CN114994743A - 一种快中子时间谱探测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种中子探测方法及其装置，具体涉及一种快中子时间谱探测方法及装置，解决传统闪烁探测系统的体积大、线性工作范围小、工作偏压高及系统造价高的技术问题。本发明一种快中子时间谱探测方法，包括以下步骤：1)将孔隙中填充裂变物质的金属有机框架闪烁体与塑料闪烁体组合，构成复合闪烁体；同时将钙钛矿光电转换器件设置在复合闪烁体的出射光路上；2)待测快中子与裂变物质发生核裂变反应与核反冲，释放出反应产物，反应产物引起复合闪烁体发射可见光；3)可见光进入钙钛矿光电转换器件转换为电信号，记录该电信号，进而获得待测快中子的时间谱信号。本发明还提供了一种快中子时间谱探测装置，实现了快中子时间谱探测应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种中子探测方法及其装置，具体涉及一种快中子时间谱探测方法及装置。
背景技术
快中子时间谱可直接反映核反应过程特征，其高水平探测是核反应过程研究的重要手段，快中子时间谱探测方法及装置在激光核聚变、惯性约束核聚变与脉冲核反应堆等中子探测中具有广泛的应用前景。脉冲快中子时间谱探测要求探测系统具有合适的快中子探测效率和超快的时间响应特性。
闪烁探测法是实现脉冲快中子时间谱探测的重要方法之一，可实现高灵敏、合适的快中子探测效率和超快时间响应特性。由于闪烁探测法具有两级放大特征，因此具有高灵敏特性；闪烁探测方法通常选择含氢闪烁体(塑料闪烁体、有机单晶闪烁体和液体闪烁体)和光电倍增管/光电管的组合,可实现超快(纳秒级)时间响应特性；另外，可通过调节闪烁体体积获得合适的中子探测效率。
用于快中子时间谱探测的传统闪烁探测方法存在系统体积大、线性工作范围小、工作偏压高及系统造价高等问题。传统的闪烁体多是选择闪烁体和光电倍增管或光电管构成系统，其体积都比较大，一般都在几十甚至上百立方厘米，因此在很多空间受限的辐射探测中，应用受限；其次，光电倍增管和光电管的最大线性电流一般都在200mA左右，甚至更低，使用时需要根据探测系统所处的辐射场强度等仔细设计系统灵敏度，使其工作输出电流不超过最大线性电流，这样才能准确获得辐射场的强度等信息；在辐射源强度不稳定时，传统闪烁探测系统常会出现超过线性输出的问题；再者，由于光电倍增管和光电管的工作偏压都很高，一般是800-3000V，使探测系统需要特殊的仪器实现供电，在低真空中容易出现放电现象、甚至导致无法正常工作。
金属框架闪烁体，近年在X射线探测中展现出一定优势，由于它的原子序数高，在医学人体成像中可以获得高灵敏度，利于实现清晰X射线成像的同时，显著降低人体所受辐照剂量；但目前尚未见该类闪烁体在快中子探测的应用报道。
发明内容
本发明的目的是针对传统闪烁探测系统的体积大、线性工作范围小、工作偏压高及系统造价高的技术问题，而提供一种快中子时间谱探测方法及装置。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种快中子时间谱探测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)将孔隙中填充裂变物质的金属有机框架闪烁体与塑料闪烁体组合，构成复合闪烁体；同时将钙钛矿光电转换器件设置在复合闪烁体的出射光路上；
2)将步骤1所得的复合闪烁体置于待测快中子所处环境中，使待测快中子与裂变物质发生核裂变反应与核反冲，释放出反应产物；所述反应产物与金属有机框架闪烁体中的发光单元及塑料闪烁体作用，转换为可见光；
3)使可见光进入钙钛矿光电转换器件转换为电信号，记录该电信号，进而获得待测快中子的时间谱信号。
进一步地，步骤1)中，所述裂变物质为238U；
塑料闪烁体与金属有机框架闪烁体的组合方式为交替拼接或镶嵌，且塑料闪烁体、金属有机框架闪烁体均与钙钛矿光电转换器件垂直设置。
进一步地，步骤2)中，所述反应产物包括高能裂变碎片和质子。
一种快中子时间谱探测装置，用于实现上述快中子时间谱探测方法，其特殊之处在于：包括复合闪烁体和钙钛矿光电转换器件；
复合闪烁体包括至少一个塑料闪烁体与至少一个金属有机框架闪烁体的组合；
金属有机框架闪烁体内填充裂变物质；
钙钛矿光电转换器件设置在复合闪烁体的出射光路上；
钙钛矿光电转换器件用于接收复合闪烁体的可见光，并与外部供电机构、记录机构连接。
进一步地，所述复合闪烁体形状为长方体；复合闪烁体外围设置有反光机构；
反光机构与钙钛矿光电转换器件设置在复合闪烁体外长方体的六个面上。
进一步地，所述复合闪烁体包括至少两个塑料闪烁体；相邻两个所述塑料闪烁体之间留有间隙且相互平行。
进一步地，所述塑料闪烁体与金属有机框架闪烁体交替拼接或镶嵌，且塑料闪烁体、金属有机框架闪烁体均与钙钛矿光电转换器件垂直设置。
进一步地，所述金属有机框架闪烁体为片状结构或柱状结构；
钙钛矿光电转换器件为薄膜结构。
进一步地，所述塑料闪烁体的发光波长为425nm；
金属有机框架闪烁体的发光波长大于440nm；
复合闪烁体的厚度不低于0.5±0.02mm。
进一步地，所述钙钛矿光电转换器件数量为两个，分别设置在复合闪烁体外长方体的两个相对面；反光机构设置在复合闪烁体外长方体的其余四个面；
或者
钙钛矿光电转换器件数量为一个，所述反光机构设置于复合闪烁提外长方体的五个面上；一个所述钙钛矿光电转换器件设置于长方体的另外一个面上，与反光机构共同围城一个长方体状空间。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
1、本发明的金属框架闪烁体可实现对快中子的高灵敏探测，快中子与金属框架闪烁体中的裂变物质作用，发生核裂变及核反冲，产生次级带电物质即裂变碎片或质子，部分次级带电粒子的能量会通过金属有机框架闪烁体转换为可见光，其发光的波长一般在440nm以上，大于塑料闪烁体的发光波长，金属有机框架闪烁体发光不会被塑料闪烁体吸收；金属框架闪烁体的部分次级带电粒子能量会通过塑料闪烁体转换为可见光，钙钛矿光电转换器件将可见光转换为电信号，被记录单元记录，进而实现快中子时间光谱探测。
2、本发明快中子时间谱探测装置可实现微型装置，传统闪烁探测系统的光电转换装置，通常选择光电倍增管(PMT)和光电管(PT)，其体积都非常大，一般大于几十立方厘米；本发明选择钙钛矿光电转换器件来实现可见光与电信号转换，钙钛矿光电转换器件可实现薄膜结构，使得本发明快中子时间谱探测装置体积小，最小可低于1cm3。
3、本发明快中子时间谱探测装置，可获得超快的时间响应特性。利用亚纳秒-纳秒级响应的金属框架闪烁体，结合亚纳秒-纳秒级响应的钙钛矿光电转换器件，可获得亚纳秒至十几纳秒级的时间响应特性。
4、本发明快中子时间谱探测装置的工作偏压低，传统光电倍增管(PMT)和光电管(PT)一般需工作在几百至几千伏工作偏压下，本发明所选钙钛矿光电转换器件工作偏压很低，可工作在几至几百V，甚至可工作在零偏压。
5、本发明快中子时间谱探测装置的工作线性区间大，传统光电倍增管(PMT)和光电管(PT)的最大线性电流很小，一般在200mA内；本发明选择钙钛矿光电转换器件，其最大线性电流可达几安，甚至更高；本发明的线性工作区间可提升几十倍，不易饱和，适用于强辐射场探测，可工作于距离射线源更近的辐射注量率更高的环境。
6、本发明对快中子的响应灵敏度，低于传统转换材料+半导体探测器系统，但是高于闪烁体+PT的系统，可填补快中子探测系统在该灵敏度范围的空白。
7、当复合闪烁体与钙钛矿光电转换器件分离时，复合闪烁体可实现对钙钛矿光电转换器件更好的辐射屏蔽，使得本发明可获得高抗辐照性能，适用于强辐射场。
8、本发明快中子时间谱探测装置选择钙钛矿光电转换器件，而非传统的光电倍增管或光电管，可实现快中子时间谱探测装置的低成本。
附图说明
图1为本发明一种快中子时间谱探测装置实施例一的结构示意图；
图2为本发明一种快中子时间谱探测装置实施例二的结构示意图。
图中附图标记为：
1-塑料闪烁体，2-金属有机框架闪烁体，3-钙钛矿光电转换器件，4-反光机构。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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。基于本发明中的技术方案，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。
实施例一
一种快中子时间谱探测方法，包括以下步骤：
1)将孔隙中填充裂变物质的金属有机框架闪烁体2与塑料闪烁体1组合，构成复合闪烁体；同时将钙钛矿光电转换器件3设置在复合闪烁体的发光光路上；裂变物质优选地为238U；塑料闪烁体1与金属有机框架闪烁体2的组合方式为交替镶嵌(在其他实施例中也可以为交替拼接拼接)，且塑料闪烁体1、金属有机框架闪烁体2均与钙钛矿光电转换器件3垂直设置，效果更佳；
2)将步骤1)所得复合闪烁体置于待测快中子所处环境中，使钙钛矿光电转换器件3与外部供电机构、记录机构连接；
3)使待测快中子与裂变物质发生核裂变反应和核反冲，释放出反应产物；反应产物与金属有机框架闪烁体2中的发光单元及塑料闪烁体1作用，转换为可见光；反应产物包括高能裂变碎片和质子；
4)使可见光进入钙钛矿光电转换器件3转换为电信号，记录机构将该电信号记录，进而获得待测快中子的时间谱信号。
另外，本发明还提供了一种实现上述快中子时间谱探测方法的快中子时间谱探测装置，如图1所示，包括复合闪烁体和钙钛矿光电转换器件3；
复合闪烁体包括至少一个金属有机框架闪烁体2和至少一个塑料闪烁体1的组合；其中金属有机框架闪烁体2内填充裂变物质，钙钛矿光电转换器件3设置在复合闪烁体的出射光路上。
金属有机框架闪烁体2为片状结构(也可以为柱状结构，当复合闪烁体为柱状结构时，其厚度、长度和宽度均不低于0.5±0.02mm)；钙钛矿光电转换器件3为薄膜结构。塑料闪烁体1与金属有机框架闪烁体2交替拼接或镶嵌，且塑料闪烁体1、金属有机框架闪烁体2均与钙钛矿光电转换器件3垂直设置。塑料闪烁体1的发光波长为425nm；金属有机框架闪烁体2的发光波长大于440nm。钙钛矿光电转换器件3数量为两个，分别设置在复合闪烁体的两个相对侧面；反光机构4设置在复合闪烁体的其余四个侧面。
复合闪烁体中的金属有机框架闪烁体2和塑料闪烁体1呈现特殊的结构，快中子与金属有机框架闪烁体2作用，产生次级带电物质即高能裂变碎片或质子，次级带电物质将能量传递给金属有机框架闪烁体2的发光单元，发光单元发射可见光。金属有机框架闪烁体2(即Metal Organic Frameworks简称MOF闪烁体)，由于次级带电物质产生的位置在金属有机框架闪烁体2的孔道或孔隙中，与金属有机框架闪烁体2发光单元的有机分子距离很近，仅仅为几纳米以内，故次级带电物质的能量可高效、快速地传递给发光单元，使得金属有机框架闪烁体2在快中子的作用下发光效率非常高。本实施例中，金属有机框架闪烁体2为柱状结构(金属有机框架闪烁体2根据应用需要也可以为片状结构)，金属有机框架闪烁体2的边缘处产生的次级带电物质，可穿入到塑料闪烁体1中，在塑料闪烁体1中激发出可见光；本发明的双重发光设计可实现次级带电物质能量与可见光的高效转换。金属有机框架闪烁体2的发光波长一般大于440nm，可以采用Cd-MOF，Cd-MOF发光波长为463nm，或者采用Zn-MOF，Zn-MOF发光波长为445nm；而塑料闪烁体1的发光波长仅为425nm，可以采用EJ公司的系列闪烁体或者国产ST401的闪烁体材料，金属有机框架闪烁体2的发光不会被塑料闪烁体1吸收，能有效传递到钙钛矿光电转换器件3。
相邻两个塑料闪烁体1之间留有间隙且相互平行；金属有机框架闪烁体2上位于相邻两个塑料闪烁体1之间；钙钛矿光电转换器件3与复合闪烁体的表面相对设置，用于接收复合闪烁体的可见光，并与外部供电机构、记录机构连接。选择钙钛矿光电转换器件3，利于钙钛矿光电器件对不同可见光的波长匹配好、探测效率高(又称外量子效率)，可实现对金属有机框架闪烁体2和塑料闪烁体1，发射可见光的高效率探测。选择钙钛矿光电转换器件，还可以利用对辐射致弱光的高光电转换效率，实现辐射致发光的高效探测，进而实现高的快中子探测效率。
本实施例中，还设置有反光机构4，金属有机框架闪烁体2和塑料闪烁体1组成的复合闪烁体，其外可包裹反光机构4，即反光层。金属有机框架闪烁体2与塑料闪烁体1交替拼接，且金属有机框架闪烁体2、塑料闪烁体1均与钙钛矿光电转换器件3垂直设置。金属有机框架闪烁体2为片状结构或柱状结构；钙钛矿光电转换器件3为薄膜结构。复合闪烁体的厚度不低于0.5±0.02mm。金属有机框架闪烁体2的发光波长大于440nm；塑料闪烁体1的发光波长为425nm。复合闪烁体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。金属有机框架闪烁体2和塑料闪烁体1组成的复合闪烁体可达毫米-厘米厚度尺寸，钙钛矿光电转换器件3可达毫米厚度尺寸，相比于传统快中子探测装置(基于光电倍增管等的快中子探测装置，一般需几十立方厘米以上尺寸)，本发明的探测装置的尺寸小；钙钛矿光电转换器件3所需的高压可低至几伏、甚至更低，比传统光电倍增管等光电转换器件(几百-几千伏)低很多。
钙钛矿光电转换器件3为两个、反光机构4为四个，两个钙钛矿光电转换器件3相对设置在复合闪烁体的两侧；四个反光机构4相对设置在复合闪烁体的另外四个面上；钙钛矿光电转换器件3与复合闪烁体可以紧挨着，也可以有缝隙；当钙钛矿光电转换器件3与复合闪烁体紧挨着时，金属有机框架闪烁体2在快中子的作用下发光可有效传递到钙钛矿光电器件中，系统探测灵敏度高。当钙钛矿光电转换器件3与复合闪烁体有缝隙时，利于钙钛矿光电转换器件3的屏蔽，适宜于强辐射环境探测应用。
本发明能够实现快中子响应灵敏度调控，通过调节金属有机框架闪烁体2的尺寸、结构、金属有机框架闪烁体2的有机链中有机基的分子结构以及金属有机框架闪烁体2和钙钛矿光电转换器件3的间隙大小，可实现对快中子响应灵敏度的调控。本发明能够实现快中子能谱响应调控，通过调控金属有机框架闪烁体2的孔隙填充的裂变物质类型，可实现对快中子响应能谱的调控，可根据探测需求选择某一能区的灵敏度增强或者低能区的能谱截止。
实施例二
如图2所示，本实施例与实施例一的区别在于，钙钛矿光电转换器件3数量为一个，反光机构4设置于复合闪烁体外长方体的五个面上，一个钙钛矿光电转换器件3设置于长方体的另外一个面上，与反光机构4共同围城一个长方体状空间；复合闪烁体设置于长方体空间内。
实施例二的其余部分结构均与实施例一相同。
Claims (10)
1.一种快中子时间谱探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将孔隙中填充裂变物质的金属有机框架闪烁体(2)与塑料闪烁体(1)组合，构成复合闪烁体；同时将钙钛矿光电转换器件(3)设置在复合闪烁体的出射光路上；
2)将步骤1所得的复合闪烁体置于待测快中子所处环境中，使待测快中子与裂变物质发生核裂变反应与核反冲，释放出反应产物；所述反应产物与金属有机框架闪烁体(2)中的发光单元及塑料闪烁体(1)作用，转换为可见光；
3)使可见光进入钙钛矿光电转换器件(3)转换为电信号，记录该电信号，进而获得待测快中子的时间谱信号。
2.根据权利要求1所述的一种快中子时间谱探测方法，其特征在于：步骤1)中，所述裂变物质为238U；
所述塑料闪烁体(1)与金属有机框架闪烁体(2)的组合方式为交替拼接或镶嵌，且塑料闪烁体(1)、金属有机框架闪烁体(2)均与钙钛矿光电转换器件(3)垂直设置。
3.根据权利要求1或2所述的一种快中子时间谱探测方法，其特征在于：步骤2)中，所述反应产物包括高能裂变碎片和质子。
4.一种快中子时间谱探测装置，用于实现权利要求1至3任一所述快中子时间谱探测方法，其特征在于：包括复合闪烁体和钙钛矿光电转换器件(3)；
所述复合闪烁体包括至少一个塑料闪烁体(1)与至少一个金属有机框架闪烁体(2)的组合；
所述金属有机框架闪烁体(2)内填充裂变物质；
所述钙钛矿光电转换器件(3)设置在复合闪烁体的出射光路上；
所述钙钛矿光电转换器件(3)用于接收复合闪烁体的可见光，并与外部供电机构、记录机构连接。
5.根据权利要求4所述的一种快中子时间谱探测装置，其特征在于：所述复合闪烁体形状为长方体；复合闪烁体外围设置有反光机构(4)；
所述反光机构(4)与钙钛矿光电转换器件(3)设置在复合闪烁体外长方体的六个面上。
6.根据权利要求5所述的一种快中子时间谱探测装置，其特征在于：所述复合闪烁体包括至少两个塑料闪烁体(1)；相邻两个所述塑料闪烁体(1)之间留有间隙且相互平行。
7.根据权利要求6所述的一种快中子时间谱探测装置，其特征在于：所述塑料闪烁体(1)与金属有机框架闪烁体(2)交替拼接或镶嵌，且塑料闪烁体(1)、金属有机框架闪烁体(2)均与钙钛矿光电转换器件(3)垂直设置。
8.根据权利要求7所述的一种快中子时间谱探测装置，其特征在于：所述金属有机框架闪烁体(2)为片状结构或柱状结构；
所述钙钛矿光电转换器件(3)为薄膜结构。
9.根据权利要求8所述的一种快中子时间谱探测装置，其特征在于：所述塑料闪烁体(1)的发光波长为425nm；
所述金属有机框架闪烁体(2)的发光波长大于440nm；
所述复合闪烁体的厚度不低于0.5±0.02mm。
10.根据权利要求5至9任一所述的一种快中子时间谱探测装置，其特征在于：所述钙钛矿光电转换器件(3)数量为两个，分别设置在复合闪烁体外长方体的两个相对面；所述反光机构(4)设置在复合闪烁体外长方体的其余四个面；
或者
所述钙钛矿光电转换器件(3)数量为一个，所述反光机构(4)设置于复合闪烁提外长方体的五个面上；一个所述钙钛矿光电转换器件(3)设置于长方体的另外一个面上，与反光机构(4)共同围城一个长方体状空间。
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