CN208110058U - 基于三层硅探测器的主动式中子个人剂量计 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于三层硅探测器的主动式中子个人剂量计，该个人剂量计包括主探测器及其外层转化体组件、核电子学系统，主探测器及其外层转化体组件包括三个钝化注入平面硅探测器，从上至下依次为Open探测器、Fast探测器、Albedo探测器，所述的Open探测器前方设有聚乙烯层和⁶LiF镀层，Fast探测器前方设有聚乙烯层，Albedo探测器前方设有含硼聚乙烯层、聚乙烯层和⁶LiF镀层；核电子学系统为各个探测器提供高压，并获取探测信号进行多道分析。本实用新型能量测量范围广，且具有能量分辨能力，可以在n‑γ混合场中使用。

Description

基于三层硅探测器的主动式中子个人剂量计

技术领域

本实用新型涉及中子个人剂量计技术，具体涉及一种基于三层硅探测器的主动式中子个人剂量计。

背景技术

目前较为常用的中子个人剂量计为CR-39固体塑料径迹探测器。这种塑料径迹探测器经中子照射后，其中的C、H和O等原子与中子发生碰撞产生反冲核，当反冲核能量足够大时就能在材料中产生损伤潜迹。随后再使用化学蚀刻或电化学蚀刻等方法，在探测器材料中蚀刻出易于观察的径迹，并在显微镜下经行观测。这种固体径迹型个人剂量计有体积小、测量时不需要电子学仪器等优点。但是其不足也十分明显：1.测量下限较高，约100keV，这是由于这种探测器测量反冲核这一基本原理，以及材料本身的性质所确定的，因此如果使用这种个人剂量计测量宽谱或能谱较软中子场时，会低估该中子场的剂量；2.这种个人剂量计只能测量中子的个数，而无法得知中子的能量，如果其使用场所与校准所用中子源的能谱差异较大，则其读数也必然偏高或偏低；3.这种个人剂量计为被动式中子个人剂量计，需要工作人员佩戴一段时间后，再进行读数，无法实时显示剂量，因此如果超过剂量限值也无法报警，只能用于非事故状态下的常规监测和剂量评价；4.对塑料径迹探测器进行读数时，需要使用显微镜等仪器，数探测器中的径迹个数，耗时耗力。

关于CR-39中子个人剂量计的文献参考如下：

曹磊,邓君,张贵英,等.CR39中子个人剂量计性能实验研究.辐射防护 [J],2012,32(3):103-107.

冯玉水,李俊雯,林治凯,等.CR-39塑料反冲径迹个人中子剂量计.核技术[J],1988,11(9):44-46.

从20世纪60年代开始，半导体探测器开始较为广泛地用于中子探测。利用半导体探测器制作种子个人剂量计时，通常在探测器外附加一层中子转化体薄膜或涂层，通过中子与某些特定核素的核反应，生成次级带电粒子，进而得知中子的相关信息。这些核反应主要有⁶Li(n,α)T，¹⁰B(n,α)⁷Li，He(n,p)T，^155,157Gd(n,γ)^156,158Gd等。较为典型的半导体型中子个人剂量计为德国PTB生产的 DOS-2002。这种个人剂量计主要基于单层硅探测器，并在探测器外层装有聚乙烯和⁶LiF，作为快中子和热中子转化体，通过记录中子数目推知个人剂量当量。 DOS-2002具有一定的中子和γ射线分辨能力。DOS-2002的不足之处主要在于：无法分辨中子能量。这种个人剂量计的本质是记录热中子和快中子数目，而它的个人剂量当量响应随能量变化较大，最小值与最大值可能相差几个数量级。因此，只记录数目显然无法较准确地给出个人剂量当量。

关于半导体中子个人剂量计的文献参考如下：

Luszik-Bhadra.Electronic personal doesmeters:The solution to problemsof individual monitoring in mixed neutron fields.Radiation ProtectionDosimetry[J],2004,110(1-4):747-752.

M.Luszuk-Bhadra,W.Wendt and M.Weierganz.The Electronic Neutron/PhotonDoesmeter PTB DOC-2002.Radiation Protection Dosimetry[J],2004,110(1-4):291-295.

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种能量测量范围广，且具有能量分辨能力的主动式中子个人剂量计，能够在n-γ混合场中使用。

本实用新型的技术方案如下：一种基于三层硅探测器的主动式中子个人剂量计，包括主探测器及其外层转化体组件、核电子学系统，所述的主探测器及其外层转化体组件包括三个钝化注入平面硅探测器，从上至下依次为 Open探测器、Fast探测器、Albedo探测器，所述的Open探测器前方设有聚乙烯层和⁶LiF镀层，Fast探测器前方设有聚乙烯层，Albedo探测器前方设有含硼聚乙烯层、聚乙烯层和⁶LiF镀层；核电子学系统为各个探测器提供高压，并获取探测信号进行多道分析。

进一步，如上所述的基于三层硅探测器的主动式中子个人剂量计，其中，所述的核电子学系统包括前置放大器、主放大器、低压电源、高压电源和多道分析器，三个钝化注入平面硅探测器的探测信号经前置放大器、主放大器送入多道分析器。

进一步，如上所述的基于三层硅探测器的主动式中子个人剂量计，其中，所述的三个钝化注入平面硅探测器封装在铝质外壳内。

本实用新型的有益效果如下：1)本实用新型的个人剂量计的中子能量测量范围覆盖辐射防护常见中子场能量范围，热能～20MeV；2)本实用新型具有一定能量分辨能力，能够分别给出低能中子、中能中子和快中子的个人剂量当量；3)本实用新型的探测下限较低，为9.86×10^-1μSv；4)本实用新型具有γ射线甄别能力，能够在n-γ混合场中使用。

附图说明

图1为本实用新型主探测器及其外层转化体组件的结构示意图；

图2为个人剂量计核电子学系统的结构示意图；

图3为个人剂量当量响应结果示意图；

图4为个人剂量计7MeV光子响应计算结果示意图；

图5为解谱模式中子能谱结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。

本实用新型提供了一种基于三层硅探测器的中子个人剂量计，主要包括以下部分：主探测器及其外层转化体组件、核电子学系统。本实用新型同时提供了该中子个人剂量计的两种测量模式，包括直读方法及解谱软件。

中子个人剂量计探测器主体直径20mm，高20mm，封装在20mm×40mm×60mm 的铝制外壳中。组件中主要包括三个钝化注入平面硅探测器，硅探测器周围装有聚乙烯、含硼聚乙烯、⁶LiF等材料作为慢化体、吸收体和转化体，形成夹心结构。硅探测器从上至下依次名为Open探测器、Fast探测器以及Albedo探测器。

如图1所示，Fast探测器2前方只装有聚乙烯层4，该探测器只能记录快中子与氢核发生弹性散射生成的反冲质子。Fast探测器2只对能量大于1MeV的中子产生响应。

Open探测器1和Albedo探测器3前方不仅装有聚乙烯层4，还有⁶LiF镀层 5，因此它们能够记录低能中子与⁶Li反应生成的α粒子与氚；同时也能记录快中子产生的反冲质子。除上述周围组件外，Albedo探测器3前方还装有含硼聚乙烯层6，并且工作时距离人体或体膜更近，因此其低能中子响应略低于Open 探测器，而中能中子响应略高于Open探测器。

作为具体的实施例，探测器为英国MICRON公司生产的MSD011型PIPS探测器，其灵敏区直径为10mm，最大耗尽层厚度300μm。实际使用时，将探测器高压设置为3.5V，此时灵敏区厚度约为100μm。在这一灵敏厚度下，硅探测器能够完全沉积中子与⁶Li反应生成的α粒子和氚粒子，对这两种粒子来说，这种探测器为全沉积型探测器。但是反冲质子在硅中的射程较长，因此只能完全沉积能量为3.2MeV的反冲质子。当反冲质子能量较高时，这种探测器为穿透型探测器，只能通过不同能量反冲质子产生的能量沉积谱形状差异判断粒子能量。Open 探测器对热中子响应最高，Albedo探测器对中能中子响应最高，而Fast探测器只对快中子有响应。

外部转化体组件中，聚乙烯和含硼聚乙烯为厚2mm，直径20mm的圆片。含硼聚乙烯为B₄C。⁶LiF镀膜采用离子溅射镀膜技术，该技术利用气体放电产生的正离子在电场作用下高速运动轰击靶材料，使靶材料中的原子逃逸出来沉积在聚乙烯表面，形成⁶LiF镀膜。⁶LiF镀膜厚度4μm，质量厚度1mg/cm²。由于铝对中子的散射截面非常小，且考虑到强度及成本，因此外壳采用铝合金材质，厚度1mm。

如图2所示，核电子学系统包括前置放大器、主放大器、低压电源、高压电源和多道分析器及其软件。该系统主要为探测器提供高压，高压电源输出电压为3.5V，保持系统正常工作。能够放大脉冲信号、提高信噪比，并且进行模数转换以及多道分析等。

本实用新型的个人剂量计共有两种模式：直读模式与解谱模式。直读模式能够实时给出三个能区的中子注量或个人剂量当量，是一种相对粗略但是快速的方法；解谱模式利用解谱软件，将Fast探测器测得的脉冲幅度谱反卷积为中子能谱，该模式结果更加精确，但无法实时计算。

1)直读模式

直读模式的基础是三个探测器对不同能量中子的响应差异。

该中子个人剂量计将上述中子能区分为三部分：20meV～1keV慢中子能区(thermal)；1keV～1MeV中能中子能区(interval)；1MeV～20MeV快中子能区 (fast)。因此，全能区内的中子注量φ即为三者注量之和：

φ＝φ_thermal+φ_interval+φ_fast (1)

对于每个探测器来说，其总计数M为三个能区中子计数之和：

M＝M_thermal+M_interval+M_fast (2)

此外，根据注量响应的定义，探测器计数又等于单位能量间隔中子注量φ_E (E)与相应能量间隔注量响应R(E)乘积在全能区内的积分：

M＝∫φ_E(E)R(E)dE (3)

对式(3)进行离散化，可近似认为探测器计数为三个能区的计数与相应平均注量响应乘积之和：

M＝φ_thermalR_thermal+φ_intervalR_interval+φ_fastR_fast (4)

由于三个探测器前方的转化体不同，因此对于不同能量的中子来说，它们的响应略有差异。对每个探测器应用方程(4)可以得到：

M_O＝φ_thermalR_O,thermal+φ_intervalR_O,interval+φ_fastR_O,fast

M_F＝φ_fastR_F,fast

M_A＝φ_thermalR_A,thermal+φ_intervalR_A,interval+φ_fastR_A,fast (5)

式中，R_thermal、R_interval和R_fast分别表示探测器对低能中子、中能中子和快中子的平均注量响应，可以通过蒙特卡洛计算或者单能注量响应刻度实验获得。考虑到主动式个人剂量计需要即时显示个人剂量当量等参数这一特点，方程(5) 的计算过于复杂，很难小型化，不适用于个人剂量计。因此，结合三个探测器的响应特点可将方程(5)简化为：

M_O＝R_O,thermal×φ_thermal×C₁

M_F＝R_F,fast×φ_fast×C₂

M_A＝R_A,interval×φ_interval×C₃ (6)

方程(6)中，C表示每个探测器的校准系数。利用ICRP74号报告中给出的中子注量-个人剂量当量转换系数，可将注量响应转换为个人剂量当量响应。

根据设计及实验结果，计算每个探测器对不同能区中子的平均个人剂量当量响应。测量时，三个探测器的中子计数除以相应的个人剂量当量响应及其校准因子，即可大致获得三个能区的中子注量或个人剂量当量。

作为具体的实施例，首先通过单能中子注量刻度实验获得不同能量下个人剂量计各个探测器的注量响应。实验能量点包括144keV、250keV、565keV、 1.2MeV、2.5MeV、5MeV以及14.8MeV。根据蒙特卡洛计算结果，选择1MeV为γ射线阈值。扣除相应计数后，使用影锥法或外推法扣除室散射的本底贡献。由此即可计算出不同能区的平均注量响应，然后利用注量-个人剂量当量转换系数获得个人剂量当量响应。根据实验结果，可以认为Fast探测器的计数除以其响应即为快中子贡献的个人剂量当量；Open探测器与Fast探测器的计数之差除以 Open探测器对低能中子的响应为低能中子贡献的个人剂量当量；而Albedo探测器与Open探测器的计数之差除以中能中子响应即为中能中子贡献的个人剂量当量。三者之和为总的中子个人剂量当量。利用式(7)以及三个探测器的计数，即可求得中子个人剂量当量。其中H_p(10)表示各能区中子个人剂量当量；M_F表示Fast探测器计数；M_A表示Albedo探测器计数；M_O表示Open探测器计数；表示快中子能区平均个人剂量当量响应；表示中能中子能区平均个人剂量当量响应；表示低能中子平均个人剂量当量响应。

2)解谱模式

由于探测器Fast前装有一层聚乙烯薄片，当中子能量高于1MeV时，能够与其中的氢核发生弹性散射，打出反冲质子。反冲质子的能量与角度与中子能量存在如下关系：

E_p＝E_ncos²φ (8)

其中，E_p为反冲质子能量，E_n为入射中子能量，φ为反冲角。根据这一关系，就能够利用返卷积的方法，通过解谱软件反推出入射中子的能量信息。

作为具体的实施例，首先通过实验测量与理论计算相比较的方法，确定三个硅探测器的响应函数。使用GEANT4蒙特卡洛程序，模拟计算探测器Open和探测器Albedo在20meV～15MeV能量范围中共39个能量点的响应函数，计算探测器Fast在1MeV～15MeV能量范围共30个响应函数。将理论计算的结果与单能中子响应刻度实验的响应结果进行比较，对理论计算结果进行修正。采用遗传算法进行多道解谱计算，经过确定解空间、确定适应度函数、确定遗传算子等过程，将测得的脉冲幅度谱返卷积为中子能谱。

解谱计算设计相关参数如表1所示。

表1解谱计算涉及的相关参数

本实用新型提供的中子个人剂量计采用钝化注入平面硅探测器，硅探测器有体积小、质量轻、灵敏度高等特点。一个探测器及其外部转化体的体积仅为φ20mm×5mm。个人剂量计整体外部尺寸为20mm×40mm×60mm，质量仅为55g，适用于个人日常佩戴。

利用中国原子能科学研究院计量测试部5SDH-2串列加速器上建立的准单能中子参考辐射场进行了单能中子注量刻度实验。实验能量点包括144keV、 250keV、565keV、1.2MeV、2.5MeV、5MeV以及14.8MeV，每个能量点分别在两个不同距离下进行实验，以扣除室散射本底。个人剂量当量响应实验结果如图3 所示。图3中不同探测器中子个人剂量当量响应随能量变化，能量范围覆盖热能到20MeV，适用于大多数场所的辐射防护工作。

通过单能中子响应刻度实验与蒙特卡洛模拟，还可以得到该个人剂量计对不同能量中子的平均个人剂量当量响应，如表2所示。

表2.个人剂量计不同能区平均个人剂量当量响应(s/μSv)

根据表2及技术方案中的原理公式，本个人剂量计的探测下限为9.86×10^-1μSv，远低于现有的被动式个人剂量计探测下限。

本个人剂量计通过卡域的方式，扣除γ射线造成的影响，能够更准确地测得中子造成的个人剂量当量。

图4为使用GEANT4蒙特卡洛程序计算的7MeV光子能量沉积谱。从图中可以看出，能量为7MeV的光子在灵敏区厚度为100μm的硅探测器中最多沉积1MeV 的能量。因此，只要将光子阈值设置为1MeV，本中子个人剂量计最多能够扣除 7MeV的光子。

将本个人剂量计放置于²⁴¹Am-Be中子源下进行测试实验。直读模式的结果如表3所示，解谱模式的结果如图5所示。

表3.²⁴¹Am-Be中子源个人剂量当量实验结果(μSv/h)

²⁴¹Am-Be中子源101cm处的个人剂量当量约定真值为(3.24E+02)μSv/h，实验相对误差为52.6％，67cm处的约定真值为(3.53E+02)μSv/h，实验相对误差为52.1％。

图5中，两种线条分别为ISO8529给出的²⁴¹Am-Be中子源标准谱，以及解谱结果。从图中可以看出，解谱结果与标准谱吻合较好。101cm处解谱得到的个人剂量当量为(1.90E+02)μSv/h，约定真值为(3.53E+02)μSv/h，实验相对误差为41.5％；67cm处解谱得到的个人剂量当量为(5.51E+02)μSv/h，约定真值为(7.36E+02)μSv/h，实验相对误差为25.1％。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若对本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其同等技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种基于三层硅探测器的主动式中子个人剂量计，其特征在于：包括主探测器及其外层转化体组件、核电子学系统，所述的主探测器及其外层转化体组件包括三个钝化注入平面硅探测器，从上至下依次为Open探测器、Fas t探测器、Albedo探测器，所述的Open探测器前方设有聚乙烯层和⁶LiF镀层，Fas t探测器前方设有聚乙烯层，Albedo探测器前方设有含硼聚乙烯层、聚乙烯层和⁶LiF镀层；核电子学系统为各个探测器提供高压，并获取探测信号进行多道分析。

2.如权利要求1所述的基于三层硅探测器的主动式中子个人剂量计，其特征在于：所述的核电子学系统包括前置放大器、主放大器、低压电源、高压电源和多道分析器，三个钝化注入平面硅探测器的探测信号经前置放大器、主放大器送入多道分析器。

3.如权利要求1所述的基于三层硅探测器的主动式中子个人剂量计，其特征在于：所述的三个钝化注入平面硅探测器封装在铝质外壳内。