CN112904403A - 一种宽能谱中子注量在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽能谱中子注量在线监测系统，包括中子探头、信号采集与数据处理；其中中子探头包含圆柱型慢化体、热中子探测器、快中子探测器、屏蔽层，可在1eV到20MeV能量范围内获得相对较为平坦的中子注量响应；信号采集与处理部分可实现探测器的高压、放大倍数等参数设置以及中子注量实时在线显示。本发明能够显著改善目前长中子计数器体积笨重的缺点，具有轻便、便携、抗γ、X射线能力强等优点，可应用于加速器、裂变反应堆和聚变试验装置等强中子辐射场的中子注量监测。

Description

一种宽能谱中子注量在线监测系统

技术领域

本发明属于辐射探测领域，涉及一种核工程及辐射防护领域中的中子注量在线测量装置。

背景技术

在核反应堆、加速器等核设施内，开展中子注量监测是研究核装置以及物理实验的必要手段之一，例如：核反应堆堆芯功率监测与堆芯设计参数验证，核素中子核反应截面的测量，及标准中子辐射场参数的测量等。目前较为常用的中子注量监测方法有活化法、长中子计数器、多球谱仪、反冲质子探测器、裂变电离室和闪烁体探测器等。其中长中子计数器由于使用较为便捷、工作性能稳定且对γ射线灵敏度低等特性，在国际上已经作为中子注量测量的标准仪器，广泛用于测量各种能量范围内的中子注量。

上述中子注量监测设备通常采用热中子灵敏探测器(例如³He或BF₃计数器)作为探测元件，该类型探测器与中子反应截面满足1/v规律，当该探测器直接用于中子注量率测量时，由于探测器的注量能量响应很差，无法满足在较宽的能量范围内的中子探测效率基本恒定的假设。为此，在探测器的外层设计一定厚度的慢化吸收层使得探测器对较宽的能量范围具有平坦的响应。为了使得高能中子获取相对平坦的响应特性往往需要大体积的慢化体虽然其中子注量响应较为理想，但其体积大，质量重，不便携带。此外，大体积慢化体可能是散射中子的不良来源，这会引起周围中子辐射场的扰动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽能谱中子注量在线监测系统，克服长中子计数器体积笨重的问题，提供一种使用方便、便携、抗γ、X射线能力强和注量响应平坦的中子注量监测系统。该系统包括中子探头、信号处理与数据分析系统，中子探头包括热中子探测器、圆柱体慢化体、快中子探测器、屏蔽层；热中子探测器被嵌入在慢化体内部中，使得热中子探测器在1eV-1MeV能量范围内获得相对平坦的响应特性，从而实现较低能区中子的注量测量，但热中子探测器在中子能量1MeV以上时响应值急剧下降。为此，将快中子探测器放置在慢化体前端面，以补偿热中子探测器在1MeV-20MeV范围内的探测能力不足，所述两组探测器的响应加权求和以实现探头在若干eV-20MeV能量响应特性较为平坦。此外，快中子探测器与热中子探测器的计数比与中子辐射场的能量成正比，进而根据比值可获取辐射场的中子能谱信息。所述两组探测器的输出信号被送入所述数据分析系统，根据输出信号幅度大小区分是中子信号还是γ信号，随后输出到数据分析系统用于设置能量权重因子，并对探测器的计数进行加权，并计算所测得的中子注量。

本发明的目的是这样实现的：针对现有长中子计数器体积笨重、不便携带的缺点，本发明采用一种双探测器组合方式的中子探头，提供了一种使用方便、重量轻、抗γ、X射线能力强和注量响应平坦的中子注量监测系统。针对现有源强测量系统精度较低的问题，根据探测器的能量响应比值确定辐射场内的中子能量信息，并根据获得的中子能量信息对探测器的能量响应进行修正提高测量精度。

本发明的技术方案为：一种宽能谱中子注量在线监测系统，包括探头、信号处理与数据分析系统，所述探头包括聚乙烯慢化体、热中子探测器、快中子探测器、屏蔽层，其中，所述热中子探测器嵌入聚乙烯慢化体中，用于探测低中能区中子；快中子探测器嵌入到慢化体前端外表面，用于探测快中子；屏蔽层包裹在慢化体外表面；所述信号处理与数据分析系统用于获取热中子探测器与快中子探测器的信号，并设置能量权重因子输出两组探测器的计数之和，以使得探头在1eV-20MeV的能量范围内获取相对平坦响应。

进一步的，所述信号处理与数据分析系统用于获取热中子探测器和快中子探测器的两路信号加权求和、并输出到数据分析系统。

进一步的，所述探头的屏蔽层所选材料是BC₄、Cd、Gd材料中之一。

进一步的，所述的圆柱型慢化体的前端开凿一个空气通道，所述的快中子探测器放置在圆柱型慢化体前端空气孔道内，所述的热中子探测器沿轴线放置在圆柱型慢化体内部，所述热中子探测器与快中子探测器之间的间距在3-5cm。

进一步的，所述的热中子探测器为含有热中子涂层的4H-SiC探测器，其中热中子涂层所选材料为BC₄、⁶LiF或Gd中的一种。

进一步的，所述的快中子探测器为包含丰富的氢材料的4H-SiC探测器，所述的含丰富的氢材料为聚乙烯材料。

进一步的，所述的慢化体是由含丰富的氢材料加工而成，对中子有较好的慢化效果，所述的含丰富的氢材料是聚乙烯材料；慢化体为圆柱型，其直径变化范围在10-15cm，长度变化范围在10-20cm。

进一步的，其中探头总的输出响应值基于下述表达式获得：

R(E)＝W_fastR_fast(E)+W_theR_the(E)

其中：R_fast为快中子探测器的计算响应值，单位为cm^-2；W_fast为快中子探测器的响应权重因子；R_the为热中子中子探测器的计算响应值，单位为cm^-2；W_the为热中子探测器的响应权重因子。

进一步的，采用蒙特卡罗模拟响应计算方法，获取中子探头的能量响应特性曲线，该曲线在一定误差范围内波动，获取各能区平均值作为响应实际值，取整个能区响应平均值作为目标值；

根据上述响应计算方法获取探头的能量响应R_C，根据热中子探测器与快中子探测器的读数之和确定探头总的中子信号强度N，对于给定距离R，则源强度Y表示为：

有益效果：

本发明采用中心热中子探测器和外围快中子探测器组合法拓宽源强测量系统的高能区和低能区能量适用范围，并根据热中子探测器与快中子计数器的计数比获得中子辐射场的中子能量信息，根据辐射场的中子能量信息来设置能量权重因子对能量响应进行补偿，进而提高中子源强测量精度，与现有源强测量系统设计有明显的差异。

附图说明

图1是本发明的一种宽能谱中子注量在线监测系统示意图；

图2是本发明中中子探头的立体示意图。

具体实施方式

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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为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，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

参见图1和图2，本发明的一种宽能谱中子注量在线监测系统，主要包括：一个圆柱型聚乙烯慢化体，在聚乙烯慢化体轴向的前端放置一个快中子探测器，在慢化体内部沿轴向放置一个热中子探测器，本发明采用慢化体内部嵌入热中子探测器和慢化体外面嵌入快中子探测器的组合方式拓展中子注量监测系统的低能区与高能区的适用范围，以使得探头总的能量响应值在1eV到20MeV的能量范围相对平坦。此外，通过快中子探测器与热中子探测器的计数比值获得中子辐射场的能量信息，根据中子能量设置能量权重因子对探测器的能量响应进行修正，从而提高中子源强测量精度。

根据本发明的实施例，如图1和图2所示，在一个实施例中，本发明基于SiC探测器的宽能中子注量测量系统包括中子探头1、信号处理与数据分析系统2。

其中，中子探头1的结构和布局从里到外依次是快中子探测器5、热中子探测器4、慢化体3、屏蔽层6。其中，热中子探测器4采用含有⁶LiF涂层的4H-SiC探测器。所述热中子探测器4被嵌入到慢化体内部，经慢化体对中子慢化，使得热中子探测器4在1eV-1MeV能量范围内可以获得相对平坦的响应曲线，但对于1MeV以上中子的热中子探测器4响应急剧下降。为此，快中子探测器5被放置在慢化体的前端外表面，以补偿热中子探测器4在快中子区能量响应低。其中快中子探测器5采用含有聚乙烯薄膜的4H-SiC探测器。此外热中子探测器4与快中子探测器5外围涂覆一层对质子阻止本领高的涂层，其涂层是SiO₂或Al₂O₃,以减少其他高能粒子如质子对中子探头的能量响应影响，改善中子注量测量系统测量精度。其中，所述信号处理与数据分析系统2包括信号收集单元和信号处理单元，中子探头(热中子探测器4和快中子探测器5的信号)输出信号经信号收集单元放大，随后信号处理单元将信号收集单元输出的模拟信号转换为数字信号，数字信号经多道分析器进行道址分析处理获取中子信号个数。热中子探测器4与快中子探测器的两路输出信号经信号处理系统求和与相除后，根据探测器的响应函数与设置能量权重因子W对中子探测器的能量响应进行补偿确定中子探头的输出响应，最后根据中子注量求解公式给出中子注量测量结果。

其中，根据以下函数确定中子探头的输出响应值：

R(E)＝W_fastR_fast(E)+W_theR_the(E) (1)

其中：R_fast为快中子探测器的计算响应值，单位为cm^-2；W_fast为快中子探测器的响应权重因子；R_the为热中子中子探测器的计算响应值，单位为cm^-2；W_the为热中子探测器的响应权重因子。

中子注量强度的求解过程具体如下：

采用蒙特卡罗模拟计算方法，获取中子探头的能量响应特性曲线，该曲线在一定误差范围内波动，获取各能区平均值作为响应实际值，取整个能区响应平均值作为目标值。

根据上述响应计算方法获取探头的能量响应R_C，根据热中子探测器与快中子探测器的读数之和确定探头总的中子信号强度N，对于给定距离R，则源强度Y可表示为：

根据本发明的实施例，所述的热中子探测器，是指包含有热中子涂层材料的4H-SiC探测器，所采用的材料为对热中子具有较高吸收截面的材料，如BC₄、⁶LiF等，优先考虑采用厚度为20～30um厚的⁶LiF层，探测器的尺寸为5*5mm。

根据本发明的实施例所述的快中子探测器，是指4H-SiC探测器,探测器的尺寸为10*10mm；为了提高探测器对快中子的探测能力，在探测器的外表面添加一层含有丰富氢元素的材料，该材料为高分子聚乙烯薄膜，厚度为2-3mm。

根据本发明的实施例，所述的圆柱型慢化体是由含丰富的氢材料加工而成，具有良好的中子慢化能力，所述的含丰富的氢材料是聚乙烯材料；圆柱体的直径为12-15cm。

根据本发明的实施例所述的圆柱型慢化体的前端开凿一个空气通道，空气孔道大小为30*30*30mm。

根据本发明的实施例所述的快中子探测器放置在圆柱型慢化体前端空气孔道内，所述的热中子探测器沿轴线放置在圆柱型慢化体内部，距离慢化体前端面的距离为4-5cm。

所述的屏蔽层是指对中子具有吸收功能的、具有较好的机械性能、不易破损、耐磨的材料，优先考虑镉。

本发明正是以改善中子注量响应、降低γ射线和便于携带为出发点，使中子注量率监测性能得到提高。

以上所述实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域辐射探测技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种宽能谱中子注量在线监测系统，包括探头、信号处理与数据分析系统，其特征是：所述探头包括聚乙烯慢化体、热中子探测器、快中子探测器、屏蔽层，其中，所述热中子探测器嵌入聚乙烯慢化体中，用于探测低中能区中子；快中子探测器嵌入到慢化体前端外表面，用于探测快中子；屏蔽层包裹在慢化体外表面；所述信号处理与数据分析系统用于获取热中子探测器与快中子探测器的信号，并设置能量权重因子输出两组探测器的计数之和，以使得探头在1eV-20MeV的能量范围内获取相对平坦响应。

2.根据权利要求1所述一种宽能谱中子注量在线监测系统，其特征是：所述信号处理与数据分析系统用于获取热中子探测器和快中子探测器的两路信号加权求和、并输出到数据分析系统。

3.根据权利要求1所述一种宽能谱中子注量在线监测系统，其特征是：所述探头的屏蔽层所选材料是BC₄、Cd、Gd材料中之一。

4.根据权利要求1所述一种宽能谱中子注量在线监测系统，其特征是：所述的圆柱型慢化体的前端开凿一个空气通道，所述的快中子探测器放置在圆柱型慢化体前端空气孔道内，所述的热中子探测器沿轴线放置在圆柱型慢化体内部，所述热中子探测器与快中子探测器之间的间距在3-5cm。

5.根据权利要求1所述一种宽能谱中子注量在线监测系统，其特征是：所述的热中子探测器为含有热中子涂层的4H-SiC探测器，其中热中子涂层所选材料为BC₄、⁶LiF或Gd中的一种。

6.根据权利要求1所述一种宽能谱中子注量在线监测系统，其特征是：所述的快中子探测器为包含丰富的氢材料的4H-SiC探测器，所述的含丰富的氢材料为聚乙烯材料。

7.根据权利要求1所述一种宽能谱中子注量在线监测系统，其特征是：所述的慢化体是由含丰富的氢材料加工而成，对中子有较好的慢化效果，所述的含丰富的氢材料是聚乙烯材料；慢化体为圆柱型，其直径变化范围在10-15cm，长度变化范围在10-20cm。

8.根据权利要求1所述的一种宽能谱中子注量在线监测系统，其特征是：其中探头总的输出响应值基于下述表达式获得：

R(E)＝W_fastR_fast(E)+W_theR_the(E)

其中：R_fast为快中子探测器的计算响应值，单位为cm^-2；W_fast为快中子探测器的响应权重因子；R_the为热中子探测器的计算响应值，单位为cm^-2；W_the为热中子探测器的响应权重因子。

9.根据权利要求1所述的宽能谱中子注量在线监测系统，其特征是：中子注量强度的求解过程具体如下：

采用蒙特卡罗模拟响应计算方法，获取中子探头的能量响应特性曲线，该曲线在一定误差范围内波动，获取各能区平均值作为响应实际值，取整个能区响应平均值作为目标值；

根据上述响应计算方法获取探头的能量响应R_C，根据热中子探测器与快中子探测器的读数之和确定探头总的中子信号强度N，对于给定距离R，则源强度Y表示为：

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