CN117214944A - 慢中子探测结构及测量慢中子能谱的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于中子探测技术领域，涉及一种慢中子探测结构及测量慢中子能谱的方法，慢中子探测结构包括：屏蔽桶，设为开口的方形；探测器单元，为具有位置分辨功能的慢中子探测器，所述探测器单元完全包裹于所述屏蔽桶内，所述探测器单元贴近所述屏蔽桶内与所述屏蔽桶开口面垂直的其中一面放置。当慢中子探测结构以设定速度运动时，能够根据达到屏蔽桶内不同深度的慢中子数量反推入射慢中子能谱。本发明慢中子探测结构简单且紧凑，能够有效提取慢中子能谱信息。
Description
技术领域
本发明属于中子探测技术领域，具体地说，涉及一种慢中子探测结构及测量慢中子能谱的方法。
背景技术
由于中子不带电，通过物质时和物质中的电子不发生作用，不能直接引起电离，所以需要通过探测其与原子核相互作用产生的次级粒子间接探测中子。目前国际上对中子的探测方法主要有核反应法、核反冲法、核裂变法、活化法等。其中，慢中子主要通过核反应法使用和中子反应截面较大的元素（如10B、6Li、3He等）探测，但是这种方法无法区分入射慢中子的能量，只能得到慢中子通量。但是区分不同能段的慢中子（<0.x eV）通量能够帮助解决一些重要的科学问题，如获得空间待测辐射环境中更精细的中子能谱、提高行星土壤成分的反演准确度等，因此，研究一种慢中子探测结构，能够测量并区分不同能量的慢中子通量是非常有必要的。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不能区分慢中子入射能量等上述问题，提供了一种慢中子探测结构及测量慢中子能谱的方法，能够有效测量并区分不同能量的慢中子通量，可靠性高。
为了达到上述目的，本发明第一方面提供了一种慢中子探测结构，包括：
屏蔽桶，设为开口的方形；
探测器单元，为具有位置分辨功能的慢中子敏感探测器，所述探测器单元完全包裹于所述屏蔽桶内，所述探测器单元贴近所述屏蔽桶内与所述屏蔽桶开口面垂直的其中一面放置。
在一些实施例中，所述屏蔽桶为由Gd材料制作而成的方形桶，所述屏蔽桶桶壁的厚度为1mm，以阻挡能量<0.4 eV的中子。
在一些实施例中，所述屏蔽桶为由Cd材料制作而成的方形桶，所述屏蔽桶桶壁的厚度为1mm，以阻挡能量<0.4 eV的中子。
在一些实施例中，所述屏蔽桶为由碳化硼含量为40%的铝基碳化硼制作而成的方形桶，所述屏蔽桶桶壁的厚度为5mm，以阻挡能量<2 eV的中子。
在一些实施例中，所述屏蔽桶的深度为10cm，桶内空间的底面积为10*10cm2。
为了达到上述目的，本发明第二方面提供了一种测量慢中子能谱的方法，采用本发明第一方面所述慢中子探测结构，含有以下步骤：
S1、将慢中子探测结构置于运动的设备上，使探测器单元正对设备的运动方向，得到到达屏蔽桶内不同深度的慢中子数量，基于不同深度的慢中子数量绘制慢中子深度分布谱，所述慢中子深度分布谱共分为N道；
S2、根据通过模拟得到的不同能量的慢中子和慢中子能够达到屏蔽桶内最大深度之间的关系将慢中子探测能量范围对应分成N份，分别为0-E1、E1-E2、...、EN-1-EN，其中EN=E，E为能够被屏蔽桶屏蔽掉的慢中子最大能量，则慢中子深度分布谱中第N通道的慢中子数量由能量在EN-1-EN范围内的中子产生；结合通过模拟得到的能量在EN-1-EN范围内的中子到达屏蔽桶不同深度的概率占比和慢中子深度分布谱中第N通道的慢中子数量得到能量在EN-1-EN范围内的中子对测量得到的慢中子深度分布谱中N个通道慢中子数量的贡献；
S3、慢中子深度分布谱中第N-1通道的慢中子数量由能量在EN-2-EN-1和EN-1-EN范围内的中子产生，其中，能量在EN-1-EN范围内的中子对慢中子深度分布谱中第N-1通道慢中子数量的贡献由步骤S2得到，能量在EN-2-EN-1范围内的中子对慢中子深度分布谱第N-1通道慢中子数量的贡献等于慢中子深度分布谱中第N-1通道慢中子数量减去能量在EN-1-EN范围内的中子对第N-1通道慢中子数量的贡献；结合通过模拟得到的能量在EN-2-EN-1范围内的中子到达屏蔽桶不同深度的概率占比和慢中子深度分布谱中第N-1通道的慢中子数量得到能量在EN-2-EN-1范围内的中子对测量得到的慢中子深度分布谱中N-1个通道慢中子数量的贡献，所述N-1个通道包含第1、2、…、N-2、N-1通道；
S4、慢中子深度分布谱中第N-2通道的慢中子数量由能量在EN-3-EN-2、EN-2-EN-1和EN-1-EN范围内的中子产生，其中，能量在EN-1-EN范围内的中子对慢中子深度分布谱中第N-2通道慢中子数量的贡献由步骤S2得到，能量在EN-2-EN-1范围内的中子对慢中子深度分布谱中第N-2通道慢中子数量的贡献由步骤S3得到，能量在EN-3-EN-2范围内的中子对慢中子深度分布谱第N-2通道慢中子数量的贡献等于慢中子深度分布谱中第N-2通道慢中子数量减去能量在EN-1-EN范围内的中子对第N-2通道慢中子数量的贡献和能量在EN-2-EN-1范围内的中子对第N-2通道慢中子数量的贡献，所述N-2个通道包含第1、2、…、N-3、N-2通道；类似的，得到屏蔽桶内慢中子深度分布谱中所有通道中不同能量区间的中子贡献，即可得到慢中子能谱。
在一些实施例中，步骤S1中，假设所有慢中子的运动方向均与慢中子探测结构的屏蔽桶底面垂直，则中子到达屏蔽桶内的最大深度与屏蔽桶宽度的比值和中子能量、屏蔽桶速度之间的关系表示为：
（1）
式中，d max为中子到达屏蔽桶内的最大深度，w为屏蔽桶沿运动方向的宽度，v n为中子的速度，v为屏蔽桶的运动速度，E k为中子动能，m 0为中子的静止质量；
在屏蔽桶运动速度不变时，中子动能和中子到达屏蔽桶的最大深度与屏蔽桶宽度的比值有单调的正相关关系，由此区分慢中子能量，以得到慢中子能谱。
在一些实施例中，步骤S1中，根据慢中子探测结构的参数分辨慢中子能量，其具体方法为：
设动能为E k1和E k2的中子能够达到屏蔽桶内的最大深度分别为d max1和d max2，则有：
（2）
（3）
将公式（2）和公式（3）相比，得到：
（4）
通过公式（4）表征慢中子探测结构对慢中子能量的分辨能力。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
（1）本发明慢中子探测结构通过其结构设计，能够测量慢中子能谱，有效区分不同能量的慢中子通量，可靠性高。
（2）本发明慢中子探测结构非常紧凑，占用空间小，能够应用在小型化低功耗的设备中。
（3）本发明测量慢中子能谱的方法，基于设计的慢中子探测结构，基于设定速度运动的慢中子探测结构，探测达到慢中子探测结构屏蔽桶内不同深度的慢中子数量，基于慢中子数量绘制慢中子深度分布谱，然后根据慢中子深度分布谱反推入射慢中子能谱，能够有效获取慢中子能谱，并区分不同能量的慢中子通量。
附图说明
图1为本发明实施例所述慢中子探测结构的立体结构示意图；
图2为本发明实施例所述慢中子探测结构的正面结构示意图；
图3为本发明实施例所述慢中子探测结构的局部放大图；
图4为本发明实施例不同能量中子到达屏蔽桶不同深度的概率示意图；
图5为本发明实施例中子到达屏蔽桶的最大深度和中子能量的关系图。
图中，1、屏蔽桶，11、开口，2、探测器单元。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
参见图1至图3，本发明第一方面实施例提供了一种慢中子探测结构，包括：
屏蔽桶1，设为开口11的方形；
探测器单元2，为具有位置分辨功能的慢中子探测器，所述探测器单元2完全包裹于所述屏蔽桶1内，所述探测器单元2贴近所述屏蔽桶1内与所述屏蔽桶1开口面垂直的其中一面放置。
具体地，在一些实施例中，所述慢中子探测器采用但不限于含慢中子转换层的带电粒子探测器、含慢中子敏感元素的闪烁体探测器等，能够探测慢中子，但无法区分慢中子能量。
具体地，在一些实施例中，所述探测器单元2贴近所述屏蔽桶1内与所述屏蔽桶1开口面垂直的左侧面放置。需要说明的是，探测器单元的位置可根据实际需求进行设置，不限于贴近所述屏蔽桶1内与所述屏蔽桶1开口面垂直的左侧面放置，还可以贴近所述屏蔽桶1内与所述屏蔽桶1开口面垂直的右侧面、或前侧面、或后侧面放置。
具体地，在一些实施例中，所述屏蔽桶为由Gd材料制作而成的方形桶，所述屏蔽桶桶壁的厚度为1mm，以阻挡能量<0.4 eV的中子。
具体地，在一些实施例中，所述屏蔽桶为由Cd材料制作而成的方形桶，所述屏蔽桶桶壁的厚度为1mm，以阻挡能量<0.4 eV的中子。
具体地，在一些实施例中，所述屏蔽桶为由碳化硼含量为40%的铝基碳化硼制作而成的方形桶，所述屏蔽桶桶壁的厚度为5mm，以阻挡能量<2 eV的中子。
需要说明的是，屏蔽桶的厚度因制作屏蔽桶的材料不同而不同，只要其能够阻挡一定能量（可根据实际需求设定）的慢中子即可。
在一些实施例中，所述屏蔽桶的深度为10cm，桶内空间的底面积为10*10cm2。需要说明的是，所述屏蔽桶的深度和桶内空间的底面积受探测设备大小和探测器大小限制，例如：如果放在卫星上，则受卫星的载荷体积限制。因此，屏蔽桶的深度和桶内空间的底面积可根据实际探测设备和探测器大小进行调整，不限于深度为10cm，桶内空间面积为10*10cm2。
本发明上述慢中子探测结构，将其用于测量慢中子能谱时，需要将慢中子探测结构置于运动的设备上，使探测器单元正对设备的运动方向，在设备运动过程中，屏蔽桶和探测器单元随着设备运动，探测器单元探测到达屏蔽桶内不同深度的慢中子数量，以便基于不同深度的慢中子数量绘制慢中子深度分布谱，进而基于慢中子深度分布谱获得慢中子能谱。
本发明上述慢中子探测结构，能够测量慢中子能谱，有效区分不同能量的慢中子通量，可靠性高。且结构非常紧凑，占用空间小，能够应用在小型化低功耗的设备中。
本发明第二方面实施例提供了一种测量慢中子能谱的方法，参见图1，采用上述慢中子探测结构，含有以下步骤：
S1、将慢中子探测结构置于运动的设备上，使探测器单元正对设备的运动方向，得到到达屏蔽桶内不同深度的慢中子数量，基于不同深度的慢中子数量绘制慢中子深度分布谱，所述慢中子深度分布谱共分为N道。
具体地，假设所有慢中子的运动方向均与慢中子探测结构的屏蔽桶底面垂直，则中子到达屏蔽桶内的最大深度与屏蔽桶宽度的比值和中子能量、屏蔽桶速度之间的关系表示为：
（1）
式中，d max为中子到达屏蔽桶内的最大深度，w为屏蔽桶沿运动方向的宽度，v n为中子的速度，v为屏蔽桶的运动速度，E k为中子动能，m 0为中子的静止质量。
需要说明的是，由于慢中子能量较低，速度远小于光速，因此，根据经典力学公式得到中子动能E k与中子速度之间的关系。
在屏蔽桶运动速度不变时，中子动能和中子到达屏蔽桶的最大深度与屏蔽桶宽度的比值有单调的正相关关系，由此区分慢中子能量，以得到慢中子能谱。
具体地，根据慢中子探测结构的参数分辨慢中子能量，其具体方法为：
设动能为E k1和E k2的中子能够达到屏蔽桶内的最大深度分别为d max1和d max2，则有：
（2）
（3）
将公式（2）和公式（3）相比，得到：
（4）
通过公式（4）表征慢中子探测结构对慢中子能量的分辨能力。
因此，探测器单元正对设备的运动方向时，探测器单元测量到达屏蔽桶内不同深度的慢中子数量，基于不同深度的慢中子数量绘制不同深度的慢中子深度分布谱，以基于慢中子深度分布谱获得慢中子能谱。
S2、根据通过模拟得到的不同能量的慢中子和慢中子能够达到屏蔽桶内最大深度之间的关系将慢中子能量测试范围对应分成N份，分别为0-E1、E1-E2、...、EN-1-EN，其中EN=E，E为能够被屏蔽桶屏蔽掉的慢中子最大能量，则慢中子深度分布谱中第N通道的慢中子数量由能量在EN-1-EN范围内的中子产生；结合通过模拟得到的能量在EN-1-EN范围内的中子到达屏蔽桶不同深度的概率占比和慢中子深度分布谱中第N通道的慢中子数量得到能量在EN-1-EN范围内的中子对测量得到的慢中子深度分布谱中N个通道慢中子数量的贡献。
S3、慢中子深度分布谱中第N-1通道的慢中子数量由能量在EN-2-EN-1和EN-1-EN范围内的中子产生，其中，能量在EN-1-EN范围内的中子对慢中子深度分布谱中第N-1通道慢中子数量的贡献由步骤S2得到，能量在EN-2-EN-1范围内的中子对慢中子深度分布谱第N-1通道慢中子数量的贡献等于慢中子深度分布谱中第N-1通道慢中子数量减去能量在EN-1-EN范围内的中子对第N-1通道慢中子数量的贡献；结合通过模拟得到的能量在EN-2-EN-1范围内的中子到达屏蔽桶不同深度的概率占比和慢中子深度分布谱中第N-1通道的慢中子数量得到能量在EN-2-EN-1范围内的中子对测量得到的慢中子深度分布谱中N-1个通道慢中子数量的贡献，所述N-1个通道包含第1、2、…、N-2、N-1通道。
S4、慢中子深度分布谱中第N-2通道的慢中子数量由能量在EN-3-EN-2、EN-2-EN-1和EN-1-EN范围内的中子产生，其中，能量在EN-1-EN范围内的中子对慢中子深度分布谱中第N-2通道慢中子数量的贡献由步骤S2得到，能量在EN-2-EN-1范围内的中子对慢中子深度分布谱中第N-2通道慢中子数量的贡献由步骤S3得到，能量在EN-3-EN-2范围内的中子对慢中子深度分布谱第N-2通道慢中子数量的贡献等于慢中子深度分布谱中第N-2通道慢中子数量减去能量在EN-1-EN范围内的中子对第N-2通道慢中子数量的贡献和能量在EN-2-EN-1范围内的中子对第N-2通道慢中子数量的贡献，所述N-2个通道包含第1、2、…、N-3、N-2通道；类似的，得到屏蔽桶内慢中子深度分布谱中所有通道中不同能量区间的中子贡献，即可得到慢中子能谱。
具体地，以在步骤S1中得到N=5道慢中子深度分布谱为例，对上述测量慢中子能谱的方法进行具体说明。
在步骤S2中，根据通过模拟得到的不同能量的慢中子和慢中子能够达到屏蔽桶内最大深度之间的关系将慢中子能量测试范围对应分成5份，分别为0-E1、E1-E2、E2-E3、E3-E4、E4-E5，其中E5=E，E为能够被屏蔽桶屏蔽掉的慢中子最大能量，则慢中子深度分布谱中第5通道的慢中子数量由能量在E4-E5范围内的中子产生；结合通过模拟得到的能量在E4-E5范围内的中子到达屏蔽桶不同深度的概率占比和慢中子深度分布谱中第5通道的慢中子数量得到能量在E4-E5范围内的中子对测量得到的慢中子深度分布谱中5个通道（第1通道、第2通道、第3通道、第4通道、第5通道）慢中子数量的贡献。
在步骤S3中，慢中子深度分布谱中第4通道的慢中子数量由能量在E3-E4和E4-E5范围内的中子产生，其中，能量在E4-E5范围内的中子对慢中子深度分布谱中第4通道慢中子数量的贡献由步骤S2得到，能量在E3-E4范围内的中子对慢中子深度分布谱第4通道慢中子数量的贡献等于慢中子深度分布谱中第4通道慢中子数量减去能量在E4-E5范围内的中子对第4通道慢中子数量的贡献。结合通过模拟得到的能量在E3-E4范围内的中子到达屏蔽桶不同深度的概率占比和慢中子深度分布谱中第4通道的慢中子数量得到能量在E3-E4范围内的中子对测量得到的慢中子深度分布谱中4个通道（第1通道、第2通道、第3通道、第4通道）慢中子数量的贡献。
在步骤S4中，慢中子深度分布谱中第3通道的慢中子数量由能量在E2-E3、E3-E4和E4-E5范围内的中子产生，其中，能量在E4-E5范围内的中子对慢中子深度分布谱中第3通道慢中子数量的贡献由步骤S2得到，能量在E3-E4范围内的中子对慢中子深度分布谱中第3通道慢中子数量的贡献由步骤S3得到，能量在E2-E3范围内的中子对慢中子深度分布谱第3通道慢中子数量的贡献等于慢中子深度分布谱中第3通道慢中子数量减去能量在E4-E5范围内的中子对第3通道慢中子数量的贡献和能量在E3-E4范围内的中子对第3通道慢中子数量的贡献。结合通过模拟得到的能量在E2-E3范围内的中子到达屏蔽桶不同深度的概率占比和慢中子深度分布谱中第3通道的慢中子数量得到能量在E2-E3范围内的中子对测量得到的慢中子深度分布谱中3个通道（第1通道、第2通道、第3通道）慢中子数量的贡献。
在步骤S4中，慢中子深度分布谱中第2通道的慢中子数量由能量在E1-E2、E2-E3、E3-E4和E4-E5范围内的中子产生，其中，能量在E4-E5范围内的中子对慢中子深度分布谱中第2通道慢中子数量的贡献由步骤S2得到，能量在E3-E4范围内的中子对慢中子深度分布谱中第2通道慢中子数量的贡献由步骤S3得到，能量在E2-E3范围内的中子对慢中子深度分布谱中第2通道慢中子数量的贡献由步骤S4得到，能量在E1-E2范围内的中子对慢中子深度分布谱第2通道慢中子数量的贡献等于慢中子深度分布谱中第2通道慢中子数量减去能量在E4-E5范围内的中子对第2通道慢中子数量的贡献、能量在E3-E4范围内的中子对第2通道慢中子数量的贡献和能量在E2-E3范围内的中子对第2通道慢中子数量的贡献。结合通过模拟得到的能量在E1-E2范围内的中子到达屏蔽桶不同深度的概率占比和慢中子深度分布谱中第2通道的慢中子数量得到能量在E1-E2范围内的中子对测量得到的慢中子深度分布谱中2个通道（第1通道、第2通道）慢中子数量的贡献。
在步骤S4中，慢中子深度分布谱中第1通道的慢中子数量由能量在0-E1、E1-E2、E2-E3、E3-E4和E4-E5范围内的中子产生，其中，能量在E4-E5范围内的中子对慢中子深度分布谱中第1通道慢中子数量的贡献由步骤S2得到，能量在E3-E4范围内的中子对慢中子深度分布谱中第1通道慢中子数量的贡献由步骤S3得到，能量在E1-E2、E2-E3范围内的中子对慢中子深度分布谱中第1通道慢中子数量的贡献均由步骤S4得到，能量在0-E1范围内的中子对慢中子深度分布谱第1通道慢中子数量的贡献等于慢中子深度分布谱中第1通道慢中子数量减去能量在E4-E5范围内的中子对第1通道慢中子数量的贡献、能量在E3-E4范围内的中子对第1通道慢中子数量的贡献、能量在E2-E3范围内的中子对第1通道慢中子数量的贡献和能量在E1-E2范围内的中子对第1通道慢中子数量的贡献。
由此得到屏蔽桶内慢中子深度分布谱中所有5个通道中不同能量区间的中子贡献，从而得到慢中子能谱。
本发明上述测量慢中子能谱的方法，基于设计的慢中子探测结构，探测到达慢中子探测结构屏蔽桶内不同深度的慢中子数量，基于慢中子数量绘制慢中子深度分布谱，然后根据慢中子深度分布谱反推入射慢中子能谱，能够有效获取慢中子能谱，并区分不同能量的慢中子通量。
以下通过Geant4仿真软件模拟本发明上述慢中子探测结构及测量慢中子能谱的方法，以验证其有效性。
设置开口的方形屏蔽桶由材料Gd制成，屏蔽桶桶壁厚度为1 mm，屏蔽桶深度为10cm，屏蔽桶桶内空间的底面积为10*10 cm2，能够阻挡住能量<0.4 eV的中子。
探测器单元设置为位置灵敏热中子探测器。
设置屏蔽桶完全包裹探测器单元，且探测器单元贴近桶内与屏蔽桶开口面垂直的左侧面放置。
设置屏蔽桶的运动方向为+X方向，模拟中使能量在0到0.4 eV之间随机分布的中子在屏蔽桶开口处向桶内垂直入射，并且叠加屏蔽桶的相对速度方向到中子的初始速度方向中，通过探测器单元探测得到到达屏蔽桶内不同深度的慢中子数量。
对于屏蔽桶X方向宽度为10 cm、屏蔽桶速度为1.3 km/s的情况，不同能量中子到达屏蔽桶不同深度的概率如图4所示，此概率分布可用于后续提取慢中子能谱信息。
模拟得到不同能量中子能够到达屏蔽桶的最大深度，如图5所示，可以看到在<0.4eV能量范围内，中子能量越高，中子能够到达的屏蔽桶内的最大深度越深，由此即可区分不同能量的慢中子。假设获得的屏蔽桶内慢中子深度分布谱共有N道，根据图5的模拟结果可将慢中子能量测量范围也对应地分成N份，分别为0-E1、E1-E2、…、EN-1-EN，其中EN=0.4 eV，则第N道的信号只由能量在EN-1-EN范围内的中子产生，能量在EN-1-EN范围内的中子到达屏蔽桶不同深度的概率如图4所示，然后结合第N通道的慢中子数量，得即可到能量在EN-1-EN范围内的中子对测量得到的慢中子深度分布谱中N个通道的贡献。
对于慢中子深度分布谱中第N-1通道的慢中子数量由能量在EN-2-EN-1和EN-1-EN范围内的中子贡献，其中，能量在EN-1-EN范围内的中子对第N-1道信号的贡献可结合图4以及屏蔽桶内慢中子深度分布谱第N-1通道慢中子数量得到，则能量在EN-2-EN-1范围内的中子对第N-1通道慢中子数量的贡献等于第N-1道慢中子数量减去能量在EN-1-EN范围内的中子对第N-1通道慢中子数量的贡献。
对于慢中子深度分布谱中第N-2通道的慢中子数量由能量在EN-3-EN-2、EN-2-EN-1和EN-1-EN范围内的中子产生，其中，能量在EN-1-EN范围内的中子对第N-2道信号的贡献可结合图 4以及屏蔽桶内慢中子深度分布谱第N-2通道慢中子数量得到，能量在EN-2-EN-1范围内的中子对慢中子深度分布谱中第N-2通道慢中子数量的贡献可结合图4以及屏蔽桶内慢中子深度分布谱第N-2通道慢中子数量得到，能量在EN-3-EN-2范围内的中子对慢中子深度分布谱第N-2通道慢中子数量的贡献等于慢中子深度分布谱中第N-2通道慢中子数量减去能量在EN-1-EN范围内的中子对第N-2通道慢中子数量的贡献和能量在EN-2-EN-1范围内的中子对第N-2通道慢中子数量的贡献。类似的，得到屏蔽桶内慢中子深度分布谱中所有通道中不同能量区间的中子贡献，从而得到慢中子能谱。
从公式（1）中可以看到，在屏蔽桶X方向宽度不变时，屏蔽桶速度越慢，<0.4 eV能量范围内的中子到达桶内的深度范围越大。在屏蔽桶速度不变时，屏蔽桶X方向宽度越宽，<0.4 eV能量范围内的中子到达桶内的深度范围越大。
对于屏蔽桶X方向宽度为10 cm、屏蔽桶速度为1.3 km/s的情况，<0.4 eV能量范围内的中子到达桶内的深度范围可达到650 um，远小于目前位置灵敏探测器的最小像素大小。综上，该慢中子探测结构及测量慢中子能谱的方法完全可行，能够有效获取慢中子能谱，并区分不同能量的慢中子通量。
上述实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种慢中子探测结构，其特征在于，包括：
屏蔽桶，设为开口的方形；
探测器单元，为具有位置分辨功能的慢中子探测器，所述探测器单元完全包裹于所述屏蔽桶内，所述探测器单元贴近所述屏蔽桶内与所述屏蔽桶开口面垂直的其中一面放置。
2.如权利要求1所述的慢中子探测结构，其特征在于，所述屏蔽桶为由Gd材料制作而成的方形桶，所述屏蔽桶桶壁的厚度为1mm，以阻挡能量<0.4 eV的中子。
3.如权利要求1所述的慢中子探测结构，其特征在于，所述屏蔽桶为由Cd材料制作而成的方形桶，所述屏蔽桶桶壁的厚度为1mm，以阻挡能量<0.4 eV的中子。
4.如权利要求1所述的慢中子探测结构，其特征在于，所述屏蔽桶为由碳化硼含量为40%的铝基碳化硼制作而成的方形桶，所述屏蔽桶桶壁的厚度为5mm，以阻挡能量<2 eV的中子。
5.如权利要求1所述的慢中子探测结构，其特征在于，所述屏蔽桶的深度为10cm，桶内空间的底面积为10*10cm2。
6.一种测量慢中子能谱的方法，采用如权利要求1至5任意一项所述慢中子探测结构，其特征在于，含有以下步骤：
S1、将慢中子探测结构置于运动的设备上，使探测器单元正对设备的运动方向，得到到达屏蔽桶内不同深度的慢中子数量，基于不同深度的慢中子数量绘制慢中子深度分布谱，所述慢中子深度分布谱共分为N道；
S2、根据通过模拟得到不同能量的慢中子和慢中子能够达到屏蔽桶内最大深度之间的关系将慢中子能量测试范围对应分成N份，分别为0-E1、E1-E2、...、EN-1-EN，其中EN=E，E为能够被屏蔽桶屏蔽掉的慢中子最大能量，则慢中子深度分布谱中第N通道的慢中子数量由能量在EN-1-EN范围内的中子产生；结合通过模拟得到的能量在EN-1-EN范围内的中子到达屏蔽桶不同深度的概率占比和慢中子深度分布谱中第N通道的慢中子数量得到能量在EN-1-EN范围内的中子对测量得到的慢中子深度分布谱中N个通道慢中子数量的贡献；
S3、慢中子深度分布谱中第N-1通道的慢中子数量由能量在EN-2-EN-1和EN-1-EN范围内的中子产生，其中，能量在EN-1-EN范围内的中子对慢中子深度分布谱中第N-1通道慢中子数量的贡献由步骤S2得到，能量在EN-2-EN-1范围内的中子对慢中子深度分布谱第N-1通道慢中子数量的贡献等于慢中子深度分布谱中第N-1通道慢中子数量减去能量在EN-1-EN范围内的中子对第N-1通道慢中子数量的贡献；结合通过模拟得到的能量在EN-2-EN-1范围内的中子到达屏蔽桶不同深度的概率占比和慢中子深度分布谱中第N-1通道的慢中子数量得到能量在EN-2-EN-1范围内的中子对测量得到的慢中子深度分布谱中N-1个通道慢中子数量的贡献，所述N-1个通道包含第1、2、…、N-2、N-1通道；
S4、慢中子深度分布谱中第N-2通道的慢中子数量由能量在EN-3-EN-2、EN-2-EN-1和EN-1-EN范围内的中子产生，其中，能量在EN-1-EN范围内的中子对慢中子深度分布谱中第N-2通道慢中子数量的贡献由步骤S2得到，能量在EN-2-EN-1范围内的中子对慢中子深度分布谱中第N-2通道慢中子数量的贡献由步骤S3得到，能量在EN-3-EN-2范围内的中子对慢中子深度分布谱第N-2通道慢中子数量的贡献等于慢中子深度分布谱中第N-2通道慢中子数量减去能量在EN-1-EN范围内的中子对第N-2通道慢中子数量的贡献和能量在EN-2-EN-1范围内的中子对第N-2通道慢中子数量的贡献，所述N-2个通道包含第1、2、…、N-3、N-2通道；类似的，得到屏蔽桶内慢中子深度分布谱中所有通道中不同能量区间的中子贡献，即可得到慢中子能谱。
7. 如权利要求6所述的测量慢中子能谱的方法，其特征在于，步骤S1中，假设所有慢中子的运动方向均与慢中子探测结构的屏蔽桶底面垂直，则中子到达屏蔽桶内的最大深度与屏蔽桶宽度的比值和中子能量、屏蔽桶速度之间的关系表示为：
（1）
式中，d max为中子到达屏蔽桶内的最大深度，w为屏蔽桶沿运动方向的宽度，v n为中子的速度，v为屏蔽桶的运动速度，E k为中子动能，m 0为中子的静止质量；
在屏蔽桶运动速度不变时，中子动能和中子到达屏蔽桶的最大深度与屏蔽桶宽度的比值有单调的正相关关系，由此区分慢中子能量，以得到慢中子能谱。
8.如权利要求7所述的测量慢中子能谱的方法，其特征在于，步骤S1中，根据慢中子探测结构的参数分辨慢中子能量，其具体方法为：
设动能为E k1和E k2的中子能够达到屏蔽桶内的最大深度分别为d max1和d max2，则有：
（2）
（3）
将公式（2）和公式（3）相比，得到：
（4）
通过公式（4）表征慢中子探测结构对慢中子能量的分辨能力。
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