CN115453610A - 一种中子全截面探测器及其探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中子全截面探测器及其探测方法，包括外壳、锂‑6闪烁体、锂‑7闪烁体，光电倍增管、遮光片，本发明根据锂‑6闪烁体、锂‑7闪烁体对中子去弹反应截面巨大的差异，但对伽马射线的响应几乎一致的性质，通过在同一探测器内使用锂‑6闪烁体、锂‑7闪烁体同时测量中子和伽马射线，精确扣除伽马射线本底；采用光电倍增管用于将闪烁体的光信号转换成电信号，进行数据采集；高富集度的锂‑7闪烁体，可在较宽的中子能量区间通过实验测定伽马射线本底的形状和结构，不再依赖Monte‑Carlo模拟，利用外壳前端窗的共振吸收精确定量两个能点的本底水平，仅使用相对归一即可得到整个能量区间的伽马射线本底计算得到中子全截面。
Description
技术领域
本发明属于核工程技术领域，具体涉及一种中子全截面探测器及其探测方法。
背景技术
在所有涉及中子的领域中，中子全截面都是重要的基础数据，如国防建设、新型核能系统研发，核技术利用，核医学、基础核物理研究等
在核工程中，中子的能量一般覆盖热中子(0.0253eV)到数十兆电子伏(MeV)。因此，这一能量区间的中子全截面都是十分重要的。为了在较宽的能量区间测得中子全截面，需要利用宽能区的脉冲中子源，即白光中子源。在白光中子源上，利用透射法和中子飞行时间技术，可以得到全截面随中子能量变化的曲线，这对核工程设计意义重大。
相关技术中，开展中子全截面测量主要采用透射法，注量率为Φ0的中子束通过一定厚度的样品，出射中子束的注量率变为Φ，根据相关公式得到透射率及样品核素的中子全截面。中国散裂中子源(CSNS)反角白光中子源(Back-n)上的全截面测量时，实验样品位于中子源和探测器之间，利用换样装置将样品移入、移出测量位置，通过有样品和无样品时探测器的计数率变化得到样品的透射率。准直器用于增加源中子束的平行度，以及避免散射中子进入探测器。但在测量中需要载有中子转换材料的闪烁体，闪烁体探测器对伽马射线有明显的响应，国际上一般采用共振吸收片的方式评估伽马射线本底，但是仅能准确测定个别能点，整个能量区间的本底扣除仍然依赖Monte-Carlo模拟去除。且当中子源的伴随伽马射线较强时，上述方法扣除伽马射线本底会引入一定的不确定度，影响全截面测量的精度。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种能够在测量透射率的同时测定伽马射线本底，提高全截面测量精度的中子全截面探测器及其探测方法。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：一种中子全截面探测器，包括外壳、锂-6闪烁体，锂-7闪烁体，光电倍增管(PMT)、遮光片，所述锂-6闪烁体、锂-7闪烁体位于外壳中轴上，所述遮光片位于锂-6闪烁体、锂-7闪烁体之间；所述光电倍增管位于外壳的两侧。
进一步地，还包括支架，所述支架位于外壳中轴上，所述锂-6闪烁体，锂-7闪烁体分别安装于所述支架上。
进一步地，所述外壳的两端均设有端窗，分别为前端窗和后端窗；所述前端窗、锂-6闪烁体、锂-7闪烁体、后端窗依次位于所述外壳上。
进一步地，所述外壳两侧设有对称侧翼，所述光电倍增管位于所述侧翼上。
进一步地，所述侧翼与所述外壳中轴呈一定角度设置。
本发明还提供了一种中子全面探测器的探测方法，包括以下步骤：
(1)确定探测器前端窗、后端窗位置与中子束流垂直；
(2)检查探测器，检查无误后将探测器静置30分钟以上，然后通过高压电源给光电倍增管供高压；
(3)将光电倍增管的阳极信号接入数据获取系统；
(4)将待测样品置于中子束流内，样品的圆柱面垂直于中子束流，样品中心位于中子束流中心；
(5)将待测样品移除，此时全部的中子和伽马射线都进入全截面探测器，再次打开数据获取系统记录光电倍增管信号的时间和能量信息；
(6)对数据获取系统获取的数据进行处理，利用中子飞行时间技术确定中子能量，根据公式(1)计算得到透射率，采用得到的透射率根据公式(2)计算得到中子全截面；
其中，CLi6(in)为有样品时锂-6闪烁体的计数率；CLi6(out)为无样品时锂-6闪烁体的计数率；CLi7(in)为有样品时锂-7闪烁体的计数率；CLi7(out)为无样品时锂-7闪烁体的计数率；a和b为利用前端窗的共振得到的归一系数；T为透射率，σt即为样品核素的中子全截面；Nx为样品的原子密度。
采用本发明的技术方案带来的有益效果是，一种中子全截面探测器，本发明根据锂-6闪烁体、锂-7闪烁体对中子去弹反应截面巨大的差异，但对伽马射线的响应几乎一致，通过在同一探测器使用锂-6闪烁体、锂-7闪烁体同时测量中子和伽马射线，精确扣除伽马射线本底，有效提高中子全截面测量的精度；采用光电倍增管用于将闪烁体的光信号转换成电信号，进行数据采集；且高富集度的锂-7闪烁体，可在较宽的中子能量区间通过实验测定伽马射线本底的形状和结构，不再依赖Monte-Carlo模拟，利用外壳前端窗的共振吸收精确定量两个能点的本底水平，仅使用相对归一即可得到整个能量区间的伽马射线本底计算得到中子全截面；本发明使用双光电倍增管降低了单个光电倍增管暗噪声的干扰，提高了信噪比；光电倍增管位于中子束流外，减少了中子辐照，提高了光电倍增管的使用寿命；本发明的探测器结构简单，便于使用。
附图说明
图1是本发明实施例的中子全截面探测器结构示意图；
图2是本发明实施例的锂-6和锂-7的中子去弹反应截面图；
图3是本发明实施例的双光电倍增管测量暗噪声示意图；
图4是本发明实施例的双光电倍增管测量真实信号示意图；
图5是本发明实施例的锂-6闪烁体和锂-7闪烁体对中子源的响应谱图；
图6是本发明实施例的前端窗Ta窗和Co窗对中子的吸收效果图；
图7是本发明实施例的使用前端窗的共振和锂-7闪烁体确定锂-6闪烁体的伽马射线本底图。
其中，外壳1、外壳中轴11、前端窗12、后端窗13、侧翼14、锂-6闪烁体2、锂-7闪烁体3、光电倍增管4、遮光片5、支架6。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
参照附图1，一种中子全截面探测器，包括外壳1、锂-6闪烁体2、锂-7闪烁体3、光电倍增管4、遮光片5；所述锂-6闪烁体2、锂-7闪烁体3位于外壳中轴11上，前后间隔设置；所述遮光片5位于锂-6闪烁体2、锂-7闪烁体3之间；所述光电倍增管4位于外壳1的两侧；所述外壳1的两端均设有端窗。参照附图2，本发明根据锂-6和锂-7的中子去弹反应截面的巨大差异，但对伽马射线的响应几乎一致，通过同一探测器内使用含锂-6闪烁体2和锂-7闪烁体3，先通过锂-6闪烁体2测量中子和伽马射线，然后通过锂-7闪烁体3测量伽马射线，将两者得到的伽马射线相减扣除得到中子全截面；采用光电倍增管4将闪烁体的光信号转换成电信号，进行数据采集；遮光片5避免前端的锂-6闪烁体的闪烁光干扰后端的锂-7闪烁体；利用端窗窗体材料的不同，可吸收中子共振现象中4.28eV和132eV附近的中子，定量测得这两个点的实验本底。
优选地，所述锂-6闪烁体2的厚度为4mm，锂的质量百分比大于2％，锂-6的同位素丰度达到95％。所述锂-6闪烁体2对中子有足够高的探测效率，同时对束流中伽马射线的散射较小。
优选地，所述锂-7闪烁体3的厚度为4mm，锂的质量百分比大于2％，锂-7的同位素丰度达到99.99％。所述锂-6闪烁体2、锂-7闪烁体3对伽马射线的响应基本一致，锂-7闪烁体3对中子几乎无响应。
优选地，所述端窗分别为前端窗12和后端窗13；中子束流从前端窗12入射；所述前端窗12、锂-6闪烁体2、锂-7闪烁体3、后端窗13依次位于所述外壳1上。所述前端窗12、后端窗13与壳体
优选地，所述前端窗12双层设置，依次前后设置的0.5mm厚的钽层和0.5mm厚的钴层，所述前端窗12两层之间间隔1mm，窗体直径100.00mm；所述后端窗13单层设置，为0.1mm的钛层。利用前端窗12中181Ta和59Co对中子的共振现象吸收掉4.28eV和132eV附近的中子，可定量测得这两个点的实验本底；后端窗13采用0.1mm的钛单层可减少中子和伽马射线的散射。所述前端窗12、后端窗13与外壳1螺纹压紧连接。所述前端窗12、后端窗13材料纯度大于99.8％。
优选地，还包括支架6，所述支架6位于外壳中轴11上，所述锂-6闪烁体2、锂-7闪烁体3分别安装于所述支架6上。
优选地，所述外壳1两侧设有两组对称侧翼14，所述光电倍增管4位于所述侧翼14上。所述光电倍增管4的响应波长峰值在420nm左右，典型增益大于1.0x106，暗电流小于50nA。每个闪烁体配备两个PMT，目的是对闪烁光进行符合测量，提高信噪比。每个闪烁体配备两个光电倍增管4，分别在闪烁体的左右两侧，对闪烁光进行符合测量，提高信噪比。
优选地，所述外壳1的长度为400mm，壁厚小于3.5mm；所述外壳中轴11内径不小于94mm；外壳1的尺寸设置可减少外壳1对源中子和伽马射线的干扰；所述侧翼14与外壳中轴11形成的夹角为60°，两组同侧侧翼14间距大于160mm，侧翼内径为58.5mm，长度为255.0mm。侧翼14与外壳中轴11之间的夹角便于光电倍增管4收集经锂-6闪烁体2、锂-7闪烁体3的闪烁光。
优选地，所述遮光片5为0.2mm厚的遮光纸，用于避免前端的锂-6闪烁体2的闪烁光干扰后端的锂-7闪烁体3。
本发明实施例还提供了一种中子全截面探测方法，包括以下步骤：
(1)确定探测器前端窗12、后端窗13位置与中子束流垂直；确保中子束流从探测器中心区域穿过；
(2)检查探测器，检查无误后将探测器静置30分钟以上，然后通过高压电源给光电倍增管4供高压；检查前端窗12、后端窗13、以及光电倍增管4与外壳1的连接处，防止环境光线进入探测器内部；
(3)将光电倍增管4的阳极信号接入数据获取系统；
(4)将待测样品置于中子束流内，样品的圆柱面垂直于中子束流，样品中心位于中子束流中心，打开数据获取系统，开始记录数据，完成后关闭数据获取系统；此时部分中子和伽马射线与样品发生核反应，其他中子和伽马射线则穿透样品进入全截面探测器，锂-6闪烁体2和锂-7闪烁体3发出闪烁光，光电倍增管4将闪烁光转换成电信号输入数据获取系统，数据获取系统记录光电倍增管4信号的时间和能量信息；此时锂-6闪烁体2两侧的光电倍增管4输出的是有样品时中子和伽马射线产生的信号，而锂-7闪烁体3两侧的光电倍增管4输出的是有样品时的伽马射线产生的信号；由于前端窗12能够完全吸收4.28eV和132eV能量的中子，此时锂-6闪烁体2和锂-7闪烁体3在4.28eV和132eV能量处都仅有伽马射线的信号，根据锂-6闪烁体信号谱上4.28eV和132eV能量处的吸收谷，结合锂-7闪烁体3信号在整个测量区间的谱形，可以定量得到有样品时整个测量区间的伽马射线本底；
(5)将待测样品移除，此时全部的中子和伽马射线都进入全截面探测器，再次打开数据获取系统记录光电倍增管4信号的时间和能量信息；此时锂-6闪烁体2两侧的光电倍增管4记录了无样品时中子和伽马射线产生的信号，而锂-7闪烁体3两侧的光电倍增管4记录了无样品时的伽马射线产生的信号；同样地，此时4.28eV和132eV能量处仅有伽马射线，根据锂-6闪烁体2信号谱上4.28eV和132eV能量处的吸收谷，结合锂-7闪烁体3信号在整个测量区间的谱形，可以定量得到无样品时整个测量区间的伽马射线本底；
(6)对数据获取系统获取的数据进行处理，利用中子飞行时间技术确定中子能量，根据公式(1)计算得到透射率T，采用得到的透射率根据公式(2)计算得到中子全截面σt；
其中，CLi6(in)为有样品时锂-6闪烁体2的计数率；CLi6(out)为无样品时锂-6闪烁体2的计数率；CLi7(in)为有样品时锂-7闪烁体3的计数率；CLi7(out)为无样品时锂-7闪烁体3的计数率；a和b为利用前端窗12的共振得到的有样品和无样品时的归一系数；T为透射率，σt即为样品核素的中子全截面；Nx为样品的原子密度。
优选地，所述步骤(2)中，本发明实施例采用两组光电倍增管4，几乎所有的光电倍增管4都会有暗噪声，当真实信号计数率较低时，记录到暗噪声会显著降低实验的信噪比。对于单个光电倍增管4，暗噪声信号是随机产生的，即一个光电倍增管4输出暗噪声信号时，其他光电倍增管4不一定有信号。真实的信号是由闪烁体发光产生的，此时闪烁体附近的光电倍增管4都会有信号输出。符合测量是两个光电倍增管4都有信号时才将该组信号记录下来，剔除只有一个光电倍增管4有信号的暗噪声事件的干扰，提高信噪比。
参照附图3、4，图3中的光电倍增管4有暗噪声，无信号的情况；图4是闪烁体发光引起的两个光电倍增管4的信号。因此，本发明采用对锂-6闪烁体2、锂-7闪烁体3均配备两个光电倍增管4；两个光电倍增管4符合测量可以有效去除图3中的噪声信号，保留图4的真实信号。
优选地，所述步骤(6)中，计算透射率T前，对伽马射线本地进行扣除；本发明实施例使用同位素中子源(PuC)测试锂-6闪烁体和锂-7闪烁体对中子和伽马射线的响应。
PuC中子源除了产生中子外，还会产生一定数量的伽马射线。中子在锂-6闪烁体2中会发生6Li(n,t)4He反应，反应能约4.8MeV，在X轴的200-700区间的计数。相应的，中子在锂-7闪烁体3中几乎不会发生核反应，因此在X轴的200-700区间计数较少。伽马射线在锂-6闪烁体2和锂-7闪烁体3中都会以康普顿散射的方式沉积能量，能量分布较宽(X轴的100-1000区间)，图中锂-7闪烁体3的计数几乎都是由伽马射线贡献的，锂-6闪烁体2的计数也有伽马射线。因此，单独使用锂-6闪烁体2开展中子测量，必然会受到伽马射线的影响，本发明实施例采用锂-6闪烁体2、锂-7闪烁体3同时展开中子测量，可有效精确地扣除过程中的伽马射线，提高本发明实施例计算中子全截面的精确度。
参照附图6，优选地，所述步骤(6)中，本发明实施例利用Ta和Co在4.28eV和132eV附近的共振吸收掉全部的中子，此时测量得到的计数就基本上是来自伽马射线的贡献。使用Monto-Carlo对0.5mm厚度的Ta窗和0.5mm厚的Co窗进行计算，可以看出经过前端窗12的Ta窗和Co窗后，4.28eV和132eV附近的中子几乎被完全吸收掉。
在白光中子源上开展中子全截面测量，锂-6闪烁体2用于测量有样品和无样品时的中子计数率变化，得到中子透射率。但是，锂-6闪烁体2测得的信号包含中子和伽马射线，必须准确剔除伽马射线本底才能得到准确的中子透射率。使用锂-7闪烁体3可以得到伽马射线本底的形状和结构，但是缺少绝对探测效率，不能准确得到伽马射线本底的绝对值。
参照附图7，本发明实施例通过端窗的共振吸收可以得到4.28eV和132eV两个能点的本底绝对值，此时将锂-7闪烁体3测得的形状归一到4.28eV和132eV能点上，即可得到整个测量能量区间的伽马射线本底，所得到的归一系数即为公式(2)中的a和b，其中有样品时的归一系数为a，无样品时的归一系数为b。从图中可看出，伽马射线本底谱可以很好的归一在4.28eV和132eV两个能点的共振吸收谷上，表明此时整个测量能区的伽马射线本底的形状和数值都是准确的，且伽马射线本底占总计数的10％左右，且随着源中子能量变化而变化，通过前端窗12的共振吸收和锂-7闪烁体3的配合，可得到准确的伽马射线本底。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种中子全截面探测器，其特征是：包括外壳(1)、锂-6闪烁体(2)、锂-7闪烁体(3)、光电倍增管(4)、遮光片(5)；所述锂-6闪烁体(2)、锂-7闪烁体(3)位于外壳中轴(11)上，前后间隔设置；所述遮光片(5)位于锂-6闪烁体(2)、锂-7闪烁体(3)之间；所述光电倍增管(4)位于外壳(1)的两侧；所述外壳(1)的两端均设有端窗。
2.根据权利要求1所述的一种中子全截面探测器，其特征是：所述锂-6闪烁体(2)的厚度为4mm，锂的质量百分比大于2％，锂-6的同位素丰度达到95％。
3.根据权利要求1所述的一种中子全截面探测器，其特征是：所述锂-7闪烁体(3)的厚度为4mm，锂的质量百分比大于2％，锂-7的同位素丰度达到99.99％。
4.根据权利要求1所述的一种中子全截面探测器，其特征是：所述端窗分别为前端窗(12)和后端窗(13)；中子束流从前端窗(12)入射；所述前端窗(12)、锂-6闪烁体(2)、锂-7闪烁体(3)、后端窗(13)依次位于所述外壳(1)上。
5.根据权利要求4所述的一种中子全截面探测器，其特征是：所述前端窗(12)双层设置，依次前后设置的0.5mm厚的钽层和0.5mm厚的钴层，所述前端窗(12)两层之间间隔1mm，窗体直径100.00mm；所述后端窗(13)单层设置，为0.1mm的钛层。
6.根据权利要求1所述的一种中子全截面探测器，其特征是：还包括支架(6)，所述支架(6)位于外壳中轴(11)上，所述锂-6闪烁体(2)、锂-7闪烁体(3)分别安装于所述支架(6)上。
7.根据权利要求1所述的一种中子全截面探测器，其特征是：所述外壳(1)两侧设有两组对称侧翼(13)，所述光电倍增管(4)位于所述侧翼(13)上。
8.根据权利要求1所述的一种中子全截面探测器，其特征是：所述外壳(1)的长度为400mm，壁厚小于3.5mm；所述外壳中轴(11)内径不小于94mm；所述侧翼(13)与外壳中轴(11)形成的夹角为60°，两组同侧侧翼(13)间距大于160mm，侧翼内径为58.5mm，长度为255.0mm。
9.根据权利要求1～8任一项所述的一种中子全截面探测器的探测方法，包括以下步骤：
(1)确定探测器前端窗(12)、后端窗(13)位置与中子束流垂直；确保中子束流从探测器中心区域穿过；
(2)检查探测器，检查无误后将探测器静置30分钟以上，然后通过高压电源给光电倍增管(4)供高压；
(3)将光电倍增管(4)的阳极信号接入数据获取系统；
(4)将待测样品置于中子束流内，样品的圆柱面垂直于中子束流，样品中心位于中子束流中心，打开数据获取系统，开始记录数据，完成后关闭数据获取系统；
(5)将待测样品移除，再次打开数据获取系统记录光电倍增管4信号的时间和能量信息；
(6)对上述数据获取系统获取的数据进行处理，利用中子飞行时间技术确定中子能量，根据公式(1)计算得到透射率T，采用得到的透射率根据公式(2)计算得到中子全截面σt；
其中，CLi6(in)为有样品时锂-6闪烁体(2)的计数率；CLi6(out)为无样品时锂-6闪烁体(2)的计数率；CLi7(in)为有样品时锂-7闪烁体(3)的计数率；CLi7(out)为无样品时锂-7闪烁体(3)的计数率；a和b为利用前端窗(12)共振得到的有样品和无样品时的归一系数；T为透射率，σt即为样品核素的中子全截面；Nx为样品的原子密度。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210968019.XA CN115453610A (zh) | 2022-08-12 | 2022-08-12 | 一种中子全截面探测器及其探测方法 |
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| CN (1) | CN115453610A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116736364A (zh) * | 2023-05-12 | 2023-09-12 | 中国工程物理研究院材料研究所 | 一种中子测量系统本底计数率抑制系统及抑制方法 |
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2022
- 2022-08-12 CN CN202210968019.XA patent/CN115453610A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116736364A (zh) * | 2023-05-12 | 2023-09-12 | 中国工程物理研究院材料研究所 | 一种中子测量系统本底计数率抑制系统及抑制方法 |
| CN116736364B (zh) * | 2023-05-12 | 2023-12-29 | 中国工程物理研究院材料研究所 | 一种中子测量系统本底计数率抑制系统及抑制方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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