CN103185894B - 一种快中子探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种快中子探测器，其包括：塑料闪烁体阵列，所述塑料闪烁体阵列包括至少一个塑料闪烁体单元，每个所述塑料闪烁体单元的侧壁表面上包覆或涂镀有中子敏感镀膜。本发明的这种基于镀膜塑料闪烁体实现的快中子探测器有利地解决了现有技术中慢化体积和测量体积相互竞争的问题，能够获得更大的快中子探测效率。

Description

一种快中子探测器
技术领域
本发明一般性地涉及核技术应用，特别是中子散射和安全检测技术。更具体地，本发明涉及一种快中子探测器。
背景技术
在传统的针对核材料的安全检测技术中，利用3He正比计数器和聚乙烯慢化体进行快中子检测是一种常规技术。但是，这种技术至少存在两方面的不足。
1.3He供气不足。由于3He是探测中子的重要核素，其世界范围内较普遍出现的供货不足问题已经对核材料安全检测技术的应用提出了严重的挑战，使得安检设备的制造成本迅速飙升。
2.在这种技术中，中子的慢化体积和测量体积是独立的，即：慢化体积由聚乙烯构成，测量体积由3He正比计数器构成。慢化体积和测量体积在空间上存在竞争关系，而它们所分别对应的快中子慢化效率和热中子吸收效率的乘积决定了最终的探测效率，所以既不能使慢化体积过大，也不能使测量体积过大，这就限制了该技术所能实现的最大快中子探测效率。
发明内容
本发明的一个目的旨在提供一种无需利用紧缺核素3He进行快中子检测的新的技术方案，以便降低制造成本，更好地满足安检设备日益增长的市场需求。
本发明的进一步的目的是要使得在本发明的技术方案中，对于快中子最大探测效率的实现不存在相互制约的因素，以回避现有技术中慢化体积和测量体积间的竞争关系，获得更大的快中子探测效率。
总体而言，本发明创造性地采用如下基本思路来实现本发明的上述目的，以在有利地降低快中子探测器制造成本的同时获得高的快中子探测效率：
1.利用塑料闪烁体来实现快中子探测器所需的中子慢化和信号形成功能；
2.利用在塑料闪烁体的表面进行中子敏感镀膜处理来实现中子探测器所需的中子吸收功能。
具体地，本发明提供了一种快中子探测器，包括：塑料闪烁体阵列，所述塑料闪烁体阵列包括至少一个塑料闪烁体单元，每个所述塑料闪烁体单元的侧壁表面上包覆或涂镀有中子敏感镀膜。
优选地，所述塑料闪烁体阵列具有接收入射快中子的第一端以及与所述第一端相对的第二端。而且优选地，所述快中子探测器还包括：光导装置，其设置在所述塑料闪烁体阵列的所述第二端，以对所述塑料闪烁体单元中形成的出射到所述第二端的光进行收集和导向；以及光电转换装置，其设置在所述光导装置的出射端，以将所述光导装置收集和引导到其上的光转换为电信号。
优选地，所述塑料闪烁体单元的数量为多个。
优选地，所述中子敏感镀膜是直接在每个所述塑料闪烁体单元的侧壁表面上镀膜形成的。
优选地，所述中子敏感镀膜是在基材上镀膜形成的，镀膜后的所述基材以使得所述中子敏感镀膜与所述塑料闪烁体单元的侧壁表面相接触的方式包裹在所述塑料闪烁体单元的侧壁表面上。
优选地，形成所述中子敏感镀膜的材料含有硼或钆。
优选地，所述中子敏感镀膜的厚度为0.1μm～4μm。
优选地，每个所述塑料闪烁体单元的高度为10cm～50cm，长度和宽度为0.1cm～5cm。
优选地，每个所述塑料闪烁体单元的横截面皆为正多边形，更优选地可为正方形或正六边形。
优选地，本发明的快中子探测器还可包括：放大成型电路，其接收所述光电转换装置输出的电信号并对其进行放大整形；信号拣出电路，其接收所述放大成型电路输出的电信号并从中提取出时间信号；延时电路，其接收所述信号拣出电路输出的时间信号并对其进行延时；至少具有第一输入通道和第二输入通道的符合电路，所述第一输入通道接收所述信号拣出电路输出的非延时时间信号，所述第二输入通道接收所述延时电路输出的延时时间信号，并根据所述非延时时间信号和所述延时时间信号生成符合脉冲信号；以及计数器，其接收所述符合电路输出的符合脉冲信号进行计数，获得符合计数。
在本发明的这种基于镀膜塑料闪烁体实现的新型快中子探测器中，可以近似地认为慢化体积和测量体积是相同的，因此本发明有利地解决了现有技术中两种体积相互竞争制衡的问题，能够获得更大的快中子探测效率。
根据下文结合附图对本发明优选实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将会参照附图并以示例性而非限制性方式对本发明的优选实施例进行详细描述，附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应理解的是，这些附图未必是按实际比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一个优选实施例的快中子探测器所用的塑料闪烁体阵列的示意性透视图；
图2是构成图1所示塑料闪烁体阵列的一个塑料闪烁体单元的示意性放大透视图；
图3是图2所示塑料闪烁体单元的示意性横截面视图；
图4是根据本发明的另一个优选实施例利用镀膜后的基材对塑料闪烁体单元的侧面进行包裹的示意性图示；
图5是图4所示镀膜后的基材的示意性横截面视图；
图6是根据本发明一个优选实施例的快中子探测器的结构示意图，其中示出了快中子入射到塑料闪烁体阵列后发生的慢化过程和吸收过程以及电离、发光过程；
图7是基于时间符合方法对光电转换装置输出的电信号进行处理，提高n/γ比值的处理电路的示意性方框图；
图8是示出了中子反冲质子信号与中子俘获信号之间的时间分布关系的示例性曲线图。
具体实施方式
本发明的快中子探测器采用如图1所示的塑料闪烁体阵列10来实现中子慢化和光信号形成功能。塑料闪烁体阵列10具有接收入射快中子的第一端以及与所述第一端相对的第二端。快中子在从所述第一端射入闪烁体阵列10时，将会在其中发生慢化、吸收、电离发光的过程，从而实现对快中子的测量。
塑料闪烁体阵列10可由至少一个（优选是多个）相同的塑料闪烁体单元12构成，其总体构形（由该阵列的外包络线限定）可为任何适当的形状，例如可为正方形、长方形、圆形、六边形等。在图1所示的优选实施例中，塑料闪烁体阵列10被构建为mxm的正方形阵列，其中m表示沿该阵列中的一个边长所包括的塑料闪烁体单元的数量，因此m一般为大于等于2的正整数，优选可等于6、10或更大数值，更优选地可为12、15、20、25、30或更大数值。不过，在极端情况下，m也可等于1，也就是说，在这种极端情况下，本申请中所述的塑料闪烁体阵列可仅由一个塑料闪烁体单元12构成。
每个塑料闪烁体单元12的横截面优选可为各种正多边形，更优选地可为正方形或正六边形。图2是构成图1所示塑料闪烁体阵列10的一个塑料闪烁体单元12的示意性放大透视图，图3是图2所示塑料闪烁体单元的示意性横截面视图，其中所示塑料闪烁体单元12具有高度H，长度L和宽度W。在本发明的一些实施例中，塑料闪烁体单元的高度H可为约10cm～50cm，长度L和宽度W可分别为约0.1cm～5cm。特别地，在图2和图3所示的优选实施例中，塑料闪烁体单元的高度H优选为约20cm；长度L和宽度W优选相等，皆为约1cm。当然，高度H，长度L和宽度W可以根据实际需要进行优化调整。
每个塑料闪烁体单元12的侧壁表面上包覆或涂镀有一层具有厚度T的中子敏感镀膜14。形成所述中子敏感镀膜的材料优选含有硼或钆。在本发明的一些实施例中，厚度T的范围可为约0.1μm～4μm，优选可为约1μm。当然，这里厚度T的具体大小也可根据需要适当调整。
在本发明的一些优选实施例中，中子敏感镀膜14可以直接在每个塑料闪烁体单元12的侧壁表面上镀膜形成，如图2所示。如本领域技术人员可以意识到的，这种方法要求镀膜工艺的温度低于塑料闪烁体单元12的软化温度。
在本发明的另一些优选实施例中，如图4和图5所示，中子敏感镀膜14可首先在基材13上镀膜形成，然后将带有中子敏感镀膜14的基材13以使得中子敏感镀膜14与塑料闪烁体单元12的侧壁表面相接触的方式包裹在塑料闪烁体单元12的侧壁表面上，使之具有中子敏感特性。在这样的实施例中，基材13优选为铝箔或其他合适的衬底材料。
无论是在塑料闪烁体单元12直接镀膜，还是在基材13上镀膜，所用镀膜工艺可为磁控溅射、电子束蒸发、电泳、原子层沉积等各种适当的方式。
中子在射入塑料闪烁体阵列10后，将会发生如图6所示的慢化过程和吸收过程。慢化过程和吸收过程都会产生高能的带电粒子，其中慢化过程得到的是反冲质子，其能量与入射中子的能量相当。吸收过程得到的是核反应之后的带电粒子，如果选用10B作为中子反应核素，则反应式如下。
由上述反应式得到的带电粒子是α粒子和7Li核。这些带电粒子（质子p，α，7Li）在闪烁体中发生电离发光，发出的光沿着每个塑料闪烁体单元进行传播。这里值得注意的是，α和7Li在进入各个塑料闪烁体单元12之前，首先要穿透厚度不等的中子吸收材料（取决于反应位置），由于穿透过程会损失能量，从而使在各个塑料闪烁体单元12中形成的信号幅度减小，因此中子吸收材料的厚度不应太大，1μm左右通常是一个较为理想的数值。
优选地，在塑料闪烁体阵列10的第二端设置有光导装置20，以对各个塑料闪烁体单元12中形成和出射到塑料闪烁体阵列10第二端的光进行收集和导向。在光导装置20的出射端设置有光电转换装置30，以将光导装置20收集和引导到其上的光转换为电信号。
光电转换装置30优选为光电倍增管。不过，在一些实施例中，例如光二极管之类的其他光电转换器件也是可行的。
此外，在本发明的另一些实施例中，还可以在塑料闪烁体阵列10的第一端也设置相同或类似的光导装置和/或光电转换装置，收集和检测那些可能从塑料闪烁体阵列10第一端处出射的光，以便进一步提高探测效率。
如图6所示，当仅在塑料闪烁体阵列10的第二端设置光导装置20和光电转换装置30时，那么在塑料闪烁体阵列10的第一端优选可以增加一层反射材料（例如铝箔，聚四氟乙烯等）来反射光子，从而增加第二端处光导装置20和光电转换装置30收集到的光子数量。
为了不模糊本申请的技术方案，本文不对光电转换装置30之后通常需要的一些常规电路（例如后续处理中可能需要的模数转换电路等）进行赘述，因为这些普通的处理电路都是本领域技术人员熟知和容易实现的。
表1示例性地给出了当塑料闪烁体的尺寸和涂硼中子敏感镀膜厚度变化时模拟计算得到的1MeV中子的本征探测效率，以便本领域技术人员参考这些数据在各种具体应用中更好地实施本发明。
表1
。
由于本发明的探测器是基于塑料闪烁体实现的，而塑料闪烁体本身对X/γ敏感，因此本发明的探测器也无法免除对X/γ测量的敏感性，这对n/γ比值的提高是不利的。为了消除上述不利影响、提高n/γ比值，在本发明的一些进一步优选的实施例中，特别地采用时间符合方法来甄选中子事件，其基本原理为：每个被俘获的中子必然经历了入射动能的全部损失（损失的主要对象是反冲质子）；在反冲质子产生一段时间后，中子将被俘获并形成带电粒子；这两组带电粒子信号的时间分布具有一定的关系，利用符合电路可以提取这个关系，从而可提高n/γ比值。
图7示出了基于时间符合方法对光电转换装置输出的电信号进行处理，提高n/γ比值的处理电路的示意性方框图。如图所示，在光电转换装置30将收集和引导到其上的光转换为电信号后，放大成型电路31接收所述光电转换装置30输出的电信号并对其进行放大整形；信号拣出电路32接收放大成型电路31输出的电信号并从中（例如通过阈值判选或本领域中已知的其它时间提取方法）提取出时间信号；延时电路33接收信号拣出电路32输出的时间信号并对其进行延时；符合电路34的第一输入通道接收信号拣出电路32输出的非延时时间信号，第二输入通道接收延时电路33输出的延时时间信号，并根据所述非延时时间信号和所述延时时间信号生成符合脉冲信号；计数器35接收符合电路34输出的符合脉冲信号进行计数，最终获得符合计数。
图8示例性地示出了中子反冲质子信号与中子俘获信号之间的时间分布关系，从中可以看出平均时间延迟为60微秒。由此可见，当图7所示符合电路的时间窗设置为200微秒左右时，可以保证较高的真符合计数率。当然200微秒的符合时间也会增大偶然符合的计数率。使用者可在具体实用中根据实际情况来选择适当的时间窗。
至此，本领域技术人员均可认识到，虽然本文已详尽地示出和描述了多个示例性的优选实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本申请公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种快中子探测器，其特征在于包括：
塑料闪烁体阵列，所述塑料闪烁体阵列包括至少一个塑料闪烁体单元，每个所述塑料闪烁体单元的侧壁表面上包覆有中子敏感镀膜。
2.根据权利要求1所述的快中子探测器，其特征在于，
所述塑料闪烁体阵列具有接收入射快中子的第一端以及与所述第一端相对的第二端；而且
所述快中子探测器还包括：
光导装置，其设置在所述塑料闪烁体阵列的所述第二端，以对所述塑料闪烁体单元中形成的出射到所述第二端的光进行收集和导向；以及
光电转换装置，其设置在所述光导装置的出射端，以将所述光导装置收集和引导到其上的光转换为电信号。
3.根据权利要求1所述的快中子探测器，其特征在于，所述塑料闪烁体单元的数量为多个。
4.根据权利要求1所述的快中子探测器，其特征在于，所述中子敏感镀膜是在基材上镀膜形成的，镀膜后的所述基材以使得所述中子敏感镀膜与所述塑料闪烁体单元的侧壁表面相接触的方式包裹在所述塑料闪烁体单元的侧壁表面上。
5.根据权利要求1所述的快中子探测器，其特征在于，形成所述中子敏感镀膜的材料含有硼或钆。
6.根据权利要求1所述的快中子探测器，其特征在于，所述中子敏感镀膜的厚度为0.1μm～4μm。
7.根据权利要求1所述的快中子探测器，其特征在于，每个所述塑料闪烁体单元的高度为10cm～50cm，长度和宽度为0.1cm～5cm。
8.根据权利要求1所述的快中子探测器，其特征在于，每个所述塑料闪烁体单元的横截面皆为正多边形。
9.根据权利要求8所述的快中子探测器，其特征在于，每个所述塑料闪烁体单元的横截面皆为正方形或正六边形。
10.根据权利要求2所述的快中子探测器，其特征在于还包括：
放大成型电路，其接收所述光电转换装置输出的电信号并对其进行放大整形；
信号拣出电路，其接收所述放大成型电路输出的电信号并从中提取出时间信号；
延时电路，其接收所述信号拣出电路输出的时间信号并对其进行延时；
至少具有第一输入通道和第二输入通道的符合电路，所述第一输入通道接收所述信号拣出电路输出的非延时时间信号，所述第二输入通道接收所述延时电路输出的延时时间信号，并根据所述非延时时间信号和所述延时时间信号生成符合脉冲信号；以及
计数器，其接收所述符合电路输出的符合脉冲信号进行计数，获得符合计数。
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