CN112540397A - 一种基于伽马射线能谱探测器的宽能中子剂量当量率仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于伽马射线能谱探测器的宽能中子剂量当量率仪包括：球体，球体的最外层为中子非弹散射材料层，球体的球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热中子俘获材料，所述中子慢化体与热中子俘获材料隔层交错设置；所述伽马射线探测器为溴化镧探测器。中子进入测量系统后，中子与中间材料发生非弹性反应或辐射俘获而产生的瞬发伽马射线被伽马探测器探测到后，通过伽马能谱解谱技术可以获得中子能谱，最终转换为中子剂量当量率。
Description
技术领域：
本发明属于辐射测量技术领域，具体涉及一种基于伽马射线能谱探测器的宽能中子剂量当量率仪。
背景技术：
中子剂量率仪是一种用于测量和评价中子辐射产生的周围剂量当量率的辐射监测设备。目前，常见的辐射防护用中子剂量率仪，其基本组成包括慢化体、中子能量补偿材料、热中子灵敏计数器及电子学线路。其结构特点是将热中子灵敏计数器用球形或圆柱形慢化体裹在中心处；慢化体内，离中心探测器某一距离上设置一带有慢中子透过孔的中子吸收筛，或用含硼材料的吸收层，入射中子射入慢化体后被慢化(或热中子扩散)，在通过吸收筛(或吸收层)时一部分慢(热)中子被吸收，一定比例的中子穿过，穿过吸收筛的部分中子继续被慢化或扩散，最后到达中心探测器的部分中子被探测器记录下来。
现有的中子剂量率仪，根据结构设计的不同，可大致分为三类：一是单计数器型，这类剂量率仪采用单个球形或柱形聚乙烯作为慢化体，球心放置单个正比计数器(如BF3、3He)或6Li玻璃闪烁体，球体中间夹杂一些经过特殊设计的硼塑料或镉材料等中子能量补偿材料。二是多计数器型，这类剂量率仪的慢化体为单球或多球设计，探头采用多个正比计数器(如3He)，分别放置在慢化体的球心或者球面，球体中间夹杂中子能量补偿材料。三是谱仪型，这类剂量率仪将热中子探测器分别包裹在不同直径的慢化球壳内，利用不同大小慢化球的慢化能力不同，得到不同能量的中子响应，通过对测量得到的慢化中子能谱进行解谱，解出中子辐射场的实际能谱，进而计算得到辐射场的中子剂量当量率。
目前，中子能谱测量方法可大致分为：中子活化法、反冲质子(反冲核)法、飞行时间测量法、中子慢化构建响应函数法(多球中子谱仪)等。但各种方法均有局限性，中子活化法利用一系列具有反应阈值的活化箔进行操作，操作复杂且无法在线测量；反冲质子法适用于快中子的测量，对热中子测量能力不足；飞行时间法原理简单，但设备系统复杂，仅适用于脉冲化的中子源测量，且对入射中子方向有严格要求，系统效率较低；多球中子谱仪需进行多次测量，无法测量瞬态中子能谱，且操作较为繁琐。因此，基于新原理的中子能谱测量新方法仍有待于进一步探索和研究。另外，通过对中子能谱的测量，可以将中子能谱转换为中子剂量当量率。因此，本发明基于伽马射线能谱的中子能谱测量新方法提出一种基于伽马射线能谱探测器的宽能中子剂量当量率仪，用于辐射测量领域的中子剂量当量率测量。
发明内容：
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于伽马射线能谱探测器的宽能中子剂量当量率仪。
本发明采用以下技术方案：
一种基于伽马射线能谱探测器的宽能中子剂量当量率仪，包括：球体，球体的最外层为中子非弹散射材料层，球体的球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热中子俘获材料，所述中子慢化体与热中子俘获材料隔层交错设置。
进一步的，所述伽马射线探测器为溴化镧探测器。
进一步的，所述中子非弹散射材料层为能与快中子发生非弹性散射并产生瞬发伽马射线而反映快中子信息的材料。
进一步的，所述中子非弹散射材料层包括但不限于铅和铁。
进一步的，所述热中子俘获材料为能与热中子发生俘获反应并产生瞬发伽马射线而反映热中子信息的高俘获截面的材料。
进一步的，所述热中子俘获材料包括但不限于Cl和B。
进一步的，所述中子慢化体为能够将快中子慢化至热中子的材料。
进一步的，所述中子慢化体包括但不限于聚乙烯和石墨。
进一步的，中子进入测量系统后，与中子非弹散射材料层发生非弹性反应产生瞬发伽马射线，与热中子俘获材料发生俘获反应产生瞬发伽马射线，伽马射线探测器探测到上述伽马射线后，通过伽马能谱解谱技术获得中子各能量区间的注量，进而可以通过注量-剂量当量转换因子得到中子剂量当量率。
进一步的，伽马射线探测器探测到伽马射线并通过伽马能谱解谱技术获得中子能谱后，利用关系式：
将中子能谱转换为中子剂量当量率；其中，T为测量时间，
为道址i处的中子注量，hi为道址i处的剂量当量转换因子。
本发明的有益效果：
本发明通过设置外层的中子非弹散射材料层、球心处的伽马射线探测器和隔层交错的中子慢化体与热中子俘获材料，使中子进入测量系统后，中子与中间材料发生非弹性反应或辐射俘获而产生的瞬发伽马射线，上述瞬发伽马射线被伽马探测器探测到后，通过伽马能谱解谱技术可以获得中子能谱，然后利用一定的关系式即可将其转换为中子剂量当量率。本发明设计合理，结构简单，可测量快中子和热中子的瞬态中子能谱，操作简单，系统效率高，实用性强，推广前景广阔。
附图说明：
图1为本发明实施例结构示意图；
图2为本发明实施例伽马射线探测器测量的各特征峰的计数面积图；
图3为本发明实施例根据伽马射线探测器反演的中子能谱；
附图中的标号为：1、球体；2、中子非弹散射材料层；3、伽马射线探测器；4、中子慢化体；5、热中子俘获材料。
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。
参照图1-3，本发明提供一种基于伽马射线能谱探测器的宽能中子剂量当量率仪，包括：球体1，球体1的最外层为中子非弹散射材料层2，球体1的球心处设置有伽马射线探测器3；所述伽马射线探测器3与中子非弹散射材料层2之间设置有若干层中子慢化体4和若干层热中子俘获材料5，所述中子慢化体4与热中子俘获材料5隔层交错设置；其中，中子非弹散射材料层2的相邻层为慢化体4，伽马射线探测器3的相邻层为慢化体4；所述伽马射线探测器3为溴化镧探测器。
本发明中，所述中子非弹散射材料层2为能与快中子发生非弹性散射并产生瞬发伽马射线而反映快中子信息的材料，具体为铅或铁；所述热中子俘获材料5为能与热中子发生俘获反应并产生瞬发伽马射线而反映热中子信息的高俘获截面的材料，具体为Cl或B；所述中子慢化体4为能够将快中子慢化至热中子的材料，具体为聚乙烯或石墨。
中子进入测量系统后，首先由最外层中子非弹散射材料层2通过(n，n’)或(n，2n)等反应实现能谱的软化，同时通过非弹性散射产生具有能量特征的瞬发伽马射线；随后中子进入慢化层，进一步慢化，由Bonner球的基本原理可知，不同能量中子在不同慢化厚度下的热中子通量是不同的；热中子将与慢化体内部不同深度的不同元素发生俘获反应，在不同深度产生具有不同能量的瞬发伽马射线。位于球心的伽马射线探测器3探测到上述伽马射线后形成伽马能谱，通过对伽马能谱的分析可以获得不同特征能量的伽马射线的强度，其强度可以代表该核素所在深度的热中子通量信息。中子剂量当量率与中子能谱存在一定的函数关系：
其中，T为测量时间，
为道址i处的中子注量，hi为道址i处的剂量当量转换因子。因此，进一步通过计算就可以得到中子剂量当量率。
实施例1
一种基于伽马射线能谱探测器的宽能中子剂量当量率仪，包括：球体1，球体1的最外层为中子非弹散射材料层2，中子非弹散射材料使用Pb；球体1的球心处设置有伽马射线探测器3，伽马射线探测器3为溴化镧探测器；伽马射线探测器3与中子非弹散射材料层2之间设置有若干层中子慢化体4和若干层热中子俘获材料5，所述中子慢化体4与热中子俘获材料5隔层交错设置，其中，中子俘获材料5使用碳化硼，中子慢化体4为聚乙烯。
利用该系统对DT中子发生器进行实验测量，中子进入测量系统后，首先与Pb发生非弹性散射产生具有能量特征的瞬发伽马射线；随后中子进入慢化层，进一步慢化，而热中子将与慢化体内部不同深度的不同元素发生俘获反应，在不同深度产生具有不同能量的瞬发伽马射线；上述伽马射线被位于结构中心的伽马射线探测器3所探测形成伽马能谱，通过对伽马能谱的分析可以获得不同特征能量的伽马射线的强度(参见图2)，其强度可以代表该核素所在深度的热中子通量信息；在已知慢化体厚度的条件下则可以利用类似多球中子谱仪的原理得到中子能谱信息(参见图3)。由于中子剂量当量率与中子能谱存在一定的函数关系：
其中，T为测量时间，
为道址i处的中子注量，hi为道址i处的剂量当量转换因子。因此，进一步通过计算就可以得到中子剂量当量率。使用该装置，可测量的中子能量为：热中子至100MeV。
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 (10)
1.一种基于伽马射线能谱探测器的宽能中子剂量当量率仪，其特征在于，包括：
球体(1)，球体(1)的最外层为中子非弹散射材料层(2)，球体(1)的球心处设置有伽马射线探测器(3)；所述伽马射线探测器(3)与中子非弹散射材料层(2)之间设置有若干层中子慢化体(4)和若干层热中子俘获材料(5)，所述中子慢化体(4)与热中子俘获材料(5)隔层交错设置。
2.根据权利要求1所述的基于伽马射线能谱探测器的宽能中子剂量当量率仪，其特征在于，所述伽马射线探测器(3)为溴化镧探测器。
3.根据权利要求1所述的基于伽马射线能谱探测器的宽能中子剂量当量率仪，其特征在于，所述中子非弹散射材料层(2)为能与快中子发生非弹性散射并产生瞬发伽马射线而反映快中子信息的材料。
4.根据权利要求3所述的基于伽马射线能谱探测器的宽能中子剂量当量率仪，其特征在于，所述中子非弹散射材料层(2)包括但不限于铅和铁。
5.根据权利要求1所述的基于伽马射线能谱探测器的宽能中子剂量当量率仪，其特征在于，所述热中子俘获材料(5)为能与热中子发生俘获反应并产生瞬发伽马射线而反映热中子信息的高俘获截面的材料。
6.根据权利要求5所述的基于伽马射线能谱探测器的宽能中子剂量当量率仪，其特征在于，所述热中子俘获材料(5)包括但不限于Cl和B。
7.根据权利要求1所述的基于伽马射线能谱探测器的宽能中子剂量当量率仪，其特征在于，所述中子慢化体(4)为能够将快中子慢化至热中子的材料。
8.根据权利要求7所述的基于伽马射线能谱探测器的宽能中子剂量当量率仪，其特征在于，所述中子慢化体(4)包括但不限于聚乙烯和石墨。
9.根据权利要求1所述的基于伽马射线能谱探测器的宽能中子剂量当量率仪，其特征在于，中子进入测量系统后，与中子非弹散射材料层(2)发生非弹性反应产生瞬发伽马射线，与热中子俘获材料(5)发生俘获反应产生瞬发伽马射线，伽马射线探测器(3)探测到上述伽马射线后，通过伽马能谱解谱技术获得中子各能量区间的注量，进而可以通过注量-剂量当量转换因子得到中子剂量当量率。
10.根据权利要求9所述的基于伽马射线能谱探测器的宽能中子剂量当量率仪，其特征在于，伽马射线探测器(3)探测到伽马射线并通过伽马能谱解谱技术获得中子能谱后，利用关系式：
将中子能谱转换为中子剂量当量率；其中，T为测量时间，
为道址i处的中子注量，hi为道址i处的剂量当量转换因子。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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