CN112526583A - 一种基于碲锌镉探测器阵列的中子源位置测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于碲锌镉探测器阵列的中子源位置测量装置，包括探测器本体，探测器本体最外层为中子非弹散射材料层，探测器本体几何中心处设置伽马射线探测器；伽马射线探测器与中子非弹散射材料层之间设置有若干层中子慢化体和若干层中子俘获材料，中子慢化体与中子俘获材料隔层交错；中子慢化体内设置有若干个呈阵列分布的碲锌镉探测器；碲锌镉探测器与信号放大器、模数转换器、多道分析器和电脑依次连接；本发明还提供一种基于碲锌镉探测器阵列的中子源位置测量装置的测量方法。本发明利用不同入射方向的中子在不同位置的碲锌镉探测器能谱响应函数不同，根据能谱解析之后的差异判断中子入射方向，实现了4π方向中子入射测量的一致性与准确性。
Description
技术领域
本发明属于辐射探测技术领域，具体涉及一种基于碲锌镉探测器阵列的中子源位置测量装置及测量方法。
背景技术
特种核材料、核废物中含有大量不同的放射性核素，其中部分关键核素的伽马射线的能量较低（如235U的185.7keV，分支比为57.2%），检测对象外部也往往有一定厚度的屏蔽保护结构。伽马射线在屏蔽结构中的穿透深度有限，在外部很难获取足够多的信息，因此很难实现利用伽马射线对屏蔽结构内235U等元素的追踪。特种核材料、核废物中含有的大量铀与重铀元素，会以自发或诱发裂变的方式释放出高能中子。由于中子能量较高，并且一次裂变会释放多个中子，因此其能够作为特种核材料、核废物的特征指示。中子是电中性的，在材料中具有深穿透性，较难用重金属材料进行屏蔽，因此可以利用中子信号实现对深处的管理对象的检测。随着核技术的不断发展，中子应用技术被越来越多的应用到了各个领域中，并且在一些情况下需要对中子源的位置进行确定。针对复杂的检测环境，利用单一探测器获取的信号很难实现对中子源的定位。
多个探测器组成的中子散射相机能够同时获取中子源的位置与能量信息，进而实现对中子源的准确定位。中子散射相机通过对每一个中子有效信号提供的一个散射角，将其确定在一个“概率锥”上，这个概率锥与像平面的交点为一个椭圆，称为“事件圈”，通过诸多中子有效信号的“事件圈”的叠加进行图像重建，以此来确定中子源位置。并进一步建立相应的中子源分布成像重建方法，通过有限的中子有效信号，确定中子源所在位置。但是中子散射相机的探测效率较低，价格昂贵，位置分辨率较差。
因此，确有必要对现有中子源位置测量方法进行改进，建立一种新型的中子源位置测量装置及测量方法，解决现有测量中子源位置方法及装置之不足。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于碲锌镉探测器阵列的中子源位置测量装置及测量方法。
本发明采用以下技术方案：
一种基于碲锌镉探测器阵列的中子源位置测量装置，包括探测器本体，所述探测器本体最外层为中子非弹散射材料层，探测器本体的几何中心处设置有伽马射线探测器；所述伽马射线探测器与中子非弹散射材料层之间设置有若干层中子慢化体和若干层中子俘获材料，所述中子慢化体与中子俘获材料隔层交错设置；中子慢化体内设置有若干个碲锌镉探测器，所述若干个碲锌镉探测器在同一中子慢化体层呈阵列分布；所述碲锌镉探测器与信号放大器、模数转换器、多道分析器和电脑依次连接。
进一步的，所述探测器本体呈轴对称形，具体为球体或者圆柱体状，伽马射线探测器的响应与入射中子方向无关。
进一步的，所述中子慢化体与中子俘获材料以伽马射线探测器为中心，同心交错设置；所述中子慢化体用于将快中子慢化为热中子，所述中子俘获材料与经过中子慢化体慢化后的热中子反应产生瞬发伽马射线。
进一步的，所述中子非弹散射材料层为重金属材料，通过与快中子发生非弹性散射产生具有能量特征的瞬发伽马射线。
进一步的，所述碲锌镉探测器层呈阵列分布在中子慢化体不同位置，在该位置中子已经过中子慢化体的充分慢化。
进一步的，所述碲锌镉探测器用于探测中子非弹散射材料层与快中子发生非弹性散射产生的瞬发伽马射线、中子俘获材料与经过中子慢化体慢化后的热中子反应产生的瞬发伽马射线、热中子与碲锌镉探测器中的镉反应产生的558keV特征伽马射线，并形成响应能谱，随后通过伽马解谱技术解谱，实现俘获谱、非弹散射谱及本底谱的分离。
进一步的，所述中子非弹散射材料层的相邻层为中子慢化体，所述伽马射线探测器的相邻层为中子慢化体。
以上所述的基于碲锌镉探测器阵列的中子源位置测量装置的测量方法，包括以下步骤：
S1、中子从某个方向入射至探测器中；
S2、快中子经过中子非弹散射材料层时发生非弹散射，产生具有特征能量的瞬发伽马射线；
S3、快中子经过中子慢化体的充分慢化后，热中子与中子俘获材料产生瞬发伽马射线，与碲锌镉探测器中的镉反应产生558keV特征伽马射线；
S4、放置在中子慢化体3内的碲锌镉探测器1阵列探测相应位置的伽马射线，得到叠加能谱；
S5、对碲锌镉探测器1探测到的伽马射线叠加能谱通过伽马解谱技术进行能谱解析，实现伽马射线叠加能谱的分离；
S6、根据放置在不同位置的碲锌镉探测器对不同中子入射方向的响应函数不同，构建不同中子入射方向的响应函数谱库，从而实现中子入射方向的判断。
本发明的有益效果：
本发明利用不同入射方向的中子在不同碲锌镉探测器位置的能谱响应函数不同，从而在根据能谱解析之后的差异判断中子入射方向，实现了4π方向中子入射测量的一致性与准确性；同时辅以内置碲锌镉探测器的方式能够实现中子入射方向的判断，有利于拓宽该方法的使用领域与应用场景，具有巨大的现实实用性。
附图说明：
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明测量方法流程图；
图3为本发明实施例1结构示意图；
图4为本发明实施例1伽马能谱解析的各元素能谱图；
图5为本发明实施例1六个不同方向碲锌镉探测器的各次级粒子的分布图；
附图中的标号为：1、碲锌镉探测器；2、伽马射线探测器；3、中子慢化体；4、中子俘获材料；5、中子非弹散射材料层；6、信号放大器；7、模数转换器；8、多道分析器；9、电脑。
具体实施方式：
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照各图，本发明提供一种基于碲锌镉探测器阵列的中子源位置测量装置，包括探测器本体，所述探测器本体最外层为中子非弹散射材料层5，探测器本体的几何中心处设置有伽马射线探测器2；所述伽马射线探测器2与中子非弹散射材料层5之间设置有若干层中子慢化体3和若干层中子俘获材料4，所述中子慢化体3与中子俘获材料4隔层交错设置；中子慢化体3内设置有若干个碲锌镉探测器1，所述若干个碲锌镉探测器1在同一中子慢化体3层呈阵列分布；所述碲锌镉探测器1与信号放大器6、模数转换器7、多道分析器8和电脑9依次连接。
本发明中，所述探测器本体呈轴对称形，具体为球体或者圆柱体状，伽马射线探测器2的响应与入射中子方向无关，所述伽马探测器2主要用于采集中子与其周围包覆材料作用产生的非弹和俘获伽马射线，进而将所得能谱结合碲锌镉探测器1获得的伽马能谱通过伽马解谱技术得到碲锌镉探测器1所在位置处的中子响应；每个碲锌镉探测器1响应能谱与中子入射方向具有对称性，能够有效得到入射方向与能谱响应的关系。
若入射中子能谱中存在高于测量系统外层的中子非弹散射材料层5阈值的成分，该能量中子与在外层的中子非弹散射材料层5发生非弹性散射，产生瞬发伽马射线；若入射中子能谱中不存在高于测量系统外层的中子非弹散射材料层5阈值的成分，则可将碲锌镉探测器1距离测量系统表面的中子慢化体3厚度进行设置，使入射中子到达碲锌镉探测器1前通过较为充分的慢化，使其热中子分布随入射深度呈单调下降趋势，则系统内经过慢化的热中子与第一层中子俘获材料4产生瞬发伽马射线；并且经过慢化的热中子与碲锌镉探测器1中的镉元素发生反应产生558keV的特征伽马射线。
本发明中，所述中子慢化体3与中子俘获材料4以伽马射线探测器2为中心，同心交错设置；所述中子慢化体3用于将快中子慢化为热中子，所述中子俘获材料4与经过中子慢化体3慢化后的热中子反应产生瞬发伽马射线；所述中子非弹散射材料层5为重金属材料，通过与快中子发生非弹性散射产生具有能量特征的瞬发伽马射线。
所述碲锌镉探测器1层呈阵列分布在中子慢化体3不同位置，在该位置中子已经过中子慢化体3的充分慢化；所述碲锌镉探测器1用于探测中子非弹散射材料层5与快中子发生非弹性散射产生的瞬发伽马射线、中子俘获材料4与经过中子慢化体3慢化后的热中子反应产生的瞬发伽马射线、热中子与碲锌镉探测器1中的镉反应产生的558keV特征伽马射线，并形成叠加能谱；随后通过伽马解谱技术解谱，实现俘获谱、非弹散射谱及本底谱的分离。所述中子非弹散射材料层5的相邻层为中子慢化体3，所述伽马射线探测器2的相邻层为中子慢化体3。
以上所述的基于碲锌镉探测器阵列的中子源位置测量装置的测量方法，包括以下步骤：
S1、中子从某个方向入射至探测器中；
S2、快中子经过中子非弹散射材料层5时发生非弹散射，产生具有特征能量的瞬发伽马射线；
S3、快中子经过中子慢化体3的充分慢化后，热中子与中子俘获材料4产生瞬发伽马射线，与碲锌镉探测器1中的镉反应产生558keV特征伽马射线；
S4、放置在中子慢化体3内的碲锌镉探测器1阵列探测相应位置的伽马射线，伽马射线在碲锌镉探测器1内形成模拟信号，该信号通过信号放大器6进行放大和滤波，经过模数转换器7转换成数字信号，之后在多道分析器8中，进行信号能量与幅度的处理，最后在电脑9中得到各碲锌镉探测器1的响应能谱；获得的碲锌镉探测器伽马射线响应能谱是非弹性散射产生的特征瞬发伽马射线、中子俘获产生的特征瞬发伽马射线、热中子与镉元素反应产生的558keV特征伽马射线、本底伽马射线的叠加能谱；
S5、对碲锌镉探测器1探测到的伽马射线响应叠加能谱通过伽马解谱技术进行能谱解析，实现S4中四种伽马射线能谱的分离；
S6、根据放置在不同位置的碲锌镉探测器1对不同中子入射方向的响应函数不同，构建不同中子入射方向的响应函数谱库，从而实现中子入射方向的判断。响应函数包括非弹性散射产生的特征瞬发伽马射线能谱、中子俘获产生的特征瞬发伽马射线能谱、热中子与镉元素反应产生的558keV特征伽马射线能谱。
由于中子入射探测器系统后无论中子的能量还是数量都会显著减少，距离中子入射方向最近的碲锌镉探测器具有最大响应，因此依靠碲锌镉探测器在系统内位置的不同可以构造出中子入射方向的响应函数，判断中子入射方向。
实施例1
如图3~5所示，一种基于碲锌镉探测器阵列的中子源位置测量装置，包括球形探测器本体，球形探测器本体球心处设置伽马射线探测器，球形探测器本体最外层为中子非弹散射材料层5，具体材料为铅；中子非弹散射材料层5与伽马射线探测器之间设置两层中子慢化体3和一层中子俘获材料4，中子慢化体3采用聚乙烯，中子俘获材料4采用氯化钠；中子慢化体3内设置六个碲锌镉探测器6，六个碲锌镉探测器6形成阵列，围绕着中心伽马射线探测器的前、后、左、右、上、下六个方向。
中子源位置测量方法：
S1、Am-Be中子源以0°方向入射至本测量装置；
S2、快中子经过中子非弹散射材料层5时发生非弹散射，产生具有特征能量的瞬发伽马射线；
S3、快中子经过中子慢化体3的充分慢化后，热中子与中子俘获材料4产生瞬发伽马射线，与碲锌镉探测器1中的镉反应产生558keV特征伽马射线；
S4、放置在中子慢化体3内的碲锌镉探测器1阵列探测相应位置的伽马射线，得到叠加能谱；
S5、对距离中子入射方向最近的碲锌镉探测器1探测到的伽马射线响应能谱通过伽马解谱技术进行能谱解析，得到铅的非弹散射特征伽马射线能谱、慢化后的热中子与碲锌镉探测器中的镉元素反应产生的特征伽马能谱、氯元素的特征伽马响应能谱、氢元素的特征伽马响应能谱、本底能谱；并对其他位置的碲锌镉探测器响应能谱进行伽马能谱解析，对比可得到不同位置的碲锌镉探测器的响应能谱具有显著差异；
S6、根据放置在不同位置的碲锌镉探测器1对不同中子入射方向的响应函数不同，构建不同中子入射方向的响应函数谱库，从而实现中子入射方向的判断。图5所示为六个不同方向碲锌镉探测器的次级粒子的分布图，显而易见各探测器响应（尤其是 Pb 非弹散射计数）差异显著。可以作为中子入射方向的判断依据并构建方向响应函数。由此，便可以知道上下两个碲锌镉探测器的中子响应几乎是一致的，进而可以判断中子方向在两探测器的垂直平分线处，左边碲锌镉探测器的中子响应大于右边中子碲化镉探测器的中子响应，便可判断中子方向为从左向右且过该系统的中心。
本发明通过中子入射方向的不同，不同位置的碲锌镉探测器对特征伽马射线和俘获伽马射线进行能谱响应探测，再经过伽马能谱解析得到不同位置的碲锌镉探测器的响应差异判断中子入射方向，效果良好，可以作为一种性能优良的判断中子源位置的测量方法。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于碲锌镉探测器阵列的中子源位置测量装置，其特征在于，包括探测器本体，所述探测器本体最外层为中子非弹散射材料层（5），探测器本体的几何中心处设置有伽马射线探测器（2）；所述伽马射线探测器（2）与中子非弹散射材料层（5）之间设置有若干层中子慢化体（3）和若干层中子俘获材料（4），所述中子慢化体（3）与中子俘获材料（4）隔层交错设置；中子慢化体（3）内设置有若干个碲锌镉探测器（1），所述若干个碲锌镉探测器（1）在同一中子慢化体（3）层呈阵列分布；所述碲锌镉探测器（1）与信号放大器（6）、模数转换器（7）、多道分析器（8）和电脑（9）依次连接。
2.根据权利要求1所述的基于碲锌镉探测器阵列的中子源位置测量装置，其特征在于，所述探测器本体呈轴对称形，具体为球体或者圆柱体状，伽马射线探测器（2）的响应与入射中子方向无关。
3.根据权利要求1所述的基于碲锌镉探测器阵列的中子源位置测量装置，其特征在于，所述中子慢化体（3）与中子俘获材料（4）以伽马射线探测器（2）为中心，同心交错设置；所述中子慢化体（3）用于将快中子慢化为热中子，所述中子俘获材料（4）与经过中子慢化体（3）慢化后的热中子反应产生瞬发伽马射线。
4.根据权利要求1所述的基于碲锌镉探测器阵列的中子源位置测量装置，其特征在于，所述中子非弹散射材料层（5）为重金属材料，通过与快中子发生非弹性散射产生具有能量特征的瞬发伽马射线。
5.根据权利要求1所述的基于碲锌镉探测器阵列的中子源位置测量装置，其特征在于，所述碲锌镉探测器（1）层呈阵列分布在中子慢化体（3）不同位置，在该位置中子已经过中子慢化体（3）的充分慢化。
6.根据权利要求1所述的基于碲锌镉探测器阵列的中子源位置测量装置，其特征在于，所述碲锌镉探测器（1）用于探测中子非弹散射材料层（5）与快中子发生非弹性散射产生的瞬发伽马射线、中子俘获材料（4）与经过中子慢化体（3）慢化后的热中子反应产生的瞬发伽马射线以及热中子与碲锌镉探测器（1）中的镉反应产生的558keV特征伽马射线，并形成响应能谱，随后通过伽马解谱技术解谱，实现俘获谱、非弹散射谱及本底谱的分离。
7.根据权利要求1所述的基于碲锌镉探测器阵列的中子源位置测量装置，其特征在于，所述中子非弹散射材料层（5）的相邻层为中子慢化体（3），所述伽马射线探测器（2）的相邻层为中子慢化体（3）。
8.权利要求1~6任意一项所述的基于碲锌镉探测器阵列的中子源位置测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、中子从某个方向入射至探测器中；
S2、快中子经过中子非弹散射材料层（5）时发生非弹散射，产生具有特征能量的瞬发伽马射线；
S3、快中子经过中子慢化体（3）的充分慢化后，热中子与中子俘获材料（4）产生瞬发伽马射线，与碲锌镉探测器（1）中的镉反应产生558keV特征伽马射线；
S4、放置在中子慢化体（3）内的碲锌镉探测器（1）阵列探测相应位置的伽马射线，得到叠加能谱；
S5、对碲锌镉探测器（1）探测到的伽马射线叠加能谱通过伽马解谱技术进行能谱解析，实现伽马射线叠加能谱的分离；
S6、根据放置在不同位置的碲锌镉探测器（1）对不同中子入射方向的响应函数不同，构建不同中子入射方向的响应函数谱库，从而实现中子入射方向的判断。
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| CN202011154147.8A Pending CN112526583A (zh) | 2020-10-26 | 2020-10-26 | 一种基于碲锌镉探测器阵列的中子源位置测量装置及测量方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112526583A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114509803A (zh) * | 2022-01-28 | 2022-05-17 | 中国工程物理研究院核物理与化学研究所 | 一种基于固态锰池的中子出射率测量装置及测量方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN201413644Y (zh) * | 2009-06-11 | 2010-02-24 | 中国科学院高能物理研究所 | 一种宽能谱中子剂量率监测器 |
| US9081100B1 (en) * | 2011-10-27 | 2015-07-14 | The Curator Of The University Of Missouri | Apparatus and method for determination of one or more free neutron characteristics |
| JP2015187567A (ja) * | 2014-03-27 | 2015-10-29 | 日立Ｇｅニュークリア・エナジー株式会社 | 放射線計測装置 |
| CN108562929A (zh) * | 2018-04-18 | 2018-09-21 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种重金属倍增的宽能中子源强测量系统 |
| CN108680943A (zh) * | 2018-05-11 | 2018-10-19 | 南京航空航天大学 | 一种基于瞬发伽马射线中子活化分析技术的中子能谱测量装置及方法 |
-
2020
- 2020-10-26 CN CN202011154147.8A patent/CN112526583A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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