CN113433583B - 一种提升中子探测效率的转换层 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提升中子探测效率的转换层，包括入射层和出射层，所述入射层为平面结构，所述出射层为均匀分布在入射层背离入射面的一侧面上的若干圆锥形凸台；所述凸台的中心线垂直于入射层所在平面；所述转换层采用含有氢元素的聚合物材料制成。本发明将转换层的出射层表面设置成均匀分布的若干圆锥形凸台，通过圆锥形凸台来提高转换层上供反冲质子出射的有效面积，原本部分无法穿出的质子现在可以穿过转换层飞出，大大提升了探测器对中子的探测效率，并且，不会降低中子位置灵敏探测器对中子位置的分辨能力。

Description

一种提升中子探测效率的转换层
技术领域
本发明涉及中子探测技术领域，具体涉及一种提升中子探测效率的转换层。
背景技术
中子探测即对中子的数目和能量的测量。在核能的利用、放射性同位素的产生和应用核物理研究中都需要进行中子的探测，然而中子本身不带电，不会引起电离等作用，不产生直接的可观察效果，因此中子的探测是通过中子同原子核的相互作用，对反应的产物进行探测。中子探测的方法主要有核反冲法、核反应法、核裂变法及活化法四种。其中，利用中子与含氢材料发生弹性散射会打出反冲质子可以实现中子的探测，根据能量、动量守恒定律，中子能量越大，反冲质子获得的能量越高越容易被探测，以此核反冲法常用于快中子探测。在用于空间的中子探测器中，利用反冲核法的有反冲正比计数器(充甲烷)、液体闪烁体探测器和塑料闪烁体探测器，特别是后两种探测器因具有面积大、探测效率高等特点而得到广泛的应用。
目前，中子探测效率的提升一直是中子探测器在测量中子时的重要技术难点，近年来有大量相关研究致力于提升中子探测器的中子探测效率。有研究提出利用多层转换材料叠加的形式来提升中子的探测效率，但是采用多转换层叠加的方式会降低中子位置灵敏探测器的位置分辨能力，导致探测准确性下降。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种提升中子探测效率的转换层，以解决现有技术中子探测效率低的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种提升中子探测效率的转换层，包括入射层和出射层，所述入射层为平面结构，所述出射层为均匀分布在入射层背离入射面的一侧面上的若干圆锥形凸台；所述凸台的中心线垂直于入射层所在平面；所述转换层采用含有氢元素的聚合物材料制成。
优选地，所述出射层的各凸台与入射层相连的一侧具有锥形槽，入射层对应锥形槽设有锥形凸台，入射层的锥形凸台嵌入出射层的锥形槽内，从而使入射层和出射层固定连接。
优选地，在转换层上供反冲质子飞出的部分为反冲质子出射有效面积S，通过以下公式计算S：
Figure GDA0003160550820000021
式中：S1为出射层的面积，h为圆锥形凸台的高，r为圆锥形凸台的底面半径；且圆锥形凸台的母线与圆锥形凸台底面的角度小于反冲质子出射方向与圆锥形凸台底面的夹角。
优选地，采用3D打印的方式制备所述转换层。
优选地，所述聚合物为聚乙烯。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明将转换层的出射层表面设置成均匀分布的若干圆锥形凸台，通过圆锥形凸台来提高转换层上供反冲质子出射的有效面积，原本部分无法穿出的质子现在可以穿过转换层飞出，大大提升了探测器对中子的探测效率，并且，不会降低中子位置灵敏探测器对中子位置的分辨能力。
附图说明
图1为反冲质子产额与转换层厚度的关系。
图2为现有技术的平板转换层和本发明所述转换层的示意图。
图3为Geant4模拟结果。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
一、一种提升中子探测效率的转换层
目前，现有技术中采用的是表面为平板的转换层，在入射中子通量一定时，反冲质子的积分产额与平板转换层的厚度有关。从图1可以看出，反冲质子产额一开始随着转换层厚度的增加而变大，到达一定厚度后反冲质子产额达到最大值，之后随着转换层的厚度增加而缓慢减小。通过研究发现，产生这种现象的原因为厚度增大到一定值后，一部分反冲质子在转换层中能量损失无法飞出转换层。本发明经过研究发现，改变转换层的结构可以提升中子转换效率。
本发明公开了一种提升中子探测效率的转换层，包括入射层和出射层，所述入射层为平面结构，所述出射层为均匀分布在入射层背离入射面的一侧面上的若干圆锥形凸台；所述凸台的中心线垂直于入射层所在平面；所述转换层采用含有氢元素的聚合物材料制成。
在具体实施时，所述出射层的各凸台与入射层相连的一侧具有锥形槽，入射层对应锥形槽设有锥形凸台，入射层的锥形凸台嵌入出射层的锥形槽内，从而使入射层和出射层固定连接。
反冲质子的运动方向以中子入射方向为主，所以可以认为平板结构转换层的有效区域呈水平分布。本发明所述转换层的结构，将转换层上供反冲质子射出的出射层设计成圆锥形凸台结构，能使穿出转换层的反冲质子有效面积大大增加，原本无法穿出的部分质子现在可以飞出转换层，使探测器中子的探测效率增加。
深入研究后发现，在转换层上供反冲质子飞出的部分为反冲质子出射有效面积S，有效面积与凸台的高度和半径之间存在一定规律，通过以下公式计算S：
Figure GDA0003160550820000031
式中：S1为出射层的面积，h为圆锥形凸台的高，r为圆锥形凸台的底面半径。从以上公式可以看出，凸台高度越大、半径越小，有效面积就越大，射出的反冲质子也越多。并且，圆锥形凸台的母线与圆锥形凸台底面的角度小于反冲质子出射方向与圆锥形凸台底面的夹角，不然大部分反冲质子仍然会在转换层中运动无法飞出转换层。
在具体实施时，入射中子沿垂直于入射层的方向射入。采用3D打印的方式制备所述转换层。所述聚合物为聚乙烯，其含氢量为14.3％。常用的聚乙烯材料加工方法为机械加工或模具加工，这两种加工方法都无法很好的制作出本发明所述的锥形结构，因此采用3D打印的方式制作转换层。3D打印是一种快速成型技术，使用的打印材料一般为各种有机塑料、金属粉末或者陶瓷。打印的材料由打印方式决定，3D打印机采用熔融堆积的成形方式，这种打印方式的原理为将热塑性材料加热成流体后堆积为各种形状。含有氢元素的聚合物都可以用于制备本发明所述的转换层，氢含量越高效果越好，即反冲质子的出射率也越高。
二、实施例与对比例
采用5mm×5mm×10mm的聚乙烯平板作为对比例，在同样的平板上设置尺寸不同的凸台作为实施例，实施例1中凸台的半径为2.5mm、高为5mm，实施例2中凸台的半径为2.5mm、高为10mm，参见图2，图2的上部分显示了聚乙烯平板中有效区域的面积，下部分显示了实施例有效区域的面积。通过Geant4模拟程序进行了模拟实验，由于要验证锥形结构对反冲质子出射率提升的大小，模拟中子的出射位置不能固定，因此，中子的入射位置在垂直于聚乙烯板上方20mm处随机选定，模拟中统计从转换层下表面飞出的质子数目，实施例和对比例质子出射率计算5次，每次随机位置发射1000万个中子。结果如图3所示，可以看出，高度为5mm的实施例1，其反冲质子出射率要比平板聚乙烯平均高出16.34％，而高度为10mm的实施例2，其反冲质子出射率则要比平板聚乙烯平均高出34.26％。结果说明了，将转换层上的出射层设计为多个圆锥形凸台结构，可以显著提高转换层中子实验中反冲质子的出射率，并且，同样半径下的圆锥形凸台结构，高度越高，其产生的反冲质子出射率也越高。也可采用其他聚合物材料来制备本发明所述转换层，含氢量越高，反冲质子的出射率也越高。
本发明将转换层的出射层表面设置成均匀分布的若干圆锥形凸台，通过圆锥形凸台来提高转换层上供反冲质子出射的有效面积，原本部分无法穿出的质子现在可以穿过转换层飞出，大大提升了探测器对中子的探测效率，并且，不会降低中子位置灵敏探测器对中子位置的分辨能力。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种提升中子探测效率的转换层，其特征在于，包括入射层和出射层，所述入射层为平面结构，所述出射层为均匀分布在入射层背离入射面的一侧面上的若干圆锥形凸台；所述凸台的中心线垂直于入射层所在平面；所述转换层采用含有氢元素的聚合物材料制成；
所述出射层的各凸台与入射层相连的一侧具有锥形槽，入射层对应锥形槽设有锥形凸台，入射层的锥形凸台嵌入出射层的锥形槽内，从而使入射层和出射层固定连接。
2.根据权利要求1所述提升中子探测效率的转换层，其特征在于，在转换层上供反冲质子飞出的部分为反冲质子出射有效面积S，通过以下公式计算S：
式中：S1为出射层的面积，h为圆锥形凸台的高，r为圆锥形凸台的底面半径；且圆锥形凸台的母线与圆锥形凸台底面的角度小于反冲质子出射方向与圆锥形凸台底面的夹角。
3.根据权利要求1所述提升中子探测效率的转换层，其特征在于，采用3D打印的方式制备所述转换层。
4.根据权利要求1所述提升中子探测效率的转换层，其特征在于，所述聚合物为聚乙烯。
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