CN214151076U - 一种基于多伽马射线能谱探测器的中子能谱测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于多伽马射线能谱探测器的中子能谱测量装置，中心伽马探测器位于圆球形中子能谱检测系统中心处，多层中子慢化体和多层中子俘获材料隔层交错包覆于中心伽马探测器外周，中子非弹散射材料同心包覆于最外层，最外层中子俘获材料不同位置处布置有方位伽马探测器，中心伽马探测器与方位伽马探测器的响应函数均依次通过信号放大器、模数转换器、多道分析器处理，最后传输至电脑端进行数据分析。本实用新型通过圆球形的中子能谱检测系统设计，中心伽马探测器的响应不受中子入射方向影响，阵列分布的方位伽马探测器可根据不同来向中子产生不同的响应函数而判断中子的入射方向，有效提高系统探测效率，实现在线测量宽能区中子能谱。

Description

一种基于多伽马射线能谱探测器的中子能谱测量装置

技术领域

本实用新型属于辐射探测领域，具体涉及一种基于多伽马射线能谱探测器的中子能谱测量装置。

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。在基于中子技术的众多研究当中，中子辐射场的信息是开展工作的必要前提。中子能谱是描述单位能量间隔内的中子数目随中子能量变化的分布，是反应堆、加速器等中子辐射场的关键参数，其精确测量对中子技术及应用研究具有重要意义，是中子源安全运行、科学应用及辐射防护的基础。

传统的中子能谱测量技术中，各种方法均有其优势和弊端。如活化片测量法，其成本较低，具有极好的n/γ甄别能力，但测量结果大都存在依赖初始谱、能量分辨率不高等弊端；基于塑料闪烁体或液体闪烁体的测量方法，其使用方便，但须解决n/γ甄别及准确响应函数获取的问题；常用的气体探测器的发展亦受到原材料（如：He-3气体）短缺等问题的制约。因此，确有必要对现有中子能谱测量装置进行改进以解决现有技术之不足。

发明内容

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，提供一种基于多伽马射线能谱探测器的中子能谱测量装置，该中子能谱测量装置通过中子能谱检测系统的同心圆形结构设计，使得该装置不受中子入射方向影响，能有效提高系统探测效率，实现中子能谱的在线测量，并实现对中子入射方向的判断。

为实现上述技术目的，本实用新型采取的技术方案为：一种基于多伽马射线能谱探测器的中子能谱测量装置，包括圆球形的中子能谱检测系统，中子能谱检测系统包括中心伽马探测器、方位伽马探测器、中子慢化体、中子俘获材料和中子非弹性散射材料，中心伽马探测器位于圆球形中子能谱检测系统的中心处，多层中子慢化体、多层中子俘获材料和单层中子非弹性散射材料同心包覆于中心伽马探测器外部，中子慢化体和中子俘获材料隔层交错分布，且最内层中子慢化体包覆于中心伽马探测器外部，中子非弹性散射材料同心包覆于中子能谱检测系统最外层，多个方位伽马探测器呈阵列布置于同层中子俘获材料不同位置处，中心伽马探测器与方位伽马探测器的响应函数均依次通过信号放大器、模数转换器、多道分析器处理，最后传输至电脑端进行数据分析。

进一步地，所述中心伽马探测器为溴化镧探测器、高纯锗探测器、锗酸铋探测器、碘化钠探测器中的一种。

进一步地，所述中子慢化体设有2~5层，所述中子慢化体为富氢材料。

进一步地，所述中子慢化体为聚乙烯或有机玻璃材料。

进一步地，所述方位伽马探测器呈阵列布置于最外层中子俘获材料的不同位置处，方位伽马探测器根据中子的入射方向所产生不同的响应函数而判断中子的入射方向。

进一步地，所述方位伽马探测器为碲锌镉探测器或碲化镉探测器。

进一步地，所述中子俘获材料设有 2~5层，所述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，一系列中子俘获材料与经过中子慢化体慢化后的热中子反应产生的瞬发伽马射线，这些瞬发伽马射线能够被方位伽马探测器和中心伽马探测器所探测。

进一步地，所述中子非弹性散射材料同心包覆于最外层中子慢化体外部，且位于中子能谱检测系统最外层，所述中子非弹性散射材料为有机玻璃如含铁有机玻璃或含铅有机玻璃或含铝有机玻璃，通过(n, n’)或(n, 2n)等反应实现能谱的软化，同时通过与快中子发生非弹性散射产生具有能量特征的瞬发特征伽马射线，这些瞬发特征伽马射线能够被方位伽马探测器和中心伽马探测器所探测。

进一步地，所述中心伽马探测器得到的响应函数包括中子非弹性散射材料与中子及经过中子慢化体慢化后的热中子反应产生的瞬发特征伽马射线。

进一步地，所述方位伽马探测器得到的响应函数包括中子非弹性散射材料与中子反应产生的瞬发特征伽马射线、热中子与方位伽马探测器（碲锌镉探测器或碲化镉探测器）中的镉反应产生的558keV特征伽马射线。

进一步地，所述的中心伽马探测器和方位伽马探测器的响应函数经过伽马能谱解谱技术解谱，实现俘获谱、非弹散射谱及本底谱的分离，获得不同特征能量的伽马射线的强度，其强度可以代表该核素所在深度的热中子通量信息，并构建中子入射方向的方位伽马探测器响应函数。

本实用新型具有以下有益效果：本实用新型提供了一种基于多伽马射线能谱探测器的中子能谱测量装置，其中子能谱检测系统突破传统方法的局限，设计为轴对称的圆球形，中心伽马探测器对不同方向入射的中子具有响应一致性，从而中心伽马探测器的响应与入射中子方向无关，而在中子慢化体中均布的方位伽马探测器能够根据中子的入射方向所产生不同的响应函数而判断中子的入射方向，从而本实用新型的中子能谱测量装置对中子能谱的测量不受中子入射方向影响，能有效提高系统探测效率，实现宽能区中子能谱的在线测量，并对中子入射方向实现判断，能够在一定程度上解决现有中子能谱测量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而有效的解决方案。

附图说明

图1为本实用新型的剖面示意图；

图2为本实用新型实施例1的中心伽马探测器的能谱测量结果；

图3为本实用新型实施例1的方位伽马探测器的能谱测量结果；

图4为本实用新型实施例1的中子能谱反演结果。

其中的附图标记为：中心伽马探测器1、方位伽马探测器2、中子慢化体3、中子俘获材料4、中子非弹性散射材料5、信号放大器6、模数转换器7、多道分析器8、电脑9。

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。

如图1所示，本实用新型的一种基于多伽马射线能谱探测器的中子能谱测量装置，包括圆球形的中子能谱检测系统，中子能谱检测系统包括中心伽马探测器1、方位伽马探测器2、中子慢化体3、中子俘获材料4和中子非弹性散射材料5，中心伽马探测器1为溴化镧探测器、高纯锗探测器、锗酸铋探测器、碘化钠探测器中的一种，中心伽马探测器1位于圆球形中子能谱检测系统的中心处，中心伽马探测器1的响应与入射中子方向无关，中子慢化体3为富氢材料，共设有2~5层，中子俘获材料4为含镉聚乙烯或含硼聚乙烯或碳化硼或氧化钆或氯化钠，共设有 2~5层，中心伽马探测器1外周同心包覆有多层中子慢化体3、多层中子俘获材料4和单层中子非弹性散射材料5，中子慢化体3和中子俘获材料4隔层交错分布，且最内层中子慢化体3包覆于中心伽马探测器1外部，单层中子非弹性散射材料5同心包覆于最外层中子慢化体3外部，且位于中子能谱检测系统最外层，多个方位伽马探测器2呈阵列布置于同层的中子俘获材料4不同位置处，中心伽马探测器1与方位伽马探测器2的响应函数均依次通过信号放大器6、模数转换器7、多道分析器8处理，最后传输至电脑9端进行数据分析。

其中，方位伽马探测器2为碲锌镉探测器或碲化镉探测器，其根据中子的入射方向所产生不同的响应函数而判断中子的入射方向。

优选地，中子慢化体3为聚乙烯或有机玻璃材料。

进一步地，方位伽马探测器2均布于最外层中子俘获材料4的不同位置处，方位伽马探测器2根据中子的入射方向所产生不同的响应函数而判断中子的入射方向。

其中，中子非弹性散射材料5为有机玻璃如含铁有机玻璃或含铅有机玻璃或含铝有机玻璃，通过(n, n’)或(n, 2n)等反应实现能谱的软化，同时通过与快中子发生非弹性散射产生具有能量特征的瞬发伽马射线，这些瞬发伽马射线能够被方位伽马探测器器2和中心伽马探测器1所探测。

进一步地，一系列中子俘获材料与经过中子慢化体3慢化后的热中子反应产生的瞬发伽马射线，这些瞬发伽马射线能够被方位伽马探测器2和中心伽马探测器1所探测。

其中，中心伽马探测器1得到的响应函数包括中子非弹性散射材料5的特征瞬发伽马射线、中子非弹性散射材料5与经过中子慢化体3慢化后的热中子反应产生的瞬发伽马射线。

方位伽马探测器2得到的响应函数包括中子非弹性散射材料5与中子反应产生的瞬发特征伽马射线、热中子与方位伽马探测器2（碲锌镉探测器或碲化镉探测器）中的镉反应产生的558keV特征伽马射线。

进一步地，中心伽马探测器1和方位伽马探测器2的响应函数经过伽马能谱解谱技术解谱，实现俘获谱、非弹散射谱及本底谱的分离，获得不同特征能量的伽马射线的强度，其强度可以代表该核素所在深度的热中子通量信息，并构建中子入射方向的方位伽马探测器2响应函数。

实施例1

一种基于多伽马射线能谱探测器的中子能谱测量装置，包括中心伽马探测器1、方位伽马探测器2、中子慢化体3、中子俘获材料4、中子非弹性散射材料5、信号放大器6、模数转换器7、多道分析器8和电脑9，其中，中心伽马探测器1选用溴化镧探测器，方位伽马探测器2选用碲锌镉探测器，中子慢化体3采用聚乙烯材料，中子俘获材料4分层分别采用含镉聚乙烯、含硼聚乙烯及氯化钠，中子非弹性散射材料5采用含铅有机玻璃，中心伽马探测器1、方位伽马探测器2、中子慢化体3、中子俘获材料4和中子非弹性散射材料5组成的中子能谱检测系统整体为轴对称的圆球形，中心伽马探测器1位于圆球形中子能谱检测系统的中心处，从而中心伽马探测器1的响应与入射中子方向无关，中心伽马探测器1外周包覆5层同心布置的中子慢化体3和4层中子俘获材料4，中子非弹性散射材料5同心布置于中子能谱检测系统最外层，也即最外层中子慢化体3外部，最外层中子俘获材料4不同位置处呈阵列布置有4个方位伽马探测器2，中心伽马探测器1与方位伽马探测器2的响应函数均依次通过信号放大器6、模数转换器7、多道分析器8处理，最后传输至电脑9端进行数据分析。

本基于多伽马射线能谱探测器的中子能谱测量装置对中子能谱的测量方法：一个镅铍源从中子能谱检测系统的正面入射，快中子首先与最外层的中子非弹性散射材料5中的铅发生反应以实现中子能谱软化，同时发生非弹性碰撞产生瞬发伽马射线，这些瞬发伽马射线被方位伽马探测器2与中心伽马探测器1记录；之后快中子经过中子慢化体3（聚乙烯）慢化为热中子后，与方位伽马探测器2的镉元素发生俘获反应，产生558keV特征伽马射线，方位伽马探测器2记录下热中子通量；之后热中子进一步与中子俘获材料4（氯化钠）发生俘获反应，产生瞬发特征伽马射线，被中心伽马探测器1记录下来；中心伽马探测器1与方位伽马探测器2测量得到的伽马射线信号依次经过信号放大器6（对信号进行滤波放大）、模数转换器7（将模拟信号转换为数字信号）、多道分析器8（对信号进行幅度分析）进行处理，获得伽马射线能谱，并最终传输到电脑9中，再经过伽马能谱解谱技术处理，将中心伽马探测器1和方位伽马探测器2的响应函数分为铅的特征伽马射线、氯的特征伽马射线、氢的特征伽马射线、镉的特征伽马射线和辐射本底；通过方位伽马探测器2阵列中中子入射方向与响应函数的关系可以得到中子的入射方向，实现中子入射方向判断；中心伽马探测器1的响应函数经过伽马能谱解谱技术解谱后，可以利用热中子分布及快中子响应通过中子能量响应函数反推中子能谱。

中心伽马探测器1的能谱测量结果如图2所示，由图2可见，经过慢化后的中子与各中子俘获层材料发生反应产生不同的瞬发伽马射线，不同深度产生的能量不同。

方位伽马探测器2的能谱测量结果如图3 所示，由图3可见，经过慢化后的中子与各中子俘获层材料发生反应产生不同的特征伽马射线，不同深度产生的能量不同。

图4为中子能谱反演结果，由图可见，可以利用热中子分布及快中子响应通过中子能量响应函数反推中子能谱。

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)

1.一种基于多伽马射线能谱探测器的中子能谱测量装置，其特征在于，包括圆球形的中子能谱检测系统，所述中子能谱检测系统包括中心伽马探测器（1）、方位伽马探测器（2）、中子慢化体（3）、中子俘获材料（4）和中子非弹性散射材料（5），所述中心伽马探测器（1）位于圆球形中子能谱检测系统的中心处，多层中子慢化体（3）、多层中子俘获材料（4）和单层中子非弹性散射材料（5）同心包覆于中心伽马探测器（1）外部，所述中子慢化体（3）和中子俘获材料（4）隔层交错分布，且最内层中子慢化体（3）包覆于中心伽马探测器（1）外部，所述中子非弹性散射材料（5）同心包覆于中子能谱检测系统最外层，多个方位伽马探测器（2）呈阵列布置于同层中子俘获材料（4）不同位置处，所述中心伽马探测器（1）与方位伽马探测器（2）的响应函数均依次通过信号放大器（6）、模数转换器（7）、多道分析器（8）处理，最后传输至电脑（9）端进行数据分析。

2.根据权利要求1所述的基于多伽马射线能谱探测器的中子能谱测量装置，其特征在于：所述中心伽马探测器（1）为溴化镧探测器、高纯锗探测器、锗酸铋探测器、碘化钠探测器中的一种。

3.根据权利要求1所述的基于多伽马射线能谱探测器的中子能谱测量装置，其特征在于：所述中子慢化体（3）设有2~5层，所述中子慢化体（3）为富氢材料。

4.根据权利要求3所述的基于多伽马射线能谱探测器的中子能谱测量装置，其特征在于：所述中子慢化体（3）为聚乙烯或有机玻璃材料。

5.根据权利要求4所述的基于多伽马射线能谱探测器的中子能谱测量装置，其特征在于：所述方位伽马探测器（2）呈阵列布置于最外层中子俘获材料（4）的不同位置处，并根据中子的入射方向所产生不同的响应函数而判断中子的入射方向。

6.根据权利要求5所述的基于多伽马射线能谱探测器的中子能谱测量装置，其特征在于：所述方位伽马探测器（2）为碲锌镉探测器或碲化镉探测器。

7.根据权利要求1所述的基于多伽马射线能谱探测器的中子能谱测量装置，其特征在于：所述中子俘获材料（4）设有 2~5层，所述中子俘获材料（4）为含镉聚乙烯或含硼聚乙烯或碳化硼或氧化钆或氯化钠。

8.根据权利要求1所述的基于多伽马射线能谱探测器的中子能谱测量装置，其特征在于：所述中子非弹性散射材料（5）同心包覆于最外层中子慢化体（3）外部，且位于中子能谱检测系统最外层，所述中子非弹性散射材料（5）为有机玻璃。

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