TWI692649B

TWI692649B - 偵測及判斷中子及伽馬射線之方法及系統

Info

Publication number: TWI692649B
Application number: TW108116578A
Authority: TW
Inventors: 王名儒; 陳昱潭; 林傑澄; 徐靜戈
Original assignee: 國立臺灣大學
Priority date: 2019-05-14
Filing date: 2019-05-14
Publication date: 2020-05-01
Also published as: TW202041886A

Abstract

一種偵測及判斷中子及伽馬射線之方法，包括利用感應體偵測中子及/或伽馬射線，以於偵測到該中子及/或該伽馬射線時產生光子；將該光子轉成電子訊號；定義中子事件沉積能量範圍以令其匹配於該感應體與中子反應時之沉積能量，及定義時間區間T以令其匹配於該感應體與中子反應時產生光子之時間t；計算該電子訊號於時間區間T內之累積值，以轉換為沉積能量E；根據該沉積能量E判斷為中子或伽馬事件，當該沉積能量E落在該中子事件沉積能量範圍內判斷為中子事件，反之判斷為伽馬事件。本發明以單偵測器同時偵測中子及伽馬射線，有良好敏感度。

Description

偵測及判斷中子及伽馬射線之方法及系統

本發明係關於偵測及判別中子及伽馬射線之方法及系統，尤指以單探頭同時偵測並能分辨中子及伽馬射線之方法及系統。

環境中之輻射對人體有負面影響，雖然近年來的反核浪潮使各國逐漸不再倚賴核能電廠，然而核能電廠的汰除或關閉尚待時日，監測核能電廠是否散發危害劑量之中子及伽馬射線(γ-ray)仍有其必要性。此外，隨著科技及醫療技術的發展，已出現相當多高能量及強度輻射的設施及設備，如高能醫用直線加速器、正電子放射斷層攝影等，此些設施及設備在運轉的過程中，皆會產生伽馬射線與中子的混合輻射，為了保護於混合輻射場的工作人員及接受輻射治療之患者，監測混合輻射場所產生的輻射劑量是非常重要的。

中子粒子本身不帶電荷，因此中子的偵測通常需要利用中子撞擊原子核的核反應來達成。習知的中子偵測器例如使用中子感測氣體(³He或BF₃)與入射中子反應產生帶電粒子，其中，BF₃因其毒性問題對環境及人體存在潛在的風險及危害，而³He雖然有反應截面大、高壓下可獲得高探測效率的優勢，但其價格昂貴、所需的密封技術難度高，更因其係稀少的戰略資源而受國際間管制，有不易取得的問題。上述使用感測氣體之習知中子偵測器，亦有體積龐大且耗大量功率的缺點。

另外，許多中子偵測器於偵測中子時，對於伽馬射線亦是十分靈敏的，此導致於計量中子及伽馬射線訊號時的干擾，為了判讀中子及伽馬射線，中子和伽馬射線的鑑別係不可或缺的技術。目前，部分技術著眼於濾除中子偵測器中的伽馬射線，或使用不與伽馬射線反應之中子感應體的中子偵測器，並另外設置只對伽馬射線反應的伽馬射線偵測器，從而以雙偵測器分別偵測中子及伽馬射線，然而，這樣的裝置需要設置兩獨立電源分別供給至各偵測器，導致裝置體積龐大且更耗電，其裝置內部的電路配置亦相對複雜。

有鑑於此，以成本、輕型化以及環保的觀點來看，目前市面上的中子及伽馬射線偵測器仍有待改善。

本發明提供一種偵測及判別中子及伽馬射線之方法，係包括利用感應體偵測中子及/或伽馬射線，以於偵測到該中子及/或該伽馬射線時產生光子；將該光子轉成電子訊號；定義中子事件沉積能量範圍以令其匹配於該感應體與中子反應時之沉積能量，以及定義時間區間T以令其匹配於該感應體與中子反應時產生光子之時間t；計算該電子訊號於時間區間T內之累積值，以將該累積值轉換為沉積能量E；根據該沉積能量E判斷所偵測者為中子或伽馬事件，該沉積能量E落在該中子事件沉積能量範圍內時判斷為中子事件，反之，則判斷為伽馬事件。

於一具體實施態樣中，該感應體係⁶LiI晶體。

於一具體實施態樣中，該中子事件沉積能量範圍係3MeV至6MeV。

於一具體實施態樣中，該時間區間T係3t至100t，且於一具體實施態樣中，該時間區間T係7t至20t。

於一具體實施態樣中，進一步包括定義雜訊閾值，以藉之濾除該電子訊號中之雜訊，且於一具體實施態樣中，該雜訊閾值係10mV。

於一具體實施態樣中，該中子之能量係0至250MeV，且該方法之中子偵測敏感度係1至1000cps/(μSv/hr)。

於一具體實施態樣中，進一步包括定義啟動閾值，以使該電子訊號達到該啟動閾值後，始計算該電子訊號於該時間區間T內之累積值，其中，該時間區間T之起點可以在該電子訊號達到該啟動閾值時或之前。

於一具體實施態樣中，進一步包括將該中子經中子慢化劑以減緩該中子之速度而與該感應體反應。

本發明復提供一種偵測及判斷中子及伽馬射線之系統，係包括感應體，用以與照射該感應體之中子及/或伽馬射線反應而產生光子，藉此偵測該中子及/或該伽馬射線；訊號處理電路，其將該光子轉換成電子訊號；以及運算模組，其計算該電子訊號於時間區間T內之累積值，以將該累積值轉換為沉積能量E，俾根據該沉積能量E判斷所偵測者為中子事件或伽馬事件，以於該沉積能量E落在中子事件沉積能量範圍內時判斷為該中子事件，反之，則判斷為該伽馬事件，其中該時間區間T係定義為匹配於該感應體與中子反應時產生光子之時間t，而該中子事件沉積能量範圍係定義為匹配於該感應體與中子反應時之沉積能量。

於一具體實施態樣中，更包括：傳輸模組，係傳輸該運算模組之計算及判斷之結果；以及使用者介面，係接收該傳輸模組所傳輸之結果，以呈現視覺化訊息。

於一具體實施態樣中，更包括中子慢化劑，其設置於該感應體之前，使得該中子經過該中子慢化劑以減速而與該感應體反應。

於一具體實施態樣中，該訊號處理電路包括類比數位轉換器、前置放大器及放大器之至少一者。

於一具體實施態樣中，該運算模組為現場可程式化邏輯閘陣列(FPGA)。

於一具體實施態樣中，該感應體係⁶LiI晶體。

於一具體實施態樣中，該運算模組進一步定義雜訊閾值以濾除該電子訊號中之雜訊。

於一具體實施態樣中，該運算模組進一步定義啟動閾值，以使該電子訊號達到該啟動閾值後，始計算該電子訊號於該時間區間T內之累積值，其中，該時間區間T之起點可以在該電子訊號達到該啟動閾值時或之前。

由本發明所提供之偵測及判斷中子及伽馬射線的方法以及系統，可以單偵測探頭同時接收中子及伽馬射線，並計算中子及伽馬射線所產生之訊號之沉積能量而進行判定，以區別兩者，同時保有良好的靈敏度，比起雙偵測探頭須分別設置獨立電源、較複雜的電路設置，具有裝置體積小、電路設計較為簡單的優點。另外，由於使用閃爍體，相較於³He價格低廉，且不須受國際管制，相較於BF₃則因不具有毒性，使用上更安全。

本發明所提供之方法及系統，可應用於固定式環境輻射監控，並可擴充單一中央系統至16通道以上，且感應探頭與中央電源供應和訊號傳輸分別只需設置一條線，可距離至少50公尺。作為特定產業(醫療、核電廠、強子科研機構等)環境輻射劑量監控，可以24小時不間斷運作。本發明所提供之方法及系統亦可應用於移動式環境輻射偵測，使用電池供電。

20‧‧‧中子慢化劑

21‧‧‧感應體

23‧‧‧光感元件

24‧‧‧高壓電源

25‧‧‧資料擷取系統

251‧‧‧訊號處理電路

253‧‧‧運算模組

255‧‧‧傳輸模組

257‧‧‧使用者介面

259‧‧‧警報系統

26‧‧‧低壓電源

第1圖係本發明之偵測及判斷中子及伽馬射線之方法之流程圖。

第2圖係本發明之偵測及判斷中子及伽馬射線之系統之架構圖。

第3圖係不同厚度的聚乙烯對⁶LiI晶體之敏感度響應分布的模擬結果。

第4圖係以⁶⁰Co作為伽馬射源與模擬結果之比較圖。

第5圖係以²⁵²Cf作為中子射源與模擬結果之比較圖。

以下的具體實施態樣用以說明本發明之揭露內容，在閱讀本說明書之揭露內容以後，本技術領域中具有通常知識者能輕易地理解其優點及功效。

須知，本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、尺寸等，僅為配合說明書所揭示之內容，以便本技術領域中具有通常知識者得以理解及閱讀，而非意圖將本發明限制於特定條件之中，故不具有技術上之實質意義。任何結構之修改、比例關係之改變，或尺寸之的調整，在不影響本說明書所能產生之功效及所能達成之目的下，均應包含在本說明書所揭露之範圍內。在無實質變更技術內容的情況下，其相對關係之改變或調整，亦當被視為本發明可實施之範疇內。

第1圖係本發明之之偵測及判斷中子及伽馬射線之方法之流程圖。首先以感應體偵測中子及/或伽馬射線而產生光子S101。例如，可透過於感應器探頭設置感應體以令中子及伽馬射線與其反應而放出光子。於一具體實施態樣中，該感應體係閃爍體，例如⁶LiI晶體，⁶LiI晶體可以響應於中子及伽馬射線，其經伽瑪射線照射時產生電離激發，10^-7秒後受激粒子退激且放出光子，而當中子撞擊⁶LiI晶體時發生反應並放出光子，反應式為：

，△Q=4.78MeV。本發明所使用之感應體與伽馬射線及中子反應所釋放之能量存在差異，因此，可依此能量差異進行後續伽馬事件與中子事件之判別。

於將該光子轉成電子訊號S102中，感應體所產生之光子進一步經光電倍增管或光電二極體等光感元件轉換為電子訊號，使該電子訊號進入訊號處理電路。

步驟S103係定義特定值，於例如運算模組中進行，該特定值例如中子事件沉積能量範圍以及時間區間T，其中，中子事件沉積能量範圍匹配於該感應體與中子反應時之沉積能量，而時間區間T匹配於該感應體與中子反應時產生光子之時間t。

感應體與中子反應時產生之沉積能量通常落在非常集中的特定能量範圍，該特定能量係依感應體之種類而定，與伽馬射線反應時所產生之亂度分布沉積能量不同。例如以⁶LiI晶體作為感應體時，⁶LiI晶體與中子反應之沉積能量為4.78MeV。另外，由於光電倍增管的增益機率分布、時間及溫度對光電倍增管的影響、量子效應及儀器本身等擾動因素，所測得之中子事件之沉積能量往往並非固定值，因此必須定義中子事件沉積能量範圍，該範圍可以利用中子射源校正所得之結果為基礎來定義。一般來說，若所定義之範圍愈大，愈可以避免中子事件遺漏，但同時可能會誤判到更多的伽馬射線，故須最佳化所定義之沉積能量範圍。

時間區間T之定義，若以⁶LiI晶體作為感應體，⁶LiI晶體與中子反應放出光子之時間t(特性時間)為1.4μs，該時間區間T即以1.4μs為基準來定義。一般而言，涵蓋3個特性時間t就足以包含反應放出的所有能量，然而，由於RC電路之特性，在沒有新電荷貢獻下，電壓將隨時間指數遞減，因此需考慮RC電路的遞減特性時間。於一具體實施態樣中，該時間區間T例如為3t至100t或7t至100t，但不限於此，可依各種情況及需求來定義該時間區間T。若時間區間T愈寬，愈有可能發生重複計算之情況(將兩個事件計算為一個)，因此，時間區間T之定義亦須考量測量環境中的輻射事件頻率，使測量環境中的輻射事件頻率之重複計算影響在誤差以下，例如，當時間區間T定義為10μs時，適用測量環境中的輻射事件頻率為100kHz以下，當時間區間T定義為100μs時，適用測量環境中的輻射事件頻率為10kHz以下。

於一具體實施態樣中，亦可定義雜訊閾值以濾除該電子訊號中之雜訊。由於熱擾動及光電倍增管等因素，在沒有輻射劑量時系統會讀到低讀值的雜訊，短時間內所造成之誤差較小，但長時間的計算累積下將干擾總量計算。一般而言，該雜訊的讀值常落在1至3ADU(Analog-to-digital unit)之間，可以透過校正來確定雜訊的範圍。於一具體實施態樣中，雜訊閾值可定義為5ADU以下。另外，亦可以於訊號處理電路中設置濾波器來濾除雜訊。

於一具體實施態樣中，亦可定義下一步驟S104的啟動閾值，以使該電子訊號達到該啟動閾值後，始計算該電子訊號於該時間區間T內之累積值，避免頻繁的判定運算而消耗過多資源。當該電子訊號達到該啟動閾值時，可以令達到該啟動閾值時之時間為該時間區間T之起點。於另一具體實施態樣中，亦可以令該時間區間T之起點在達到該啟動閾值時之前。例如時間區間T為10μs，以達到啟動閾值時之時間為基準(即0μs)，電子訊號累積值之計算可以由0μs至10μs，或者，計算可以由-1μs至9μs。

定義特定值後，即可進行步驟S104，其係計算電子訊號於時間區間T內之累積值，以將該累積值轉換為沉積能量E。具體而言，係計算電子訊號於時間區間T內之累積電壓值，再轉換為電荷量，並認定該電荷量為一個未知事件所產生的沉積能量E。而步驟S105則係根據該沉積能量E來判斷該未知事件係中子事件還是伽馬事件，當該沉積能量E落在S103中所定義的中子事件沉積能量範圍內時即判斷該未知事件為中子事件，反之則判斷該未知事件為伽馬事件。

本發明之偵測及判斷中子及伽馬射線之系統之架構圖如第2圖所示，包括感應體21、光感元件23、高壓電源24、資料擷取系統25及低壓電源26，其中，該資料擷取系統包括訊號處理電路251、運算模組253、傳輸模組255以及使用者介面257。

於一具體實施態樣中，可進一步設置中子慢化劑20以令高能量中子經中子慢化劑20減速後與該感應體反應，藉此增加對中子的響應，該中子慢化劑20例如為聚乙烯。可調整中子慢化劑20之厚度，使感應體達到不同的敏感度響應分布。第3圖係使用不同厚度中子慢化劑聚乙烯之⁶LiI晶體之敏感度響應分布的模擬結果，顯示本發明在不同聚乙烯厚度下展現不同的敏感度分布，有不同的中子能量適用範圍，其中，在很高的敏感度下(聚乙烯厚度較薄)至少可以有0至10keV的中子能量適用範圍，亦可進一步增厚聚乙烯並增加感應體之感應面積以在維持一定水準的敏感度的情況下增加中子能量適用範圍，例如0至250MeV。第3圖亦顯示可以透過調整聚乙烯厚度以達到偵測敏感度的要求，例如令偵測敏感度在normal room(一般人受非天然輻射劑量限制所算出建議或需要的敏感度下限)或 control room(輻射工作人員受非天然輻射劑量限制所算出建議或需要的敏感度下限)以上。

於一具體實施態樣中，光感元件23例如為光電倍增管或光電二極體，將感應體21所放出之光子傳導至後端電路，並經高壓電源24供應。

資料擷取系統25經低壓電源26提供電力，且可進一步細分為訊號處理電路251、運算模組253、傳輸模組255以及使用者介面257。該訊號處理電路251處理來自感應器及光感元件23之訊號，於一具體實施態樣中，包括類比數位轉換器(Analog-to-digital converter,ADC)、前置放大器(preamplifier)、放大器(amplifier)及濾波器之至少一者。

而運算模組253則可執行計算並判斷的工作。先定義特定值後即可計算電子訊號於時間區間T內之累積值，以將該累積值轉換為沉積能量E，並根據該沉積能量E判斷電子訊號來自於中子事件或伽馬事件，當該沉積能量E落在所定義之中子事件沉積能量範圍內時判斷為中子事件，反之則判斷為伽馬事件。

於一具體實施態樣中，運算模組253例如為現場可程式化邏輯閘陣列FPGA，其以高速硬體演算法進行除頻、計算能量以及判別輻射之種類，可以VHDL來進行編碼。於一具體實施態樣中，除頻係將50MHz的時脈轉為12.5MHz(80ns)。

於一具體實施態樣中，傳輸模組255將運算模組253之運算結果傳輸給使用者介面257，該使用者介面257可顯示偵測中子及伽馬射線之結果，亦可以於使用者介面257設置警報系統259，若所偵測之中子及伽馬射線劑量超過警報系統所設定之臨界值，顯示警報訊息給使用者。

本發明透過實施例之示例來說明細節。不過，本發明之詮釋不應當被限制於以下實施例之闡述。

實施例

原型機以⁶LiI晶體作為感應體、光電倍增管作為光感元件、聚乙烯作為中子慢化劑，並以ADC將訊號轉換為電壓數位訊號，可得dE=V(t)-V(t-1)e^(-t/RC)，其中取樣時脈12.5MHz(80ns)、RC電路遞減特性時間為2μs，因此，得到

。考慮至少3倍的RC電路遞減特性時間2μs以及至少3倍晶體之特性時間1.4μs，將時間區間T定義為T=10.24μs。

利用⁶⁰Co作為伽馬射源進行測量，並與模擬之結果比對以進行校正，結果如第4圖所示，在聚乙烯厚度為0至300mm之間比對良好，校正後即可測量伽馬射線劑量。

利用²⁵²Cf作為中子射源進行測量，並與模擬之結果比對以進行校正，結果如第5圖所示，在聚乙烯厚度為0至200mm之間，局部範圍的比對良好，局部範圍比對有偏差，須分範圍進行校正，校正後即可測量中子劑量。

經校正後，雜訊閾值定義為5ADU(其中，1ADU=2V/1023

2mV，故5ADU約為10mV)、中子事件沉積能量範圍定義為3至6MeV、啟動閾值定義為1.5MeV。原型機之中子測量敏感度約0.5cps/(μSv/hr)、伽馬射線測量敏感度約3×10⁴ADU/s/(μSv/hr)，其中劑量率使用ICRP74估計，顯示同時測量中子及伽馬射線時可以保有較佳的敏感度。

Claims

一種偵測及判斷中子及伽馬射線之方法，係包括：利用感應體偵測中子及/或伽馬射線，以於偵測到該中子及/或該伽馬射線時產生光子；將該光子轉成電子訊號；定義匹配於該感應體與中子反應時之沉積能量的中子事件沉積能量範圍，定義匹配於該感應體與中子反應時產生光子之時間t的時間區間T，以及定義啟動閾值，使該電子訊號達到該啟動閾值後始進行計算，其中，該時間區間T之起點可以在該電子訊號達到該啟動閾值時或之前；計算該電子訊號於時間區間T內之累積值，以將該累積值轉換為沉積能量E；根據該沉積能量E判斷所偵測者為中子事件或伽馬事件，當該沉積能量E落在該中子事件沉積能量範圍內時判斷為該中子事件，反之，則判斷為該伽馬事件。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該感應體係⁶LiI晶體。
如申請專利範圍第2項所述之方法，其中，該中子事件沉積能量範圍係3MeV至6MeV。
如申請專利範圍第2項所述之方法，其中，該時間區間T係3t至100t。
如申請專利範圍第4項所述之方法，其中，該時間區間T係7t至20t。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該中子之能量係0至250MeV。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該方法之中子偵測敏感度係1至1000cps/(μSv/hr)。
如申請專利範圍第1項所述之方法，進一步包括定義雜訊閾值，以藉之濾除該電子訊號中之雜訊。
如申請專利範圍第1項所述之方法，進一步包括令該中子經過中子慢化劑以減緩該中子之速度而與該感應體反應。
一種偵測及判斷中子及伽馬射線之系統，係包括：感應體，用以與照射該感應體之中子及/或伽馬射線反應而產生光子，藉此偵測該中子及/或該伽馬射線；訊號處理電路，係將該光子轉換成電子訊號；以及運算模組，係計算該電子訊號於時間區間T內之累積值，以將該累積值轉換為沉積能量E，俾根據該沉積能量E判斷所偵測者為中子事件或伽馬事件，以於該沉積能量E落在中子事件沉積能量範圍內時判斷為該中子事件，反之，則判斷為該伽馬事件，其中，該時間區間T係定義為匹配於該感應體與中子反應時產生光子之時間t，而該中子事件沉積能量範圍係定義為匹配於該感應體與中子反應時之沉積能量，其中，該運算模組還定義有啟動閾值，以使該電子訊號達到該啟動閾值後，始計算該電子訊號於該時間區間T內之累積值，其中，該時間區間T之起點可以在該電子訊號達到該啟動閾值時或之前。
如申請專利範圍第10項所述之系統，更包括：傳輸模組，係傳輸該運算模組之計算及判斷之結果；以及使用者介面，係接收該傳輸模組所傳輸之結果，以呈現視覺化訊息。
如申請專利範圍第10項所述之系統，更包括中子慢化劑，係設置於該感應體之前，使經過該中子慢化劑之中子減速以與該感應體反應。
如申請專利範圍第10項所述之系統，其中，該訊號處理電路包括類比數位轉換器、前置放大器、放大器及濾波器之至少一者。
如申請專利範圍第10項所述之系統，其中，該運算模組為現場可程式化邏輯閘陣列(FPGA)。
如申請專利範圍第10項所述之系統，其中，該感應體係⁶LiI晶體。
如申請專利範圍第10項所述之系統，其中，該中子事件沉積能量範圍係3MeV至6MeV。
如申請專利範圍第10項所述之系統，其中，該時間區間T係3t至100t。
如申請專利範圍第17項所述之系統，其中，該時間區間T係7t至20t。
如申請專利範圍第10項所述之系統，其中，該中子之能量係0至250MeV。
如申請專利範圍第10項所述之系統，其中，該系統之中子偵測敏感度係1至1000cps/(μSv/hr)。
如申請專利範圍第10項所述之系統，其中，該運算模組進一步定義雜訊閾值以濾除該電子訊號中之雜訊。