CN110824543A

CN110824543A - 便携式单球中子谱仪

Info

Publication number: CN110824543A
Application number: CN201911144157.0A
Authority: CN
Inventors: 张伟华; 丰宝桐; 王英杰; 康红斌; 陶孟泽; 朱美玲; 李道武; 章志明
Original assignee: Institute of High Energy Physics of CAS; National Space Science Center of CAS
Current assignee: Institute of High Energy Physics of CAS; National Space Science Center of CAS
Priority date: 2019-11-20
Filing date: 2019-11-20
Publication date: 2020-02-21

Abstract

本申请公开了一种便携式单球中子谱仪，包括实心的球形慢化体、至少四层探测层和数据采集系统；探测层根据距离球形慢化体球心的深度依次排布；除球心外每个探测层均包括至少六个探测器；每个探测器连接数据采集系统，数据采集系统用于在外部控制器控制下进行数据采集，并对测量数据进行分析得到中子能量分布以及中子周围剂量当量。本申请还公开了一种单球中子谱仪探测中子辐射的方法，通过一次测量即得到混合辐射场内中子的能量分布及中子周围剂量当量。本申请公开的单球谱仪将慢化体通过探测层分成不同壳层，实现不同能量中子的慢化作用，体积小重量轻；选择锂玻璃闪烁体能够区分混合辐射场内中子和其他带电粒子以及射线，提高了中子探测效率。

Description

便携式单球中子谱仪

技术领域

本发明一般涉及辐射检测设备领域，具体涉及一种便携式单球中子谱仪。

背景技术

对于地面核设施混合辐射场热能至20MeV能区的中子探测，使用多球中子谱仪(即Bonner球)测量中子能谱的方法在国际上得到了广泛认可。另外，还有闪烁体谱仪、反冲质子计数管组合探测器、ROSPEC谱仪等测量装置。空间辐射场同时存在中子、γ、X射线以及质子等粒子，测量大气中子时需要排除γ、X射线以及质子等粒子干扰。受空间狭小限制，需研制外观体积紧凑的中子谱仪。目前国际上宽能量范围内中子能谱测量仪，例如多球谱仪，因其体积大、测量耗时长、操作不便等缺点，故需要研制新型体积小、重量轻、操作简便的单慢化球的中子能谱仪。

多家实验室的工作者将多球谱仪改进成单球谱仪，例如英国的工作者研制了便携式单球谱仪，核心是³He正比管，周围被15mm铅和140mm的聚乙烯慢化层环绕，聚乙烯慢化层内均匀布置了6个覆硼二极管，整体球直径34cm；日本的工作者研制了主动式单球中子能谱仪，在直径为26cm单聚乙烯慢化球的中心轴位置布置三个位置灵敏³He正比计数器，可用于中子、γ辐射场的中子能谱测量，然而在空间辐射场内正比技术器无法分辨带电粒子如质子与中子的信号。国内也开展了类似的研究，但目前公开的单球能谱仪还是基于多球能谱仪的原理，将多个慢化体封装在一个慢化球内部的思路，仍然存在需要多次测量，耗时长的问题，同时，现有的单球能谱仪不能解决混合辐射场中子甄别问题，例如中子和质子、γ射线、X射线以及质子等粒子的甄别。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种便携式单球中子谱仪及其检测中子辐射的方法，满足体积小、重量轻、操作简便并且能够精确分辨中子与其他射线以及带电粒子，提高检测效率。

本发明的一种单球中子谱仪，包括实心的球形慢化体、至少四层探测层和数据采集系统；

探测层根据距离球形慢化体球心的深度由外向内或由内向外依次排布；位于慢化体球心的探测层布置两个探测器，其他每个探测层球面内均包括至少六个探测器且每个探测器间隔均匀分布，适用于辐射场内中子及其他所有粒子的探测；

每个探测器连接数据采集系统，数据采集系统用于在外部控制器控制下进行数据采集，并对测量数据进行分析处理得到中子能量分布和中子周围剂量当量。

优选地，球形慢化体的材质为聚乙烯。

优选地，球形慢化体的直径为25cm～30cm。

优选地，除位于慢化体球心的探测层外，其他相邻探测层的探测器个数相同，且相邻探测层的探测器分别在xyz轴方向上的位置相对应。

优选地，每个探测器包括闪烁晶体以及与闪烁晶体耦合的硅光电倍增管；

闪烁晶体为⁶Li玻璃闪烁体和/或⁷Li玻璃闪烁体，优选的，⁶Li玻璃闪烁体和⁷Li玻璃闪烁体的厚度均为2mm～3mm；

硅光电倍增管用于将闪烁晶体产生的光信号转换为电信号。

优选地，闪烁晶体与硅光电倍增管耦合的面作为闪烁晶体的出光面，闪烁晶体除出光面，其他面均需做反光与避光处理。

优选地，球形慢化体球心的探测器包括一个⁶Li玻璃闪烁体和一个⁷Li玻璃闪烁体，其余探测层的探测器均至少包括一个⁶Li玻璃闪烁体。

优选地，每个探测层的探测器均包括一个⁶Li玻璃闪烁体和一个⁷Li玻璃闪烁体。

优选地，每个探测层各安装至少一个温度传感器，温度传感器紧挨硅光电倍增管，用于监测硅光电倍增管周围环境温度。

优选地，数据采集系统包括前端模拟电路、温度监控电路和多路信号采集电路；

前端模拟电路与温度探头集成位于球形慢化体内部，其中，前端模拟电路与硅光电倍增管相连，用于接收并处理来自硅光电倍增管的电信号，从而作为探测信号输出；

多路信号采集电路与前端模拟电路通过集束线缆连接，用以接收探测信号并处理，从而得到中子辐射能量分布和中子周围剂量当量；

多路信号采集电路与温度监控电路集成并连接外部控制器。

本发明的便携式单球中子谱仪，通过在球形慢化体内部距离球心不同深度布设探测层，将慢化体分为多个壳层达到类似多球谱仪对于不同能量中子的相应慢化作用。每个探测层布设⁶Li玻璃闪烁体用于混合辐射场包含热中子在内的所有粒子探测，以及⁷Li玻璃闪烁体是用于除热中子之外的所有粒子的探测，前者信号扣除后者信号即可得到热中子信号。单慢化球内不同深度层布置闪烁体探头形成位置灵敏探测器，替代多球谱仪简化操作实现信号一次测量，操作方便。本发明的单球中子谱仪体积小、重量轻、结构简单、易于制造，能够使用各种场合的中子辐射监测。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的单球中子谱仪的一个实施例的结构示意图(图中未示出数据处理系统)；

图2为本发明的单球中子谱仪的一个实施例探测器的组装结构示意图；

图3为本发明的单球中子谱仪的一个实施例中内部在xyz轴方向的探测器的安装结构示意图；

图4为本发明的单球中子谱仪中数据处理系统模块结构示意图。

图中，1.球形慢化体，2.探测层、3.探测器，4.闪烁晶体、5.硅光电倍增管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

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申请。

鉴于现有的多球中子能谱仪重量大、体积大且操作复杂，并且不能分辨中子与其他带电粒子，造成不能准确有效地探测混合辐射场(含带电粒子)中子能量分布及中子周围剂量当量。

本发明的一个实施例的一种便携式单球中子谱仪，如图1所示，包括实心的球形慢化体1、至少四层探测层2和数据采集系统；

探测层2根据距离球形慢化体1球心的深度由外向内或由内向外依次排布；位于慢化体1球心的探测层布置两个探测器3，其他每个探测层球面内均包括至少六个探测器3，且每个探测器3间隔均匀分布，适用于辐射场内中子及其他所有粒子探测；

每个探测器3连接数据采集系统，数据采集系统用于在外部控制器控制下进行测量数据采集，并对测量数据进行分析处理得到中子能量分布及中子周围剂量当量。

需要说明的是，选择一个实心球形慢化体，通过单球代替多球，相比现有的多球能谱仪体积小，重量轻；

球形慢化体内部距离球心不同深度布设探测层，探测层将整个慢化体分为多个壳层，达到了类似多球能谱仪对不同能量中子的相应慢化作用。其中，探测层的层数不做限定，探测层的层数越多，将慢化体划分的层数越多，对中子辐射能量分布探测精度越高。

每个探测层上间隔均匀分布至少六个探测器，此处，每个探测层球面上的探测器尽可能保证其间隔均匀分布，目的是保证对三维空间内不同位置上的热中子进行全方位探测，同理，中子辐射探测器的个数越多，对中子辐射的探测效率越高。

探测器连接数据采集系统，在外部控制器控制下进行数据采集，并对采集数据进行分析处理得到中子能量分布和中子周围剂量当量。其中外部控制器可以为应用于配置有windows、mac或linux的终端，例如说：个人计算机(Personal Computer，PC)、个人数字助理(Personal Digital Assistant，PDA)、平板电脑(Tablet Computer)、无线手持设备等。

本实施方式中，旨在将传统多球(Bonner)谱仪进行改进，提供一种单慢化球的中子谱仪，通过在一个慢化体中布设多个探测层，探测层将慢化体划分为多个壳层，从而将单球慢化体达到了类似多球慢化体的作用，解决了多球能谱仪体积大、重量大，不方便操作的问题，同时，本实施方式的单球中子谱仪，进行中子辐射探测时，只需要检测一次即可得到中子的能量分布和中子周围剂量当量，较之多球谱仪更简单方便，不需要类似多球谱仪每个球分别测量。单球中子能谱仪在使用时，只需一次照射，解决多次测量的问题。

作为优选的实施方式，球形慢化体的材质为聚乙烯，聚乙烯中的碳原子和氢原子于中子发生弹性散射效果好，并且其相同体积下的重量较小。

在优选的实施方式中，球形慢化体的直径为25cm～30cm，慢化体直径大小合适，方便携带，在保证准确测量中子能量范围的同时，体积小，重量轻。

如上述实施例所述的单球中子谱仪，在慢化体内部安装探测器时，如图3和图4所示，首先在慢化体的表面开设穿过球心的圆柱通道，将探测器间隔安装在一个聚乙烯圆柱体中，沿着圆柱体轴向间隔排布，将圆柱体塞入慢化体上的圆柱通道中，圆柱体中间隔安装的探测器实现分层效果。因此，相邻探测层的探测器个数应当是相同的。

在一些实施方式中，通过圆柱体将探测器安装在实心慢化体的球体上，在球体上间隔均匀安装中子辐射探测器，能够保证在三维空间内不同位置上的热中子进行全方位探测，提高探测效率。因此，如图3所示，相邻探测层的中子辐射探测器分别在xyz轴方向的位置一一对应，还可以使得每个探测层之间的间距相等。同时，方便安装探测器，只需要将每个探测器间安装在一个聚乙烯圆柱体中，此处圆柱体通道中，每个探测器都需要连接电源线和信号输出线，用于连接数据采集系统，然后在球形慢化体上分别在xyz轴方向开设圆柱通道，最后，将圆柱体放入通道中即可。

需要说明的是，每个探测器包括闪烁晶体4以及与闪烁晶体耦合的硅光电倍增管5；

硅光电倍增管用于将闪烁晶体产生的光信号转换为电信号。

其中，闪烁晶体用于探测中子、γ、X射线以及质子等粒子的能量，并且以光信号的形式输出，与闪烁晶体耦合的硅光电倍增管，能够将闪烁晶体产生的光信号转换为电信号。在安装时，硅光电倍增管紧贴闪烁晶体表面。此处，考虑到空间、成本等因素，闪烁晶体光读出可以由单片硅光电倍增管(SiPM)完成，还可以由光电倍增管(PMT)代替。以SiPM为例，目前市售SiPM最大尺寸有效面积是6×6mm，闪烁晶体面积拟定与SiPM相同。SiPM型号选型主要考虑闪烁晶体输出的光谱曲线、峰值波长、增益、量子效率、暗计数、动态范围等，可满足此中子通量探测需求。

在一些实施方式中，闪烁晶体与SiPM在球形慢化体内的装配需要特别考虑反射层与避光封装，因此，将闪烁晶体与硅光电倍增管(SiPM)耦合的面作为闪烁晶体的出光面，闪烁晶体除出光面，其他面均需做反光与避光处理。其中，出光面必须保证光洁，反光与避光处理可以是在其他面上覆盖反光膜或涂覆反光材料，反光膜或反光材料可以作为反光层。

作为优选的实施方式，闪烁晶体为⁶Li玻璃闪烁体和/或⁷Li玻璃闪烁体。也就是说，每个中子辐射探测器，可以是一个⁶Li玻璃闪烁体耦合SiPM，还可以是一个⁶Li玻璃闪烁体和一个⁷Li玻璃闪烁体各自均耦合一个SiPM。由于在空间辐射场同时存在中子、γ、X射线以及质子等粒子，测量大气中子时需要排除γ、X射线以及质子等粒子干扰。⁶Li是用于中子探测的极好的灵敏核素。锂的另一种稳定同位素⁷Li俘获慢(热)中子的截面却极小，大约比⁶Li低两个量级。因此，相对于⁶Li而言可以认为⁷Li对中子是不灵敏的。闪烁晶体对γ射线的探测基于γ与组成闪烁晶体的原子(或分子)的核外电子的相互作用，含锂的闪烁体只要化学组分相同，不管其中的锂是⁶Li或者⁷Li又或者⁶Li与⁷Li的混合体，其对γ射线的探测应具有相同的特性。对于质子等带电粒子，闪烁晶体探测器响应也是一致的。在慢化球内布置尺寸相同的⁶Li与⁷Li对玻璃闪烁体，富集⁶Li的玻璃闪烁体(⁶Li丰度95％以上，本实施方式中选用型号GS20)基本对任何辐射都有响应，包括热中子在内，而富集⁷Li的玻璃闪烁体(⁷Li丰度99.9％以上，本实施方式中选用型号GS30)对于除了热中子以外的辐射有响应。因此前者的探测信号扣除后者即可得到热中子信号，由此达到在混合辐射场内探测中子的目的。解决了现有探测器不能精确分辨中子与其他射线以及带电粒子的问题，提高了探测效率。

优选的，⁶Li玻璃闪烁体和⁷Li玻璃闪烁体的厚度均为2mm～3mm。考虑到热中子的探测效率，需要足够厚的锂玻璃闪烁体才能有效全吸收，而考虑到光输出效率的需要，闪烁体又不能过厚，⁶Li玻璃闪烁体和⁷Li玻璃闪烁体的厚度在2mm～3mm范围内，能够保证对γ射线的分辨率，并且光输出产额较高，从而提高了探测效率。经过验证在厚度为2mm时其光产额最高，本实施方式中确定其厚度为2mm。

进一步地，在一些实施方式中，球形慢化体球心的中子辐射探测器包括一个⁶Li玻璃闪烁体和一个⁷Li玻璃闪烁体，其余探测层的中子辐射探测器均至少包括一个⁶Li玻璃闪烁体。也就是说，只在球形慢化体的球心位置安装一个⁶Li玻璃闪烁体-⁷Li玻璃闪烁体对，在除过球心的其他探测层的中子辐射探测器均包括一个⁶Li玻璃闪烁体或多个⁶Li玻璃闪烁体。玻璃闪烁体的个数越多，其探测效率越高，其中，球形慢化体内部探测层布置富集⁶Li玻璃闪烁体用于混合辐射场包含热中子在内的所有粒子探测，⁷Li玻璃闪烁体是除热中子之外的所有粒子的探测。前者的探测信号扣除后者即可得到热中子信号，由此达到在混合辐射场内探测中子的目的。

优选的，为了进一步提高混合辐射场内中子检测效率，每个探测层的中子辐射探测器均包括一个⁶Li玻璃闪和一个⁷Li玻璃闪烁体。也就是说，球形慢化体内包括球形的每个探测层的中子辐射探测器均由一个⁶Li玻璃闪烁体-⁷Li玻璃闪烁体对构成。在单球不同深度层布置⁶Li玻璃闪和⁷Li玻璃闪烁体对的探头形成了更加灵敏精确的探测器。

优选地，每个探测层各安装一个温度传感器，温度传感器紧挨硅光电倍增管，用于监测硅光电倍增管周围环境温度。硅光电倍增管的有效工作与其周围的环境温度有非常大的影响，在探测过程中，认为球形慢化体内部同一深度的温度相等，通过温度传感器监测每一个探测层的温度并且可以进行补偿调节，确保每个探测层的硅光电倍增管在合适的增益范围内工作，能够有效准确地将闪烁晶体的探测信号输出。

进一步地，如图4所示，数据采集系统包括前端模拟电路、温度监控电路和多路信号采集电路；

前端模拟电路与温度传感器集成位于球形慢化体内部，其中，前端模拟电路与硅光电倍增管相连，用于接收并处理来自硅光电倍增管的电信号，从而作为探测信号输出；

多路信号采集电路与温度监控电路集成并连接外部控制器。

其中，前端模拟电路与温度传感器集成安装在球形慢化体内部，前端模拟电路通过集束线缆连接慢化球外多路信号采集系统，温度监控电路与多路信号采集系统集成并连接外部控制器，温度监控电路能够接收慢化体内部温度传感器的信号，实现对探测层温度的监控并在外部控制器的控制下对SiPM增益进行补偿调节，球形慢化体内部与外部通过线缆连接，进行信息交互。多路信号采集系统采用ASIC芯片加FPGA控制板模式，使得整体信号采集与处理的电子学系统体积小、重量轻，便于携带。

举例说明：选取一个聚乙烯材质的球形慢化体，聚乙烯慢化球的直径确定为30cm，20根集束线缆、20个锂玻璃闪烁体(其中19个⁶Li玻璃闪烁体和一个⁷Li玻璃闪烁体)20片硅光电倍增管、4个温度探头，如图1-图3所示，在慢化体球心位置布置一个⁶Li玻璃闪烁体和一个⁷Li玻璃闪烁体对，剩余18个⁶Li玻璃闪烁体均匀布置在慢化体其他探测层，按探测器距球心的距离分别在X、Y、Z轴±4.5cm、±9cm、±14cm处布置⁶Li玻璃闪烁体，将整个球形慢化体分为4个壳层，其效果等同于入射中子被4个不同大小的慢化球慢化，每个壳层安装一个温度探头。如图2和图3所示，每一个锂玻璃闪烁体和对应一个硅光电倍增管，两者紧贴在一起，安装在一个圆柱体中，保证每一个的间距相等，相邻层的探测器在xyz轴方向上的间距相等，每一片硅光电倍增管均连接电源线和一条信号输出线；将光电倍增管与前端模拟电路连接，4个温度传感器与部分前端模拟电路连接，20根集束线缆将前端模拟电路与多路信号采集系统连接，温度监控电路与多路信号采集系统集成，所有的线缆集成一束后连接外部控制器。

本发明还提供一种单球中子谱仪探测中子辐射的方法，具体如下：

按照上述单球中子谱仪的结构安装好单球中子谱仪，将单球中子谱仪置于待测辐射场中，通过外部控制器的控制，温度监控电路监测并调节SiPM增益在一定范围内，多路信号采集电路一次采集探测器的中子辐射与本底信号，并对信号进行分析处理得到中子辐射能量分布和中子周围剂量当量，完成辐射测量。

只需要操作一次实现信号的全部测量，简化了操作，在通过解谱软件反演计算出混合场内中子能量分布(也称为能谱)及中子周围剂量当量。

综上所述，本发明的便携式单球中子谱仪，通过一个球形慢化体，在球形慢化体内部距离球心不同深度设计探测层，通过不同深度的探测层，将慢化体本体分为多个壳层通过三维空间内不同位置的热中子探测，达到类似多球谱仪对于不同能量中子的相应慢化作用。体积小，重量轻，操作方便。布置⁶Li玻璃闪烁体用于混合辐射场包含热中子在内的所有粒子探测，⁷Li玻璃闪烁体是除热中子之外的所有粒子的探测，通过前者的探测信号扣除后者即可得到热中子信号，达到在混合辐射场内探测中子的目的，解决了现有单球谱仪不分辨中子与其他带电粒子的问题。同时，本发明的单球谱仪替代多球谱仪简化操作实现信号一次测量，简化了操作，使用方便，提高了探测效率。

简而言之，本发明的单球中子谱仪操作简便，体积小，结构相对简单，易于制造，适用范围非常广，能够适用于各种场合的中子辐射监测。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims

1.便携式单球中子谱仪，其特征在于，包括实心的球形慢化体、至少四层探测层和数据采集系统；

所述探测层根据距离所述球形慢化体球心的深度由外向内或由内向外依次排布；位于所述慢化体球心的探测层布置两个探测器，其他每个所述探测层球面内均包括至少六个探测器，且每个所述探测器间隔均匀分布，适用于辐射场内中子及其他所有粒子探测；

每个所述探测器连接所述数据采集系统，所述数据采集系统用于在外部控制器控制下进行数据采集，并对测量数据进行分析处理得到中子能量分布和中子周围剂量当量。

2.根据权利要求1所述的中子谱仪，其特征在于，所述球形慢化体的材质为聚乙烯。

3.根据权利要求1所述的中子谱仪，其特征在于，所述球形慢化体的直径为25cm～30cm。

4.根据权利要求1所述的中子谱仪，其特征在于，除位于所述慢化体球心的探测层外，其他相邻所述探测层的探测器个数相同，且相邻所述探测层的探测器分别在xyz轴方向上的位置相对应。

5.根据权利要求1-4任一项所述的中子谱仪，其特征在于，每个所述探测器包括闪烁晶体以及与所述闪烁晶体耦合的硅光电倍增管；

所述闪烁晶体为⁶Li玻璃闪烁体和/或⁷Li玻璃闪烁体，优选的，所述⁶Li玻璃闪烁体和⁷Li玻璃闪烁体的厚度均为2mm～3mm；

所述硅光电倍增管用于将所述闪烁晶体产生的光信号转换为电信号。

6.根据权利要求5所述的中子谱仪，其特征在于，所述闪烁晶体与所述硅光电倍增管耦合的面作为所述闪烁晶体的出光面，所述闪烁晶体除出光面，其他面均需做反光与避光处理。

7.根据权利要求5所述的中子谱仪，其特征在于，所述球形慢化体球心的探测器包括一个所述⁶Li玻璃闪烁体和一个所述⁷Li玻璃闪烁体，其余所述探测层的探测器均至少包括一个⁶Li玻璃闪烁体。

8.根据权利要求5所述的中子谱仪，其特征在于，每个所述探测层的探测器均包括一个所述⁶Li玻璃闪烁体和一个所述⁷Li玻璃闪烁体。

9.根据权利要求5所述的中子谱仪，其特征在于，每个所述探测层各安装至少一个温度传感器，所述温度传感器紧挨所述硅光电倍增管，用于监测所述硅光电倍增管周围环境温度。

10.根据权利要求9所述的中子谱仪，其特征在于，所述数据采集系统包括前端模拟电路、温度监控电路和多路信号采集电路；

所述前端模拟电路与所述温度传感器集成位于所述球形慢化体内部，其中，所述前端模拟电路与所述硅光电倍增管相连，用于接收并处理来自所述硅光电倍增管的电信号，从而作为探测信号输出；

所述多路信号采集电路与所述前端模拟电路通过集束线缆连接，用以接收探测信号并处理，从而得到中子辐射能量分布与中子周围剂量当量；

所述多路信号采集电路与所述温度监控电路集成并连接外部控制器。