CN116047576A - 一种中子探测器及其制备方法 - Google Patents

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李仕成
王庆屹
王雷
熊忠华
陈艳平
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Abstract

本发明公开了一种中子探测器及其制备方法，涉及中子探测技术领域。所述探测器包括：硅光电倍增管和设置在所述硅光电倍增管上的锂玻璃光导探测元件；所述锂玻璃光导探测元件包括光导和嵌于所述光导内部的锂玻璃丝。本发明能够满足中子剂量当量仪在60Co或137Cs10mSv/h下伽马抑制比大于100:1的要求，以及提高中子剂量相应的灵敏度，实现便携式仪器的工程需求。

Description

一种中子探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及中子探测技术领域，特别是涉及一种中子探测器及其制备方法。
背景技术
在快速发展的核电产业、辐射计量和基础科研等涉核探测领域，中子探测占有及其重要的地位，其中,中子辐射计量、核材料监测、中子测井、中子活化分析系统等测量设备的核心器件是小体积(1～3英寸)、高性能的中子探测器，以商用中子剂量仪为例，其用于涉核工作场所中子周围剂量当量的快速和实时测量，一般要求核心中子探测器具备较低的本底水平、较高的中子灵敏度、强伽马甄别能力，同时要求仪器稳定性高和抗振动干扰能力。
目前中心探测器有气体探测器(3He管和BF3管)和固态探测器(6LiI、6Li玻璃等)两大类。目前气体探测器3He价格高、BF3有毒性处于淘汰，且气体探测器本身的抗振性能较差；而固态闪烁体探测器6LiI、6Li玻璃(薄片、块状等)虽然抗振性好，但其在探测性能如中子探测效率、伽马灵敏度等存在诸多不足：1、对于6Li玻璃薄片，其伽马灵敏度较高，很难满足中子剂量当量仪在60Co或137Cs10mSv/h下伽马抑制比大于100:1的要求，而且容易在强252Cf、AmBe场下因伽马响应造成电子学堵塞而使仪器的中子高剂量率端量程受限。2、一般6LiI晶体的生长尺寸和6Li玻璃的浇筑尺寸都较小，导致仪器中子剂量响应的灵敏度较低；而获得大体积的探测器的成本较高，因此需要使用大体积的光电倍增器件时，这些都无法适应于便携式仪器的工程需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种中子探测器及其制备方法，能够满足中子剂量当量仪在60Co或137Cs10mSv/h下伽马抑制比大于100:1的要求，以及提高中子剂量相应的灵敏度，实现便携式仪器的工程需求。
为实现上述目的，本发明提供了一种中子探测器，包括：光电转换器和设置在所述光电转换器上的锂玻璃光导探测元件；
所述锂玻璃光导探测元件包括光导和嵌于所述光导内部的锂玻璃构件。
可选地，所述光导的形状为圆柱形或长方形。
可选地，所述锂玻璃构件的数量为多个；所述锂玻璃构件均匀排布于所述光导中；相邻两个所述锂玻璃构件之间通过设定间距排布。
可选地，还包括：屏蔽壳；所述锂玻璃光导探测元件和光电转换器封装于所述屏蔽壳内。
可选地，所述屏蔽壳的底部设有两个输出接口；其中一个输出接口为高压接口，另一个输出接口为信号接口。
可选地，所述屏蔽壳的材料为铝合金。
可选地，还包括：防震胶层；所述防震胶层封装于所述屏蔽壳内部；所述防震胶层设于所述锂玻璃光导探测元件和所述光电转换器的外表面。
可选地，所述防震胶层的材料为聚酰胺树脂。
可选地，还包括：弹性光导片；所述弹性光导片设于所述锂玻璃光导探测元件和所述光电转换器之间。
本发明还提供了一种中子探测器的制备方法，包括：
采用机械切割法或熔融拉丝法制备锂玻璃构件；
采用机械加工法或整体浇筑法将所述锂玻璃构件嵌入光导中，得到锂玻璃光导探测元件；
将所述锂玻璃光导探测元件和光电转换器由上至下封装于屏蔽壳中。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种中子探测器及其制备方法，所述探测器包括光电转换器和设置在所述光电转换器上的锂玻璃光导探测元件；所述锂玻璃光导探测元件包括光导和嵌于所述光导内部的锂玻璃构件。本发明将玻璃构件嵌入光导结构能提高单位体积的锂玻璃含量而同时大幅提高对快、热中子的探测效率，而且角度响应更佳、体积更小。因此，本发明的新型中子探测器在实际工程中性能更好，能够满足中子剂量当量仪在60Co或137Cs10mSv/h下伽马抑制比大于100:1的要求，以及提高了中子剂量相应的灵敏度，实现了便携式仪器的工程需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中子探测器的结构示意图；
图2为本实施例中采用紧凑型光电倍增管中子探测器的结构示意图；
图3为本实施例中锂玻璃光导探测元件的结构示意图；
图4(a)为本实施例中1mm锂玻璃薄片的6Li玻璃探测器在n-γ辐射场测试的脉冲幅度谱示意图；
图4(b)为本实施例中300μm锂玻璃丝和光导的6Li玻璃探测器在n-γ辐射场测试的脉冲幅度谱示意图；
图5(a)为本实施例中采用SIPM的6Li玻璃探测器在n-γ辐射场测试的脉冲幅度谱示意图；
图5(b)为本实施例中采用PMT的6Li玻璃探测器在n-γ辐射场测试的脉冲幅度谱示意图；
图6为本发明探测器的制备方法的方法流程图。
附图标记：
1-锂玻璃光导探测元件；2-硅光电倍增管；3-弹性光导片；4-防震胶层；5-屏蔽壳；6-紧凑型光电倍增管；7-光导；8-锂玻璃丝。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
本发明的目的是提供一种中子探测器及其制备方法，能够满足中子剂量当量仪在60Co或137Cs10mSv/h下伽马抑制比大于100:1的要求，以及提高中子剂量相应的灵敏度，实现便携式仪器的工程需求。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明实施例提供的一种中子探测器，包括：光电转换器和设置在所述光电转换器上的锂玻璃光导探测元件1；所述锂玻璃光导探测元件1包括光导7和嵌于所述光导7内部的锂玻璃构件。其中，作为一种具体的选择，所述光电转换器为紧凑型光电倍增管或硅光电倍增管；所述锂玻璃构件可为锂玻璃丝8、锂玻璃颗粒或者锂玻璃薄片等其他构型。
作为一种具体的实施方式，如图3所示，所述光导7的形状为圆柱形或长方形，但根据实际需求，也可为其他形状。所述锂玻璃构件的数量为多个；所述锂玻璃构件均匀排布于所述光导7中；相邻两个所述锂玻璃构件之间通过设定间距排布。该设定间距大于2毫米效果更佳，此设定间距不仅可以降低伽马在单个锂玻璃构件中的能量沉积，还可以减少相邻锂玻璃间的串扰，提高中子-伽马甄别能力。而多个锂玻璃构件排布，能够保证探头有足够的锂玻璃含量和探测效率。对于中子剂量仪、中子多球谱仪和通用中子探头等应用，光导7即探头尺寸一般在1～3英寸左右。
作为一种可选的实施方式，所述中子探测器还包括：屏蔽壳5；所述锂玻璃光导探测元件1和光电转换器封装于所述屏蔽壳5内。所述屏蔽壳5的底部设有两个输出接口；其中一个输出接口为高压接口，另一个输出接口为信号接口。所述屏蔽壳5的材料为铝合金。
作为一种可选的实施方式，所述中子探测器还包括：防震胶层4；所述防震胶层4封装于所述屏蔽壳5内部；所述防震胶层4设于所述锂玻璃光导探测元件1和所述光电转换器的外表面。所述防震胶层4的材料为聚酰胺树脂。
作为一种可选的实施方式，所述中子探测器还包括：弹性光导片3；所述弹性光导片3设于所述锂玻璃光导探测元件1和所述光电转换器之间。
在实际应用中，锂玻璃丝8还可根据实际情况替换为锂玻璃颗粒或锂玻璃薄片，输出接口也可根据实际情况采用其他接口进行设置。
为验证新型探测器设计对6Li玻璃探测器n-γ甄别性能的提升，在实验室使用了60Co(1.3MeVγ)和241AmLi中子源对封装的Φ50mm中子探测器进行了脉冲幅度谱测试。
从图4(a)-图4(b)中可以看出，60Co的γ沉积能量减小后能和241AmLi热中子峰之间形成一个较宽的平台，因此通过幅度甄别就能够被非常好地分开，这表明探测器有很好的n-γ甄别和稳定性，以上性能对于中子测量等应用是至关重要的。
在实际应用中，锂玻璃光导探测元件1的后端需匹配光电读出器件，其作用是将锂玻璃荧光信号转换为电信号，并传输给相应电子学系统实现对该电信号的幅度或时间分析。如图1和图2所示，常用的光电转换器包括硅光电倍增管2(SiPM)和紧凑型光电倍增管6(PMT)；前者属于半导体器件，对温度敏感而存在温度的增益漂移，但在正常温度50度以内使用稳定性高，后者为真空电子器件，热噪声低且可适应的温度范围宽但体积较大。
对上述两个光电读出器件进行实验，结果如图5(a)-图5(b)所示，通过采用硅光电倍增管2(SIPM)和紧凑型光电倍增管6(PMT)两种读出的新型锂玻璃探测器的241AmLi中子脉冲幅度谱，可以看到使用SIPM后伽马和热中子峰之间仍保留一个较宽的平台，采用SIPM读出时能够大幅缩小探测器体积同时基本保持其中子探测性能。因此，采用硅光电倍增管替代现有技术中常用的光电倍增管，可压缩探头体积，而且不需要高压模块同时有效减小探测器功耗，适应于便携式中子探测器和中子剂量巡检仪。
根据上述实验结果可知，由于现有基于锂玻璃的中子探测器都具有较高的伽马灵敏度,主要是由锂玻璃自身中子探测的原理特性决定的，本质上它由6Li核反应6Li(n,α)3HQ＝4.78MeV来探测热中子，其热中子峰等效电子能量约1.5MeV,因此1.5MeV附近及以上高能伽马会难以与中子有效甄别。
因此，本发明在上述问题上进行分析可知，1.5MeV以上高能伽马产生的康普顿电子在锂玻璃中的射程约1.5mm，因而通过多个锂玻璃细丝(0.5mm～1.5mm)替代传统的锂玻璃(1mm左右薄片和更厚块体)，即可实现将6Li玻璃的尺寸缩减可以至1.5mm左右以下可以极大的减少伽马能量沉积，从而能实现中子伽马有效甄别，同时极大降低伽马(信号)灵敏度而避免在高剂量中子辐射场(伴随强伽马射线)信号堆积，而实现高中子剂量率测量。
通过理论计算，本发明的中子探测器设计采用的分离的锂玻璃细丝嵌入光导7中组成全固态探头，能在中子探测性能上大幅提升，同时具有很好的抗振性以满足工程应用需求。一方面，采用分离锂玻璃丝8可以将伽马灵敏度再降低1～2两个量级，如1mm锂玻璃细丝伽马灵敏度约4:10000，300μm玻璃丝的伽马灵敏度小于1:100000，因此如用于中子剂量当量仪等将能满足国标GB/T14318的60Co或137Csγ射线抑制比大于100:1的要求。另一方面，玻璃丝嵌入光导7的结构能提高单位体积的锂玻璃含量而同时大幅提高对快、热中子的探测效率，而且角度响应更佳。
本发明的中子探测器，可作为中子计量与辐射监测、中子测井、中子活化分析系统等测量设备的核心中子探测器件，目前没有其他6LiI和锂玻璃基中子探测器方案，能达到本发明的高中子探测效率、强伽马甄别、稳定性及强抗振等探测性能和工程化要求。
基于上述中子探测器的结构，本发明还提供了一种中子探测器的制备方法，如图6所示，包括：
步骤100：采用机械切割法或熔融拉丝法制备锂玻璃构件。
步骤200：采用机械加工法或整体浇筑法将所述锂玻璃构件嵌入光导中，得到锂玻璃光导探测元件。
步骤300：将所述锂玻璃光导探测元件和光电转换器由上至下封装于屏蔽壳中。
作为步骤100的具体实施方式，具体包括：当锂玻璃构件为锂玻璃丝时，其制备可以通过机械切割、预制棒或熔融拉丝法等方法加工0.5mm～1.5mm锂玻璃丝，其中1mm及以上锂玻璃丝上述方法都可采用，而1mm以下锂玻璃丝则只能由熔融拉丝法获得。
作为步骤200的具体实施方式，具体包括：
由于光导材料是要求光学特性匹配的，即折射率在锂玻璃1.5左右而且其对于锂玻璃280nm～480nm荧光透过率极高的材料，因此可以选用玻璃、石英的无机材料也可以选择聚氯乙烯PVT、有机玻璃等高透光有机材料。其中，高透光有机材料对快中子有慢化作用，可以提高探测器的快中子探测效率。
对于锂玻璃光导探测元件，可以通过机械加工和整体浇筑(聚合)两种方式实现探测器组装，机械加工首先通过机械打孔、抛光得到的含柱形孔光导7，再嵌入锂玻璃丝并灌注光学胶，得到一体化固态探测器。整体浇筑则是将锂玻璃丝放入玻璃、石英无机材料的模具中进行整体浇筑，或者将锂玻璃丝放入PVT、有机玻璃的原材料混合液模具中经化学聚合后得到。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种中子探测器，其特征在于，包括：光电转换器和设置在所述光电转换器上的锂玻璃光导探测元件；
所述锂玻璃光导探测元件包括光导和嵌于所述光导内部的锂玻璃构件。
2.根据权利要求1所述的中子探测器，其特征在于，所述光导的形状为圆柱形或长方形。
3.根据权利要求1所述的中子探测器，其特征在于，所述锂玻璃构件的数量为多个；所述锂玻璃构件均匀排布于所述光导中；相邻两个所述锂玻璃构件之间通过设定间距排布。
4.根据权利要求1所述的中子探测器，其特征在于，还包括：屏蔽壳；所述锂玻璃光导探测元件和光电转换器封装于所述屏蔽壳内。
5.根据权利要求4所述的中子探测器，其特征在于，所述屏蔽壳的底部设有两个输出接口；其中一个输出接口为高压接口，另一个输出接口为信号接口。
6.根据权利要求4所述的中子探测器，其特征在于，所述屏蔽壳的材料为铝合金。
7.根据权利要求4所述的中子探测器，其特征在于，还包括：防震胶层；所述防震胶层封装于所述屏蔽壳内部；所述防震胶层设于所述锂玻璃光导探测元件和所述光电转换器的外表面。
8.根据权利要求7所述的中子探测器，其特征在于，所述防震胶层的材料为聚酰胺树脂。
9.根据权利要求1所述的中子探测器，其特征在于，还包括：弹性光导片；所述弹性光导片设于所述锂玻璃光导探测元件和所述光电转换器之间。
10.一种中子探测器的制备方法，其特征在于，所述方法用于制备权利要求1-9中任意一项所述的中子探测器，所述方法，包括：
采用机械切割法或熔融拉丝法制备锂玻璃构件；
采用机械加工法或整体浇筑法将所述锂玻璃构件嵌入光导中，得到锂玻璃光导探测元件；
将所述锂玻璃光导探测元件和光电转换器由上至下封装于屏蔽壳中。
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