的裂变中子，目前常有三种探测方式：(1)快中子散射相机。(2)基于快中子径迹探测的时间投影室方法(TPC)(3)快中子编码孔相机。然而，尚无同时探测热中子和快中子的中子相机，而在未知辐射场中中子源的能谱及位置未知，中子源可能被高含H材料包裹，故而，需要能用于未知能谱中子辐射场中子源定位的中子相机。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种定位未知能谱中子辐射场中子源位置的方法，能同时探测热中子和快中子，可用于分辨源项种类，且能快速定位中子源位置。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种定位未知能谱中子辐射场中子源位置的方法，所述方法包括：(1)将组合编码板作为相机屏蔽箱的一个端面，在相机屏蔽箱内沿组合编码板一端依次放置具有热中子、快中子及伽马甄别能力的位置灵敏中子探测器和位置灵敏吸收中子探测器；(2)记录组合编码板到位置灵敏中子探测器的距离D₁，让待测中子源透过组合编码板被位置灵敏中子探测器探测获得第一成像；(3)调节组合编码板到位置灵敏中子探测器的距离为D₂，让待测中子源透过组合编码板被位置灵敏中子探测器探测获得第二成像，根据相关关系计算得到待测中子源到组合编码板的距离L。

进一步的，步骤(3)中若第二成像与第一成像的放大比为M₀，则待测中子源到组合编码版的距离L的计算公式为：

L＝(M₀D₂-D₁)/(1-M₀)。

进一步的，所述具有热中子、快中子及伽马甄别能力的位置灵敏中子探测器包括掺⁶Li或¹⁰B的有机闪烁体或者在前端面涂有⁶Li或¹⁰B荧光粉的有机闪烁体、光导、光电倍增管和电子学系统。

进一步的，所述组合编码板由高密度聚乙烯编码板和镉编码板的贴合而成，两编码板编码孔编码方式相同，开孔大小相同。

进一步的，所述相机屏蔽箱采用聚乙烯材料，内衬镉板。

本发明的效果在于，通过本发明的一种定位未知能谱中子辐射场中子源位置的方法，能同时探测热中子和快中子，可用于分辨源项种类，且能快速定位中子源位置。

附图说明

图1为编码孔宽能谱中子相机方案一结构示意图；

图2为编码孔宽能谱中子相机方案二结构示意图；

图3为闪烁光信号随时间的衰减规律示意图；

图4为宽能谱中子相机编码板组合方式结构示意图；

图5为中子源距离定位原理示意图；

图6为编码孔成像解码方法示意图。

图中：101-第一编码版；102-掺⁶Li的有机闪烁体；103-第一光导；104-第一光电倍增管；201-第二编码版；202-有机闪烁体；203-第二光导；204-第二光电倍增管；205-涂有⁶Li荧光粉。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

在定位未知能谱中子辐射场中子源位置时，主要考虑两个问题：对热中子和快中子的探测问题和成像定位问题。

本发明所提供的方法中，基于编码孔成像技术设计具有对热中子、快中子有屏蔽能力的组合编码板，并采用具有快中子、热中子、伽马甄别能力的位置灵敏探测器探测辐射粒子，然后利用编码板的编码矩阵与位置灵敏探测器成像之间的相关关系解码得到辐射热点位置。

针对热中子和快中子的探测问题，采用本发明所述步骤(1)：将组合编码板作为相机屏蔽箱的一个端面，在相机屏蔽箱内沿组合编码板一端依次放置具有热中子、快中子及伽马甄别能力的位置灵敏中子探测器和位置灵敏吸收中子探测器。即要实现基于编码孔的宽能谱中子相机，编码孔后的位置灵敏探测器要求能同时探测热中子和快中子。

具体的，具有热中子、快中子及伽马甄别能力的位置灵敏中子探测器由掺⁶Li或¹⁰B的有机闪烁体或者在前端面涂有⁶Li或¹⁰B荧光粉的有机闪烁体、光导、光电倍增管和电子学系统构成。

在一个具体的实施例中，如图1所示，具有热中子、快中子及伽马甄别能力的位置灵敏中子探测器包括掺⁶Li的有机闪烁体102、第一光导103、第一光电倍增管104和第一电子学系统。热中子或快中子通过第一编码版101中的编码孔后在闪烁体102中发生作用，热中子与⁶Li发生反应⁶Li(n,α)³H；快中子在闪烁体中发生散射产生反冲质子；α粒子及反冲质子在闪烁体中沉积能量产生荧光，光沿着光导传播最终被第一光电倍增管104(PMT)或硅光电倍增管(SiPM)所收集。后端电子学系统根据脉冲形状甄别(PSD)技术可以分辨热中子和快中子信号，从而对热中子和快中子分别成像。

在另一个具体的实施例中，如图2所示，具有热中子、快中子及伽马甄别能力的位置灵敏中子探测器包括前端面涂有⁶Li荧光粉205的有机闪烁体202、第二光导203、第二光电倍增管204和电子学系统。在闪烁体202前涂含⁶Li的荧光粉205(如⁶LiF)利用热中子与⁶Li反应产生α粒子，通过探测α粒子来间接探测热中子；α粒子、快中子和伽马射线在闪烁体中的光信号随时间的衰减规律如图3，伽马射线产生的光信号衰减速度最快，α粒子产生的信号衰减速度最慢，快中子产生的光信号衰减速度介于两者之间。

在中子相机上的编码板是用于对中子的屏蔽，而对快中子的屏蔽通常采用的有石蜡、聚乙烯，对热中子的屏蔽通常采用的是镉；宽能谱编码孔中子相机的编码板需要根据要求同时屏蔽热中子和快中子。由于聚乙烯的可加工性及塑形性好，而且不容易受热熔化，故而聚乙烯广泛用于编码孔快中子相机编码板材料；对于编码孔热中子相机目前只见采用镉为编码板材料。对于宽能谱编码孔中子相机的编码板材料，拟采用Cd(镉)与HDPE(高密度聚乙烯)组合方式。参阅图4，图4为宽能谱中子相机编码板组合方式结构示意图。本发明所述的方法中，编码板组合方式有如图4两种方式，Cd板位于HDPE前和Cd板位于HDPE板后；考虑聚乙烯的散射作用，两种组合方式对热中子及快中子的屏蔽效果不同。更为优选的，编码板组合方式为两编码板编码孔编码方式相同，开孔大小相同，镉编码板紧贴合于高密度聚乙烯编码板后。

优选的，相机屏蔽箱采用聚乙烯材料，内衬镉板。

参阅图5，图5为中子源距离定位原理示意图。对中子源的成像定位问题，本发明中采用成像质量来判断中子源的位置。其原理如图5所示，点源投射到编码板上后被中子探测器探测。根据编码孔投射在中子探测器上成像的放大倍数M和编码板到中子探测器的距离D,利用三角形相似原理，可以确定中子源到编码板的距离L。但实际操作中，往往有多个源项存在，获得编码孔在中子探测器上的放大倍数M不方便。在本发明中采用调节编码板到中子探测器距离多次成像确定源到编码板的距离。

步骤(2)：记录组合编码板到位置灵敏中子探测器的距离D₁，让待测中子源透过组合编码板被位置灵敏中子探测器探测获得第一成像。

步骤(3)：调节组合编码板到位置灵敏中子探测器的距离为D₂，让待测中子源透过组合编码板被位置灵敏中子探测器探测获得第二成像，根据相关关系计算得到待测中子源到组合编码板的距离L。

具体的，若第二成像与第一成像的放大比为M₀，则待测中子源到组合编码版的距离L的计算公式为：

L＝(M₀D₂-D₁)/(1-M₀)。

在实际操作中，所述方法还包括编码孔成像解码。参阅图6，图6为编码孔成像解码方法示意图。

解码过程是将位置探测器上得到的编码板投影数据进行处理，从而将放射源的分布恢复出来的过程，也叫做图像重建。图像解码就是通过编码孔径准直器的自相关特性将放射源的分布图重建出来，因此编码准直器的自相关特性是衡量其性能的一个主要指标(是否趋近于δ函数，B为解码矩阵，A为准直器阵列)。A’是A经过放射源投影后在探测器上得到的，对解码矩阵B进行采样并经过投影处理后得到B’，然后利用就可以恢复出放射源的分布图。

编码孔编码方式有很多种：随机阵列(UA)、均匀冗余阵列(URA)、六边形均匀冗余阵列(HURA)、随机噪声产生(PNP)和修正均匀冗余阵列(MURA)。其中，MURA编码的开孔率高并兼顾了URA的优点，而且排列成方形使得加工与使用更方便。编码孔成像解码算法分为两类：相关解码算法和极大似然算法，如图6所示；其中相关解码算法又可分为δ解码算法和精细采样平衡解码算法。其中，MLEM算法重建图像的分辨率和信噪比在迭代次数足够多的情况下比传统相关算法要好，图像质量更高。MLEM重构图像的质量跟统计迭代初值及迭代次数有关。在本发明中对编码孔成像解码的编码方式和解码算法不做限定。

区别于现有技术，本发明提供的一种定位未知能谱中子辐射场中子源位置的方法，具有热中子、快中子及伽马甄别能力的位置灵敏中子探测器能够实现宽能谱中子探测，满足了在未知中子源项信息时中子辐射场中子源项调查任务需求；具有热中子、快中子及伽马甄别能力的位置灵敏中子探测器与组合编码板成像采用编码孔成像技术，其与位置灵敏吸收中子探测器成像采用快中子散射成像技术；编码孔成像技术和快中子散射成像技术的融合，提升了成像质量和成像速度。

本领域技术人员应该明白，本发明所述的方法并不限于具体实施方式中所述的实施例，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围，本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种定位未知能谱中子辐射场中子源位置的方法，其特征在于，所述方法包括:

(1)将组合编码板作为相机屏蔽箱的一个端面，在相机屏蔽箱内沿组合编码板一端依次放置具有热中子、快中子及伽马甄别能力的位置灵敏中子探测器和位置灵敏吸收中子探测器；

(2)记录组合编码板到位置灵敏中子探测器的距离D₁，让待测中子源透过组合编码板被位置灵敏中子探测器探测获得第一成像；

(3)调节组合编码板到位置灵敏中子探测器的距离为D₂，让待测中子源透过组合编码板被位置灵敏中子探测器探测获得第二成像，根据相关关系计算得到待测中子源到组合编码板的距离L。

2.根据权利要求1所述的一种定位未知能谱中子辐射场中子源位置的方法，其特征在于，步骤(3)中若第二成像与第一成像的放大比为M₀，则待测中子源到组合编码版的距离L的计算公式为：

L＝(M₀D₂-D₁)/(1-M₀)。

3.根据权利要求1所述的一种定位未知能谱中子辐射场中子源位置的方法，其特征在于，所述具有热中子、快中子及伽马甄别能力的位置灵敏中子探测器包括掺⁶Li或¹⁰B的有机闪烁体或者在前端面涂有⁶Li或¹⁰B荧光粉的有机闪烁体、光导、光电倍增管和电子学系统。

4.根据权利要求1所述的一种定位未知能谱中子辐射场中子源位置的方法，其特征在于，所述组合编码板由高密度聚乙烯编码板和镉编码板的贴合而成，两编码板编码孔编码方式相同，开孔大小相同。

5.根据权利要求1所述的一种定位未知能谱中子辐射场中子源位置的方法，其特征在于，所述相机屏蔽箱采用聚乙烯材料，内衬镉板。