CN103376461A - 中子位置探测器、探测***和探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中子位置探测器、探测***和一种探测方法。其中，中子位置探测器包括光电转换器件，以及叠置的两个中子敏感闪烁体和波移光纤阵列。两个中子敏感闪烁体分别叠置在波移光纤阵列的上、下两侧。中子敏感闪烁体用于接收中子并产生光子；波移光纤阵列接收中子敏感闪烁体产生的光子，并将光子传输至光电转换器件。光电转换器件将波移光纤阵列传输的光子转换为电信号并输出。本发明的中子位置探测器、探测***和探测方法，具有中子探测效率高、定位精度高、n/γ抑制比高和可大面积制作等优点，同时和目前其他中子位置探测器相比，造价低廉。

Description

中子位置探测器、探测***和探测方法

技术领域

本申请涉及一种中子位置探测器、探测***和探测方法。

背景技术

中子和X射线都是人类探索物质微观结构的有效探针。自英国物理学家查德威克(J.Chadwick)在1932年发现中子后，中子及中子散射技术的应用使人们对物质微观结构的认识日新月异。与X射线不同，中子不带电，能轻易的穿透电子层，与原子核发生核反应，其质量衰减系数与入射的中子能量和物质的原子核截面有关。因此可以说中子是目前研究物质结构和动力学性质的理想探针。中子散射技术利用低能中子(E_n＜1eV)的波长与原子间距相近，同时能量和原子、分子的热运动能量大体相当，来研究物质结构和运动状态.散射后的中子需要用位置灵敏度高的中子位置探测器接收，以获得散射中子的出射角度，为分析物质结构提供有效信息。这要求中子位置探测器具有以下几点性能：高计数率、高探测效率、大立体角、高定位精度和高n/γ抑制比。

由于中子不带电，一般利用核反应法进行探测。较为常用的有³He(n，p)³T、¹⁰Be(n，α)⁷Li和⁶Li(n，α)³T反应，它们与中子的反应截面都比较大。其中基于3He气体发展起来的中子位置探测器是目前最常用，且技术较成熟的中子探测手段，如美国GE Energy公司生产的高气压3He位置敏感正比计数器。其结构见图1，主要由阳极丝12、气体密封管13和信号引出接头11构成，气体密封管内充一定气压的3He气体和其他猝灭性气体，入射中子和3He核反应产生的次级带电粒子在猝灭性气体中损失能量并产生电离，电离产生的正负电子对在阳极丝上感应出信号，该信号经阳极丝两端输入到后端电子学，通过分析两端的电信号，可以得到入射中子的位置信息。

近些年由于反恐形势需要和全世界3He的匮乏，使3He价格暴涨，近3年3He气体价格涨幅超过20倍，基于3He的探测器也就十分昂贵。以1英寸的一个大气压3He位置敏感正比计数器为例，目前的报价是5-10万人民币，这样一个的1m²探测器阵列造价在300万以上.目前许多实验室都在研发新型中子位置探测器以满足各种科学需要，如半导体中子位置探测器，涂硼GEM中子位置探测器.这些探测器都处在研发阶段，面临的主要问题是中子探测效率低，n/γ抑制比不高，同时受限于技术层面的问题，其关键部件同样造价昂贵。

发明内容

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

根据本发明的一个方面，

一种中子位置探测器，包括光电转换器件，以及叠置的两个中子敏感闪烁体和波移光纤阵列；

其中：

所述两个中子敏感闪烁体分别叠置在所述波移光纤阵列的上、下两侧；

所述中子敏感闪烁体用于接收中子并产生光子；

所述波移光纤阵列接收所述中子敏感闪烁体产生的光子，并将所述光子传输至光电转换器件；

所述光电转换器件将所述波移光纤阵列传输的光子转换为电信号并输出。

更进一步地，中子位置探测器中，所述波移光纤阵列包括第一波移光纤层和第二波移光纤层，所述第一波移光纤层所处的平面与所述第二波移光纤层所处的平面互相平行；

所述第一波移光纤层和第二波移光纤层均包含平行排布的多个光纤组，每个所述光纤组均包括一条或多条平行排列的光纤；

所述第一波移光纤层中的多个光纤组与所述第二波移光纤层的多个光纤组相互垂直。

更进一步地，中子位置探测器中，所述光纤包括密度互不相同的包层与芯层；

所述包层套设在所述芯层的外表面；

所述芯层包括波移物质。

更进一步地，中子位置探测器中，所述中子敏感闪烁体包括中子敏感材料和电离辐射灵敏材料；

其中，所述中子敏感材料用于与中子发生核反应并产生带电粒子；

所述电离辐射灵敏材料受所述带电粒子电离、激发和退激，并在退激时产生光子。

更进一步地，中子位置探测器中，所述光电转换器件包括第一光电转换器件和第二光电转换器件；

其中：

所述第一光电转换器件与第一波移光纤层的多个光纤组的两端连接；

所述第二光电转换器件与第二波移光纤层的多个光纤组的两端连接。

更进一步地，中子位置探测器中，所述波移光纤阵列通过光导材料或空气耦合至所述光电转换器件。

更进一步地，中子位置探测器中，所述光电转换器件包括光电倍增管、半导体光探测器和电荷耦合元件的一种或多种。

更进一步地，中子位置探测器中，所述第一波移光纤层和第二波移光纤层中的每个光纤组分别与单个或多个的光电转换器件相耦合。

更进一步地，中子位置探测器中，所述中子敏感材料包括⁶Li、¹⁰B、^155，157Gd的一种或多种。

根据本发明的另一方面，一种中子位置探测***，包括数据获取***和中子位置探测器；

其中：

所述数据获取***与所述光电转换器件连接，用于接收所述光电转换器件输出的电信号，并计算所述中子在所述中子敏感闪烁体上的位置。

根据本发明的第三方面，一种中子位置探测方法包括：

步骤一：中子敏感闪烁体接收中子并产生光子；

步骤二：波移光纤阵列接收所述中子敏感闪烁体产生的光子，并将所述光子传输至光电转换器件；

步骤三：光电转换器件将所述波移光纤阵列传输的光子转换为电信号并输出。

更进一步地，中子位置探测方法中，所述步骤一包括：所述中子敏感闪烁体中的中子敏感材料与中子发生核反应并产生带电粒子；

所述中子敏感闪烁体中的电离辐射灵敏材料受所述带电粒子电离、激发和退激，并在退激时产生光子。

更进一步地，中子位置探测方法中，所述步骤二包括：

所述波移光纤阵列的第一波移光纤层探测中子入射位置的横坐标；

所述波移光纤阵列的第二波移光纤层探测中子入射位置的纵坐标；

其中，所述第一波移光纤层所处的平面与所述第二波移光纤层所处的平面互相平行；所述第一波移光纤层和第二波移光纤层均包含平行排布的多个光纤组，每个所述光纤组均包括一条或多条平行排列的光纤；所述第一波移光纤层中的多个光纤组与所述第二波移光纤层的多个光纤组相互垂直；

所述横坐标和所述纵坐标所参考的坐标系为：为以一预设点为原点，以一平行于所述第一波移光纤层的所述多个光纤组的射线为横轴，以一平行于所述第二波移光纤层的所述多个光纤组的射线为纵轴所组成的坐标系。

更进一步地，中子位置探测方法还包括：

步骤四：数据获取***接收光电转换器件输出的电信号，并通过阈值甄别法或电荷重心法，得到电信号分布的重心位置。

本发明的中子位置探测器、探测***和探测方法，中子探测效率高、定位精度高、n/γ抑制比高和可大面积制作等优点，同时和目前其他中子位置探测器相比，造价低廉。

附图说明

参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本发明的原理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。

图1为现有技术的高气压3He位置敏感正比计数器的结构图；

图2为本发明的中子位置探测器的一种实施方式的结构图；

图3为波移光纤的一种实施方式的剖面图；

图4为本发明的中子位置探测方法的一种实施方式的流程图。

具体实施方式

下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

参见附图2所示，为本发明的中子位置探测器的一种实施方式的结构图。在该实施方式中，中子位置探测器包括光电转换器件23，以及叠置的两个中子敏感闪烁体22和波移光纤阵列21。

两个中子敏感闪烁体22分别设置在波移光纤阵列21上下两侧。由于中子位置探测器的中子探测效率与中子敏感闪烁体中，中子敏感材料的掺杂量有关。为提高中子探测效率，可以提高中子敏感材料掺杂量或者加厚中子敏感闪烁体。然而，如果加厚中子敏感闪烁体，会有增加闪烁光自吸收、减小出射光子数的风险。在波移光纤阵列21的上、下两侧分别设置一个中子敏感闪烁体22，可以使入射中子与中子敏感材料产生核反应的几率增加。同时由于单个中子敏感闪烁体的厚度没有增加，其表面的出射光子数并不减少。

中子敏感闪烁体22用于接收中子并产生光子。作为一种实施方式，中子敏感闪烁体22可包括中子敏感材料和电离辐射灵敏材料。中子敏感材料用于与中子发生核反应并产生带电粒子。中子敏感材料例如可包括⁶Li、¹⁰B、^155，157Gd的一种或多种。例如，可采用⁶Li(n，t)⁴He，¹⁰B(n，α)⁷Li，^155，157Gd(n，γ)^156，158Gd等核反应来产生带电粒子。电离辐射灵敏材料受带电粒子电离、激发和退激，并在退激时产生光子。例如，可以采用掺⁶Li的ZnS闪烁体、锂玻璃，掺⁶Li或¹⁰B的塑料闪烁体等作为中子敏感闪烁体。

波移光纤阵列21接收中子敏感闪烁体产生的光子，并将光子传输至光电转换器件23。

在一种实施方式中，波移光纤阵列21可包括第一波移光纤层和第二波移光纤层。第一波移光纤层所处的平面与第二波移光纤层所处的平面互相平行。第一波移光纤层和第二波移光纤层均包含平行排布的多个光纤组，每个光纤组包括一条或多条平行排列的光纤，光纤之间的间距可在0.5～5mm之间不等。第一波移光纤层中的多个光纤组与第二波移光纤层的多个光纤组相互垂直。从中子敏感闪烁体22表面出射的闪烁光，被光纤收集、吸收、重发射并传输。

在一种实施方式中，波移光纤阵列21的第一波移光纤层探测中子入射位置的横坐标，波移光纤阵列21的第二波移光纤层探测中子入射位置的纵坐标，从而得到中子在中子敏感闪烁体22上与中子敏感材料产生核反应，从而使得电离辐射灵敏材料产生光子的二维位置信息。例如，横坐标和纵坐标所参考的坐标系可以是：为以一预设点为原点，以一平行于第一波移光纤层的多个光纤组的射线为横轴，以一平行于第二波移光纤层的多个光纤组的射线为纵轴所组成的坐标系。

在一种实施方式中，波移光纤阵列21中的光纤可包括密度互不相同的包层211与芯层212，如图3所示。包层211套设在芯层212的外表面；芯层212包括波移物质。包层211有单层或多层，多层的包层211可以增加波移光纤的光传输效率。波移光纤的芯层212含有波移物质，它将某一波长入射的光子吸收并转化成波长较长的光子。入射到波移光纤芯层的光子被吸收并重发射出波长较长的光子，一定角度发射的波长较长的光子在包层211与芯层212界面，以及包层211与空气界面全反射，最终传输到光纤两端。

光电转换器件23将波移光纤阵列传输的光子转换为电信号并输出。在一种实施方式中，波移光纤阵列21可通过光导材料或空气耦合至光电转换器件23。光电转换器件23可以包括光电倍增管PMT(PhotoMultiplier Tube)、半导体光探测器和电荷耦合元件CCD(Charge-coupledDevice)的一种或多种。由于半导体光探测器和电荷耦合元件CCD的价格昂贵，因此，可在波移光纤阵列21的光纤数量较少、中子敏感闪烁体22的面积较小时使用。而在波移光纤阵列21的光纤数量较多、中子敏感闪烁体22的面积较大时，可使用光电倍增管PMT作为光电转换器件。

作为一种优选方案，光电转换器件23可包括第一光电转换器件和第二光电转换器件。第一光电转换器件与第一波移光纤层的多个光纤组的两端连接。第二光电转换器件与第二波移光纤层的多个光纤组的两端连接。

在一种实施方式中，第一波移光纤层和第二波移光纤层中的每个光纤组分别与单个或多个光电转换器件相耦合。每个光纤组分别与单个光电转换器件相耦合，可在波移光纤阵列21的光纤数量较少、中子敏感闪烁体22的面积较小时使用。而在波移光纤阵列21的光纤数量较多、中子敏感闪烁体22的面积较大时，由于成本造价较问题，可采用带多个独立工作单元的多阳极光电倍增管MA-PMT(Multi-Anode Photo Multiplier Tube)，例如，日本滨松的H8500，R5900等.这类光电倍增管采用金属通道倍增极结构，通常带有2×2以上个工作单元，结构紧凑，外形尺寸和造价上远小于相同工作单元的独立型光电倍增管。这样波移光纤阵列21中的每个光纤组分别与单个多阳极光电倍增管上的一个独立工作单元耦合，例如带8×8个工作单的H8500MA-PMT可以与64个光纤组耦合。

中子位置探测器可与数据获取***相连组成中子位置探测***，使得中子位置探测器输出的电信号由数据获取***计算，从而得到中子的入射位置信息。在一种实施方式中，数据获取***可以与光电转换器件连接。

参见附图4所示，为本发明的中子位置探测方法的一种实施方式的流程图。

在该实施方式中，中子位置探测方法包括：

步骤S1：中子敏感闪烁体22接收中子并产生光子；

步骤S2：波移光纤阵列21接收中子敏感闪烁体产生的光子，并将光子传输至光电转换器件23；

步骤S3：光电转换器件23将波移光纤阵列传输的光子转换为电信号并输出。

作为一种优选方案，中子位置探测方法的步骤S1可以包括：

中子敏感闪烁体22中的中子敏感材料与中子发生核反应并产生带电粒子；

中子敏感闪烁体22中的电离辐射灵敏材料受带电粒子电离、激发和退激，并在退激时产生光子。

作为一种优选方案，中子位置探测方法的步骤S2可以包括：

波移光纤阵列21的第一波移光纤层探测中子入射位置的横坐标；

波移光纤阵列21的第二波移光纤层探测中子入射位置的纵坐标；

其中，第一波移光纤层所处的平面与第二波移光纤层所处的平面互相平行；第一波移光纤层和第二波移光纤层均包含平行排布的多个光纤组，每个光纤组均包括一条或多条平行排列的光纤；第一波移光纤层中的多个光纤组与第二波移光纤层的多个光纤组相互垂直。

上述横坐标和纵坐标所参考的坐标系可以是：为以一预设点为原点，以一平行于第一波移光纤层的多个光纤组的射线为横轴，以一平行于第二波移光纤层的多个光纤组的射线为纵轴所组成的坐标系。

作为一种优选方案，中子位置探测方法还可以包括：

S4：数据获取***接收光电转换器件23输出的电信号，并通过阈值甄别法或电荷重心法，得到电信号分布的重心位置。该重心位置对应入射中子的位置信息，结合波移光纤阵列21的位置结构可以推算出入射中子的实际二维位置。

本发明的中子位置探测器、探测***和探测方法，中子探测效率高、定位精度高、n/γ抑制比高和可大面积制作等优点，同时和目前其他中子位置探测器相比，造价低廉。

上面对本发明的一些实施方式进行了详细的描述。如本领域的普通技术人员所能理解的，本发明的方法和装置的全部或者任何步骤或者部件，可以在任何计算设备(包括处理器、存储介质等)或者计算设备的网络中，以硬件、固件、软件或者它们的组合加以实现，这是本领域普通技术人员在了解本发明的内容的情况下运用他们的基本编程技能就能实现的，因此不需在此具体说明。

此外，显而易见的是，在上面的说明中涉及到可能的外部操作的时候，无疑要使用与任何计算设备相连的任何显示设备和任何输入设备、相应的接口和控制程序。总而言之，计算机、计算机***或者计算机网络中的相关硬件、软件和实现本发明的前述方法中的各种操作的硬件、固件、软件或者它们的组合，即构成本发明的设备及其各组成部件。

在本发明的设备和方法中，显然，各部件或各步骤是可以分解、组合和/或分解后重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。还需要指出的是，执行上述系列处理的步骤可以自然地按照说明的顺序按时间顺序执行，但是并不需要一定按照时间顺序执行。某些步骤可以并行或彼此独立地执行。同时，在上面对本发明具体实施例的描述中，针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本申请的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (14)

1.一种中子位置探测器，其特征在于：包括光电转换器件，以及叠置的两个中子敏感闪烁体和波移光纤阵列；

其中：

所述两个中子敏感闪烁体分别叠置在所述波移光纤阵列的上、下两侧；

所述中子敏感闪烁体用于接收中子并产生光子；

所述波移光纤阵列接收所述中子敏感闪烁体产生的光子，并将所述光子传输至光电转换器件；

所述光电转换器件将所述波移光纤阵列传输的光子转换为电信号并输出。

2.根据权利要求1所述的中子位置探测器，其特征在于：

所述波移光纤阵列包括第一波移光纤层和第二波移光纤层，所述第一波移光纤层所处的平面与所述第二波移光纤层所处的平面互相平行；

所述第一波移光纤层和第二波移光纤层均包含平行排布的多个光纤组，每个所述光纤组均包括一条或多条平行排列的光纤；

所述第一波移光纤层中的多个光纤组与所述第二波移光纤层的多个光纤组相互垂直。

3.根据权利要求2所述的中子位置探测器，其特征在于：

所述光纤包括密度互不相同的包层与芯层；

所述包层套设在所述芯层的外表面；

所述芯层包括波移物质。

4.根据权利要求1所述的中子位置探测器，其特征在于：

所述中子敏感闪烁体包括中子敏感材料和电离辐射灵敏材料；

其中，所述中子敏感材料用于与中子发生核反应并产生带电粒子；

所述电离辐射灵敏材料受所述带电粒子电离、激发和退激，并在退激时产生光子。

5.根据权利要求2所述的中子位置探测器，其特征在于：所述光电转换器件包括第一光电转换器件和第二光电转换器件；

其中：

所述第一光电转换器件与第一波移光纤层的多个光纤组的两端连接；

所述第二光电转换器件与第二波移光纤层的多个光纤组的两端连接。

6.根据权利要求1所述的中子位置探测器，其特征在于：所述波移光纤阵列通过光导材料或空气耦合至所述光电转换器件。

7.根据权利要求1所述的中子位置探测器，其特征在于：所述光电转换器件包括光电倍增管、半导体光探测器和电荷耦合元件的一种或多种。

8.根据权利要求2所述的中子位置探测器，其特征在于：所述第一波移光纤层和第二波移光纤层中的每个光纤组分别与单个或多个的光电转换器件相耦合。

9.根据权利要求3所述的中子位置探测器，其特征在于：所述中子敏感材料包括⁶Li、¹⁰B、^155，157Gd的一种或多种。

10.一种中子位置探测***，其特征在于：包括数据获取***和如权利要求1-9任意一项所述的中子位置探测器；

其中：

所述数据获取***与所述光电转换器件连接，用于接收所述光电转换器件输出的电信号，并计算所述中子在所述中子敏感闪烁体上的位置。

11.一种中子位置探测方法，其特征在于，包括：

步骤一：中子敏感闪烁体接收中子并产生光子；

步骤二：波移光纤阵列接收所述中子敏感闪烁体产生的光子，并将所述光子传输至光电转换器件；

步骤三：光电转换器件将所述波移光纤阵列传输的光子转换为电信号并输出。

12.根据权利要求11所述的中子位置探测方法，其特征在于：

所述步骤一包括：所述中子敏感闪烁体中的中子敏感材料与中子发生核反应并产生带电粒子；

所述中子敏感闪烁体中的电离辐射灵敏材料受所述带电粒子电离、激发和退激，并在退激时产生光子。

13.根据权利要求11所述的中子位置探测方法，其特征在于，所述步骤二包括：

所述波移光纤阵列的第一波移光纤层探测中子入射位置的横坐标；

所述波移光纤阵列的第二波移光纤层探测中子入射位置的纵坐标；

其中，所述第一波移光纤层所处的平面与所述第二波移光纤层所处的平面互相平行；所述第一波移光纤层和第二波移光纤层均包含平行排布的多个光纤组，每个所述光纤组均包括一条或多条平行排列的光纤；所述第一波移光纤层中的多个光纤组与所述第二波移光纤层的多个光纤组相互垂直；

所述横坐标和所述纵坐标所参考的坐标系为：为以一预设点为原点，以一平行于所述第一波移光纤层的所述多个光纤组的射线为横轴，以一平行于所述第二波移光纤层的所述多个光纤组的射线为纵轴所组成的坐标系。

14.根据权利要求11所述的中子位置探测方法，其特征在于，还包括：

步骤四：数据获取***接收光电转换器件输出的电信号，并通过阈值甄别法或电荷重心法，得到电信号分布的重心位置。

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