CN111060956A - 小型液体慢化中子能谱探测装置及探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型液体慢化中子能谱探测装置及探测方法，其装置包括慢化腔、热中子探测器、抽注水装置、分析处理系统，本发明对慢化腔进行了改进，克服了现有技术中多是通过聚乙烯或者水组合出不同球层的方式实现对中子能谱的测量，从而导致装置体积大、重量大、结构复杂，在测量过程中不能实现高度自动化的现场原位中子能谱测量的缺陷，通过一个简单的小体积慢化腔、配合抽注水装置的结构，通过改变慢化剂厚度实现在一个容器内组合出不同厚度的慢化剂，结合热中子探测器和数据处理模块完成中子能谱测量，具有体积小，设备操作简单，便携，易于现场原位测量等优点，利于应用推广。
Description
技术领域
本发明涉及一种中子能谱探测装置和方法，尤其涉及一种小型液体慢化中子能谱探测装置及探测方法。
背景技术
中子能谱测量对中子技术应用和中子辐射防护具有重要意义，如在中子活化分析、核电站特殊位置管道、俘获硼中子癌症治疗、核设施及退役现场测量防护、光中子加速器等方面，中子能谱的变化会引起一系列以中子能谱为基础的设计、分析方法、测量结果的变化，因此诸多以中子能谱为基础的生产活动希望能够获知中子能谱。
现有中子能谱测量技术中以多球中子能谱测量为主，例如：申请号为201710201494.3的发明专利：注水多层同心球装置及中子能谱探测系统，和申请号为201610264803.7的发明专利：一种注水排水全自动多球中子谱仪及测量方法，两者中提到多个从内到外依次套设的壳体，任意两个相邻的壳体之间形成有用于容纳液体的间隙，通过组合不同的球层达到不同慢化厚度的目的，由于体积限制，不能在一些狭窄位置或者放置现场设备装置之上进行测量。
申请号为201210243798.3的发明专利：一种多层球形聚乙烯慢化体和单探头中子能谱及注量测量装置，和申请号为201210332734.0的发明专利：一种连续中子谱实时探测系统中，均提到若干个球形聚乙烯慢化体层层累加构成不同的慢化体，利用固体聚乙烯作为慢化体，增加了设备的重量，且需要手动进行聚乙烯球壳的更换，给测量带来不便。
申请号：201810954513.4的发明专利：一种套娃中子谱仪中提到将不同慢化厚度的水体依次嵌套形成不同的慢化体组合，测量过程需要携带多个容器杯，需要手动安装容器杯，不利于自动化测量和保护测量人员的安全。
上述发明专利多以球形或者方形结构，不能准确的判断所测中子能谱的位置信息，并且需要携带较多的测量部件，且自动化程度不高，由于体积和重量的限制导致便携性不高，现场原位测量也较为困难。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，以液体作为慢化剂，可以随意更具慢化腔内部形状改变而改变，整套装置体积小，重量轻，自动化程度高，装置高度整合，方便移动和放置在现场设备之上进行原位中子能谱测量，整个测量过程不需要操作人员，利于推广使用的小型液体慢化中子能谱探测装置及探测方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种小型液体慢化中子能谱探测装置，包括慢化腔、热中子探测器、抽注水装置、分析处理系统，所述慢化腔采用聚乙烯材料制成；
所述慢化腔为竖直设置的空心棱柱形，慢化腔顶部和底部一侧分别设有一与慢化腔内部连通的贯穿孔，慢化腔内部由一水平设置的活塞分为空气腔和注液腔，所述注液腔内充满慢化液，并通过贯穿孔连接抽注水装置；
所述抽注水装置用于通过注液腔对应的贯穿孔向注液腔内注入或抽取慢化液，改变慢化液的厚度，所述活塞能随慢化液厚度变化在慢化腔内上下移动；
所述热中子探测器包括探头和信号输出端，所述探头位于慢化腔顶部中心，且正对慢化腔内部，信号输出端连接分析处理系统；
所述热中子探测器用于探测被慢化腔内的慢化液慢化形成的热中子，并形成电脉冲信号；
所述分析处理系统包括信号采集单元、数据处理单元，所述信号采集单元用于获取电脉冲信号、将其转换为数字信号,并求取每次获得的数字信号的计数值；
所述数据处理单元用于获取每次信号采集单元输出的计数值形成计数值矩阵，并与预存的响应函数矩阵求解，得到中子能谱。
作为优选：所述慢化液为水、含硼溶液、含锂溶液、或液态油脂，所述注液腔位于空气腔下方，所述慢化腔横截面为圆柱形、长方形或三角形。
作为优选：所述慢化腔为圆柱形，高25cm，半径10cm，底部壁厚1cm，活塞厚度为2cm，贯穿孔为半径是1.5cm的圆柱形孔，热中子探测器为3He球形正比计数器。
一种小型液体慢化中子能谱探测装置的探测方法， 包括以下步骤：
（1）建立一小型液体慢化中子能谱探测装置，慢化腔内无慢化液，慢化腔底部正对探测区域，导入响应函数矩阵；
（2）分N次向注液腔内加入慢化液，且第N次时，空气腔容积为零，每次加入慢化液后，热中子探测器进行一次热中子测量，输出电脉冲信号，信号采集单元将脉冲信号转换为数字信号,并依次求取每次获得的数字信号的计数值A1-AN，传递给数据处理系统；
（3）数据处理系统将N个计数值形成N行一列的矩阵，与步骤（1）的响应函数矩阵求解，获得待测区域的中子能谱。
作为优选：步骤（2）具体为：
（21）抽注水装置向注液腔内第一次加入慢化液，探测区域内的中子入射至慢化腔内部，被慢化液慢化，部分入射中子慢化成为热中子，被热中子探测器采集到形成电脉冲信号，信号采集单元处理后得到计数值A1；
（22）依次加入N-1次慢化液进行测量，得到计数值A2-AN。
作为优选：所述慢化腔为圆柱形，高25cm，半径10cm，壁厚1cm，活塞厚度为2cm，贯穿孔为半径是1.5cm的圆柱形孔，热中子探测器为3He球形正比计数器。
作为优选：抽注水装置分N次注入慢化液，N次慢化液的厚度分别为1cm，3cm，5cm，7cm，9cm，11cm，13cm，15cm，17cm，19cm，21cm，23cm。
本发明采用了慢化腔和活塞的结构，其中，慢化腔顶部和底部一侧设有贯穿孔，又由活塞分为空气腔和注液腔，所以空气腔和注液腔都是与外界连通的，注液腔内充满慢化液，且连接抽注水装置，通过抽注水装置我们可以控制慢化液的厚度，从而控制活塞的运动。测量时，我们可以通过抽注水装置控制慢化液的厚度，从而实现中子测量。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
（1）改变了现有技术中需要用球形或者方形结构的中子能谱仪的方法，装置整体结构简单，整合度高、体积小，设备部件少，重量轻，改进了中子能谱仪的便携性，其中将慢化腔分为了空气腔和注液腔，通过抽注水装置直接改变注液腔内液体厚度，空气腔和注液腔的上下位置不限，非常灵活。
（2）装置体积小，可用于狭窄空间等特殊位置的中子能谱测量，如在核电站核岛内部，具有空间小，现场环境复杂等特点。
（3）慢化液体设备取材方便，可以很方便地选用水作为慢化液体。
（4）可实现现场原位中子能谱测量，内置活塞可以保证慢化液在测量方向的厚度，使得可以进行任意角度的测量，因此可以对不同位置和方向的中子能谱进行原位测量，极大的拓宽了应用范围。
（5）装置取材方便，加工简单，大幅度降低设备制造和维护难度和成本，有利于技术推广使用。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为实施例2的响应函数矩阵；
图3为实施例2的中子能谱。
图中：1、热中子探测器；2、贯穿孔；3、空气腔；4、慢化腔；5、活塞；6、慢化液。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：参见图1，一种小型液体慢化中子能谱探测装置，包括慢化腔4、热中子探测器1、抽注水装置、分析处理系统，所述慢化腔4采用聚乙烯材料制成；
所述慢化腔4为竖直设置的空心棱柱形，慢化腔4顶部和底部一侧分别设有一与慢化腔4内部连通的贯穿孔2，慢化腔4内部由一水平设置的活塞5分为空气腔3和注液腔，所述注液腔内充满慢化液6，并通过贯穿孔2连接抽注水装置；
所述抽注水装置用于通过注液腔对应的贯穿孔2向注液腔内注入或抽取慢化液6，改变慢化液6的厚度，所述活塞5能随慢化液6厚度变化在慢化腔4内上下移动；
所述热中子探测器1包括探头和信号输出端，所述探头位于慢化腔4顶部中心，且正对慢化腔4内部，信号输出端连接分析处理系统；
所述热中子探测器1用于探测被慢化腔4内的慢化液6慢化形成的热中子，并形成电脉冲信号；
所述分析处理系统包括信号采集单元、数据处理单元，所述信号采集单元用于获取电脉冲信号、将其转换为数字信号,并求取每次获得的数字信号的计数值；
所述数据处理单元用于获取每次信号采集单元输出的计数值形成计数值矩阵，并与预存的响应函数矩阵求解，得到中子能谱。
本实施例中：所述慢化液6为水、含硼溶液、含锂溶液、或液态油脂，所述注液腔位于空气腔3下方，所述慢化腔4横截面为圆柱形、长方形或三角形。
慢化腔4整体选用聚乙烯做材料，实际产品会包括电源电路，可直接设计在慢化腔4顶部。
采用这种装置结构具有以下特点：
（1）探测区域位于慢化腔4下方，热中子探测器1位于慢化腔4上方，探测区域的中子进入慢化腔4后，会经过空气腔3和注液腔，被注液腔内的慢化液6慢化，部分中子慢化成为热中子，被热中子探测器1采集到。此时，空气腔3和注液腔的上下位置不限，只要慢化液6能起作用即可，非常灵活。
（2）每次测量时，我们需要改变慢化液6的厚度，但本发明设计为抽注水装置加活塞5的结构，只需要简单通过抽注水装置，就能改变液体厚度，测量方式简单灵活。改变液体厚度时，由于空气腔3也是通过贯穿孔2与外界连通，所以活塞5运动灵活。
最终实际测量时，我们只需要通过抽注水装置一次次改变慢化液6厚度即可。每次改变厚度后，累计测量一定时间，热中子探测器1探测被慢化腔4内的慢化液6慢化形成的热中子，形成电脉冲信号，分析处理系统再对电脉冲信号进行分析处理得到结果。
一种小型液体慢化中子能谱探测装置的探测方法，包括以下步骤：
（1）建立一小型液体慢化中子能谱探测装置，慢化腔4内无慢化液6，慢化腔4底部正对探测区域，导入响应函数矩阵；
（2）分N次向注液腔内加入慢化液6，且第N次时，空气腔3容积为零，每次加入慢化液6后，热中子探测器1进行一次热中子测量，输出电脉冲信号，信号采集单元将脉冲信号转换为数字信号,并依次求取每次获得的数字信号的计数值A1-AN，传递给数据处理系统，具体为：
（21）抽注水装置向注液腔内第一次加入慢化液6，探测区域内的中子入射至慢化腔4内部，被慢化液6慢化，部分入射中子慢化成为热中子，被热中子探测器1采集到形成电脉冲信号，信号采集单元处理后得到计数值A1；
（22）依次加入N-1次慢化液6进行测量，得到计数值A2-AN。
（3）数据处理系统将N个计数值形成N行一列的矩阵，与步骤（1）的响应函数矩阵求解，获得待测区域的中子能谱。
步骤（2）是本发明的关键，为了便于描述，我们假设注液腔位于空气腔3下方，慢化腔4内无慢化液6，活塞5位于慢化腔4内底部。我们通过抽注水装置向慢化腔4加入慢化液6，随着慢化液6的增多，活塞5受慢化液6的排挤在慢化腔4内向上移动，同时空气腔3中的空气通过贯穿孔2向外界排出。当慢化液6具有一定厚度后，探测区域内的中子入射至慢化腔4内部，被慢化液6慢化，部分中子能量被慢化到热中子范围成为热中子，被热中子探测器1采集到形成电脉冲信号，累计测量一段时间后，会得到电脉冲信号的计数值，第一次测量的计数值为A1；
然后通过抽注水装置向慢化腔4再加入慢化液6，重复上述测量过程，得到A2-AN。我们将A1-AN转换为N行一列的矩阵，用于和响应函数矩阵一起计算中子能谱。
实施例2：为了更好的说明本发明，我们采用一个确定的装置，及确定的测量方法。
本实施例的小型液体慢化中子能谱探测装置中，所述慢化腔4为圆柱形，高25cm，半径10cm，壁厚1cm，活塞5厚度为2cm，贯穿孔2为半径是1.5cm的圆柱形孔，热中子探测器1为3He球形正比计数器。其余与实施例1相同。
一种小型液体慢化中子能谱探测装置的探测方法，包括以下步骤：
（1）建立实施例2中的一小型液体慢化中子能谱探测装置，慢化腔4内无慢化液6，慢化腔4底部正对探测区域，导入响应函数矩阵；响应函数的计算方法是已知的，对待建立响应函数的装置进行蒙特卡洛几何建模和物理建模，通过蒙特卡洛模拟运算，获得不同水层厚度对应不同响应函数R，多个水层厚度对应的响应函数R构成装置的响应函数矩阵。
（2）分12次向注液腔内加入慢化液6，使慢化液6厚度依次为：1cm，3cm，5cm，7cm，9cm，11cm，13cm，15cm，17cm，19cm，21cm，23cm。由于慢化腔4内部高25cm，活塞5厚度2cm，所以，当最后一次加入慢化液6，慢化液6厚度为23cm时，活塞5刚好与慢化腔4顶部接触，空气腔3容积为零。每次加入慢化液6后，热中子探测器1进行一次热中子测量，输出电脉冲信号，也就是：
（21）抽注水装置向注液腔内第一次加入慢化液6，慢化液6厚度为1cm，探测区域内的中子入射至慢化腔4内部，被慢化液6慢化，部分入射中子慢化成为热中子，被热中子探测器1采集到形成电脉冲信号，电脉冲信号会被信号采集单元接收、转化为数字信号、存储，累计测量一定时间后，信号采集单元将累计存储一个总的数字信号的计数值A1；
（22）依次加入其余11次慢化液6进行测量，得到计数值A2-A12。
（3）数据处理系统将12个计数值形成12行一列的矩阵，与步骤（1）的响应函数矩阵求解，获得待测区域的中子能谱。
不同厚度的慢化液6应不同的响应函数R，参见图2，在数据处理模块中结合N个计数值和N个响应函数R构成的响应函数矩阵，通过中子解谱算法计算出待测中子能谱，完成中子能谱的测量，整个过程由供电模块提供电源支持，测量完成以后慢化液6经过液体抽注管道向外界排放。
实施例3：
本实施例中，慢化腔4整体选用聚乙烯做材料，为圆柱形，壁厚10cm，底部厚1cm，顶部厚11cm，顶部中心位置出放置热中子探测器1，两侧放置数据处理电子学部件和电池；
本实施例中，贯穿孔2是半径为2cm的圆柱形孔；
慢化腔4内部为圆柱形，高25cm，半径10cm，慢化腔4底部外壳厚1cm；
活塞5的厚度为2cm，慢化液6为水，初始厚度为1cm，要说明的是，慢化剂的初始厚度可以从0开始，可以根据需要进行调整，每次注水的厚度也可以根据需要在范围进行调整。
热中子探测器1为3He球形正比计数器，型号为LND2705；
一个慢化剂厚度下的测量时间为3分钟，其余与实施例2相同。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种小型液体慢化中子能谱探测装置，包括慢化腔、热中子探测器、抽注水装置、分析处理系统，所述慢化腔采用聚乙烯材料制成，其特征在于：
所述慢化腔为竖直设置的空心棱柱形，慢化腔顶部和底部一侧分别设有一与慢化腔内部连通的贯穿孔，慢化腔内部由一水平设置的活塞分为空气腔和注液腔，所述注液腔内充满慢化液，并通过贯穿孔连接抽注水装置；
所述抽注水装置用于通过注液腔对应的贯穿孔向注液腔内注入或抽取慢化液，改变慢化液的厚度，所述活塞能随慢化液厚度变化在慢化腔内上下移动；
所述热中子探测器包括探头和信号输出端，所述探头位于慢化腔顶部中心，且正对慢化腔内部，信号输出端连接分析处理系统；
所述热中子探测器用于探测被慢化腔内的慢化液慢化形成的热中子，并形成电脉冲信号；
所述分析处理系统包括信号采集单元、数据处理单元，所述信号采集单元用于获取电脉冲信号、将其转换为数字信号,并求取每次获得的数字信号的计数值；
所述数据处理单元用于获取每次信号采集单元输出的计数值形成计数值矩阵，并与预存的响应函数矩阵求解，得到中子能谱。
2.根据权利要求1所述的小型液体慢化中子能谱探测装置，其特征在于：所述慢化液为水、含硼溶液、含锂溶液、或液态油脂，所述注液腔位于空气腔下方，所述慢化腔横截面为圆柱形、长方形或三角形。
3.根据权利要求1所述的小型液体慢化中子能谱探测装置，其特征在于： 所述慢化腔为圆柱形，高25cm，半径10cm，底部壁厚1cm，活塞厚度为2cm，贯穿孔为半径是1.5cm的圆柱形孔，热中子探测器为3He球形正比计数器。
4.根据权利要求1所述的小型液体慢化中子能谱探测装置的探测方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)建立一小型液体慢化中子能谱探测装置，慢化腔内无慢化液，慢化腔底部正对探测区域，导入响应函数矩阵；
(2)分N次向注液腔内加入慢化液，且第N次时，空气腔容积为零，每次加入慢化液后，热中子探测器进行一次热中子测量，输出电脉冲信号，信号采集单元将脉冲信号转换为数字信号,并依次求取每次获得的数字信号的计数值A1-AN，传递给数据处理系统；
(3)数据处理系统将N个计数值形成N行一列的矩阵，与步骤(1)的响应函数矩阵求解，获得待测区域的中子能谱。
5.根据权利要求4所述的小型液体慢化中子能谱探测装置的探测方法，其特征在于：步骤(2)具体为：
(21)抽注水装置向注液腔内第一次加入慢化液，探测区域内的中子入射至慢化腔内部，被慢化液慢化，部分入射中子慢化成为热中子，被热中子探测器采集到形成电脉冲信号，信号采集单元处理后得到计数值A1；
(22)依次加入N-1次慢化液进行测量，得到计数值A2-AN。
6.根据权利要求5所述的小型液体慢化中子能谱探测装置的探测方法，其特征在于：所述慢化腔为圆柱形，高25cm，半径10cm，壁厚1cm，活塞厚度为2cm，贯穿孔为半径是1.5cm的圆柱形孔，热中子探测器为3He球形正比计数器。
7.根据权利要求6所述的小型液体慢化中子能谱探测装置的探测方法，其特征在于：抽注水装置分N次注入慢化液，N次慢化液的厚度分别为1cm，3cm，5cm，7cm，9cm，11cm，13cm，15cm，17cm，19cm，21cm，23cm。
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2020
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