CN111213072A - 中子探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种中子探测器，首次允许构造大约1m2至2m2的大探测器面积，而中子的空间分辨率小于2mm。另外，在堆叠结构的模块化构造情况下，可以获得与3He计数管相当的检测灵敏度(约60％)，或者，在具有更多检测器元件的情况下，更高。通过使用薄的基板(例如铝片)并省去外部压力容器，所述中子探测器即使尺寸较大也相对较轻，并且制作成本较低。所述中子探测器包括至少一个模块(探测器元件)，其各自包括两个相互平行的、由第一中子透明材料制成的基板，所述基板各自跨接在由第二中子透明材料制成的自支撑框架上以形成补偿容积，并且在远离所述自支撑框架的一侧面上涂覆中子吸收材料，其中涂覆中子吸收材料的所述侧面分别面向另一基板的内侧，以及填充有计数气体的气密的测量空间，其被限定在彼此相对的基板涂覆的内侧之间并且其中设置有平行于所述基板的两个电极线平面，而在各个电极线平面中有电极线平行延伸，并且所述电极线平面由间隔框架彼此隔开。所述模块可以依次以堆叠方式布置。
Description
技术领域
本发明涉及中子探测器及其用途。
背景技术
中子探测器用于，例如在辐射防护监视或基础研究中，监视和测定自由中子的流量和光谱。由于中子缺乏电荷，因此仅与物质发生微弱的相互作用，因此必须通过与合适的中子吸收材料发生核反应来检测其存在，在此过程中会产生电荷载流子或带电的放射性核素，可以使用合适的检测器进行检测，例如，装有计数气体的计数管。
粒子与中子吸收材料的相互作用用横截面σ来描述，该横截面的单位尺寸为1barn(10-24cm2)。总横截面σtot可以通过每单位时间的相互作用数除以入射粒子通量密度来计算。在相互作用期间产生的次级粒子应在计数气体中具有足够的自由程，以使所述粒子可以到达检测器的敏感区域，并在该处沉积足够大的能量以进行检测。沉积的能量到电离的转换对于检测很重要。
常规的中子吸收材料将在下面描述：
同位素3He(3He+n→3H+1H+0.764MeV；σ＝5.327barns)，在中子俘获后会产生质子和氚核的物质，被广泛用于比例计数管中。优点是较大的截面和较小的原子序数(Z＝2)，从而确保探测器的低γ灵敏度。缺点之一是气体中反应产物的路径长，这对空间分辨率具有负面影响。包括多个基于3He的分离的中子探测器的中子探测器设置是已知的，例如可见于WO2015/088748A1。
转换材料6Li(6Li+n→3H+α+4.78MeV；σ＝940barns)通常用于闪烁体，既可以用作掺杂剂，也可以用作闪烁体晶体的组成部分。但是，它也可以用作气体检测器中的转换膜。主要优点是反应过程中释放大量的能量。可惜的是，横截面相对较小并且处理复杂。包括多个基于6Li的中子探测器元件的中子探测器设置是已知的，例如可见于WO 2015/173540A1。所使用的闪烁材料是ZnS(Ag)，与6LiF混合作为中子吸收材料。
10B(10B+n→7Li+α+2.792MeV(6％)；σ＝3.842barns)用于充有BF3的气体检测仪，但由于其毒性而难以操作。在固态检测器中，可使用化学惰性的B4C，既可作为掺杂剂，也可作为转换薄膜。横截面可达大于6Li的4倍，释放的能量足以产生可检测的信号。具有多个掺杂有10B的多边形中子探测器元件的中子探测器设置是已知的，例如可见于EP 3 187 902A1。
钆(Gd,Gadolinium)具有七个稳定的自然同位素，其中157Gd(自然丰度15.68％)具有所有已知原子(157Gd+n→158Gd*→158Gd+γ+e-+29keV-181keV；σ＝254 000barns)的热中子中最大已知捕获截面。同位素155Gd，其相对丰度为14.73％，仍具有61 000barns的高捕获截面积(155Gd+n→156Gd*→156Gd+γ+e-(29keV-181keV；σ＝61 000barns)。天然的或具有天然同位素分布的钆具有平均捕获横截面49000barns，然而钆经常不被使用，源于其成本过高以及操作困难。已知的使用钆的中子探测器，例如可见于DE 199 614 452A1。
现有技术的中子检测器使用外部压力容器，以确保填充有计数气体的检测体积的所需填充压力(几个MPa)。压力容器和相关气密性电导管的存在需要额外的费用。具有外部压力容器的检测器的重量较大，从而中子检测器的制作以及运行中的操作都很困难。另外，迄今尚不可能制造具有高捕获截面并同时具有高空间分辨率的大面积中子探测器(m2级)。
本发明的目的在于提供一种中子检测器，其具有与基于3He的中子检测器类似的高效率，然而能在没有外部压力容器的情况下运行。此外，所述检测器应当具有较大的检测面积，同时具有较高的空间分辨率。
发明内容
所述目的是通过具有权利要求1的特征的中子探测器来实现。根据本发明的中子探测器包括至少一个探测器元件，其各自包括两个相互平行的、由第一中子透明材料制成的基板，所述基板各自跨接在由第二中子透明材料制成的自支撑框架上以形成补偿容积，并且在远离所述补偿容积的一侧面上涂覆中子吸收材料，其中涂覆中子吸收材料的所述侧面分别面向带有中子吸收材料的另一基板，以及填充有计数气体的气密的测量空间，其被限定在彼此相对的涂覆的基板之间并且其中设置有平行于所述基板的两个电极线平面，而在各个电极线平面中有电极线平行延伸，并且所述电极线平面由间隔框架彼此隔开。
将电压，通常是高压(≥+/-1kV)施加到电极线上。由于施加了高压，因此加速了通过中子吸收材料产生的电荷，从而由于在计数气体中的电荷倍增而发生气体放大，并将产生的电荷雪崩转移到电极线平面。优选地，两个电极线平面的电极线相对于相应的另一个电极线平面的电极线成直角布置以形成电极线栅，从而中子事件的位置可以利用延迟线上信号的飞行时间测量方法确定。
基板的第一中子透明材料和自支撑框架的第二中子透明材料可以是具有足够中子透明度的任何可处理材料。基板的第一中子透明材料和/或框架的第二中子透明材料优选地选为铜，或者尤其选为铝。进一步优选地，所述第一和第二中子透明材料是相同的。所述基板的厚度优选为20μm至600μm。所述自支撑框架的厚度优选为2mm至5mm，并且取决于框架的尺寸，框架的宽度优选为1cm至20cm。在本发明的语义中，“自支撑”是指框架没有任何附加的支撑。所述自支撑框架优选地各自形成为一件。
涂覆的基板优选为矩形，特别是正方形，并且边长优选为20cm至2m，特别是50cm至1.2m。因此，根据本发明的检测器构造可以形成制作具有异常大检测面积(m2级)并且同时具有高空间分辨率的中子检测器。
中子吸收材料可以包含6Li，10B或Gd，并且优选为10B4C。所述10B4C涂层在基板上的层厚优选为500nm至1.5μm，更优选为1μm至1.2μm。涂层是优选地由溅射的方式施加。
由第一中子透明材料制成的基板优选地粘接到由第二中子透明材料制成的自支撑框架上。优选采用环氧树脂粘接剂或丙烯酸树脂粘接剂进行粘接。
在测量空间中使用的计数气体优选是氩和CO2(Ar/CO2)或CF4或它们的混合物。测量空间中的计数气体压力优选为100至130kPa。施加到电极线的高压优选为≥1kV，以及优选为1.5kV至3.5kV，并且所述电压指定为绝对值。
在两个电极线平面中的电极线各自的间距为1至3mm，优选为大约2mm。两个电极线平面之间的间距优选为1.2至4mm，尤其优选为1.6至3mm。
本发明另一实施方式提供的中子探测器，包括多个，例如2个或更多个，优选2至18个，尤其优选4至15个，更尤其优选8到12个探测器元件的堆叠布置。所述检测器元件各自优选地布置成使得相应的自支撑框架相互连接以彼此覆盖，其中在连接的自支撑框架的至少一侧，优选两侧，设有气体通道，以形成可变的补偿容积。连接的自支撑框架优选粘性地粘合在一起，其中优选使用丙烯酸树脂粘合剂。
或者，在这种堆叠布置中，由第一中子透明材料制成的基板可以跨接在自支撑框架的两侧，其中所述自支撑框架，其两侧跨接有所述基板，形成两个相邻检测器元件的末端，其中气体通道设置在已经连接在一起的自支撑框架的至少一侧，优选两侧，以形成可变的补偿容积。
堆叠布置中的自支撑框架的内侧与其上跨接的涂覆的基板一起形成可变的补偿容积。如果探测面积变得很大(例如>0.5m2)，中子探测器在结构方面机械上的要求也会增加。为了使测量的空间分辨率不受干扰，涂覆的基板应当尽可能均匀。这是因为在测量期间所施加的高压与涂覆的基板和电极线平面之间的短距离会使涂覆的基板和电极线平面彼此吸引，从而导致基板翘曲，这会引起高压闪络。可以通过在检测器元件之间具有可变补偿容积的气体空间来补偿基板的翘曲。可以设定导线平面和基板之间的距离，使两个平面在整个区域内取向彼此平行。位于基板内侧之间的检测空间填充有一定量的计数气体，而所述计数气体在操作期间不会发生变化。与各个基板相对的补偿容积同样填充有气体。两个容积(检测和补偿容积)可以使用压力传感器监视。需要的话，补偿容积的压力通过控制元件来调节，以避免涂覆有中子吸收材料的基板朝电极线平面偏移。由此，可以省去用于控制或维持测量空间中压力的外部压力容器。任何中子透明气体可以用作带有可变补偿容积的气体空间中的气体，因为它不会与计数气体接触。然而，优选使用与计数气体相同的气体。
优选地，以堆叠布置方式连接在一起的检测器元件具有变化的涂层厚度，例如，涂层厚度从第一检测器元件(例如，在第一模块中)的500μm，增加到最末检测器元件(在第12个模块中)的1.5μm。
堆叠装置中的每个检测器元件优选地配备有专用的评估电子设备。这里使用根据现有技术的评估电子设备，优选地是更高集成度的可远程控制的评估电子设备。它们可以具有一个前置放大器和每个通道恒定的分数单位(每个检测器平面4个通道)。信号通常连接到FPGA板，并且边缘(正和负)带有时间戳。由印刷电路板组成的延迟线是特别的，其中集成了延迟元件。所述延迟线可以通过耐高压发射器连接到前置放大器，并在高压下操作。
附图说明
现在对本发明通过参考附图进行更为详细的解释，其中这些附图对本发明没有限制作用，而只是以举例的方式对其进行解释。
在所述附图中：
图1显示根据本发明的检测器元件的图解；
图2显示检测器元件各个构成部分平面图的图解；
图3显示两个自支撑框架的平面图，其中所述两个自支撑框架可以结合在一起以彼此覆盖并形成根据本发明的检测器元件的堆叠布置；以及
图4显示具有12个探测器元件的堆叠布置的中子探测器的图解，其中所述探测器元件彼此平行布置。
具体实施方式
图1显示中子吸收材料10B4C的两层1、5的图解，它们彼此平行布置，彼此面对并且由溅射方式被施加到由中子透明材料(未示出)制成的两个相互平行的基板上。此外，在彼此面对的10B4C层1、5之间设置两个相互平行的电极线平面，其中，两个电极线平面的电极线设置为彼此取向相对呈90°角以形成电极线栅。高压4(≥+-1kV)被施加到电极线上。电压变化在具有高空间分辨率的延迟线2上捕获。
当中子3入射在10B4C层1、5的一个之上时，由于与10B发生核反应，计数气体被电离，并通过电极栅检测电压变化。代替10B4C，其他固体中子吸收材料，例如6Li，优选用作6LiF，或Gd，也可用于根据本发明的中子检测器中的中子检测。10B4C层是优选的，考虑到其操作特性和成本原因。
图2以平面图形式提供了检测器元件的各个组成部分的图解。图中显示，从左至右，由中子透明材料制成的自支撑框架，其优选为正方形。在两个侧面上设有当两个框架接合在一起时会形成气体通道的槽口。接下来显示的是涂覆有中子吸收材料的基板，所述基板与涂层相反的一侧跨接到自支撑框架上并且被粘结到其上。跨接的目的是使基板和涂层尽可能平整且无皱纹。为了跨接，将自支撑框架在其横向和纵向侧边上稍微向内推一些，将基底与涂层侧相反的一侧粘接到框架上，并在粘合剂固化后放松。具有电极线平面的印刷电路板(显示为第三元件)被粘结到涂覆的基板上。在图示中，从右到左重复了相同的结构，并且所获得的结构通过间隔框架(此处显示在中间)以90°偏移彼此连接。气体空间充满计数气体并气密粘合。
图3示出了两个自支撑框架的平面图，这两个自支撑框架分别形成检测器元件的终端侧。在两个侧面上都设有槽口，当两个框架接合在一起时，这些槽口形成具有内部气体空间的气体通道。气体空间中的补偿容积可以通过气体通道来控制，从而基板的曲率可以通过降低或增加补偿容积中的气压来补偿。
图4示出了具有12个检测器元件的堆叠布置的图解，每个检测器元件具有专用的计数器电子器件。使用所示的堆叠布置，可以实现类似于3He计数管的检测灵敏度，但是具有比常规中子探测器大很多的检测面积。
根据本发明的中子探测器，首次允许构造大约1m2至2m2的大探测器面积，而中子的空间分辨率小于2mm。另外，在堆叠结构的模块化构造情况下，可以获得与3He计数管相当的检测灵敏度(约60％)，或者，在具有更多检测器元件的情况下，更高。通过使用薄的基板(例如铝片)以及省去外部压力容器，所述中子探测器即使尺寸较大也相对较轻，并且制作成本较低。
Claims (15)
1.一种中子探测器，包括至少一个探测器元件，其各自包括两个相互平行的、由第一中子透明材料制成的基板，所述基板各自跨接在由第二中子透明材料制成的自支撑框架上以形成补偿容积，并且在远离所述补偿容积的一侧面上涂覆中子吸收材料(1、5)，其中涂覆中子吸收材料的所述侧面分别面向带有中子吸收材料(1、5)的另一基板，以及填充有计数气体的气密的测量空间，其被限定在彼此相对的涂覆的基板之间并且其中设置有平行于所述基板的两个电极线平面，而在各个电极线平面(2)中有电极线平行延伸，并且所述电极线平面由间隔框架彼此隔开。
2.根据权利要求1所述的中子探测器，其中基板的所述第一中子透明材料和所述第二中子透明材料相同，并且为铜或铝。
3.根据权利要求1所述的中子探测器，其中所述两个电极线平面(2)的电极线设置为各自相对于另一电极线平面(2)的取向以90°的角度布置，以形成电极线栅。
4.根据前述权利要求任一项所述的中子探测器，其中在所述两个电极线平面(2)中的电极线分别具有1mm至3mm的间距。
5.根据前述权利要求任一项所述的中子探测器，其中所述两个电极线平面(2)彼此相对的间距为1.2mm至4mm。
6.根据前述权利要求任一项所述的中子检测器，其中所述中子吸收材料(1、5)包括6Li,10B或Gd。
7.根据权利要求6所述的中子探测器，其中所述中子吸收材料(1、5)是10B4C。
8.根据前述权利要求任一项所述的中子检测器，其中所述基板上的所述中子吸收材料(1、5)的层厚为500nm至1.5μm。
9.根据权利要求8所述的中子检测器，其中在所述基板上的所述中子吸收材料(1、5)的层厚为1μm至1.2μm。
10.根据前述权利要求任一项所述的中子探测器，包括2个或更多探测器元件的堆叠布置。
11.根据权利要求10所述的中子探测器，包括4个或18个探测器元件的堆叠布置。
12.根据权利要求11所述的中子探测器，包括8个或12个探测器元件的堆叠布置。
13.根据权利要求10至12任一项所述的中子探测器，其中分别布置有两个探测器元件，使得各自的自支撑框架接合起来以彼此覆盖，其中在所接合的自支撑框架的至少一侧设有气体通道，以形成可变的补偿容积。
14.根据权利要求10至12任一项所述的中子探测器，其中，由所述第一中子透明材料制成的基板跨接在自支撑框架的两侧，其中所述自支撑框架，其两侧被基板跨接，形成两个相邻检测器元件的终端，并且其中至少在已经连接在一起的所述自支撑框架的一侧具有气体通道，以形成可变的补偿容积。
15.根据权利要求1至14任一项所述的中子检测器对于中子检测的用途。
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