CN113504559A - 一种强流脉冲宽能谱中子剂量率监测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种强流脉冲宽能谱中子剂量率监测装置。监测装置，包括计数电子学系统、中子慢化体、多阳极光电倍增管和四个尺寸相等的塑料闪烁体探测器；计数电子学系统通过接线与多阳极光电倍增管连接；塑料闪烁体探测器呈长方体，其中一个表面与多阳极光电倍增管连接，每两个塑料闪烁体探测器的其余表面分别采用银薄膜和锡薄膜包裹；采用环氧塑料将四个塑料闪烁体探测器固定在中子剂量率监测装置的中心位置；环氧塑料的外部为中子慢化体，其呈球型，由外至内依次包括外聚乙烯层、重金属散裂层、中子吸收层和内聚乙烯层。本发明中子剂量率监测装置对中子入射角度的依赖性在±1％之内；具有MHz的计数能力，在强的中子或光子辐射场中，不易发生饱和现象。

Description

一种强流脉冲宽能谱中子剂量率监测装置
技术领域
本发明涉及一种剂量仪，具体涉及一种强流脉冲宽能谱中子剂量率监测装置。
背景技术
常用中子剂量仪由热中子探测器和中子慢化体组成。热中子探测器主要是氦3管或三氟化硼管，氦3和硼10与热中子的反应截面大；中子慢化体由富含氢的材料组成。这种中子剂量仪具有对中子灵敏度高，耐伽马辐射，抗电磁干扰等优点，已广泛应用在国内外的加速器和反应堆等中子剂量监测中。但这种中子剂量仪在脉冲中子场中，由于死时间的影响，测量到的中子剂量小于真实的中子剂量。
专利US8642971B2公开了一种中子剂量仪，采用中子活化银的方法测量中子剂量率。该剂量仪采用4个硅半导体探测器，尺寸均为8.5×10.5×0.48mm3，其中两个用银薄膜包裹，另两个用锡薄膜包裹，银和锡设计为具有相同的光子吸收率，4个探测器用环氧树脂固定，排布在剂量仪的中心位置。剂量仪采用球壳型聚乙烯慢化中子，聚乙烯慢化体内部为一层球壳型的铝，在铝与环氧树脂之间填充空气。4个探测器通过线缆连接计数电子学，处理得出活化银衰变的电子数，通过电子数得出中子的剂量率，克服了常用中子剂量仪在脉冲中子条件下死时间的影响。该中子剂量仪的不足之处有：a.由于只采用聚乙烯慢化中子，对高能中子响应很低，无法测量高能中子的剂量率；b.探测器的灵敏体积为4个8.5×10.5×0.48mm3的硅半导体，导致剂量仪对中子的入射角度依赖性很大；c.硅半导体探测器的计数率在百kHz量级，在强的中子或光子辐射场中，容易出现饱和现象。有必要对现有中子剂量仪进行改进。
发明内容
本发明的目的是提供一种强流脉冲宽能谱中子剂量率监测装置，具有MHz的计数能力，在强的中子或光子辐射场中，不易发生饱和现象；角度依赖性低；优异的测量精度。
本发明提供的强流脉冲宽能谱中子剂量率监测装置，包括计数电子学系统、中子慢化体、多阳极光电倍增管和四个尺寸相等的塑料闪烁体探测器；
所述计数电子学系统通过接线与所述多阳极光电倍增管连接；
所述塑料闪烁体探测器呈长方体，其中一个表面与所述多阳极光电倍增管连接，每两个所述塑料闪烁体探测器的其余表面分别采用银薄膜和锡薄膜包裹；
采用环氧塑料将四个所述塑料闪烁体探测器固定在所述中子剂量率监测装置的中心位置；
所述环氧塑料的外部为所述中子慢化体，所述中子慢化体呈球型，由外至内依次包括外聚乙烯层、重金属散裂层、中子吸收层和内聚乙烯层，所述球型的中子慢化体降低剂量仪对中子入射角度的依赖性。
上述的中子剂量率监测装置中，所述中子吸收层的材质为含硼聚乙烯或镉，可使剂量仪的中子响应曲线与国际辐射防护委员会给出的标准剂量通量转化曲线更接近，提高中子剂量率测量精度。
上述的中子剂量率监测装置中，四个所述塑料闪烁体探测器的尺寸均为5～100mm×5～100mm×5～100mm，如均为10mm×10mm×20mm，四个所述塑料闪烁体探测器的尺寸相同，组成的长宽高相等，以降低中子剂量监测装置的角度依赖性。
所述塑料闪烁体探测器具有相比其他闪烁体探测器、半导体探测器和气体探测器更高的计数率，塑料闪烁体探测器的计数率在百MHz量级，而半导体探测器和气体探测器的计数率在百kHz量级，采用塑料闪烁体探测器在强的中子或光子辐射场中，不易出现饱和现象。
上述的中子剂量率监测装置中，所述银薄膜的厚度为0.25mm，所述锡薄膜的厚度为0.34mm。天然银含有48％的银-109和52％的银-107，可以被中子活化，热中子的活化截面分别约为90barn和38.6barn，分别生成银-110和银-108。活化的银发生贝塔衰变，放出的电子被塑料闪烁体探测器探测。银-110和银-108的贝塔衰变半衰期分别为25s和144s，两者的反应公式如(1)和(2)所示。
109Ag+n→γ+110Ag→110Cd+β-(Emax＝2.9MeV) (1)
107Ag+n→γ+108Ag→108Cd+β-(Emax＝1.7MeV) (2)
锡被中子活化截面相对银可忽略不计，热中子活化锡的截面约为1mbarn。银和锡的原子序数分别为47和50，容易设计为具有相同的光子吸收率。
上述的中子剂量率监测装置中，每个所述塑料闪烁体探测器之间的环氧塑料层、所述塑料闪烁体探测器与所述内聚乙烯层之间的环氧塑料层的厚度均最低为2mm。2mm的环氧塑料厚度可阻挡活化银衰变产生的电子，进入锡包裹的塑料闪烁体中。
上述的中子剂量率监测装置中，所述中子慢化体中的所述重金属散裂层可提高剂量仪对高能中子的响应；
上述的中子剂量率监测装置中，所述中子慢化体中的所述中子吸收层可提高剂量仪的中子测量精度；
所述重金属散裂层的材质为铅时，所述中子吸收层的材质为含硼聚乙烯时，所述外聚乙烯层的厚度为6.4cm，所述重金属散裂层的厚度为0.7cm，所述中子吸收层的厚度为0.5cm，所述内聚乙烯层的半径为4.8cm。
所述重金属散裂层的材质为钨时，所述中子吸收层的材质为含硼聚乙烯时，所述外聚乙烯层的厚度为5.8cm，所述重金属散裂层的厚度为0.4cm，所述中子吸收层的厚度为0.4cm，所述内聚乙烯层的半径为4.8cm。
所述重金属散裂层的材质为铜时，所述中子吸收层的材质为含硼聚乙烯时，所述外聚乙烯层的厚度为6.4cm，所述重金属散裂层的厚度为1.2cm，所述中子吸收层的厚度为0.2cm，所述内聚乙烯层的半径为4.6cm。
所述重金属散裂层的材质为铅时，所述中子吸收层的材质为镉时，所述外聚乙烯层的厚度为6.4cm，所述重金属散裂层的厚度为1.1cm，所述中子吸收层的厚度为0.4cm，所述中子吸收层均匀打114个半径0.4cm的孔，所述内聚乙烯层的半径为4.8cm；
所述重金属散裂层的材质为钨时，所述中子吸收层的材质为镉时，所述外聚乙烯层的厚度为6.0cm，所述重金属散裂层的厚度0.3cm，所述中子吸收层的厚度为0.4cm，所述中子吸收层均匀打114个半径0.1cm的孔，所述内聚乙烯层的半径为4.7cm；
所述重金属散裂层的材质为铜时，所述中子吸收层的材质为镉时，所述外聚乙烯层的厚度6.4cm，所述重金属散裂层的厚度为1.1cm，所述中子吸收层的厚度为0.2cm，所述中子吸收层均匀打114个半径0.3cm的孔，所述内聚乙烯层的半径为4.5cm；
本发明中4个塑料闪烁体探测器与4通道的多阳极光电倍增管连接，多阳极光电倍增管输出4路放大的信号，通过与4路计数电子学系统连接，4路计数电子学系统设置相同的低阈值，降低低能光子的干扰，得到4个塑料闪烁体测量的计数。锡包裹的塑料闪烁体探测器用于扣除银包裹的塑料闪烁体探测器探测到的光子计数，得到银包裹塑料闪烁体测量的电子计数，最终得到中子的剂量率。
本发明采用四个塑料闪烁体组成长宽高相等的探头，且中子慢化体为球壳型，降低了入射中子的角度依赖性。除去中子剂量仪接线部分的影响；本发明中子剂量率监测装置对中子入射角度的依赖性在±1％之内；本发明中子剂量仪具有MHz的计数能力，在强的中子或光子辐射场中，不易发生饱和现象。
附图说明
图1为本发明中子剂量仪的水平剖面图。
图2为本发明中子剂量仪的垂直剖面图。
图3为本发明中子剂量仪的能量响应与国际辐射防护委员会74号(ICRP74)的标准中子剂量通量转化曲线图。
图4为本发明测量精度与高能中子剂量仪FHT762 Wendi-2的测量精度。
图中各标记如下：
1-外层聚乙烯；2-重金属散裂层；3-中子吸收层；4-内层聚乙烯；5-锡薄膜；6-银薄膜；7-塑料闪烁体；8-环氧塑料；9-银薄膜；10-塑料闪烁体；11-塑料闪烁体；12-塑料闪烁体；13-锡薄膜；14-多阳极光电倍增管；15-接线；16-计数电子学系统。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
本实施例中中子剂量仪中四个塑料闪烁体探测器7、10、11和12的尺寸均是10mm×10mm×20mm。
图1为本发明中子剂量仪的水平剖面图，显示出了塑料闪烁体探测器的一个面(10mm×10mm)，由四个塑料闪烁体探测器组成的中子剂量仪的探头，长宽高都相等，降低了中子剂量对入射中子的角度依赖性。其中，两个塑料闪烁体探测器7和11的底面与多阳极光电倍增管14接触，如图2所示，其余五个表面采用0.25mm厚度的银薄膜6和9包裹；两个塑料闪烁体探测器10和12的底面与多阳极光电倍增管14接触，其余五个表面采用0.34mm厚度的锡薄膜5和13包裹。银和锡的原子序数分别为47和50，设计的锡薄膜5和13与银薄膜6和9的厚度具有相同的光子吸收率。四个塑料闪烁体探测器采用环氧塑料8固定在中子剂量仪的中心位置，塑料闪烁体探测器之间的环氧塑料厚度为2mm，塑料闪烁体探测器外层的环氧塑料厚度也为2mm，2mm的环氧塑料可阻挡活化银放出的电子进入锡薄膜包裹的塑料闪烁体中。
环氧塑料8的外部是中子慢化体，与环氧塑料8外部连接是内层聚乙烯4，内层聚乙烯4的外侧呈球形结构。与内层聚乙烯4外侧紧连的是中子吸收层3，与中子吸收层外侧紧连的是重金属散裂层2，与重金属散裂层2外侧紧连的是外层聚乙烯1。中子吸收层、重金属散裂层和外层聚乙烯均为球壳型结构。
若重金属散裂层2的材料为铅，中子吸收层3的材料为含硼聚乙烯，则外层聚乙烯4的厚度为6.4cm，铅散裂层厚度为0.7cm，含硼聚乙烯(中子吸收层3)厚度为0.5cm，内层聚乙烯4外层半径为4.8cm。
若重金属散裂层2的材料为钨，中子吸收层3的材料为含硼聚乙烯，则外层聚乙烯4的厚度为5.8cm，钨散裂层厚度为0.4cm，含硼聚乙烯(中子吸收层3)厚度为0.4cm，内层聚乙烯外层半径为4.8cm。
若重金属散裂层2的材料为铜，中子吸收层3的材料为含硼聚乙烯，则外层聚乙烯4的厚度为6.4cm，铜散裂层厚度为1.2cm，含硼聚乙烯(中子吸收层3)厚度为0.2cm，内层聚乙烯4外层半径为4.6cm。
若重金属散裂层2的材料为铅，中子吸收层3的材料为镉，则外层聚乙烯4的厚度为6.4cm，铅散裂层厚度为1.1cm，镉(中子吸收层3)厚度为0.4cm，镉层打孔半径为0.4cm，打孔数为114个，内层聚乙烯4外层半径为4.8cm。
若重金属散裂层2的材料为钨，中子吸收层3的材料为镉，则外层聚乙烯4的厚度为6.0cm，钨散裂层厚度为0.3cm，镉(中子吸收层3)厚度为0.4cm，镉层打孔半径为0.1cm，打孔数为114个，内层聚乙烯4外层半径为4.7cm。
若重金属散裂层2的材料为铜，中子吸收层3的材料为镉，则外层聚乙烯4的厚度为6.4cm，铜散裂层厚度为1.1cm，镉(中子吸收层3)厚度为0.2cm，镉层打孔半径为0.3cm，打孔数为114个，内层聚乙烯4外层半径为4.5cm。
如图2所示，四个塑料闪烁体探测器7、10、11和12的底端，即10mm×10mm的面与多阳极光电倍增管14连接，多阳极光电倍增管14输出四路放大的信号，通过接线15与计数电子学系统16连接，得出四个塑料闪烁体探测到的计数。锡包裹的塑料闪烁探测器用于扣除银包裹的塑料闪烁体探测器探测到的光子计数，得到银包裹塑料闪烁体测量的电子计数，最终得到中子的剂量率。
采用铅-含硼聚乙烯、钨-含硼聚乙烯、铜-含硼聚乙烯、铅-镉、钨-镉或铜-镉作为散裂层材料和吸收层材料的六种中子剂量仪的中子响应曲线，与国际辐射防护委员会74号文件(ICRP74)的标准中子剂量通量转化曲线如图3所示，横轴表示中子的能量，在10-9MeV～5×102MeV区间，ICRP74曲线的纵轴表示中子剂量与通量的比，铅-含硼聚乙烯、钨-含硼聚乙烯、铜-含硼聚乙烯、铅-镉、钨-镉和铜-镉曲线的纵轴表示中子相对响应，中子剂量仪的中子相对响应曲线越接近ICRP74的标准曲线，测量的精度越好。由图3可以看出，在0.05MeV～500MeV中子能量区间，设计的六种中子剂量仪的中子相对响应曲线接近ICRP74的中子剂量转化标准曲线。
图4为设计的六种中子剂量的测量精度，并与市场的高能中子剂量仪FHT762Wendi-2的测量精度相比较。在0.05MeV～500MeV中子能量区间，FHT762 Wendi-2的测量精度在-47％～55％区间；铅为散裂层和含硼聚乙烯为中子吸收层的中子剂量的测量精度在-46％～40％区间；钨为散裂层和含硼聚乙烯为中子吸收层的中子剂量的测量精度在-43％～40％区间；铜为散裂层和含硼聚乙烯为中子吸收层的中子剂量的测量精度在-36％～39％区间；铅为散裂层和镉为中子吸收层的中子剂量的测量精度在-35％～37％区间；钨为散裂层和镉为中子吸收层的中子剂量的测量精度在-35％～40％区间；铜为散裂层和镉为中子吸收层的中子剂量的测量精度在-37％～37％区间。说明本发明中子剂量仪优于FHT762 Wendi-2的测量精度。
本发明中子剂量仪采用了重金属散裂层慢化，高能中子与重金属散裂核反应，生成多个低能中子慢化被探测，提高剂量仪对高能中子的响应，使剂量仪可测量高能中子的剂量。
本发明中子剂量仪采用四个10mm×10mm×20mm塑料闪烁体组成长宽高相等的探头，且中子慢化体呈球形结构，去除接线部分的影响，整个中子剂量仪对入射中子的角度依赖性在±1％之内。
本发明中子剂量仪采用的塑料闪烁体具有百MHz的计数率，在强的中子或光子辐射场中，不易发生饱和现场。

Claims (10)

1.一种强流脉冲宽能谱中子剂量率监测装置，包括计数电子学系统、中子慢化体、多阳极光电倍增管和四个尺寸相等的塑料闪烁体探测器；
所述计数电子学系统通过接线与所述多阳极光电倍增管连接；
所述塑料闪烁体探测器呈长方体，其中一个表面与所述多阳极光电倍增管连接，每两个所述塑料闪烁体探测器的其余表面分别采用银薄膜和锡薄膜包裹；
采用环氧塑料将四个所述塑料闪烁体探测器固定在所述中子剂量率监测装置的中心位置；
所述环氧塑料的外部为所述中子慢化体，所述中子慢化体呈球型，由外至内依次包括外聚乙烯层、重金属散裂层、中子吸收层和内聚乙烯层。
2.根据权利要求1所述的中子剂量率监测装置，其特征在于：所述中子吸收层的材质为含硼聚乙烯或镉。
3.根据权利要求1或2所述的中子剂量率监测装置，其特征在于：所述塑料闪烁体探测器的尺寸为5～100mm×5～100mm×5～100mm；
所述银薄膜的厚度为0.25mm，所述锡薄膜的厚度为0.34mm。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的中子剂量率监测装置，其特征在于：每个所述塑料闪烁体探测器之间的环氧塑料层、所述塑料闪烁体探测器与所述内聚乙烯层之间的环氧塑料层的厚度均最低为2mm。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的中子剂量率监测装置，其特征在于：所述重金属散裂层的材质为铅，所述中子吸收层的材质为含硼聚乙烯，所述外聚乙烯层的厚度为6.4cm，所述重金属散裂层的厚度为0.7cm，所述中子吸收层的厚度为0.5cm，所述内聚乙烯层的半径为4.8cm。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的中子剂量率监测装置，其特征在于：所述重金属散裂层的材质为钨，所述中子吸收层的材质为含硼聚乙烯，所述外聚乙烯层的厚度为5.8cm，所述重金属散裂层的厚度为0.4cm，所述中子吸收层的厚度为0.4cm，所述内聚乙烯层的半径为4.8cm。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的中子剂量率监测装置，其特征在于：所述重金属散裂层的材质为铜，所述中子吸收层的材质为含硼聚乙烯，所述外聚乙烯层的厚度为6.4cm，所述重金属散裂层的厚度为1.2cm，所述中子吸收层的厚度为0.2cm，所述内聚乙烯层的半径为4.6cm。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的中子剂量率监测装置，其特征在于：所述重金属散裂层的材质为铅，所述中子吸收层的材质为镉，所述外聚乙烯层的厚度为6.4cm，所述重金属散裂层的厚度为1.1cm，所述中子吸收层的厚度为0.4cm，所述中子吸收层打孔半径为0.4cm，所述中子吸收层均匀打孔数为114个，所述内聚乙烯层的半径为4.8cm。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的中子剂量率监测装置，其特征在于：所述重金属散裂层的材质为钨，所述中子吸收层的材质为镉，所述外聚乙烯层的厚度为6.0cm，所述重金属散裂层的厚度为0.3cm，所述中子吸收层的厚度为0.4cm，所述中子吸收层打孔半径为0.1cm，所述中子吸收层均匀打孔数为114个，所述内聚乙烯层的半径为4.7cm。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的中子剂量率监测装置，其特征在于：所述重金属散裂层的材质为铜，所述中子吸收层的材质为镉，所述外聚乙烯层的厚度为6.4cm，所述重金属散裂层的厚度为1.1cm，所述中子吸收层的厚度为0.2cm，所述中子吸收层打孔半径为0.3cm，所述中子吸收层均匀打孔数为114个，所述内聚乙烯层的半径为4.5cm。
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