CN114994742A - 一种基于mof的热中子或快中子探测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种中子探测方法及装置，具体涉及一种基于MOF的热中子或快中子探测方法及装置，解决现有使用载157Gd无机闪烁体和载157Gd塑料闪烁体的热中子探测装置存在的响应时间慢、热中子灵敏度低，难以满足热中子探测实际需求及目前快响应的闪烁探测方法难以准确获得中子能谱的技术问题。本发明提供的基于MOF的热中子探测方法及装置，通过金属有机框架闪烁体的骨架或者孔隙中引入157Gd，可实现对热中子的直接、有效、高灵敏探测，解决不同通量下热中子通量探测的问题。另外，还提供了基于MOF的快中子探测方法及装置，通过金属有机框架闪烁体的骨架或者孔隙中引入238U或237Np，探测电信号推出快中子能量与数目的关系，进而实现高精度的快中子能谱测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种中子探测方法及装置，具体涉及一种基于MOF的热中子或快中子探测方法及装置。
背景技术
热中子，通常指动能约为0.025电子伏特(速度约2.2千米/秒)的自由中子。这个速度也是对应于290K(17℃)时麦克斯韦-玻尔兹曼分布下的最可能速度。热中子多见于以普通水(轻水)为冷却减速剂的反应堆中。
157Gd的热中子作用截面很高，可达242000±4000Barn，是热中子探测理想的转换材料之一。热中子与157Gd的核反应式如下：
157Gd+n→158Gd+γ(7.94MeV)
传统载157Gd无机闪烁体和载157Gd塑料闪烁体都可用于热中子探测，但存在如下问题：
载157Gd无机闪烁体存在衰减时间慢的问题，其衰减时间一般为几十纳秒至几微秒，不满足快脉冲及高热中子通量探测应用的实际需求。传统的含Gd无机中子闪烁体的衰减时间，参见下表：
载157Gd的塑料闪烁体，存在如下缺点：(1)载157Gd的塑料闪烁体中，157Gd和有效发光分子为物理混合结构，且157Gd和有效发光分子之间距离较大，该距离可达微米级，导致载157Gd塑料闪烁体的能量传递速度慢、效率低。(2)载157Gd的塑料闪烁体的等效原子序数低，157Gd(n,γ)反应释放的次级伽马射线的探测效率低，导致载157Gd塑料闪烁体的探测装置对热中子的灵敏度低。
快中子能谱(0.1-20MeV)的测量在核反应过程研究中占有极其重要的地位。目前，最常用的中子能谱测量方法是反冲质子磁分析法和中子飞行时间法，反冲质子磁分析法的系统庞大，适用于高中子产额下的诊断；中子飞行时间法要求探测系统有超快的时间响应特性。
基于含氢塑料闪烁体和有机单晶闪烁体(芪晶体)等快响应的闪烁探测方法是目前利用飞行时间法实现中子能谱探测的重要方法之一。该方法中，中子主要与氢核发生核反冲作用，产生次级质子，不同能量的中子反冲后产生次级质子的能量和角度分布不同。由于塑料闪烁体和有机闪烁体对带电粒子存在显著的能量响应非线性特征，即高能和低能带电粒子在损失同样能量时、发出的光子数目差异很大，这就导致目前的闪烁体探测方法难以通过获得的脉冲中子信号准确反推出脉冲中子的强度信息，进而难以获得不同能量脉冲中子成分的准确分布，即难以准确获得的中子能谱信息。发展快响应对不同能量中子响应线性的探测方法及探测技术，是脉冲中子能谱探测技术研究的难点，也是国际中子探测领域研究的热点问题。
目前现有技术中，将有机框架闪烁体用于X射线探测和成像中，在超快X射线探测中实现了超快时间响应特征(百皮秒的超快时间分辨能力)，并未见将其应用于热中子和快中子探测的公开报道。研究发现，基于载157Gd的金属有机框架闪烁体的闪烁探测技术有望解决现有热中子通量探测技术存在的响应慢、灵敏度低的问题，基于载238U或237Np金属有机框架闪烁体的闪烁探测技术有望成为高精度的快中子能谱探测的新技术。
发明内容
本发明的目的是解决现有使用载157Gd无机闪烁体和载157Gd塑料闪烁体的热中子探测装置存在的响应时间慢、热中子灵敏度低，难以满足热中子探测实际需求及目前快响应的闪烁探测方法难以准确获得中子能谱的技术问题，而提供一种基于MOF的热中子或快中子探测方法及装置，实现热中子探测的快时间响应和高灵敏度，解决不同通量下热中子通量探测的问题，并实现高精度的快中子能谱测量。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种基于MOF的热中子探测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
S1)在金属有机框架闪烁体(1)的孔隙中填入含157Gd的裂变物质；
S2)使热中子与含157Gd的裂变物质发生核反应，释放伽马射线；
S3)步骤S2中获得的伽马射线与金属有机框架闪烁体中高原子序数的原子发生光电效应/康普顿效应/电子对效应，产生次级高能电子；
S4)使次级高能电子与金属有机框架闪烁体中的电子碰撞，产生导带电子；
S5)导带电子和价带空穴发生辐射复合，发射荧光；
S6)利用光电转换器件收集荧光，并将荧光转换为电信号；
S7)使用记录器件记录S6中的电信号，获得热中子的信息。
进一步地，S1中，含157Gd的裂变物质为含高纯157Gd或天然丰度Gd的闪烁体。
进一步地，S3中，高原子序数的原子为金属原子；
S7中，所述记录器件的选择方式为：
当热中子为稳态热中子束流且热中子通量大于106cm-2·s-1时，记录器件选择电流表记录电流信号；当热中子为稳态热中子束流且热中子通量小于等于106cm-2·s-1时，记录器件选择幅度分析器；
或者，热中子为高通量脉冲束流时，记录器件选择示波器，记录大量热中子的脉冲电流信号。
一种基于MOF的热中子探测装置，用于实现权利上述热中子探测方法，其特殊之处在于：包括金属有机框架闪烁体、光电转换器件及记录器件；
金属有机框架闪烁体为含157Gd的裂变物质，用于与热中子发生核反应；
光电转换器件设置于金属有机框架闪烁体的发光光路上，用于接收金属有机框架闪烁体的荧光，并与记录器件连接。
进一步地，还包括基体；
基质为液体基质，金属有机框架闪烁体分散在液体基质中；
或者，基质为固体高透光基质，金属有机框架闪烁体分散在固体高透光基质中，或附着在固体高透光基质的基底上；
金属有机框架闪烁体为含157Gd的高纯闪烁体或天然丰度Gd的闪烁体。
进一步地，所述金属有机框架闪烁体与光电转换器件之间相贴合；
金属有机框架闪烁体为含157Gd的高纯闪烁体或天然丰度Gd的闪烁体；
记录器件为电流表、幅度分析器或示波器。
一种基于MOF的快中子探测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)在金属有机框架闪烁体的孔隙中填入含238U或237Np的裂变物质；
2)快中子与裂变物质发生核反应，释放出反应产物；
3)反应产物向金属有机框架闪烁体传递能量，使金属有机框架闪烁体产生可见光；
4)可见光进入光电转换器件，光电转换器件将可见光转换为电信号；
5)记录电信号，获得快中子能谱。
一种基于MOF的快中子探测装置，用于实现上述一种快中子探测方法，其特殊之处在于：包括金属有机框架闪烁体、裂变物质及光电转换器件；
裂变物质设置在金属有机框架闪烁体的孔隙中；
裂变物质为含238U或237Np的裂变物质；
光电转换器件设置在金属有机框架闪烁体的出光光路上。
进一步地，还包括反光层；
光电转换器件与金属有机框架闪烁体的其中一个侧面相对设置；
反光层设置在金属有机框架闪烁体的其余侧面上。
进一步地，还包括基体；
基质为液体基质，金属有机框架闪烁体分散在液体基质中；
或者，基质为固体高透光基质，金属有机框架闪烁体分散在固体高透光基质中，或附着在固体高透光基质的基底上。
与现有技术相比，本发明基于MOF的热中子探测方法及装置的有益效果是：
1、金属有机框架闪烁体(即MOF)材料是一类新型闪烁材料，通过金属有机框架闪烁体的骨架或者孔隙中引入157Gd，可实现对热中子的直接、有效探测。
2、热中子探测可实现高灵敏度。由于金属有机框架闪烁体中的157Gd和其有效发光分子距离很小，约10纳米级，因此能量传递更快、更有效，热中子探测效率也更高；金属有机框架闪烁体中的金属节点为高原子序数的金属原子，故对热中子与含157Gd的裂变物质产生的伽马射线的探测效率更高。
3、通过含157Gd的裂变物质与热中子发生核反应，来实现热中子探测。含157Gd的裂变物质与热中子的核反应截面很大，可达242000±4000Barn，远高于其他热中子转换物质(10B、6Li等)。利用该方法探测热中子，可获得高灵敏度。
4、本方法可实现热中子通量的测量，配合高增益的光电转换器件也可实现单个热中子响应信号的探测。
5、157Gd在天然材料中丰度较高，约为15.7％，选择天然丰度的Gd来实现热中子探测，既可以获得较高的热中子响应，又可以实现低制备成本。
6、含157Gd的裂变物质与金属有机框架闪烁体的有机分子发光，发光衰减时间快，可获得小于几纳秒的快衰减时间，配合时间响应快的光电转换器件可实现短脉冲的热中子探测。
7、含157Gd的裂变物质的金属有机框架闪烁体的化学稳定性较好，在强辐射环境中稳定性好，本发明热中子探测方法及装置适用于强辐射环境的热中子通量监测。
8、金属有机框架闪烁体可耐受近400℃的高温，配合耐高温的光电转换器件或者选择降温保护光电转换器件的热中子探测装置，适用于环境温度400℃以内环境的热中子通量探测。
9、选择金属有机框架闪烁体和光电转换器件等组成的热中子通量探测器，不需要真空，结构简单且紧凑；其放置方向对热中子的探测结果影响不大。
与现有技术相比，本发明基于MOF的快中子探测方法及装置的有益效果是：
1、本发明基于MOF的快中子探测方法，其中采用含238U或237Np的裂变物质对快中子的能量响应平坦，不同能量的快中子产生次级带电物质(即裂变碎片)的概率差异不大，裂变碎片的平均质量数和能量差异不大，因此，探测电信号的强度(即幅度大小)与快中子数目有关。由快中子飞行时间法的探测原理可知，不同能量快中子由快中子源到达金属有机框架闪烁体(即快中子源)和光电转换器件组成的探测装置所需的时间不同(即不同能量快中子到达探测装置所处位置的时刻不同)，高能量快中子到达所需时间短，低能量快中子达到所需时间长；探测电信号的时间信息与快中子能量直接相关。因此，可通过探测电信号推出快中子能量与快中子数目的关系，进而获得快中子能谱。
2、金属有机框架闪烁体具有亚纳秒-纳秒级超快辐射发光特性，与亚纳秒-纳秒级时间响应的光电转换器件相配合，可构建亚纳秒-纳秒级时间响应探测装置；结合飞行时间探测方法，可发展新的脉冲快中子能谱探测方法。
3、本发明基于MOF的快中子探测方法，可为脉冲快中子能谱探测提供新的方法，新形成的探测方法及手段，能够实现高精度的快中子能谱测量。
4、本发明改变金属有机框架闪烁体的孔隙填充物，即裂变物质，可根据探测需求实现快中子能量响应低阈值的调控；当采用含237Np的裂变物质，可实现快中子能谱响应调控，尤其是对能量＞0.4MeV的快中子灵敏响应调控。
5、金属有机框架闪烁体具有强的辐照稳定性，在长时间使用时，能稳地定将快中子信号转换为可见光，具有好的环境稳定性，其发光特性不随环境中湿度、氧气和温度波动的影响而退化，在封装后，此性能可增强。
6、金属有机框架闪烁体中的裂变物质与快中子作用，产生次级带电物质(即裂变碎片或质子等)，次级带电物质将能量传递给金属有机框架闪烁体的发光单元，进而发射可见光。由于次级带电物质产生的位置(在金属有机框架闪烁体的孔道或孔隙中)与金属有机框架闪烁体的发光单元(即有机分子)距离很近，仅仅为10纳米内，故次级带电物质的发光过程可实现高效和快速的能量传递，导致金属有机框架闪烁体在快中子作用下的高发光效率；使本发明可实现快中子的高灵敏探测。
7、金属有机框架闪烁体和记录器件构建的快中子探测装置，具有亚纳秒至纳秒的超快时间特性，在脉冲快中子能谱探测中可实现高快中子能量分辨能力。
8、金属有机框架闪烁体的体积可以非常大，进而使得本发明基于MOF的快中子方法，可实现快中子的高效率探测。
附图说明
图1为本发明热中子探测装置的结构示意图。
图2为本发明中子能谱探测装置的结构示意图。
图3为本发明中子能谱探测装置的工作原理图。
图中附图标记为：
1-金属有机框架闪烁体，2-光电转换器件，3-外部电源，4-记录器件。
具体实施方式
本发明基于MOF的热中子探测方法，包括以下步骤：
S1、在金属有机框架闪烁体1的孔隙中填入高纯157Gd或天然丰度Gd，若为前者响应灵敏度更高；若为后者则造价低、制作成本低；
S2、使热中子与157Gd发生核反应，释放伽马射线；
S3、将步骤S2释放的伽马射线与金属有机框架闪烁体1中的高原子序数的金属原子发生光电效应/康普顿效应/电子对效应，产生次级高能电子；
S4、将步骤S3获得的次级高能电子与金属有机框架闪烁体1中的电子碰撞，产生次级电子与价带空穴，次级电子驰豫到低能态导带底部，变为导带电子；
S5、将步骤S4获得的导带电子和价带空穴发生辐射复合，进而发射荧光；
S6、利用光电转换器件2收集荧光，并将荧光转换为电信号；
S7、利用记录器件4将步骤S6中获得的电信号记录，进而获得热中子的信息。
当热中子为稳态热中子束流且热中子通量大于106cm-2·s-1时，记录器件4选择电流表记录电流信号；当热中子为稳态热中子束流且热中子通量小于等于106cm-2·s-1时，记录器件4选择幅度分析器。
或者，热中子为高通量脉冲束流时，记录器件4选择示波器，记录大量热中子的脉冲电流信号。
如图1所示，本发明还提供一种基于MOF的热中子探测装置，用于实现上述热中子探测方法，包括金属有机框架闪烁体1、光电转换器件2及记录器件4。
金属有机框架闪烁体1含有157Gd，用于与热中子产生核反应。
光电转换器件2设置于金属有机框架闪烁体1的发光光路上，用于接收金属有机框架闪烁体1的荧光，并与记录器件4连接。金属有机框架闪烁体1与光电转换器件2之间，优选地为紧密接触设置。紧密接触时传输效率高；在其他实施例中，金属有机框架闪烁体1与光电转换器件2之间也可设置孔隙，设置孔隙时有利于屏蔽辐射干扰。
本发明基于MOF的热中子探测装置，还可设置基体；基体为固体高透光基质(也可以为液体基质)；金属有机框架闪烁体1附着在固体高透光基质的基底上(金属有机框架闪烁体1也可以分散在液体基质中；或者，金属有机框架闪烁体1分散在固体高透光基质中)。本发明有两种工作模式，稳态工作模式(记录器件选择电流表或幅度分析器)和脉冲工作模式(记录器件选择示波器)。金属有机框架闪烁体1、光电转换器件2、记录器件4均可实现热中子高灵敏度。
本发明可适用于稳态的热中子通量监测、也可实现脉冲热中子束流的监测。当低热中子通量时，可通过测热中子的幅度谱，即单个热中子的响应脉冲信号来实现热中子探测。当高热中子通量时，可通过记录电流信号或脉冲热中子束的响应波形，实现热中子探测。
金属有机框架闪烁体1含高原子序数的原子，与热中子与157Gd反应释放伽马射线，伽马射线能量为7.94MeV，与金属有机框架闪烁体发生光电效应/康普顿效应/电子对效应的概率高，可获得高的热中子响应灵敏度。金属有机框架闪烁体1中热中子能量转换灵敏单元157Gd、伽马-电子转换材料高Z原子、金属有机框架闪烁体1的辐射发光单元(有机分子)距离非常近，小于10纳米，可实现能量高速及有效传递，远优于载157Gd塑料闪烁体等(能量传递距离约微米级)，可获得更好的能量响应线性。
157Gd材料的热中子反应截面很高，可达242000±4000Barn，远高于其他常见的热中子转换材料。因为热中子与157Gd作用概率高，所以利用本发明可实现热中子探测的高灵敏度。
如表1所示，157Gd在天然材料中丰度较高，约为15.7％，选择天然丰度较高的材料，既可以获得较好的热中子响应，又可实现低制备成本。
表1 天然丰度高的核素
| 核素 | 天然丰度 | 热中子反应截面(barns) |
| <sup>3</sup>He | 0.00013％ | 5327±10 |
| <sup>6</sup>Li | 7.5％ | 936±6 |
| <sup>10</sup>B | 19.8％ | 3840±11 |
| <sup>113</sup>Cd | 12.3％ | 20000±300 |
| <sup>155</sup>Gd | 14.7％ | 56200±1000 |
| <sup>157</sup>Gd | 15.7％ | 242000±4000 |
本发明基于MOF的热中子探测方法及装置的工作原理：
金属有机框架闪烁体1(MOF)材料是一类新型体闪烁材料，通过在金属有机框架闪烁体1的骨架或者孔隙中引入157Gd可实现对热中子的有效探测。
首先，热中子和157Gd发生核反应，会释放能量约7.94MeV的伽马射线。其原理如下：
157Gd+n→158Gd+γ(7.94MeV)
其次，伽马射线会与金属有机框架闪烁体1中高原子序数的金属原子发生光电效应/康普顿效应/电子对效应，产生次级高能电子；之后，高能电子会与金属有机框架闪烁体1中的电子多次碰撞，将能量传递给次级电子与价带空穴，次级电子弛豫到低能态导带底部，变为导带电子。最后导带电子和价带空穴发生辐射复合，进而发射荧光。本发明中的光电转换器件2通过对荧光的收集和产生电信号的记录获得热中子的信息。
此方法可实现热中子通量的测量。当热中子通量大于106cm-2·s-1时，后端记录装置可选择电流表记录电流信号；当高通量脉冲热中子束流时，后端可选择示波器记录大量热中子的脉冲电流信号；当热中子通量小于等于106cm-2·s-1时，后端记录装置可选择测量幅度谱、常用的幅度分析器等或者可选择记录单粒子波形的示波器等。
金属有机框架闪烁体1发光衰减时间快(几纳秒内)，，相比于传统含157Gd的无机闪烁体，发光衰减时间快几倍甚至几百倍(无机闪烁体的衰减时间一般为几十纳秒-几微秒)，配合快的光电转换器件2装置可实现短脉冲的热中子探测，配合高增益的光电转换器件2也可实现单个热中子响应信号的探测。
含157Gd的金属有机框架闪烁体1化学稳定性较好，在热中子探测时，遇到强辐射环境稳定性好。在使用时，可以稳定存在于高纯状态单独使用，还可以通过旋涂或者沉积等方式附着在透明基质上使用，也可以均匀分散到液态或者固态等高透光的基质材料中使用。
含157Gd的金属有机框架闪烁体1可耐受近400℃的高温，配合耐高温的光电转换器件2或者选择光电转换器件2的降温保护，适用于温度400℃以内环境的热中子探测，不需要真空，不需要低温。金属有机框架闪烁体1对热中子的抗辐照性能强，装置可长时间稳定工作，寿命长。
相比于传统使用含157Gd的塑料闪烁体的热中子探测装置，含157Gd的金属有机框架闪烁体1探测装置存在如下优势：(1)载157Gd的塑料闪烁体为物理混合，其中157Gd和有效发光分子距离较大(约1微米级)，金属有机框架闪烁体1中的157Gd和有效发光分子距离很小(约10纳米级)，金属有机框架闪烁体1中的能量传递更快、更有效，使得热中子探测效率更高。(2)金属有机框架闪烁体1中的金属节点为高原子序数，相比于传统塑料闪烁体材料的等效原子序数Z更高，因此对金属有机框架闪烁体1对157Gd产生的次级伽马射线的探测效率更高(光电效应/康普顿效应/电子对效应截面分别与金属有机框架闪烁体1的Z4、Z和Z2成正比)，基于金属有机框架闪烁体1的热中子探测装置对热中子更灵敏。
选择金属有机框架闪烁体1和光电转换器件2等组成的热中子通量探测装置，可以不需要真空，其简单紧凑。热中子探测装置在进行热中子通量监测时，放置方向对热中子探测结果影响不大。
如图2、图3所示，本发明基于MOF的快中子探测方法，包括以下步骤：
1)在金属有机框架闪烁体(MOF闪烁体)1的孔隙中填入裂变物质；该裂变物质为含238U的裂变物质。
2)使快中子与将步骤1)中的裂变物质发生核反应，释放出反应产物；其中反应产物为次级带电物质；
3)步骤2)中的反应产物向金属有机框架闪烁体1传递能量，使金属有机框架闪烁体1产生可见光；
4)使可见光进入光电转换器件2，光电转换器件2将可见光转换为电信号；光电转换器件2用于与外部电源3及记录器件4连接；
5)记录器件4记录该电信号，信号处理分析后可获得快中子能谱。
本发明利用一种新型快中子灵敏闪烁体材料(即含238U的裂变物质的金属有机框架闪烁体1)，基于此，提出上述基于金属有机框架闪烁体1的快中子能谱探测方法。金属有机框架闪烁体1含裂变物质(即快中子转换物质)可实现快中子有效探测；金属有机框架闪烁体1含发光单元(即辐射发光材料单元)可实现快中子次级粒子能量转换为光子，且具备亚纳秒至几纳秒的超快时间响应特性，可实现基于飞行时间方法的脉冲快中子能谱探测。
一方面，金属有机框架闪烁体1的时间响应快，基于飞行时间方法的快中子探测中，在某一测点位置，不同能量快中子从快中子源处飞行至金属有机框架闪烁体1(即快中子源)等所处的测量位置，所需的飞行时间不同，高能量的快中子先到达、低能量的快中子后到达，故利用脉冲快中子响应信号的时间信息即可反推出快中子能量信息。
另一方面，由于该金属有机框架闪烁体1所含的快中子转换材料为含238U的裂变物质，它主要通过核反应法与快中子发生裂变反应，释放裂变碎片，含238U的裂变物质的裂变截面对不同能量快中子较平坦，对不同能量快中子产生裂变碎片的概率、裂变碎片的平均能量差异不大，进而不同能量快中子在该闪烁体中释放光子的数目差异不大，因此快中子响应信号的幅度与快中子数目密切相关。综上可知，利用快中子响应信号的强度-时间分布，即可反推出快中子数目-能量分布，获得快中子能谱。
本发明还可以为脉冲快中子能谱探测提供新的方法，新形成的探测方法及手段可以实现高精度的快中子能谱测量。金属有机框架闪烁体1的裂变物质与快中子作用，产生次级带电物质(裂变碎片或质子等)，带电物质将能量传递给金属有机框架闪烁体1发光单元，发射可见光。由于次级带电物质产生的位置在金属有机框架闪烁体1的孔道/孔隙中，与金属有机框架闪烁体1的发光单元(有机分子)距离很近，仅仅为10纳米内，故带电物质能量→可见光可实现高效和快速的能量传递，导致金属有机框架闪烁体1在快中子作用下的高发光效率。由于金属有机框架闪烁体1的体积可非常大，进而本发明可实现高的快中子探测效率。
另外，本发明还提供了一种基于MOF的快中子探测装置，用于实现上述快中子能谱探测方法，包括金属有机框架闪烁体1、裂变物质及光电转换器件2；裂变物质设置在金属有机框架闪烁体1的孔隙中；光电转换器件2设置在金属有机框架闪烁体1的出光光路上。其中，裂变物质为含238U的裂变物质，金属有机框架闪烁体1为矩形体结构，其外可包裹反光层，光电转换器件2与金属有机框架闪烁体1的其中一个侧面相对设置；反光层设置在金属有机框架闪烁体1的其余五个侧面上(不含与光电转换器件2接触或相对或靠近的那一面)；金属有机框架闪烁体1还可设置在基体上；基体为固体高透光基质(在其他实施例中基体还可以为液体基质)；金属有机框架闪烁体1分散设置在固体高透光基质(在其他实施例中金属有机框架闪烁体1还可以设置在液体基质中)。金属有机框架闪烁体1为高纯物质；固体高透光基质或液体基质为可包含移波功能的材料(在其他实施例中固体高透光基质或液体基质也可以为不包含移波功能的材料)。金属有机框架闪烁体1具有强的辐照稳定性在长时间使用时，能稳定将快中子信号转换为可见光；具有好的环境稳定性，发光特性不随环境中湿度和氧气等的影响而退化，在封装后，此性能可增强。
本发明基于MOF的快中子探测方法及装置的工作原理：
首先，裂变物质为含238U的裂变物质含238U的裂变物质填充在金属有机框架闪烁体1(即有机无机框架结构闪烁体)的孔隙内。含238U的裂变物质填充在金属有机框架闪烁体分子的孔隙中，裂变物质与金属有机框架闪烁体的距离非常近，在10纳米以内；二者为“原子尺度杂化”，裂变物质的分布均匀，与传统塑料闪烁体中快中子转换材料与发光分子的“物理混合”不同。快中子与含238U的裂变物质作用释放出裂变碎片，裂变碎片能量可高效传递并释放可见光，通过对可见光的探测实现快中子探测。
其次，金属有机框架闪烁体1具有亚纳秒-纳秒级超快辐射发光特性，与亚纳秒-纳秒时间响应的光电转换器件2相配合，可构建亚纳秒-纳秒级时间响应探测系统。结合快中子飞行时间探测方法，可发展新的脉冲快中子能谱探测方法。
再次，含238U的裂变物质对快中子能量响应平坦，不同能量的快中子产生裂变碎片的概率差异不大，裂变碎片的平均质量数和能量差异不大，因此，快中子探测电信号的强度(幅度大小)与快中子数目密切相关。由快中子飞行时间法的探测原理可知，不同能量的快中子从快中子源到达探测装置所需的时间不同(即不同能量快中子到达探测装置所处位置的时刻不同)，高能量快中子到达所需时间短，低能量快中子达到所需时间长，快中子探测电信号的时间信息与快中子能量密切相关。因此，可通过快中子探测电信号推出快中子能量与快中子数目的关系，即可获得快中子能谱。
本发明基于MOF的快中子探测装置还可在金属有机框架闪烁体1的孔隙中填入含237Np的裂变物质，实现快中子能谱响应调控，对能量高于0.4MeV的快中子实现高灵敏探测，对于能量低于0.4MeV的快中子不灵敏；根据探测需求改变金属有机框架闪烁体1的孔隙填充物中裂变物质的成分，实现快中子能量响应低阈值的调控。
Claims (10)
1.一种基于MOF的热中子探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1)在金属有机框架闪烁体(1)的孔隙中填入含157Gd的裂变物质；
S2)使热中子与含157Gd的裂变物质发生核反应，释放伽马射线；
S3)步骤S2中获得的伽马射线与金属有机框架闪烁体(1)中高原子序数的原子发生光电效应/康普顿效应/电子对效应，产生次级高能电子；
S4)使次级高能电子与金属有机框架闪烁体(1)中的电子碰撞，产生导带电子；
S5)导带电子和价带空穴发生辐射复合，发射荧光；
S6)利用光电转换器件(2)收集荧光，并将荧光转换为电信号；
S7)使用记录器件(4)记录S6中的电信号，获得热中子的信息。
2.根据权利要求1所述的一种热中子探测方法，其特征在于：S1中，所述含157Gd的裂变物质为含高纯157Gd或天然丰度Gd的闪烁体。
3.根据权利要求2所述的一种热中子探测方法，其特征在于：S3中，所述高原子序数的原子为金属原子；
S7中，所述记录器件(4)的选择方式为：
当热中子为稳态热中子束流且热中子通量大于106cm-2·s-1时，记录器件(4)选择电流表记录电流信号；当热中子为稳态热中子束流且热中子通量小于等于106cm-2·s-1时，记录器件(4)选择幅度分析器；
或者，热中子为高通量脉冲束流时，记录器件(4)选择示波器，记录大量热中子的脉冲电流信号。
4.一种基于MOF的热中子探测装置，用于实现权利要求1-3任一所述的热中子探测方法，其特征在于：包括金属有机框架闪烁体(1)、光电转换器件(2)及记录器件(4)；
所述金属有机框架闪烁体(1)为含157Gd的裂变物质，用于与热中子发生核反应；
所述光电转换器件(2)设置于金属有机框架闪烁体(1)的发光光路上，用于接收金属有机框架闪烁体(1)的荧光，并与记录器件(4)连接。
5.根据权利要求4所述的一种热中子探测装置，其特征在于：还包括基体；
所述基质为液体基质，金属有机框架闪烁体(1)分散在液体基质中；
或者，所述基质为固体高透光基质，金属有机框架闪烁体(1)分散在固体高透光基质中，或附着在固体高透光基质的基底上；
所述金属有机框架闪烁体(1)为含157Gd的高纯闪烁体或天然丰度Gd的闪烁体。
6.根据权利要求5所述的一种热中子探测装置，其特征在于：所述金属有机框架闪烁体(1)与光电转换器件(2)之间相贴合；
所述金属有机框架闪烁体(1)为含157Gd的高纯闪烁体或天然丰度Gd的闪烁体；
所述记录器件(4)为电流表、幅度分析器或示波器。
7.一种基于MOF的快中子探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在金属有机框架闪烁体(1)的孔隙中填入含238U或237Np的裂变物质；
2)快中子与裂变物质发生核反应，释放出反应产物；
3)反应产物向金属有机框架闪烁体(1)传递能量，使金属有机框架闪烁体(1)产生可见光；
4)可见光进入光电转换器件(2)，光电转换器件(2)将可见光转换为电信号；
5)记录电信号，获得快中子能谱。
8.一种基于MOF的快中子探测装置，用于实现权利要求7所述的一种快中子探测方法，其特征在于：包括金属有机框架闪烁体(1)、裂变物质及光电转换器件(2)；
所述裂变物质设置在金属有机框架闪烁体(1)的孔隙中；
所述裂变物质为含238U或237Np的裂变物质；
所述光电转换器件(2)设置在金属有机框架闪烁体(1)的出光光路上。
9.根据权利要求8所述的一种快中子探测装置，其特征在于：还包括反光层；
所述光电转换器件(2)与金属有机框架闪烁体(1)的其中一个侧面相对设置；
所述反光层设置在金属有机框架闪烁体(1)的其余侧面上。
10.根据权利要求9所述的一种快中子探测装置，其特征在于：还包括基体；
所述基质为液体基质，金属有机框架闪烁体(1)分散在液体基质中；
或者，所述基质为固体高透光基质，金属有机框架闪烁体(1)分散在固体高透光基质中，或附着在固体高透光基质的基底上。
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