CN110993142B - 用于准单能中子参考辐射场的准直器 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供了一种用于准单能中子参考辐射场的准直器，其包括贴合设置的两个或更多个准直部，准直部上开设有贯穿准直部的准直孔，所有准直孔一同形成准直通道，准直通道将中子整合成为中子束并将中子束沿准直通道的轴线方向射出。通过将准直器分解设置为多个准直部便于准直器的生产加工和安装，多个准直部安装完成后的准直器的长度能够满足准单能中子参考辐射场的要求，得到中子单色性良好的高能中子束。

Description

用于准单能中子参考辐射场的准直器

技术领域

本发明涉及准直器领域，具体涉及一种用于准单能中子参考辐射场的准直器。

背景技术

目前，中子探测器广泛应用于安检和航天领域，人们对宇宙中辐射的探测的方法是使用空间辐射中子探测器对宇宙中的辐射进行探测，为了确保中子探测器的探测精度能够达到探测要求，需要使用中子参考辐射场对中子探测器进行校验。中子探测器需要在中子参考辐射场中经过校验和校准之后再进行使用。

中子探测器中，中子能量在20MeV以上的高能中子探测器的校准尤为重要，但由于20MeV以上能区的高能中子的反应机制复杂，截面不确定度相比20MeV以下能区要大得多。现有技术中对高能中子探测器的校准需要采用准单能中子参考辐射场进行。

现有的高能中子的产生一般是质子与其他元素直接反应产生中子，这样产生的中子具有强烈的前冲性，即前角方向上的高能中子成分更多。因此为了获得较好的中子单色性(中子单色性即中子束中某一能量中子占所有中子的比例，本发明中为高能中子的比例，中子单色性越好，中子束中的高能中子的比例越高)，即，获得纯度高的高能中子束，通常采用准直器来限制出射中子张角。现有的准直器一般为一体式设计，且现有的准直器的长度不能满足准单能中子参考辐射场的要求，若生产长度较长的一体式准直器，准直器的生产加工过程和安装过程中十分不便。

因此，现有技术中迫切需要一种长度能够满足准单能中子参考辐射场的要求且更易于生产加工和安装的准直器。

发明内容

本发明的实施例的目的是提供一种用于准单能中子参考辐射场的准直器，所述准直器包括：贴合设置的两个或更多个准直部，所述准直部上开设有贯穿所述准直部的准直孔，所有所述准直孔一同形成准直通道，所述准直通道将中子整合成为中子束并将中子束沿所述准直通道的轴线方向射出。

根据本发明的实施例，所述准直部包括第一准直部、设置在所述第一准直部的一侧的第二准直部以及设置在所述第二准直部的背离所述第一准直部的一侧的第三准直部，其中，所述第一准直部上开设有第一准直孔；所述第二准直部上开设有第二准直孔；所述第三准直部上开设有第三准直孔。

根据本发明的实施例，所述第一准直部为长方体；所述第一准直孔的开设方向垂直于所述第一准直部的与所述第二准直部贴合的表面。

根据本发明的实施例，所述第二准直部为长方体；所述第二准直孔的开设方向垂直于所述第二准直部的与所述第三准直部贴合的表面。

根据本发明的实施例，所述第三准直部为长方体；所述第三准直孔的开设方向垂直于所述第三准直部的与所述第二准直部贴合的表面。

根据本发明的实施例，所述第一准直孔、所述第二准直孔和所述第三准直孔的孔径相同；所述第一准直孔的轴线、所述第二准直孔的轴线和所述第三准直孔的轴线在同一直线上。

根据本发明的实施例，所述第一准直部、所述第二准直部和所述第三准直部中的相邻的两者彼此交错地设置，使得所述相邻的两者的上表面不在同一平面内，和/或使得所述相邻的两者的下表面不在同一平面内。

根据本发明的实施例，所述准直器还包括：用于固定所述第一准直部、所述第二准直部和所述第三准直部的安装块。

根据本发明的实施例，所述安装块包括：嵌入所述第一准直部与所述第二准直部共同形成的槽内的第一安装块、嵌入所述第一准直部、所述第二准直部和所述第三准直部共同形成的槽内的第二安装块以及嵌入所述第二准直部与所述第三准直部共同形成的槽内的第三安装块；所述第一安装块、所述第二安装块和所述第三安装块设置成使得所述准直器具有平面的上表面和下表面。

根据本发明的实施例，所述第一准直部、所述第二准直部和所述第三准直部均为纯度在90％以上的铁质块。

根据本发明的实施例，所述准直器的外部设置有屏蔽块，所述屏蔽块覆盖所述准直器的垂直于所述准直通道的端面的外周缘部分。

通过采用上述技术方案，本发明主要具有以下技术效果：

1.通过将准直器划分为多个准直部，准直器的生产加工和安装过程更加简便快捷；

2.通过安装块固定准直部，增加了准直部安装的稳定性；

3.通过在准直器外部设置屏蔽块能够减少准直器内的中子束对外部的辐射，减少操作人员受到的中子辐射量；

4.通过增加准直器的长度和开设孔径较小的准直孔，提高了中子束中高能准单能中子的单色性，减少了中子束对外部的辐射，降低了准单能中子参考辐射场的辐射本底，提高了辐射场的辐射技术指标。

附图说明

图1为根据本发明的第一实施例的准直器的结构图；

图2为根据本发明的第二实施例的准直器的结构图；

图3为根据本发明的第三实施例的准直器的结构图。

图中：1、准直部；11、第一准直部；12、第二准直部；13、第三准直部；2、准直孔；21、第一准直孔；22、第二准直孔；23、第三准直孔；3、安装块；31、第一安装块；32、第二安装块；33、第三安装块；4、屏蔽块。

具体实施方式

下面结合说明书附图来说明本发明的具体实施方式。

参照图1，本实施例提供一种用于准单能中子参考辐射场的准直器，其包括贴合设置的两个或更多个准直部1，每一个准直部1上开设有贯穿准直部1的准直孔2，所有准直孔2一同形成准直通道，准直通道将中子整合成为中子束并将中子束沿准直通道的轴线方向射出。

将准直器分为贴合设置的两个或更多个准直部1，从而将重量和体积庞大的单个准直器拆分为两个或更多个单体，大大减小了准直器单体的重量和体积，生产准直器时可同时生产多个准直部即可，降低了准直器生产加工的难度和风险。安装准直器时，将所有准直孔2对齐，使所有准直孔2一同形成准直通道即可完成安装，相比于一体式的准直器的安装，每个准直部1的重量小，安装更加便捷。

在此，对准直部1的数量不作限定，优选地，本实施例中的贴合设置的两个或更多个准直部1包括第一准直部11、设置在第一准直部11的一侧的第二准直部12以及设置在第二准直部12的背离第一准直部11的一侧的第三准直部13。其中，第一准直部11上开设有第一准直孔21；第二准直部12上开设有第二准直孔22；第三准直部13上开设有第三准直孔23。第一准直部11、第二准直部12和第三准直部13设置成使得第一准直孔21、第二准直孔22和第三准直孔23对齐，也就是使得第一准直孔21的轴线、第二准直孔22的轴线和第三准直孔23的轴线位于同一直线上，由此使得中子束能够沿直线穿过第一准直孔21、第二准直孔22和第三准直孔23。

在此，对准直部1的形状不作限定，准直部1可以为圆柱形、长方体或正方体。优选地，本实施例中的第一准直部11为长方体；第一准直孔21的开设方向垂直于第一准直部11的与第二准直部12贴合的表面。第二准直部12为长方体；第二准直孔22的开设方向垂直于第二准直部12的与第三准直部13贴合的表面。第三准直部13为长方体；第三准直孔23的开设方向垂直于第三准直部13的与第二准直部12贴合的表面。

在此对第一准直孔21、第二准直孔22和第三准直孔23的大小和形状不作限定，优选地，本实施例中的第一准直孔21、第二准直孔22和第三准直孔23均为孔径为150mm的圆形准直孔2，准直器安装完成时，第一准直孔21的轴线、第二准直孔22的轴线和第三准直孔23的轴线位于同一直线上，共同形成准直通道。在此需要说明的是，在实际开设准直孔2时，允许的误差为±0.5mm，即，孔径为149.5mm～150.5mm的准直孔2均能够实现将中子准直成为中子束的功能。

将准直部1设置为长方体方便了准直器的生产加工以及安装过程，在一些实施例中，第一准直部11、第二准直部12和第三准直部13为大小相同的长方体，在生产准直部1时能够同时生产第一准直部11、第二准直部12和第三准直部13。优选地，本实施例中的第一准直部11、第二准直部12和第三准直部13均为体积为1立方米的立方体，本实施例中的准直器的长度为三米，能够满足准单能中子参考辐射场的要求。

为了减少准单能中子参考辐射场对外的中子辐射，准直器的外部通常设置有屏蔽块4，屏蔽块4能够减少中子对操作人员的辐射，在此对屏蔽块4的材料不作限定，优选地，本实施例中的屏蔽块4是采用混凝土浇筑成的混凝土块。屏蔽块4可以增大准直器在准直孔2的径向方向上对中子的屏蔽面积，从而增强了准直器的屏蔽能力。

在图1所示的实施例中，屏蔽块4是不规则的，当准直器安装至屏蔽块4上时会产生空隙，造成准直器不能稳定支撑。因此，为了适应不平坦的屏蔽块4，本实施例中的第一准直部11、第二准直部12和第三准直部13中的相邻的两者彼此交错地设置，使得相邻的两者的上表面不在同一平面内，和/或使得相邻的两者的下表面不在同一平面内。相邻的准直部1之间形成槽，屏蔽块4的凸起部分放置于槽中即可将准直器安装在不平整的屏蔽块4上。为保证准直部交错设置的准直器安装完成后，不同准直部1的准直孔2能够对齐形成准直通道，不同准直部1的准直孔2在相应的准直部上1的开设位置应根据屏蔽块4的具体形状确定，保证准直孔2对齐后形成的准直通道为直线。由于屏蔽块4不规则地设置，在准直器安装完成时，准直器与屏蔽块4之间不会产生贯穿屏蔽块4的直线缝隙，在准直器工作时，能够减少准直器的中子泄露，减少非中子束上的中子对准单能参考辐射场的校验结果的干扰。

在图2所示的实施例中，屏蔽块为规则的长方体，为了进一步固定准直器，本实施例中的准直器还包括安装块3，安装块3填充屏蔽块4与准直器之间的空隙。安装块3包括：嵌入第一准直部11与第二准直部12共同形成的槽内的第一安装块31、嵌入第一准直部11、第二准直部12和第三准直部13共同形成的槽内的第二安装块32以及嵌入第二准直部12与第三准直部13共同形成的槽内的第三安装块33；第一安装块31、第二安装块32和第三安装块33设置成使得准直器具有平面的上表面和下表面。在一些实施例中，屏蔽体4表面不平坦，第一安装块31、第二安装块32和第三安装块33设置成使得准直器适应屏蔽块4表面的形状，使得准直器稳定的固定在屏蔽块4上。优选地，本实施例中L1和L3的长度为235mm，即，第一准直孔21的轴线与第一准直部11的与第一安装块31贴合的表面之间的距离为235mm；第三准直孔23的轴线与第三准直部13的与第三安装块33贴合的表面之间的距离为235mm；本实施例中L2的长度为265mm，即，第二准直孔22的轴线与第二准直部12的与第二安装块32贴合的表面之间的距离为265mm。优选地，本实施例中的第一安装块31、第二安装块32和第三安装块33均为长宽高分别为1000mm、1000mm和500mm的长方体，安装块3填充屏蔽块4与准直器之间的空隙，安装块3与准直部1使得准直器具有平面的上表面和下表面。参照图3，在一些实施例中，为了进一步减少准直器对外的辐射量，屏蔽块4覆盖准直器的垂直于准直通道的端面的外周缘部分，即，屏蔽块4遮挡准直器与屏蔽块4之间的缝隙，减少中子通过上述缝隙的泄漏，从而降低了中子对操作人员的辐射量。

在此对准直部1与安装块3的连接方式以及准直部1与屏蔽块4的连接方式不作限定，优选地，本实施例中准直部1的与安装块3贴合的面上开设有四个中心对称的第一安装孔(图中未示出)，安装块3的与准直部1贴合的面的对应位置设置有四个第一安装件，操作人员将第一安装件插入第一安装孔中，完成准直部1和安装块3之间的连接；准直部1的与屏蔽块4贴合的面上开设有四个中心对称的第二安装孔，屏蔽块4的与准直部1贴合的面的对应位置设置有四个第二安装件，操作人员将第二安装件插入第二安装孔中，完成准直部1和屏蔽块4之间的连接。通过将第一安装件插入第一安装孔中，提高准直部1和安装块3之间连接的稳定性，通过将第二安装件插入第二安装孔中，提高了准直部1和屏蔽块4之间连接的稳定性，避免准直器工作时准直部1松动甚至脱落，提高了准直器射出的中子束的质量。

在准单能中子参考辐射场中，准直器的材料对从准直器中射出的中子束的质量有明显影响，准直器减少束外中子(不应进入准直器中的中子)对束上中子的影响的程度和束外光子(不应进入准直器的光子)对束上光子的影响的程度决定了准直器中射出的中子束的质量。因此，为选择准直器的材料，本实施例从以下四种材料的准直器中选择最优准直器。四种准直器分别为：采用铁制成的准直器、采用铁和聚乙烯混合制成的准直器、采用铜和聚乙烯混合制成的准直器、采用铁、聚乙烯和铜混合制成的准直器。上述四种准直器除材料外其他的性质均相同，即准直器大小均相同、准直孔2的形状和孔径均相同等。

本实施例中采用软件模拟的方法计算出了上述四种准直器的中子计算参数和光子计算参数如下：

表1 4种不同准直器辐射场中子相关参数比较

表2 4种不同准直器辐射场光子相关参数比较

根据表1中的实验数据，第四列中的衰减比例是指束外中子占束上中子的注量比例，即，从表1能够得出使用铁制成的准直器在记录区域为5cm以上时，束外中子占束上中子注量比例的最大值为2.08％；使用铁和聚乙烯共同制成的准直器在记录区域为5cm以上时，束外中子占束上中子注量比例的最大值为2.56％；使用铜和聚乙烯共同制成的准直器在记录区域为5cm以上时，束外中子占束上中子注量比例的最大值为2.52％；使用铁和聚乙烯及铜共同制成的准直器在记录区域为5cm以上时，束外中子占束上中子注量比例的最大值为2.56％。因此，使用铁制成的准直器在记录区域为5cm以上时的束外中子占束上中子的注量比例远远小于使用其他材料制成的准直器。表1第六列中的衰减比例是指束外中子占束上中子的剂量当量比例，即，从表1能够得出使用铁制成的准直器在记录区域为5cm以上时，束外中子占束上中子的剂量当量比例的最大值为1.8％；使用铁和聚乙烯共同制成的准直器在记录区域为5cm以上时，束外中子占束上中子的剂量当量比例的最大值为2.55％；使用铜和聚乙烯共同制成的准直器在记录区域为5cm以上时，束外中子占束上中子的剂量当量比例的最大值为2.51％；使用铁和聚乙烯及铜共同制成的准直器在记录区域为5cm以上时，束外中子占束上中子的剂量当量比例的最大值为2.55％。因此，使用铁制成的准直器的束外中子占束上中子的剂量当量比例远远小于使用其他材料制成的准直器。因此，综合上述两项数据，能够得出使用铁制成的准直器与使用其他材料制成的准直器相比，明显地减少了束外中子产生的本底以及束外中子对束上中子的影响。

根据表2中的实验数据，第四列中的衰减比例是指束外光子占束上光子的注量比例，即，从表2能够得出使用铁制成的准直器在测量距离为5cm以上时，束外光子占束上光子的注量比例的最大值为0.01％；使用铁和聚乙烯共同制成的准直器在记录区域为5cm以上时，束外光子占束上光子的注量比例的最大值为0.63；使用铜和聚乙烯共同制成的准直器在记录区域为5cm以上时，束外光子占束上光子的注量比例的最大值为3.59；使用铁和聚乙烯以及铜共同制成的准直器在记录区域为5cm以上时，束外光子占束上光子的注量比例的最大值为0.63。因此，使用铁制成的准直器在记录区域为5cm以上时的束外光子占束上光子的注量比例远远小于使用其他材料制成的准直器。表2第六列中的衰减比例是指束外光子占束上光子的剂量当量比例，从表2能够得出使用铁制成的准直器在记录区域为5cm以上时，束外光子占束上光子的剂量当量比例的最大值为0.01％；使用铁和聚乙烯共同制成的准直器在记录区域为5cm以上时，束外光子占束上光子的剂量当量比例的最大值为0.42；使用铜和聚乙烯共同制成的准直器在记录区域为5cm以上时，束外光子占束上光子的剂量当量比例的最大值为5.22；使用铁和聚乙烯以及铜共同制成的准直器在记录区域为5cm以上时，束外光子占束上光子的剂量当量比例的最大值为0.42。因此，使用铁制成的准直器在记录区域为5cm以上时的束外光子占束上光子的剂量当量比例的最大值为远远小于使用其他材料制成的准直器。因此，综合上述两项数据，能够得出使用铁制成的准直器明显地减少了束外光子产生的本底以及束外光子对束上光子的影响。

除此之外，四种准直器的峰中子能量、峰中子比例、光子和中子注量率比值的数值差异不大。综合上述分析结果，可以得出，使用铁制成的准直器能够在不影响中子束其他性质的前提下减少束外中子和束外光子对中子束的影响，即，中子经过使用铁制成的准直器能够得到质量更优的中子束。本实施例中采用的准直器是使用纯度90％以上的铁，即，密度不低于7.2t/m³的铁制成的准直器。优选地，本实施例中的准直部1和安装块3均使用纯度90％以上的铁制成，第一准直部11、第二准直部12和第三准直部13的重量均为7.06t，第一安装块31、第二安装块32和第三安装块33的重量为3.5t。

准直器的长度除了能够限制出射中子张角外，准直器的长度很大程度上决定了经过准直器后的中子束斑的扩散程度，准直器的长度越长，束斑扩散越小；准直器长度越短，束斑扩散越大，束斑的扩散程度会影响中子束的中子注量率，束斑扩散越大，中子注量率越小；束斑扩散越小，中子注量率越大。优选地，本实施例中的准直器的长度为3m，经过试验后，本实施例中的准直器在距准直器出口2m的位置，中子束斑直径为16cm，中子注量率为2.33×10⁵cm^-2s^-1；在距准直器出口4m的位置，中子束斑直径为24cm，中子注量率为1.14×10⁵cm^-2s^-1；在距准直器出口6m的位置，中子束斑直径为28cm，中子注量率为6.5×10⁴cm^-2s^-1。

通过采用上述技术方案，本实施例通过将准直器分为多个准直部1，多个准直部1的大小易于生产和安装且多个准直部1安装完成后组成的准直器的长度也能够达到准单能中子参考辐射场的要求，设置安装块3能够对准直部1进行良好的固定，避免工作过程中准直部1发生晃动。本实施例通过增加准直器的长度、在准直器上开设孔径较小的准直孔2及采用纯度为90％以上的铁作为原料制作准直器的方法显著提高准直的准直效果，使得经准直器准直后的中子具有更好的中子单色性的同时降低了准单能中子参考辐射场的辐射本底，提高了辐射场的辐射技术指标。通过设置屏蔽体，减少了准直器对外的中子辐射量，降低工作人员在执行工作任务时收到的中子辐射量。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种用于准单能中子参考辐射场的准直器，其特征在于，所述准直器包括：

贴合设置的两个或更多个准直部(1)，所述准直部(1)上开设有贯穿所述准直部(1)的准直孔(2)，所有所述准直孔(2)一同形成准直通道，所述准直通道将中子整合成为中子束并将中子束沿所述准直通道的轴线方向射出；

所述准直部为纯度在90％以上的铁质块。

2.根据权利要求1所述的准直器，其特征在于，所述两个或更多个准直部(1)包括：

第一准直部(11)；

第二准直部(12)，所述第二准直部(12)设置在所述第一准直部(11)的一侧；以及

第三准直部(13)，所述第三准直部(13)设置在所述第二准直部(12)的背离所述第一准直部(11)的一侧；

其中，所述第一准直部(11)上开设有第一准直孔(21)；

所述第二准直部(12)上开设有第二准直孔(22)；

所述第三准直部(13)上开设有第三准直孔(23)。

3.根据权利要求2所述的准直器，其特征在于：

所述第一准直部(11)为长方体；

所述第一准直孔(21)的开设方向垂直于所述第一准直部(11)的与所述第二准直部(12)贴合的表面。

4.根据权利要求3所述的准直器，其特征在于：

所述第二准直部(12)为长方体；

所述第二准直孔(22)的开设方向垂直于所述第二准直部(12)的与所述第三准直部(13)贴合的表面。

5.根据权利要求4所述的准直器，其特征在于：

所述第三准直部(13)为长方体；

所述第三准直孔(23)的开设方向垂直于所述第三准直部(13)的与所述第二准直部(12)贴合的表面。

6.根据权利要求5所述的准直器，其特征在于：

所述第一准直孔(21)、所述第二准直孔(22)和所述第三准直孔(23)的孔径相同；

所述第一准直孔(21)的轴线、所述第二准直孔(22)的轴线和所述第三准直孔(23)的轴线在同一直线上。

7.根据权利要求6所述的准直器，其特征在于：

所述第一准直部(11)、所述第二准直部(12)和所述第三准直部(13)中的相邻的两者彼此交错地设置，使得所述相邻的两者的上表面不在同一平面内，和/或使得所述相邻的两者的下表面不在同一平面内。

8.根据权利要求7所述的准直器，其特征在于：

所述准直器还包括：

安装块(3)，所述安装块(3)用于固定所述第一准直部(11)、所述第二准直部(12)和所述第三准直部(13)。

9.根据权利要求8所述的准直器，其特征在于：

所述安装块(3)包括：

第一安装块(31)，所述第一安装块(31)嵌入所述第一准直部(11)与所述第二准直部(12)共同形成的槽内；

第二安装块(32)，所述第二安装块(32)嵌入所述第一准直部(11)、所述第二准直部(12)和所述第三准直部(13)共同形成的槽内；以及

第三安装块(33)，所述第三安装块(33)嵌入所述第二准直部(12)与所述第三准直部(13)共同形成的槽内；

所述第一安装块(31)、所述第二安装块(32)和所述第三安装块(33)设置成使得所述准直器具有平面的上表面和下表面。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的准直器，其特征在于：

所述准直器的外部设置有屏蔽块(4)，所述屏蔽块(4)覆盖所述准直器的垂直于所述准直通道的端面的外周缘部分。

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