CN214151075U - 一种中子-伽马射线信息转换装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种中子‑伽马射线信息转换装置，包括热中子俘获材料、快中子慢化材料、快中子非弹性散射材料和高能中子倍增材料，多层热中子俘获材料、单层快中子慢化材料、多层快中子非弹性散射材料和单层高能中子倍增材料由内至外依次包覆形成同心球体结构。本实用新型基于瞬发伽马射线中子活化分析技术，通过将含有与中子反应截面不同的各种核素的材料进行组合及结构优化，实现在中子入射时，中子与该中子‑伽马射线信息转换装置中的各种核素发生反应放出不同能量的特征伽马射线，通过特征伽马射线反推入射的中子数目和能量信息，以解决不带电的中子难于测量的问题，在中子通量和能谱测量中有着广阔的应用前景。
Description
技术领域
本实用新型属于辐射探测技术领域，具体涉及一种中子-伽马射线信息转换装置。
背景技术
中子作为一种探索材料元素成分及结构分析的理想探针，在多个科学与工业领域得到了广泛应用。但是由于中子呈电中性，这为中子的探测带来了较大的困难，中子在物质中不能引起直接电离，所以在中子探测过程中需要中子和原子核相互作用产生可以引起电离的次级粒子（如质子，α粒子，γ射线等）才能被记录。传统的中子探测方法主要包括：核反应法、核反冲法、核裂变法及活化法。
中子在与物质的相互作用中，除了在上述核反应法中提到的(n, p)，(n,α)等反应外，中子与核素还会发生俘获（n, γ）和非弹性散射（n, n’ γ）等反应放出大量的γ射线。n/γ甄别能力是在中子探测过程中必须考虑的因素，由于中子源伴生γ射线及中子与周围材料作用过程中放出的伽马射线的存在，进行n/γ粒子类型甄别十分必要，传统中子测量方法利用脉冲幅度或者脉冲形状进行n/γ甄别不同，操作复杂；而且活化片法，Bonner球谱仪中需要测量不同活化片活度或不同Bonner球的计数相比，测量过程复杂，而且现有传统中子测量方法地宽能量响应范围小且能量分辨率低。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种中子-伽马射线信息转换装置，该中子-伽马射线信息转换装置通过将中子转换为γ射线来反推入射的中子数目和能量信息，以解决不带电的中子难于测量的问题。
为实现上述技术目的，本实用新型采取的技术方案为：一种中子-伽马射线信息转换装置，包括热中子俘获材料、快中子慢化材料、快中子非弹性散射材料和高能中子倍增材料，多层热中子俘获材料、单层快中子慢化材料、多层快中子非弹性散射材料和单层高能中子倍增材料由内至外依次包覆形成同心球体结构。
进一步地，所述热中子俘获材料为2~5层，且各层热中子俘获材料取材不同，多层热中子俘获材料由内至外同心包覆，且最内层热中子俘获材料位于同心球体结构的中心处，热中子俘获材料可与原中子场中的热中子以及快中子慢化而来的热中子发生俘获反应，该俘获反应与其他反应相比具有更高的反应截面，即更高的中子-伽马射线转换效率。
进一步地，所述热中子俘获材料为含镉聚乙烯或含硼聚乙烯或碳化硼或氧化钆或氯化钠。
进一步地，所述快中子慢化材料同心包覆于最外层热中子俘获材料外部，快中子慢化材料为富氢材料，富氢材料可以有效地将快中子慢化为热中子，热中子可进一步与热中子俘获材料的核素发生反应而放出更多的伽马射线，提高转换效率。
进一步地，所述快中子慢化材料为聚乙烯或有机玻璃。
进一步地，所述快中子非弹性散射材料为2~3层，且各层快中子非弹性散射材料取材不同，多层快中子非弹性散射材料由内至外同心包覆于快中子慢化材料外部，快中子与各层快中子非弹性散射材料发生非弹性散射反应，并且反应阈值不同，可实现快中子能量的区分。
进一步地，所述快中子非弹性散射材料为有机玻璃或含铁有机玻璃或含铅有机玻璃或含铝有机玻璃。
进一步地，所述高能中子倍增材料同心包覆于最外层快中子非弹性散射材料外部，且位于同心球体结构的中子-伽马射线信息转换装置最外层，所述高能中子倍增材料为铅、钨、铜中的一种，高能中子倍增材料与20MeV以上的高能中子发生倍增反应，产生能量为1~6MeV的快中子，该快中子进一步与快中子非弹性散射材料发生非弹性散射反应放出能量不同的瞬发特征伽马射线，同时该快中子被快中子慢化材料慢化为热中子后进一步与热中子俘获材料发生俘获反应，从而实现对高能中子响应。
本实用新型具有以下有益效果：本实用新型提供了一种中子-伽马射线信息转换装置，该信息转换装置突破传统方法的局限，通过将含有与中子反应截面不同的各种核素的材料进行组合及各材料之间设计为由内至外依次包覆的同心球形结构，将不受中子入射方向影响，即对不同方向入射的中子具有响应一致性，实现在中子入射时，中子与该信息转换装置中的各种核素发生反应放出不同能量的伽马射线，且不同能量的中子入射时该信息转换装置放出的伽马射线的差异大，中子与伽马射线转换效率高，通过伽马射线反推入射的中子数目和能量信息，能有效提高系统探测效率，实现宽能区中子的响应，结合伽马射线探测器能够一定程度上解决现有中子能谱测量各种方法中所面临的无法在线测量、特定环境下使用、系统操作复杂等各种问题，为中子能谱测量提供全新的而有效的解决方案，在中子通量和能谱测量中有着广阔的应用前景。
附图说明
图1为本实用新型的半剖面示意图；
图2为本实用新型实施例1的不同核素反应截面结果。
其中的附图标记为：热中子俘获材料1、内层热中子俘获材料1-1、外层热中子俘获材料1-2、快中子慢化材料2、快中子非弹性散射材料3、内层快中子非弹性散射材料3-1、外层快中子非弹性散射材料3-2、高能中子倍增材料4。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的实施例作进一步详细描述。
本实用新型的设计理念：不同能量的中子与核素的反应截面不同，同时非弹性散射反应具有能量阈值，当材料确定时，探测器测得的伽马射线种类与强度与中子场相关；针对不同的应用领域（中子场）选取合适的指示性核素用来反映中子能量信息（如：利用Cl、B等元素反映热中子信息、Pb、C等元素反映快中子信息等），同时通过材料的结构设计，使不同的元素在样品不同位置分布。通过样品本身对入射中子进行慢化以及（n, xn）等倍增反应以扩大该装置的能量响应区间，同时使得与不同的指示性核素反应的中子能量不同，增大响应差异性以提高对入射中子的能量分辨率。
本实用新型的一种中子-伽马射线信息转换装置，包括热中子俘获材料1、快中子慢化材料2、快中子非弹性散射材料3和高能中子倍增材料4，多层热中子俘获材料1、单层快中子慢化材料2、多层快中子非弹性散射材料3和单层高能中子倍增材料4由内至外依次包覆形成同心球体结构。
其中，热中子俘获材料1为2~5层，且各层热中子俘获材料1取材不同，多层热中子俘获材料1由内至外同心包覆，且最内层热中子俘获材料1位于同心球体结构的中心处，热中子俘获材料1为含镉聚乙烯或含硼聚乙烯或碳化硼或氧化钆或氯化钠，快中子慢化材料2为富氢材料，单层快中子慢化材料2同心包覆于最外层热中子俘获材料1外部，快中子非弹性散射材料3为2~3层，且各层快中子非弹性散射材料3取材不同，快中子非弹性散射材料3为有机玻璃或含铁有机玻璃或含铅有机玻璃或含铝有机玻璃，多层快中子非弹性散射材料3由内至外同心包覆于快中子慢化材料2外部，单层高能中子倍增材料4同心包覆于最外层快中子非弹性散射材料3外部，且位于同心球体结构的中子-伽马射线信息转换装置最外层，高能中子倍增材料4为铅、钨、铜中的一种。
优选地，快中子慢化材料2为聚乙烯或有机玻璃。
实施例1
采用蒙特卡罗软件MCNP和GEANT4对不同能量中子入射时放出瞬发伽马射线的物理过程进行模拟计算，基于有效信息差异最大化和获取最大化的思想，结合模拟计算获得不同结构下样品的响应函数，本实用新型对中子-伽马射线信息转换装置进行元素选择及结构设计，最终获得如1所示的中子-伽马射线信息转换装置。
如图1所示，本实用新型的一种中子-伽马射线信息转换装置，为同心球体结构，由内至外依次包括热中子俘获材料1、快中子慢化材料2、快中子非弹性散射材料3和高能中子倍增材料4，热中子俘获材料1为两层，内层热中子俘获材料1-1为含硼聚乙烯，外层热中子俘获材料1-2为含镉聚乙烯，内层热中子俘获材料1-1位于同心球体结构的中心处，外层热中子俘获材料1-2包覆于内层热中子俘获材料1-1外部，快中子慢化材料2选择聚乙烯，单层快中子慢化材料2同心包覆于外层热中子俘获材料1-2外部，快中子非弹性散射材料3为两层，内层快中子非弹性散射材料3-1为含碳和氧的有机玻璃，外层快中子非弹性散射材料3-2为含铁有机玻璃，内层快中子非弹性散射材料3-1同心包覆于快中子慢化材料2外部，高能中子倍增材料4选用钨，单层高能中子倍增材料4同心包覆于最外层快中子非弹性散射材料3外部，且位于同心球体结构的中子-伽马射线信息转换装置最外层。
本实施例的中子-伽马射线信息转换装置将中子转换为伽马射线的方法：当本中子-伽马射线信息转换装置位于快中子与高能中子的混合中子场中时，其中的快中子可与快中子非弹性散射材料3中的铁、碳、氧等发生非弹性散射反应而放出能量不同的特征伽马射线，同时快中子在其中被快中子慢化材料2慢化为热中子，热中子进一步与热中子俘获材料1中的硼及镉元素发生俘获反应，释放出更多的伽马射线，提高转换效率；对于高能中子，其与上述核素的非弹性散射和俘获反应截面都很小，但高能中子可与高能中子倍增材料4中的钨发生倍增反应，反应放出能量为1~6MeV的快中子，这些快中子会继续发生前述非弹性散射反应和慢化反应，以此实现该中子-伽马射线信息转换装置对不同能量中子的响应；
如图2所示为实施例1的不同核素反应截面结果，根据各元素的反应截面不同，从而可以根据元素与中子反应产生的特征伽马射线能量的强度判断中子信息。
本中子-伽马射线信息转换装置主要利用热中子与核素发生的俘获反应和快中子与核素发生的非弹性散射反应来获取特征伽马射线，通过伽马射线进一步反推可获得入射中子的信息如入射中子的数目和能量分布，且该中子-伽马射线信息转换装置位于中子场中时发射的伽马射线只与中子能量分布有关，从而降低中子的探测难度。
以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。
Claims (8)
1.一种中子-伽马射线信息转换装置，其特征在于，包括热中子俘获材料（1）、快中子慢化材料（2）、快中子非弹性散射材料（3）和高能中子倍增材料（4），多层热中子俘获材料（1）、单层快中子慢化材料（2）、多层快中子非弹性散射材料（3）和单层高能中子倍增材料（4）由内至外依次包覆形成同心球体结构。
2.根据权利要求1所述的中子-伽马射线信息转换装置，其特征在于：所述热中子俘获材料（1）为2~5层，且各层热中子俘获材料（1）取材不同，多层热中子俘获材料（1）由内至外同心包覆，且最内层热中子俘获材料（1）位于同心球体结构的中心处。
3.根据权利要求2所述的中子-伽马射线信息转换装置，其特征在于：所述热中子俘获材料（1）为含镉聚乙烯或含硼聚乙烯或碳化硼或氧化钆或氯化钠。
4.根据权利要求3所述的中子-伽马射线信息转换装置，其特征在于：所述快中子慢化材料（2）同心包覆于最外层热中子俘获材料（1）外部，快中子慢化材料（2）为富氢材料。
5.根据权利要求4所述的中子-伽马射线信息转换装置，其特征在于：所述快中子慢化材料（2）为聚乙烯或有机玻璃。
6.根据权利要求5所述的中子-伽马射线信息转换装置，其特征在于：所述快中子非弹性散射材料（3）为2~3层，且各层快中子非弹性散射材料（3）取材不同，多层快中子非弹性散射材料（3）由内至外同心包覆于快中子慢化材料（2）外部。
7.根据权利要求6所述的中子-伽马射线信息转换装置，其特征在于：所述快中子非弹性散射材料（3）为有机玻璃。
8.根据权利要求7所述的中子-伽马射线信息转换装置，其特征在于：所述高能中子倍增材料（4）同心包覆于最外层快中子非弹性散射材料（3）外部，且位于同心球体结构的中子-伽马射线信息转换装置最外层，所述高能中子倍增材料（4）为铅、钨、铜中的一种。
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| CN202022399288.8U CN214151075U (zh) | 2020-10-26 | 2020-10-26 | 一种中子-伽马射线信息转换装置 |
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| CN202022399288.8U CN214151075U (zh) | 2020-10-26 | 2020-10-26 | 一种中子-伽马射线信息转换装置 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114047541A (zh) * | 2021-11-10 | 2022-02-15 | 中国原子能科学研究院 | 一种中子能谱测量的多球谱仪 |
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2020
- 2020-10-26 CN CN202022399288.8U patent/CN214151075U/zh active Active
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| CN114047541A (zh) * | 2021-11-10 | 2022-02-15 | 中国原子能科学研究院 | 一种中子能谱测量的多球谱仪 |
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