CN115201891B - 长中子计数器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长中子计数器，包括：球形慢化体，其为聚乙烯材质，用于对快中子进行慢化；核探测管，其设置在球形慢化体中心部位，用于对中子进行探测；空气圆环，在球形慢化体内部设有两个呈圆环状的内腔，内腔中充满空气形成空气圆环，两个空气圆环分别位于核探测管的上端部圆周和下端部圆周，空气圆环的外环边呈阶梯状，使进入到空气圆环中的中子经历不同厚度的球形慢化体的慢化，以提高热中子至低能区中子的能量响应；吸收圆环，其为碳化硼材质，套装在核探测管上，位于两个空气圆环之间，用于吸收局部能量响应过高的中子。本发明具有较宽的探测区间且在水平面角响应完全一致，极大地提高了测量结果的精确度，且体积小、重量轻，便于携带。

Description

长中子计数器

技术领域

本发明涉及中子计数器技术领域。更具体地说，本发明涉及一种长中子计数器。

背景技术

中子辐射是核爆与核事故剂量、核电站和实验室环境辐射的重要组成部分，定量测量环境中子辐射水平是辐射防护及辐射剂量学的重要分支。中子周围剂量当量仪器除了用于中子剂量监测外，还为核爆与核事故中子剂量学、核爆炸中子模拟参考辐射场、中子能谱测量与解谱技术以及中子剂量测量技术等相关研究提供试验基础设备条件。利用中子周围剂量当量仪器获得的相关数据，如中子注量等，可以用于表征辐射场特性并实现量值传递和溯源，并通过中子注量-周围或定向剂量当量的转换因子获得辐射防护实践中应用的辐射实用量(周围剂量当量、定向剂量当量)。中子测量的瓶颈问题是：中子不带电，因此它不能直接引起物质电离而被探测，必须借助对中子与核相互作用产生次级带电粒子探测，通常有以下四种：核反应法、核反冲法、核裂变法与核活化法。即中子散射、中子引起的核反应、中子活化与中子诱发的核裂变，是人们熟知的探测中子的4种基本探测机理。

理想的中子注量(率)仪或中子周围剂量当量仪器，探测效率应在所需要的能量范围内保持为一恒定值，即要求能量响应曲线在适用能量范围内尽量平坦一致，其中，长中子计数器是广泛采用的一种中子剂量测量仪器，从1947年Hanson等设计了第一款长中子计数器，已历经70多年的发展。

目前公开的长中子计数器的主要优势是其对热中子到5MeV的中子响应灵敏度几乎一致，可在较宽能区使用，但因几何机构限制，角响应较差。例如，在论文“Yanan Li,Taosheng Li,Haomin Guo,Wang Ying.Improvements to the long counter for neutronenergies up to GeV[J].Radiation Measurements,2021,140”中设计的长中子计数器，属于慢化中子探测器，采用热中子灵敏探测器作为探测部件，将其置于装置几何中心，外层配置一定厚度的慢化吸收层使得整个仪器对较宽的能量范围获得理想响应。但是经过70多年的发展，长中子计数器的设计方式主流仍为传统的圆柱体结构，0度角入射探测器的中子响应最佳，角响应缺陷则一直存在，现场使用受限。另一主要缺点是，为获得满意的中子慢化效果，无法避免地在设计中引入多种复合结构的屏蔽、吸收和增殖材料，如Pb、Cd、U、Cr等高毒性或核管控材料，仪器的制造过程复杂，成本高企，稀缺材料难以获得，快中子测量时尤为突出。因此，上述技术的主要缺点概况为：1)成本高；2)使用大量的Cr铬棒有毒金属；使用了Cd镉等有害重金属。3)角响应差；辐射测量器具随辐射入射角的变化称为角响应；4)设计成品使用了大量有毒重金属，比较笨重，携带和使用不方便。5)该产品中包含大量有毒金属，环境安全存在隐患。再例如，在论文“杨国召,李桃生,刘琼瑶,颜强,董良,洪兵.中子注量率仪探头优化设计[C]//.中国核科学技术进展报告(第三卷2013年9月)”中设计的长中子计数器，缺点为：1)高成本；2)使用大量的铅层有毒金属；3)在同一水平面上入射，角响应不完全相同，较差；4)该设计中使用了U材料，该材料为管制类核材料。5)设计成品使用了大量有毒重金属Pb等，比较笨重，携带和使用不方便；6)该产品中包含大量有毒金属，给环境和使用安全带来了一定的潜在危险。综上，目前公开的探测量程较宽的长中子计数器的角响应普遍较差，且多采用有毒金属，在环境和使用中存在安全隐患。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种长中子计数器，具有较宽的探测区间且在水平面角响应完全一致，极大地提高了测量结果的准确度和精确度，且该长中子计数器体积小、重量轻，在实际使用中也便于携带。

为了实现本发明的这些目的和其它优点，本发明提供了一种长中子计数器，包括：

球形慢化体，其为聚乙烯材质，用于对快中子进行慢化；

核探测管，其设置在所述球形慢化体的中心部位，用于对中子进行探测；

空气圆环，在所述球形慢化体的内部设置有两个呈圆环状的内腔，每个内腔中均充满空气，形成所述空气圆环，两个所述空气圆环分别位于所述核探测管的上端部圆周和下端部圆周，其中，每个所述空气圆环的外环边均呈阶梯状，使进入到所述空气圆环中的中子能够经历不同厚度的球形慢化体的慢化，从而提高热中子至低能区中子的能量响应；

吸收圆环，其为碳化硼材质，套装在所述核探测管上，并位于两个所述空气圆环之间，用于吸收局部能量响应过高的中子。

优选的是，所述的长中子计数器，每个所述空气圆环的外环边呈阶梯状的具体设置方式为：两个所述空气圆环对称设置，设置在所述核探测管上端部圆周的空气圆环的外直径从上往下阶梯状变小，设置在所述核探测管下端部圆周的空气圆环的外直径从上往下阶梯状变大。

优选的是，所述的长中子计数器，所述吸收圆环设置有两个，第一吸收圆环和设置在所述核探测管上端部圆周的空气圆环紧挨着，第二吸收圆环和设置在所述核探测管下端部圆周的空气圆环紧挨着。

优选的是，所述的长中子计数器，设置在所述核探测管上端部圆周的空气圆环和设置在所述核探测管下端部圆周的空气圆环的外直径均设置有4个呈阶梯状变化的值，当设置的所述球形慢化体的直径值变大或变小时，两个所述空气圆环的外直径值和所述吸收圆环的外直径值随着所述球形慢化体的直径变化而变大或变小。

优选的是，所述的长中子计数器，所述球形慢化体的半径值范围为10cm～16cm；所述吸收圆环的外环半径范围为0.5cm～3cm；所述空气圆环的外环半径值范围为从7.5cm～8.7cm至13.5cm～15cm，其中，所述7.5cm～8.7cm为所述球形慢化体的半径为10cm时所述空气圆环的呈阶梯状的4个半径值的范围，所述13.5cm～15cm为所述球形慢化体的半径为16cm时所述空气圆环的呈阶梯状的4个半径值的范围。

优选的是，所述的长中子计数器，所述球形慢化体的半径值为13cm，所述空气圆环的4个外环半径值分别是12cm、11.5cm、11cm、10.5cm，所述吸收圆环的外环半径值为2cm。

优选的是，所述的长中子计数器，所述空气圆环的厚度为2cm，厚度范围为1.5cm～2.6cm。

优选的是，所述的长中子计数器，所述核探测管采用的是³He探测管，³He与中子发生的反应过程为：

优选的是，所述的长中子计数器，所述球形慢化体采用的聚乙烯密度值为0.95g/cm³。

本发明至少包括以下有益效果：

第一、由于本发明设计的对快中子进行慢化的慢化体为球形，且设置在球形慢化体内部的空气圆环和吸收圆环均环绕竖直放置的核探测管设置，在水平面上，中子不管从哪个角度入射，都是完全一样的，因此，在水平平面上角响应完全一致，在垂直平面的相对角响应最大偏差也小于16.5％，即本发明设计的长中子计数器在360度空间内有相较稳定的角响应。

第二、由于本发明设置的两个空气圆环上下对称设置，且每个所述空气圆环的外环边均呈阶梯状，如此设置的目的在于，由于不同厚度的聚乙烯慢化体对不同能量的中子慢化效果不同，这样能够使进入到所述空气圆环中的不同能量的热中子经历不同厚度的球形慢化体的慢化，从而提高了热中子至低能区中子的能量响应，使该计数器具有较宽的探测区间。此外，空气圆环的设置也解决了对快慢中子的分群测量。

第三、本发明设置的吸收圆环，其为碳化硼材质，套装在所述核探测管上，能够吸收局部能量响应过高的中子，解决了长中子计数器在1MeV能区均会有响应过高的问题。

第四、本发明设计的长中子计数器，完全不使用有毒金属，仅使用聚乙烯和碳化硼材质，安全性高，环保性强，对环境和使用完全无威胁，同时，制作本发明中的长中子计数器，成本低，重量轻，约7kg，便于携带。此外，本发明在工程制造上较为容易，结构简单，在生产中也更具备优势。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明实施例中的长中子计数器的结构示意图；

图2为本发明实施例中的球形慢化体半径对能量响应的影响图；

图3为本发明实施例中的空气圆环不同的设计尺寸对能量响应的影响图；

图4为本发明实施例中的吸收圆环的材料对能量响应的影响图；

图5为本发明实施例中的吸收圆环的外环半径尺寸和厚度对能量响应的影响图；

图6为本发明实施例中的长中子计数器模型的优化效果图；

图7为本发明实施例中的长中子计数器模型的能量响应验证图；

图8为本发明实施例中的长中子计数器模型的垂直平面上的角响应计算结果图；

图9为本发明实施例中的长中子计数器在设计的能量区间内其探测效率图；

图10为本发明实施例中的长中子计数器的能谱图；

图11为本发明具体实施例1中的长中子计数器模型对中子的能量响应曲线；

图12为本发明具体实施例1中的长中子计数器模型对中子的角响应图；

图13为本发明具体实施例1中的长中子计数器的剂量线性关系图；

图14为本发明具体实施例2中的长中子计数器模型的结构示意图；

图15为本发明具体实施例2中的长中子计数器模型对中子的能量响应曲线；

图16为本发明具体实施例2中的长中子计数器模型对中子的角响应图；

图17为本发明具体实施例2中的长中子计数器的剂量线性关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

需要说明的是，下述实施方案中所述材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明实施例提供的长中子计数器，包括：球形慢化体1，其为聚乙烯材质，用于对快中子进行慢化；核探测管2，其设置在所述球形慢化体的中心部位，用于对中子进行探测；空气圆环3，在所述球形慢化体1的内部设置有两个呈圆环状的内腔，每个内腔中均充满空气，形成所述空气圆环3，两个所述空气圆环3分别位于所述核探测管2的上端部圆周和下端部圆周，其中，每个所述空气圆环3的外环边均呈阶梯状，使进入到所述空气圆环3中的中子能够经历不同厚度的球形慢化体的慢化，从而提高热中子至低能区中子的能量响应；吸收圆环4，其为碳化硼材质，套装在所述核探测管2上，并位于两个所述空气圆环3之间，用于吸收局部能量响应过高的中子。其中，所述核探测管2采用的是³He探测管，³He与中子发生的反应过程为：

所述球形慢化体采用的聚乙烯密度值为0.95g/cm³。

在上述实施例中，核探测管是基于核反应法的探测元件，利用³He与中子的核反应实现定量探测中子的目的。本发明实施例采用核探测管：1)中子反应截面大；2)靶核核素在天然元素中的同位素丰度高，或易于人工提取；3)反应能Q值大，利于与γ射线进行脉冲幅度甄别，在本实施例中，核探测管为长圆柱型结构。由于本发明设计的对快中子进行慢化的慢化体为球形，且设置在球形慢化体内部的空气圆环和吸收圆环均环绕竖直放置的核探测管设置，在水平面上，中子不管从哪个角度入射，都是完全一样的，因此，在水平平面上角响应完全一致，在垂直平面的相对角响应最大偏差也小于16.5％，即本发明设计的长中子计数器在360度空间内有相较稳定的角响应。每个所述空气圆环的外环边均呈阶梯状，如此设置的目的在于，由于不同厚度的聚乙烯慢化体对不同能量的中子慢化效果不同，这样能够使进入到所述空气圆环中的不同能量的热中子经历不同厚度的球形慢化体的慢化，从而提高了热中子至低能区中子的能量响应，使该计数器具有较宽的探测区间。此外，空气圆环的设置也解决了对快慢中子的分群测量。设置的吸收圆环也能够吸收局部能量响应过高的中子，解决了长中子计数器在1MeV能区均会有响应过高的问题。需要说明的是，球形慢化体可以为两个半球体固定连接而成，具体固定连接形式本发明实施例不做具体限定，只要能实现该功能即可。核探测管通过一数据信号线与设置在球形慢化体外的数据处理系统连接，核探测管和处理核探测管探测数据的数据处理系统本发明实施例也不做具体限定，采用公开的现有技术即可。

在其中一具体实施方式中，所述的长中子计数器，每个所述空气圆环的外环边呈阶梯状的具体设置方式为：两个所述空气圆环对称设置，设置在所述核探测管上端部圆周的空气圆环的外直径从上往下阶梯状变小，设置在所述核探测管下端部圆周的空气圆环的外直径从上往下阶梯状变大。

其中，设置在所述核探测管2上端部圆周的空气圆环3和设置在所述核探测管2下端部圆周的空气圆环3的外直径均设置有4个呈阶梯状变化的值。

所述吸收圆环4设置有两个，第一吸收圆环40和设置在所述核探测管2上端部圆周的空气圆环3紧挨着，第二吸收圆环41和设置在所述核探测管下端部圆周的空气圆环紧挨着。当设置的所述球形慢化体1的直径值变大或变小时，两个所述空气圆环的外直径值和所述吸收圆环的外直径值随着所述球形慢化体的直径变化而变大或变小。

在上述实施方式中，将两个空气圆环3的外直径设置为有4个呈阶梯状变化的值，只是最优选择，但并不限于本发明实施例所选择的最优值，可以根据实际需要进行具体的限定。在本发明实施例中，若设置的球形慢化体的直径值变大或变小时，设置的空气圆环的外直径和吸收圆环的外直径也会跟着做相应的调整，以能够使长中子计数器从整体上得到最佳的探测效果。由于慢化体为球形，因此设置在所述核探测管上端部圆周的空气圆环的外直径从上往下阶梯状变小，设置在所述核探测管下端部圆周的空气圆环的外直径从上往下阶梯状变大时，才能使进入空气圆环中的不同能量的热中子经历的慢化体厚度变化比较大。

在其中一具体实施方式中，所述球形慢化体1的半径值范围为10cm～16cm；所述吸收圆环4的外环半径范围为0.5cm～3cm；所述空气圆环3的外环半径值范围为从7.5cm～8.7cm至13.5cm～15cm，其中，所述7.5cm～8.7cm为所述球形慢化体的半径为10cm时所述空气圆环的呈阶梯状的4个半径值的范围，所述13.5cm～15cm为所述球形慢化体的半径为16cm时所述空气圆环的呈阶梯状的4个半径值的范围。具体设置时，当球形慢化体的半径为10cm时，空气圆环的4个外环半径值为8.7cm、8.5cm、8cm、7.5cm，吸收圆环的外环半径为0.5cm；当球形慢化体的半径为11cm时，空气圆环的4个外环半径值为9.7cm、9.5cm、9cm、8.5cm，吸收圆环的外环半径为1cm；当球形慢化体的半径为12cm时，空气圆环的4个外环半径值为10.7cm、10.5cm、10cm、9.5cm，吸收圆环的外环半径为1.5cm；当球形慢化体的半径为13cm时，空气圆环的4个外环半径值为12cm、11.5cm、11cm、10.5cm，吸收圆环的外环半径为2.5cm；当球形慢化体的半径为14cm时，空气圆环的4个外环半径值为13cm、12.5cm、12cm、11.5cm，吸收圆环的外环半径为2.5cm；当球形慢化体的半径为15cm时，空气圆环的4个外环半径值为14cm、13.5cm、13cm、12.5cm，吸收圆环的外环半径为2.5cm；当球形慢化体的半径为16cm时，空气圆环的4个外环半径值为15cm、14.5cm、14cm、13.5cm，吸收圆环的外环半径为3cm。上面只是列举了几组数据，但并不限于上述所列出的数据。

在其中一具体实施方式中，所述球形慢化体1的半径值为13cm，所述空气圆环3的4个外环半径值分别是12cm、11.5cm、11cm、10.5cm，所述吸收圆环4的外环半径值为2cm，厚度范围为1.5cm～2.6cm，所述空气圆环的厚度为2cm。这组数据为本发明实施例最优的选择值。

下面将通过具体的模拟数据来说明本发明实施例所设计的长中子计数器模型的参数优化选择过程。

1、如图2所示，给出了球形慢化体半径对能量响应的影响，在半径为13cm时，14MeV快中子的能量响应达到2附近，不使用中子增殖材料，选择13cm的慢化半径可满足快中子的能量响应。

2、如图3所示，给出了空气圆环不同的设计尺寸对能量响应的影响。第五种即所述空气圆环的4个外环半径值分别是12cm、11.5cm、11cm、10.5cm时，对于整个能区的能量响应提升明显且曲线较平缓，相比其它几种情况更为优良，但在1MeV的附近还是有明显的起伏。

3、a、如图4所示，给出了吸收圆环的材料对能量响应的影响，在第五种设计模型的基础上分别增加Cd、富含¹⁰B的BN、B₄C等材料作为中子吸收材料。可见，几种吸收材料中，镉的中子吸收能力稍弱，碳化硼与氮化硼中子吸收能力相当。但镉毒性较大，对环境污染危害严重。而碳化硼可以吸收大量的中子而不形成任何放射性同位素，较氮化硼制造容易、成本低廉，更适合作为中子吸收材料。最终选择碳化硼作为中子吸收圆环的材料。

b、如图5所示，给出了吸收圆环的外环半径尺寸和厚度对能量响应的影响，碳化硼的外环半径会影响能量响应，在设计模型中心核探测管外侧圆周上下部分添加不同的外环半径尺寸和厚度的碳化硼吸收圆环，将外环半径设计为2cm，厚度设计为1.5cm是吸收圆环尺寸的最佳选择。

4、如图6所示，展出了本发明实施例所设计的长中子计数器模型的优化效果图。图6中所示的13K5B₄C-W2×1.5是本发明实施例所选择的最优优化参数。

下面为对发明实施例所设计的长中子计数器模型所带来的效果进行检验和验证。

1、能量响应验证

为了验证本发明实施例所设计的长中子计数器的准确性，采用的中子能谱为单能的p-T/2.5MeV、D-D/2.8MeV、D-T/14.8MeV中子以及具有较宽能量分布的Pu-Be、Am-Be、²⁵²Cf和服从1/E分布(取自IAEA的IRDFF-II neutron spectra)的中子能谱。验证的结果如图7所示。

2、角响应验证

本发明实施例所设计的长中子计数器在水平平面上角响应完全一致，垂直平面上的角响应计算结果如图8所示。根据ISO 8529-1标准给出的参考源信息，分别采用Am-Be、Am-B、²⁵²Cf、²⁵²Cf经重水慢化后的中子四种中子能谱和加速器产生的0.144MeV的中子进行角响应的计算。

验证结果如图8所示，在水平面上的角响应完全一致，0度和180度的角响应几乎一致。其他对称分布的角度角响应也完全一致。可以看出Am-Be、Am-B、²⁵²Cf三种中子源的角响应相近，在水平面以外其相对角响应偏差小于16.5％，重水慢化后的²⁵²Cf源以及0.144MeV的中子源在水平面以外其相对角响应偏差小于12％。整个长中子计数器在水平面的角响应一致，在垂直平面的相对角响应最大偏差小于16.5％，即本发明实施例所述的长中子计数器在360°空间内有相较稳定的角响应。满足JJG 852-2019《中子周围剂量当量(率)仪》中对角响应的要求。

3、本发明实施例所述的长中子计数器的探测效率

探测器的探测效率是衡量一款探测器性能的重要指标，本发明实施例所述的长中子计数器在设计的能量区间内其探测效率如图9所示，长中子计数器平均探测效率为8.09％，整体上相对比较稳定。

4、本发明实施例所述的长中子计数器的能谱。

如图10所示，本发明实施例所述的长中子计数器在0.765MeV能量处出现全能峰，为质子和氚的动能沉积。在氚核能量0.191MeV处和质子能量0.574MeV处出现了微弱的壁效应，但与全能峰相差几个量级，不影响长中子计数器的性能，结果与期望的输出能谱吻合。

综上，1)本发明实施例所述的长中子计数器在0.01eV～20MeV能量区间的能量响应处于0.6～1.9cm²之间，本发明实施例所设计的慢化体选型为球形，选材为聚乙烯和碳化硼。2)计算了多种中子辐射场对其性能进行验证，利用几种单能中子和Pu-Be、Am-Be、²⁵²Cf以及超热中子谱对长中子计数器的能量响应进行了模拟验证，验证结果与设计能量响应曲线符合较好。3)计算了长中子计数器对Am-Be、Am-B、²⁵²Cf、²⁵²Cf经重水慢化后的中子四种中子能谱和加速器产生的0.144MeV的中子角响应，在水平平面上角响应完全一致，在垂直平面内热能区角响应最大偏差小于16.5％，在360°空间内角响应相较稳定。4)针对本发明实施例所设计的长中子计数器，计算给出其理论的剂量线性关系，以便在使用过程中对其进行校正和改善其剂量线性作为参考。5)计算了本发明实施例所设计的长中子计数器对整个设计能区内不同中子的探测效率，其平均探测效率为8.09％，在整个设计能区内相对比较稳定。6)计算本发明实施例所设计的长中子计数器的输出能谱，与期望输出能谱吻合，有微弱的壁效应和明显的全能峰输出。

下面将列举具体的例子对本发明实施例进行详细的说明。

实施例1

1、如图1所示，中子以垂直探测器的方向入射，入射面面积等于球形慢化体直径剖面的面积。空气圆环为上下对称且半径分别为12、11.5、11、10.5cm。中部³He管外B₄C吸收圆环外环半径为2cm，长为1.5cm。球形慢化体中心的探头采用LND公司的251106型³He管(Ф19.1×130mm，灵敏区Ф18.03×91.9mm)，慢化体材料为聚乙烯，单能中子从0.01eV～20MeV能区取点33个。

2、长中子计数器模型对中子的能量响应曲线

采用0.01eV～20MeV能区内的33个能点进行设计，长中子计数器其在此能区内的能量相应曲线如图11所示，13K5B₄C-W2*1.5为本发明实施例所采用的设计参数对应的能量响应曲线。

3、长中子计数器模型对中子的角响应

本发明实施例所设计的长中子计数器模型中，在整个水平平面角响应完全一致，即：中子在整个水平平面任意方向入射时，长中子计数器的响应完全一致，极大的提升了长中子计数器的适用性。在垂直方向因热中子不能完全进入至空气圆环，所以对热中子的角响应稍差，角响应的计算如图12所示。

根据ISO 8529-1标准给出的参考源信息，分别采用Am-Be、Am-B、²⁵²Cf、²⁵²Cf经重水慢化后的中子四种中子能谱和加速器产生的0.144MeV的中子进行角响应的计算。

如图12，长中子计数器在水平面上的角响应完全一致，所有中子在0度和180度的角响应几乎一致相同。其他对称分布的角度角响应也几乎一致。可以看出Am-Be、Am-B、²⁵²Cf三种中子源的角响应相近，在水平面以外其相对角响应偏差小于16.5％，重水慢化后的²⁵²Cf源以及0.144MeV的中子源在水平面以外其相对角响应偏差小于12％。整个长中子计数器在水平面的角响应一致，在垂直平面的相对角响应最大偏差小于16.5％，长中子计数器在360°空间内有相较稳定的角响应。满足JJG 852-2019《中子周围剂量当量(率)仪》中对角响应的要求。

4、长中子计数器模型剂量线性关系

计数器的剂量线性好坏是衡量其性能好坏的一项指标，随着射线照射剂量的增大，探测器的计数损失变大，从而造成了输出计数的非线性，即剂量呈现非线性。

针对本发明实施例所设计的长中子计数器，计算给出其理论的剂量线性关系，以便在使用过程中对其进行校正和改善其剂量线性作为参考。本发明实施例所设计的长中子计数器的剂量线性关系如图13所示。计算过程采用Am-Be源中子源，以点源各向同性的入射至长中子计数器上，该计数值为探测器显示剂量值，中子剂量转换系数参考ICRP第74号出版物。

实施例2

1、如图14所示，中子以垂直探测器的方向入射，入射面面积等于球形慢化体直径剖面的面积。空气圆环为上下对称且半径分别为12、11.5、11、10.5cm。中部³He管外B₄C吸收圆环外环半径为2cm，厚度为2.6cm(这时，两个吸收圆环是相接触的)。慢化体中心的探头采用LND公司的251106型³He管(Ф19.1×130mm，灵敏区Ф18.03×91.9mm)，慢化材料为聚乙烯，单能中子从0.01eV～20MeV能区取点33个。中心竖直的为LND公司的³He管，聚乙烯慢化球体半径为13cm，空气圆环和碳化硼吸收圆环完全上下对称，上侧的空气圆环的尺寸为半径为12、11.5、11、10.5cm。吸收圆环上侧的尺寸为2×2.6cm(总长5.2cm)

2、长中子计数器模型对中子的能量响应曲线

采用0.01eV～20MeV能区内的33个能点进行设计，设计的计数器其在此能区内的能量相应曲线如图15所示。

3、长中子计数器模型对中子的角响应

在整个水平平面角响应完全一致，即：中子在整个水平平面任意方向入射时，长中子计数器的响应完全一致，极大的提升了长中子计数器的适用性。在垂直方向因热中子不能完全进入至空气圆环，所以对热中子的角响应稍差，角响应的计算如图16所示。

根据ISO 8529-1标准给出的参考源信息，分别采用Am-Be、Am-B、²⁵²Cf、²⁵²Cf经重水慢化后的中子四种中子能谱和加速器产生的0.144MeV的中子进行角响应的计算。

如图16，长中子计数器在水平面上的角响应完全一致，所有中子在0度和180度的角响应几乎一致相同。其他对称分布的角度角响应也几乎一致。可以看出Am-Be、Am-B、²⁵²Cf三种中子源的角响应相近，在水平面以外其相对角响应偏差小于16.5％，重水慢化后的²⁵²Cf源以及0.144MeV的中子源在水平面以外其相对角响应偏差小于12％。整个长中子计数器在水平面的角响应一致，在垂直平面的相对角响应最大偏差小于16.5％，长中子计数器在360°空间内有相较稳定的角响应。满足JJG 852-2019《中子周围剂量当量(率)仪》中对角响应的要求。

4、长中子计数器模型剂量线性关系

计数器的剂量线性好坏是衡量其性能好坏的一项指标，随着射线照射剂量的增大，探测器的计数损失变大，从而造成了输出计数的非线性，即剂量呈现非线性。

针对本发明实施例所设计的长中子计数器，计算给出其理论的剂量线性关系，以便在使用过程中对其进行校正和改善其剂量线性作为参考。本发明实施例所设计的长中子计数器的剂量线性关系如图17所示。计算过程采用Am-Be源中子源，以点源各向同性的入射至长中子计数器上，该计数值为探测器显示剂量值，中子剂量转换系数参考ICRP第74号出版物。

综上，本发明实施例基于长中子计数器原理，利用蒙特卡罗Monte Carlo模拟计算进行中子周围剂量当量仪的设计。仅使用聚乙烯、碳化硼两种安全且无毒害的材料完成了整个长中子计数器的设计，成本低、满足安全和环保的要求，且在实际制作和使用中有较好的性能表现。本发明实施例中的长中子计数器能够拥有较宽的探测区间且在水平面角响应完全一致，且该长中子计数器体积小、重量轻，在实际使用中能够便于携带。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (5)

1.长中子计数器，其特征在于，包括：

球形慢化体，其为聚乙烯材质，用于对快中子进行慢化；

核探测管，其设置在所述球形慢化体的中心部位，用于对中子进行探测；

空气圆环，在所述球形慢化体的内部设置有两个呈圆环状的内腔，每个内腔中均充满空气，形成所述空气圆环，两个所述空气圆环分别位于所述核探测管的上端部圆周和下端部圆周，其中，每个所述空气圆环的外环边均呈阶梯状，使进入到所述空气圆环中的中子能够经历不同厚度的球形慢化体的慢化，从而提高热中子至低能区中子的能量响应；每个所述空气圆环的外环边呈阶梯状的具体设置方式为：两个所述空气圆环对称设置，设置在所述核探测管上端部圆周的空气圆环的外直径从上往下阶梯状变小，设置在所述核探测管下端部圆周的空气圆环的外直径从上往下阶梯状变大；设置在所述核探测管上端部圆周的空气圆环和设置在所述核探测管下端部圆周的空气圆环的外直径均设置有4个呈阶梯状变化的值，当设置的所述球形慢化体的直径值变大或变小时，两个所述空气圆环的外直径值和所述吸收圆环的外直径值随着所述球形慢化体的直径变化而变大或变小；

吸收圆环，其为碳化硼材质，套装在所述核探测管上，并位于两个所述空气圆环之间，用于吸收局部能量响应过高的中子，所述吸收圆环设置有两个，第一吸收圆环和设置在所述核探测管上端部圆周的空气圆环紧挨着，第二吸收圆环和设置在所述核探测管下端部圆周的空气圆环紧挨着；

其中，所述球形慢化体的半径值范围为10cm～16cm；所述吸收圆环的外环半径范围为0.5cm～3cm；所述空气圆环的外环半径值范围为从7.5cm～8.7cm至13.5cm～15cm，所述7.5cm～8.7cm为所述球形慢化体的半径为10cm时所述空气圆环的呈阶梯状的4个半径值的范围，所述13.5cm～15cm为所述球形慢化体的半径为16cm时所述空气圆环的呈阶梯状的4个半径值的范围。

2.如权利要求1所述的长中子计数器，其特征在于，所述球形慢化体的半径值为13cm，所述空气圆环的4个外环半径值分别是12cm、11.5cm、11cm、10.5cm，所述吸收圆环的外环半径值为2cm。

3.如权利要求2所述的长中子计数器，其特征在于，所述空气圆环的厚度为2cm，厚度范围为1.5cm～2.6cm。

4.如权利要求1所述的长中子计数器，其特征在于，所述核探测管采用的是³He探测管，³He与中子发生的反应过程为：

5.如权利要求1所述的长中子计数器，其特征在于，所述球形慢化体采用的聚乙烯密度值为0.95g/cm³。

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