CN101699316B - 基于气体闪烁的裂变中子探测器 - Google Patents

基于气体闪烁的裂变中子探测器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于气体闪烁的裂变中子探测器，探测器包括探测器筒体、密封设置在探测器筒体前端面的入射窗密封设置在探测器筒体后端面的出射窗、设置在探测器筒体两个侧面的两个石英窗、固定在探测器筒体内的至少两个靶架、悬挂在相应靶架上的裂变靶、分别设置在两个石英窗外的两个光电探测器、与探测器筒体相连通的充气装、充于筒芯内部的闪烁气体；闪烁气体采用惰性气体或氮气。本发明解决了现有中子探测器中子/伽马分辨能力不高、中子灵敏度不高的技术问题。具有对快中子能量响应平坦、时间响应快的优点。

Description

基于气体闪烁的裂变中子探测器
技术领域
本发明涉及一种应用于低强度脉冲中子/伽马混合辐射场中测量中子注量率的裂变中子探测器，尤其涉及一种利用中子诱发裂变材料产生的碎片激发气体发光的原理以实现对中子探测的探测器。
背景技术
低强度脉冲中子/伽马混合辐射场具有如下特点：中子强度低，中子能量分布范围广，伽马射线的辐射强度与中子强度在同一水平，脉冲持续时间为微秒量级。因此，在这种脉冲辐射场中测量中子注量率是比较困难的问题，要求中子探测器具有较高的中子灵敏度，平坦的能谱响应，较快的时间响应及较高的中子/伽马分辨能力。
闪烁薄膜探测器和闪烁纤维探测器都是利用中子在闪烁体中产生的反冲质子激发闪烁体发光的原理来探测中子。然而由于电子在薄膜和纤维的发光效率比质子高，所以闪烁薄膜探测器和闪烁纤维探测器的中子/伽马分辨能力不高，很难大于10倍。
狭缝式裂变探测器采用PIN探测中子诱发裂变靶裂变产生的裂变碎片以实现对中子的探测。PIN对中子的直照灵敏度较高，为减少中子直照影响，在探测碎片时，PIN通常要偏离束流通道放置，离裂变靶较远，这样只能探测较少的碎片，导致该探测器的中子灵敏度不高，约为10-16～10-20C·cm2。
发明内容
本发明目的在于提供一种在低强度脉冲中子/伽马混合辐射场中能兼具其它探测器优点的基于气体闪烁的裂变中子探测器，其解决了现有中子探测器中子/伽马分辨能力不高、中子灵敏度不高的技术问题。
本发明的技术方案是：
一种基于气体闪烁体的裂变中子探测器，其特殊之处是：所述探测器包括探测器筒体1、密封设置在探测器筒体1前端面的入射窗31、密封设置在探测器筒体1后端面的出射窗32、设置在探测器筒体1两个侧面的两个石英窗5、固定在探测器筒体1内的至少两个靶架6、悬挂在相应靶架6上的裂变靶7、分别设置在两个石英窗5外的两个光电探测器20、与探测器筒体1相连通的充气装置8、充于筒芯内部的闪烁气体4；所述闪烁气体4采用惰性气体或氮气。
上述靶架的数量为两个，其分别设置在石英窗的前方和后方。
上述靶架的数量为四个，其中一个靶架设置在石英窗前方的筒体上，一个靶架设置在石英窗后方的筒体上，另外两个靶架设置在两个石英窗中间的筒体上。
上述探测器筒体1包括主筒11以及设置在主筒11内的筒芯12；所述主筒11为长方体结构，其截面为矩形；所述筒芯12为长方体结构，其截面为圆角矩形或八角形且与主筒11的截面相对应；所述筒芯12的四个斜侧面分别开有用于调整螺钉位置的纵向滑槽。
上述充气装置8包括设置在主筒侧面的充气口81以及通过波纹管与充气口81相连的三通阀门82。
上述光电探测器20设置在套筒21内，所述套筒21用螺丝固定在石英窗5上。
上述裂变靶7通过细金属丝22悬挂在靶架6上。
本发明采用光电探测器探测中子诱发裂变靶裂变产生的裂变碎片激发气体发光来实现对中子的测量，其具有如下优点：
1、本发明对快中子能量响应平坦。裂变材料对快中子的裂变截面随中子能量变化缓慢，这决定了本探测器具有平坦的能谱响应，便于准确测量能谱变化大的中子注量率；
2、本发明的时间响应快，可以小于3ns。本发明气体发光时间很快，在几纳秒之内，并且气体发光效率只与能量沉积有关，与粒子种类无关，及气体对电子的阻止本领比对裂变碎片小得多，这决定了本探测器具有较快的时间响应和较高的中子/伽马分辨能力；
3、本发明具有很高的中子/伽马分辨能力，如果采用氦气作为闪烁体，中子/伽马分辨可达到100倍。由于裂变碎片能将其能量全部沉积在气体中使气体发光，且采用光电倍增管，因而可以实现较高的中子灵敏度，能达到10-14C·cm2。
4、本发明闪烁气体为探测介质在裂变碎片的激发下发光，不仅可以测核裂变碎片信号，也可以测产生的质子、α粒子等其它重带电粒子
5、本发明采用双侧装光电探测器件的方式，便于扣除散射本底影响。
6、本发明采用三通阀门连接抽气口，使筒体既能方便抽气，也方便充气。
附图说明
图1和图2是探测器的两种不同结构示意图；
图3为筒芯的结构示意图；
图4为靶架的结构示意图；
其中：1-筒体，11-主筒，12-筒芯，31-入射窗，32-出射窗，4-闪烁气体，5-石英窗，6-靶架，7-裂变靶，8-充气装置，81-充气口，82-三通阀门，9-滑槽，20-光电探测器，21-套筒，22-金属丝。
图5是单个α粒子激发氮气发光的脉冲波形图；
图6是α源激发不同气体在不同压强下发光的电流信号；
图7是理论计算的中子灵敏度。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明基于气体闪烁体的裂变中子探测器，包括探测器筒体1、密封设置在探测器筒体1前端面的入射窗31、密封设置在探测器筒体1后端面的出射窗32、设置在探测器筒体1两个侧面的两个石英窗5、固定在探测器筒体1内的至少两个靶架6、悬挂在相应靶架6上的裂变靶7、分别设置在两个石英窗5外的两个光电探测器20、与探测器筒体1相连通的充气装置8、充于筒芯内部的闪烁气体4；筒体1前后端的入射窗31和出射窗32为0.4mm厚的镍板；闪烁气体4采用惰性气体或氮气；探测器筒体1采用不锈钢制成，其长为300mm、宽为100mm、高为100mm，这样既能保证光电探测器件尽可能的靠近靶室中线，以提高光收集效率，又能确保射线束不会打到光电探测器上；探测器筒体1包括主筒11以及设置在主筒11内的筒芯12；主筒11为长方体结构，其截面为矩形；参见图3，筒芯12为长方体结构，其截面为圆角矩形或八角形且与主筒11的截面相对应；筒芯12的四个斜侧面分别开有用于调整螺钉位置的纵向滑槽；充气装置8包括设置在主筒侧面的充气口81以及通过波纹管与充气口81相连的三通阀门82；筒芯采用不锈钢制成，厚约2mm，在距离后端镍窗10cm的靶室两侧相对的位置开两个φ60mm的窗口，然后用厚6mm的石英窗密封，光电探测器从侧面固定在石英窗的圆筒***，通过压接方式或带锁紧装置的螺纹结构(螺丝)固定在石英窗5上，光电探测器通常采用光电倍增管或光电管；裂变靶7通过细金属丝22悬挂在靶架6上；筒芯12内表面要抛光处理，一是减少内表面放气，二是增强光反射以提高光收集效率；靶架外形如图4所示，厚约1mm，中间圆孔直径为φ80mm，其主要用于安装好靶架后，将筒芯放入靶室内。
通常在筒芯上装上两个靶架，其分别设置在石英窗的前方和后方。靶架用螺丝固定在筒芯上，能装载裂变靶，能挡住靶架外面气体的发光。两个靶架之间的距离与靶室内充入的气体有关。两个靶架的作用一是增加裂变碎片沉积的能量，增加光发射；二是挡住两块裂变靶之外的闪烁气体所发的光以减小伽马产生的信号。根据实际需要，也可在筒芯上装上多个靶架，图4所示为四个靶架，其中一个靶架设置在石英窗前方的筒体上，一个靶架设置在石英窗后方的筒体上，另外两个靶架设置在两个石英窗中间的筒体上。
为了验证该中子探测器的效果，特做了一系列实验和理论计算。
图5是用光电倍增管9815测到的单个α粒子激发氮气发光的脉冲波形图，α粒子的能量为5.443MeV，氮气为一个大气压。从波形图上可以看到，9815波形半高宽约为3.2ns，幅值约为27mV。这表明氮气发光还是相当快的，应该在3ns之内。
图6是用光电倍增管9215测到的α源激发不同气体在不同压强下发光的电流信号，α粒子的能量为5.443MeV，α源的表面活度为5500Bq。从图上可以看到气体的发光还是比较强的，可以实现中子的较高灵敏度。
图7是理论计算的中子灵敏度，可以看到，该探测***对中子的能谱响应还是相当平坦的，尤其对于氦气，其中子灵敏度在很宽的能量范围内(0.2～7MeV)基本上都处于3.5～4.0×10-14C·cm2之间。
为了验证气体裂变中子探测器的中子/伽马分辨能力，在西北核技术研究所8000居里的60Co伽马源上进行了探测器伽马灵敏度标定实验。在实验中，探测器充氦气闪烁体，两片裂变靶相距10cm放置在筒芯内，采用9215型光电倍增管探测信号。实验结果显示该探测器对伽马的灵敏度为1.04×10-16C·cm2，与理论计算的中子灵敏度相比，可以看到中子/伽马分辨能力能达到100倍。

Claims (7)

1.一种基于气体闪烁体的裂变中子探测器，其特征在于：所述探测器包括探测器筒体(1)、密封设置在探测器筒体(1)前端面的入射窗(31)、密封设置在探测器筒体(1)后端面的出射窗(32)、设置在探测器筒体(1)两个侧面的两个石英窗(5)、固定在探测器筒体(1)内的至少两个靶架(6)、悬挂在相应靶架(6)上的裂变靶(7)、分别设置在两个石英窗(5)外的两个光电探测器(20)、与探测器筒体(1)相连通的充气装置(8)、充于筒芯内部的闪烁气体(4)；所述闪烁气体(4)采用惰性气体或氮气。
2.根据权利要求1所述的基于气体闪烁体的裂变中子探测器，其特征在于：所述靶架的数量为两个，其分别设置在石英窗的前方和后方。
3.根据权利要求1所述的基于气体闪烁体的裂变中子探测器，其特征在于：所述靶架的数量为四个，其中一个靶架设置在石英窗前方的筒体上，一个靶架设置在石英窗后方的筒体上，另外两个靶架设置在两个石英窗中间的筒体上。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于气体闪烁体的裂变中子探测器，其特征在于：所述探测器筒体(1)包括主筒(11)以及设置在主筒(11)内的筒芯(12)；所述主筒(11)为长方体结构，其截面为矩形；所述筒芯(12)为长方体结构，其截面与主筒(11)的截面相对应；所述筒芯(12)的四个斜侧面分别开有用于调整螺钉位置的纵向滑槽。
5.根据权利要求4所述的基于气体闪烁体的裂变中子探测器，其特征在于：所述充气装置(8)包括设置在主筒侧面的充气口(81)以及通过波纹管与充气口(81)相连的三通阀门(82)。
6.根据权利要求5所述的基于气体闪烁体的裂变中子探测器，其特征在于：所述光电探测器(20)设置在套筒(21)内，所述套筒(21)用螺丝固定在石英窗(5)上。
7.根据权利要求6所述的基于气体闪烁体的裂变中子探测器，其特征在于：所述裂变靶(7)通过细金属丝(22)悬挂在靶架(6)上。
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