CN117872450A - 一种具有立体涂硼结构的涂硼管中子探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于中子探测器技术领域，具体涉及一种具有立体涂硼结构的涂硼管中子探测器，包括内部设有矩形隔片2、环形隔片3和阳极丝的金属管1，矩形隔片2和环形隔片3的表面以及金属管1的内表面设有含硼材料涂层；矩形隔片2用于探测沿金属管1的径向入射的中子，环形隔片3用于探测沿金属管1的轴向入射的中子；含硼材料能够与入射的中子反应产生带电粒子，阳极丝能够与带电粒子产生感应信号，感应信号能够用于读出中子的信息。本发明中矩形隔片2和环形隔片3构成的立体涂硼的结构，相比普通的涂硼管中子探测器，提高了对轴向中子和径向中子的探测效率；通过调节环形隔片3和矩形隔片2的数量，还可以调节其对轴向中子和径向中子的灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于中子探测器技术领域，具体涉及一种具有立体涂硼结构的涂硼管中子探测器。
背景技术
中子的发现在20世纪物理学发展中具有极其重要的意义，1932年查德威克在α粒子轰击铍的实验中发现中子，1935年查德威克因此被授予诺贝尔奖。中子呈电中性，不受库仑力作用，具有强穿透力，难以被探测器直接测量，测量时需要利用中子和原子核发生相互作用，通过对产生的带电粒子进行测量来间接测量中子。中子的测量对于航空航天事业，空间卫星探测，工业生产和安全，基础科学研究以及放射医学领域都非常重要。
在20世纪60年代发明的3He正比计数器具有中子探测效率高，性能稳定，易于制造的优点，是目前使用最广泛的中子探测器。但是3He资源天然丰度只有1.38×10-6，地球上天然的3He资源大约只有500kg，极低的含量意味着无法从自然中获取3He。目前3He的生产只能通过氚的衰变得到，被垄断，产量低，价格昂贵。由于3He的短缺各国都在努力寻求替代3He的新型中子探测技术。
涂硼管中子探测器是在国家安全和中子科学等领域替代3He正比计数器的一种优秀方案，通常涂硼管中子探测器在金属管内壁涂含10B材料，利用10B(n，α)7Li核反应探测中子，由于含10B材料只在内壁涂一层，这种涂硼管中子探测器对径向入射的中子探测效率较低且对轴向入射的中子没有探测能力。
发明内容
针对目前涂硼管中子探测器存在的问题，本发明旨在提供一种对径向入射的中子和轴向入射的中子都具有高探测效率的涂硼管中子探测器。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种具有立体涂硼结构的涂硼管中子探测器，其中，包括内部设有矩形隔片、环形隔片和阳极丝的金属管，所述矩形隔片和所述环形隔片的表面以及所述金属管的内表面设有含硼材料涂层；所述矩形隔片用于探测沿所述金属管的径向入射的中子，所述环形隔片用于探测沿所述金属管的轴向入射的中子；所述含硼材料能够与入射的中子反应产生带电粒子，所述阳极丝能够与所述带电粒子产生感应信号，所述感应信号能够用于读出所述中子的信息。
进一步，所述矩形隔片为若干片，均匀环绕在所述金属管的轴线的外围。
进一步，所述矩形隔片的一侧设置在所述金属管的内表面上，另一侧指向所述轴线，且与所述轴线保持一段距离。
进一步，所述矩形隔片与所述轴线处于同一个平面内。
进一步，所述环形隔片为若干片，与所述金属管的轴线垂直，各个所述环形隔片等距排列；所述轴线穿过所述环形隔片圆心位置的通孔。
进一步，所述金属管的内表面设有环形凹槽，所述环形隔片的外环边缘设置在所述环形凹槽内，实现所述环形隔片的固定。
进一步，所述矩形隔片上设有若干个第一插槽，所述环形隔片上设有若干个第二插槽，所述第一插槽和所述第二插槽一一对应，使得所述矩形隔片和所述环形隔片能够组装在一起构成立体涂硼结构。
进一步，所述阳极丝设置在所述金属管的轴线位置，材质为镀金钨丝。
进一步，所述金属管的两端设置有端面，所述阳极丝的两端分别通过定位管固定在所述金属管两端的端面上。
进一步，通过夹丝和焊接的方法将所述阳极丝固定在所述定位管上。
进一步，所述金属管的侧面的内壁与所述定位管之间采用耐高压材料绝缘，通过所述定位管实现所述阳极丝的固定和高压的引出。
进一步，所述含硼材料涂层采用的含硼材料是指包含硼的同位素10B的材料，包括同位素10B的单质和化合物。
进一步，在所述金属管的内部充有工作气体。
进一步，所述工作气体为Ar和CO2混合气体。
进一步，所述含硼材料涂层的厚度为1μm到4μm。
本发明的有益效果在于：
1.使得探测器对不同角度入射的中子都具有高探测效率，适用于不同的应用场景。
2.采用矩形隔片2和环形隔片3构成的立体涂硼的结构，相比普通的涂硼管中子探测器，提高了对轴向中子和径向中子的探测效率。
3.通过调节环形隔片3和矩形隔片2的数量，还可以调节其对轴向中子和径向中子的灵敏度。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中所述的一种具有立体涂硼结构的涂硼管中子探测器的示意图；
图2是本发明具体实施方式中所述的一种具有立体涂硼结构的涂硼管中子探测器的示意图(剖视图)；
图3是本发明具体实施方式中所述的矩形隔片2的示意图；
图4是本发明具体实施方式中所述的环形隔片3的示意图；
图5是本发明具体实施方式中所述的一种具有立体涂硼结构的涂硼管中子探测器(设有3个环形隔片3和8个矩形隔片2)对不同角度入射中子的绝对探测效率的示意图；
图中：1-金属管，2-矩形隔片，3-环形隔片，4-第一插槽，5-第二插槽，6-通孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
本发明提供的一种具有立体涂硼结构的涂硼管中子探测器(如图1、图2所示)，其中，包括内部设有矩形隔片2、环形隔片3和阳极丝的金属管1，矩形隔片2和环形隔片3的表面以及金属管1的内表面设有含硼材料涂层；矩形隔片2用于探测沿金属管1的径向入射的中子，环形隔片3用于探测沿金属管1的轴向入射的中子；含硼材料能够与入射的中子反应产生带电粒子，阳极丝能够与带电粒子产生感应信号，感应信号能够用于读出中子的信息。
矩形隔片2为若干片，均匀环绕在金属管1的轴线的外围。
矩形隔片2的一侧设置在金属管1的内表面上，另一侧指向轴线，且与轴线保持一段距离
矩形隔片2与轴线处于同一个平面内；
环形隔片3为若干片，与金属管1的轴线垂直，各个环形隔片3等距排列；轴线穿过环形隔片3圆心位置的通孔6。
金属管1的内表面设有环形凹槽，环形隔片3的外环边缘设置在环形凹槽内，实现环形隔片3的固定。
矩形隔片2上设有若干个第一插槽4(如图3所示)，环形隔片3上设有若干个第二插槽5(如图4所示)，第一插槽4和第二插槽5一一对应，使得矩形隔片2和环形隔片3能够组装在一起(相互固定)构成立体涂硼结构；环形隔片3上的第二插槽5的角度对应矩形隔片2安装的方向，矩形隔片2上的第一插槽4的距离对应环形隔片3安装的间距；将环形隔片3和矩形隔片2对应的第一插槽4和第二插槽5安装好，形成立体涂硼的结构，固定在金属管1内。
阳极丝设置在金属管1的轴线位置，材质为镀金钨丝(镀金钨丝具有熔点高，耐高温和耐腐蚀的优点)。
金属管1的两端设置有端面，阳极丝的两端分别通过定位管固定在金属管1两端的端面上。
拉丝时首先将阳极丝穿过定位管保证阳极丝有一定的张力，然后通过夹丝和焊接的方法将阳极丝固定在定位管上。
金属管1的侧面的内壁与定位管之间采用耐高压材料绝缘，通过定位管实现阳极丝的固定和高压的引出。
含硼材料涂层采用的含硼材料是指包含硼的同位素10B的材料，包括同位素10B的单质和化合物；硼的同位素10B是常用的热中子反应材料，具有热中子反应截面大，自然同位素丰度高(19.8％)和容易获取的优点，目前已经实现国产化，是理想的热中子反应材料。
在金属管1的内部充有工作气体。
工作气体为Ar和CO2混合气体。
矩形隔片2和环形隔片3的表面以及金属管1的内表面设置的含硼材料涂层的厚度为1μm到4μm。
本发明提供的一种具有立体涂硼结构的涂硼管中子探测器的原理：探测器探测中子的过程包括中子和10B反应产生带电粒子，带电粒子进入工作气体，气体倍增和信号读出四个过程。
中子和10B反应产生带电粒子：入射中子和探测器所涂含硼材料中的10B发生核反应，该核反应包括两个反应道，其中分支比94％的反应为：n+10B→α(1.47MeV)+7Li(0.84MeV)+γ(478keV)，分支比6％的反应为：n+10B→α(1.78MeV)+7Li(1.01MeV)。
带电粒子进入工作气体：核反应产生的带电粒子在含硼材料涂层中发生库伦相互作用损失能量，带电粒子中能量最高的为1.78MeV的α粒子，在含硼材料涂层中的射程为4μm，因此含硼材料涂层的厚度超过4μm对探测效率提升是没有意义的，通常选用的含硼材料涂层厚度为1μm到4μm。
气体倍增：探测器的工作气体选用Ar和CO2混合气体，带电粒子穿过含硼材料涂层进入工作气体后引起电离产生离子对，电子沿着电场线向阳极丝漂移，在靠近阳极的高场强区域内发生雪崩，气体放大的增益约为100倍。
信号读出：在阳极丝上产生感应信号引出到前放以及后续电路中进行处理，通过多道分析仪就可以读出入射中子的信息。
对探测器原理进行模拟实验，论证本发明的中子探测器的探测效率的可靠性。利用蒙特卡罗方法计算中子和10B反应的概率，α粒子和7Li粒子射入到工作气体中产生信号的概率，得出选定金属管1，环形隔片3和矩形隔片2规格下具有立体涂硼结构的涂硼管中子探测器对不同角度入射中子的绝对探测效率，图5展示了有3个环形隔片3和8个矩形隔片2的探测器对不同角度入射中子的绝对探测效率。
本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。
Claims (15)
1.一种具有立体涂硼结构的涂硼管中子探测器，其特征是：包括内部设有矩形隔片(2)、环形隔片(3)和阳极丝的金属管(1)，所述矩形隔片(2)和所述环形隔片(3)的表面以及所述金属管(1)的内表面设有含硼材料涂层；所述矩形隔片(2)用于探测沿所述金属管(1)的径向入射的中子，所述环形隔片(3)用于探测沿所述金属管(1)的轴向入射的中子；所述含硼材料能够与入射的中子反应产生带电粒子，所述阳极丝能够与所述带电粒子产生感应信号，所述感应信号能够用于读出所述中子的信息。
2.如权利要求1所述的一种具有立体涂硼结构的涂硼管中子探测器，其特征是：所述矩形隔片(2)为若干片，均匀环绕在所述金属管(1)的轴线的外围。
3.如权利要求2所述的一种具有立体涂硼结构的涂硼管中子探测器，其特征是：所述矩形隔片(2)的一侧设置在所述金属管(1)的内表面上，另一侧指向所述轴线，且与所述轴线保持一段距离。
4.如权利要求3所述的一种具有立体涂硼结构的涂硼管中子探测器，其特征是：所述矩形隔片(2)与所述轴线处于同一个平面内。
5.如权利要求4所述的一种具有立体涂硼结构的涂硼管中子探测器，其特征是：所述环形隔片(3)为若干片，与所述金属管(1)的轴线垂直，各个所述环形隔片(3)等距排列；所述轴线穿过所述环形隔片(3)圆心位置的通孔(6)。
6.如权利要求5所述的一种具有立体涂硼结构的涂硼管中子探测器，其特征是：所述金属管(1)的内表面设有环形凹槽，所述环形隔片(3)的外环边缘设置在所述环形凹槽内，实现所述环形隔片(3)的固定。
7.如权利要求5所述的一种具有立体涂硼结构的涂硼管中子探测器，其特征是：所述矩形隔片(2)上设有若干个第一插槽(4)，所述环形隔片(3)上设有若干个第二插槽(5)，所述第一插槽(4)和所述第二插槽(5)一一对应，使得所述矩形隔片(2)和所述环形隔片(3)能够组装在一起构成立体涂硼结构。
8.如权利要求5所述的一种具有立体涂硼结构的涂硼管中子探测器，其特征是：所述阳极丝设置在所述金属管(1)的轴线位置，材质为镀金钨丝。
9.如权利要求8所述的一种具有立体涂硼结构的涂硼管中子探测器，其特征是：所述金属管(1)的两端设置有端面，所述阳极丝的两端分别通过定位管固定在所述金属管(1)两端的端面上。
10.如权利要求9所述的一种具有立体涂硼结构的涂硼管中子探测器，其特征是：通过夹丝和焊接的方法将所述阳极丝固定在所述定位管上。
11.如权利要求10所述的一种具有立体涂硼结构的涂硼管中子探测器，其特征是：所述金属管(1)的侧面的内壁与所述定位管之间采用耐高压材料绝缘，通过所述定位管实现所述阳极丝的固定和高压的引出。
12.如权利要求1所述的一种具有立体涂硼结构的涂硼管中子探测器，其特征是：所述含硼材料涂层采用的含硼材料是指包含硼的同位素10B的材料，包括同位素10B的单质和化合物。
13.如权利要求1所述的一种具有立体涂硼结构的涂硼管中子探测器，其特征是：在所述金属管(1)的内部充有工作气体。
14.如权利要求13所述的一种具有立体涂硼结构的涂硼管中子探测器，其特征是：所述工作气体为Ar和CO2混合气体。
15.如权利要求1所述的一种具有立体涂硼结构的涂硼管中子探测器，其特征是：所述含硼材料涂层的厚度为1μm到4μm。
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