CN104464856B - 一种裂变反应中子通量实时监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种裂变反应中子通量实时监测装置，沿粒子的入射方向依次放置快中子转换体（1）、荧光反射管（3）、含硼塑料闪烁体（2）、契伦科夫光反射管（5）、契伦科夫辐射体（4），中子和γ射线进入含硼塑料闪烁体（2）与物质的作用生成e+/e‑、反冲质子和α粒子，激发产生荧光，经荧光反射管（3）反射进入第一光电倍增管（7），经放大器（10）放大后给出中子加γ的信息；次级粒子进入契伦科夫辐射体后，只有e+/e‑产生契伦科夫光，经第二光电倍增管放大后给出γ的信息；将两路信号相减即可得到中子的通量信息。本发明结合脉冲上升时间的差异对n、γ信号进行判断，进一步提高了脉冲中子通量的测量精度。
Description
技术领域
本发明属于中子探测技术领域，涉及一种测量裂变反应中子通量值的装置，尤其涉及一种裂变反应中子通量实时监测装置。
背景技术
中子呈电中性，它与原子核相互作用时不受库伦势垒的阻挡，这就使得几乎任何能量的中子同任何核素都能发生反应。在核技术的众多领域内，中子都有非常广泛的应用。自1938年发现中子能引起重核裂变后，开拓了能源研究新的领域——核能。随着核能的迅速发展及从国防逐渐转向民用，裂变核反应堆在许多国家和地区得到了广泛的发展和应用。核能相比传统能源具有许多优点，作为一种新的能源显示了强大的生命力。对裂变中子通量的监测，可以提供反应堆总功率和功率密度分布等信息，对于核裂变反应堆是非常重要的诊断项目。
由于中子呈电中性，因此通过物质时和物质中的电子不发生作用，不能直接引起电离，而是通过与原子核相互作用产生能引起电离的次级粒子才能被记录。中子按能量可大致分为慢中子(<1keV)、中能中子(1～100keV)、快中子(0.1～20MeV)。不同能量的中子与物质相互作用的方式也有不同，常用的中子探测方法包括核反冲法、核反应法、活化法和核裂变。
通常情况下，裂变反应产生的中子能量在0～10MeV范围内，且中子辐射并不是单纯场，而是中子与γ的混合场。如在要对裂变中子进行实时、正确的分析，给出中子通量信息，必须要能够同时测量不同能量区间的中子，且还需要能够扣除γ辐射对中子通量监测的影响。对于瞬态的中子辐射场，常用的方法是采用飞行时间法原理，将中子与γ辐射脉冲分开。但在某些实验装置条件下，由于测量环境或中子源强度等的影响，成熟的飞行时间法存在一定的局限性，尤其是在近距离测量中，n、γ的分辨成为难题。因此对于裂变中子通量的实时监测方法还是一个需要解决的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种裂变反应中子通量实时监测装置，该装置利用富氢物为快中子转换体，以含硼塑料闪烁体和契伦科夫辐射体为探测介质，配合时间性能好的光电倍增管(PMT)和快电子学，可实现裂变中子的实时监测。
本发明采用以下技术方案：
一种裂变反应中子通量实时监测装置，包括快中子转换体、含硼塑料闪烁体、荧光反射管、契伦科夫辐射体、契伦科夫光反射管、荧光光导、第一光电倍增管、契伦科夫光光导、第二光电倍增管、第一放大器和第二放大器、多道分析器、计数器、数据处理***、计算机与数据显示***、远程登陆***和探测器外壳；快中子转换体对着粒子入射方向，快中子转换体与探测器外壳连接在一起组成封闭空间，含硼塑料闪烁体、荧光反射管、荧光光导、第一光电倍增管、契伦科夫辐射体、契伦科夫光反射管、契伦科夫光光导、第二光电倍增管均设置在快中子转换体与探测器外壳组成的封闭空间内；
荧光反射管为中空结构，其内壁设有荧光反射层，荧光光导设置在荧光反射管的开口端形成封闭腔体，含硼塑料闪烁体设置在荧光反射管与荧光光导形成的封闭腔体内且与荧光光导连接；契伦科夫光反射管为中空结构，其内壁设有契伦科夫光反射层，契伦科夫辐射体设置在契伦科夫光反射管和契伦科夫光光导形成的封闭腔体内且与契伦科夫光光导连接；
沿粒子入射方向分别放置快中子转换体、荧光反射管、含硼塑料闪烁体、契伦科夫光反射管、契伦科夫辐射体；荧光光导与第一光电倍增管连接，第一光电倍增管与第一放大器连接，第一放大器与多道分析器连接，契伦科夫光光导与第二光电倍增管连接，第二光电倍增管与第二放大器连接，第二放大器与计数器连接；多道分析器和计数器依次连接数据处理***、计算机与数据显示***，计算机与数据显示***与远程登录***通过电话线或者网线连接。
本发明的裂变反应中子通量实时监测装置，利用两个探测器的信号差，就可以给出裂变中子的通量信息，当粒子进入含硼塑料闪烁体时，闪烁体的原子或分子受激而产生荧光，利用光电装置收集荧光，可以记录粒子的信息。具体原理如下：
沿粒子的入射方向放置监测装置，γ射线进入含硼塑料闪烁体后，与物质的作用生成的次级带电粒子主要为e+/e-；而中子进入含硼塑料闪烁体后，在塑料闪烁体中产生的次级带电粒子主要是反冲质子和α粒子；e+/e-、质子、α粒子在闪烁体中沉积能量并激发产生荧光，荧光经闪烁体外的反射材料反射最终进入第一光电倍增管，经光电倍增管放大后给出一路信号，即中子加γ的信息。由于中子的次级带电粒子主要为质子和α粒子，相比于γ射线的次级带电粒子e+/e-，质子和α粒子的速度较慢，利用契伦科夫固有的甄别能力，使质子和α粒子无法产生契伦科夫光而e+/e-可以产生契伦科夫光，利用光电装置收集契伦科夫光，经第二光电倍增管放大后给出另一路信号，即给出γ的信息。将两路信号相减即可得到中子的通量信息。同时结合脉冲上升时间的差异对n、γ信号进行判断，进一步提高脉冲中子通量的测量精度。
其中，所述的含硼塑料闪烁体属于有机闪烁体的一种，含有大量的氢原子，可用于中子的探测。带电粒子以速度v穿过折射系数为n的均匀透明介质时，如果v大于光在该介质中的相速度(c/n，c是真空的光速)，粒子将诱发光辐射，称为契伦科夫辐射。可以看出，要产生契伦科夫辐射，就需要粒子在给定的介质中必须具备最低值以上的速度，因此，契伦科夫探测器具备固有的甄别能力。
作为对本发明的进一步改进，所述的探测器外壳设计为层状结构，从外到内依次为1～1.2cm的钨层，0.5～0.6cm的含硼高密度聚乙烯层，其中含硼10质量比例为8％～10％，0.5cm奥氏体不锈钢层，探测器外壳主要是吸收散射的中子和γ射线，尽可能的防止散射中子和γ及其次级粒子进入晶体，对探测结果形成干扰。
作为对本发明的进一步改进，含硼塑料闪烁体的厚度为1.8～2.2cm，主要作用是使入射光子经过含硼塑料闪烁体生成的次级电子的数量最多，有利于尽可能获得γ射线的信息。
契伦科夫辐射体可以为有机玻璃、光学铅玻璃、PbF2或熔融石英，厚度为2～3个辐射长度，主要作用是使进入契伦科夫辐射体的次级粒子将其能量尽可能沉积在其中，有利于次级粒子在其中产生尽可能多的契伦科夫光子，从而有利于次级粒子信息的测量。
作为对本发明的进一步改进，契伦科夫辐射体的长度比含硼塑料闪烁体的长度大2～2.5cm，契伦科夫辐射体的宽度比含硼塑料闪烁体的宽度大2～2.5cm，主要作用是使从含硼塑料闪烁体斜着出射的次级粒子能够进入契伦科夫辐射体，从而有利于契伦科夫辐射体记录尽可能多的次级粒子信息，提高入射γ射线信息的探测精度。
作为对本发明的进一步改进，所述第一光电倍增管选用Hamamatsu公司的光电倍增管R2083型号，R2083型PMT的阳极脉冲上升时间为0.7ns，适于做快时间过程的分辨测量。
作为对本发明的进一步改进，所述第二光电倍增管选用Hamamatsu公司的光电倍增管R1926A型号，R1926A测量波长范围为160nm～850nm，可以测量紫外波段的光子，且阳极脉冲上升时间为1.5ns，可用于快信号测量。
本发明利用含硼塑料闪烁体来测量裂变中子信息(其中快中子与含硼塑料闪烁体中的氢原子碰撞产生反冲质子，低能中子与硼10反应产生α粒子)，在含硼塑料闪烁体后面添加契伦科夫辐射体，利用契伦科夫的固有的甄别能力来去除中子辐射中的γ辐射对中子通量测量的影响，因此，本发明不受中子能量限制、且可以甄别中子辐射中的γ信息，提高裂变中子通量的测量精度，同时由于闪烁体和契伦科夫发光时间很短(闪烁体约为10-8～10-9s，契伦科夫小于10-9s)，配合快电子学读出***，可用于裂变反应中子通量的实时监测。
本发明具有以下有益效果：
(1)、本发明为了实现裂变中子的实时监测，沿粒子入射方向分别放置快中子转换体、荧光反射管、含硼塑料闪烁体、契伦科夫光反射管、契伦科夫辐射体。
(2)、本发明含硼塑料闪烁体的厚度为1.8～2.2cm，可以去除光子对中子测量的影响，提高光子在契伦科夫辐射体的计数；契伦科夫辐射体的厚度为2～3个辐射长度，可以提高光子次级粒子产生的契伦科夫光。
(3)、本发明在探测介质外设计的层状结构防护体(探测器外壳)可以最大限度的吸收散射中子和γ射线，减少其对探测结果的影响。
附图说明
图1为本发明裂变反应中子通量实时监测装置的结构示意图。
图中各数字含义如下：1、快中子转换体；2、含硼塑料闪烁体；3、荧光反射管；4、契伦科夫辐射体；5、契伦科夫光反射管；6、荧光光导；7、第一光电倍增管；8、契伦科夫光光导；9、第二光电倍增管；10、第一放大器；11、多道分析器；12、第二放大器；13、计数器；14、数据处理***；15、计算机与数据显示***；16、远程登录***；17、探测器外壳。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细说明。
参照图1，本发明裂变反应中子通量实时监测装置中，快中子转换体1与探测器外壳17连接在一起组成封闭空间，快中子转换体1用来与快中子反应，提高快中子探测效率，探测器外壳17用来防止散射的中子和光子进入探测器；含硼塑料闪烁体2、荧光反射管3、荧光光导6、第一光电倍增管(PMT1)7、契伦科夫辐射体4、契伦科夫光反射管5、契伦科夫光光导8、第二光电倍增管(PMT2)9均设置在快中子转换体1与探测器外壳17组成的封闭空间内；荧光反射管3为中空结构，其内壁设有荧光反射层，荧光光导6设置在荧光反射管3的开口端，荧光反射管3上未镀层的一端与荧光光导6密封形成封闭腔体，含硼塑料闪烁体2设置在荧光反射管3与荧光光导6形成的封闭腔体内且与荧光光导6连接；契伦科夫光反射管5为中空结构，其内壁设有契伦科夫光反射层，契伦科夫辐射体4设置在契伦科夫光反射管5与契伦科夫光光导8的开口端，契伦科夫光反射管5上未镀层的一端与契伦科夫光光导8密封形成封闭腔体，契伦科夫辐射体4设置在契伦科夫光反射管5和契伦科夫光光导8形成的封闭腔体内且与契伦科夫光光导8连接。
沿粒子入射方向分别放置快中子转换体1、荧光反射管3、含硼塑料闪烁体2、契伦科夫光反射管5、契伦科夫辐射体4，含硼塑料闪烁体2用来与中子和光子反应产生荧光，荧光反射管3内壁的荧光反射层用来反射荧光使荧光进入荧光光导6，契伦科夫辐射体4用来与次级粒子反应产生契伦科夫光，契伦科夫光反射管5的契伦科夫光反射层用来反射契伦科夫光使其进入契伦科夫光光导8；第一光电倍增管7与荧光光导6连接，荧光光导6用来使荧光光子进入第一光电倍增管7，第一光电倍增管7用来将荧光光子转换成电信号，第二光电倍增管9与契伦科夫光光导8连接，契伦科夫光光导8用来使契伦科夫光光子进入第二光电倍增管9，第二光电倍增管9用来将契伦科夫光光子转换成电信号。
第一光电倍增管7通过电缆与第一放大器10连接，第一放大器10将信号放大成型后通过电缆输入多道分析器11，第二光电倍增管9通过电缆与第二放大器12连接，第二放大器12将信号放大成型后通过电缆输入计数器13，多道分析器11和计数器13将采集到的信号通过电缆输入数据处理***14，数据处理***14利用现代数学分析技巧给出中子通量信息，并将这些数据发送到计算机与数据显示***15，数据显示***实时显示中子通量信息，计算机与数据显示***15与远程登录***16通过电话线或者网线连接，可利用远程登录***进行远程控制和自检。
本发明在具体实施时，含硼塑料闪烁体2、契伦科夫辐射体4可以从晶体生产厂商处购买，如：Saint Gobain，本实施例的含硼塑料闪烁体的厚度为1.8～2.2cm，契伦科夫辐射体可以为有机玻璃、光学铅玻璃、PbF2或熔融石英，厚度为2～3个辐射长度；契伦科夫辐射体的长度比含硼塑料闪烁体的长度大2～2.5cm，契伦科夫辐射体的宽度比含硼塑料闪烁体的宽度大2～2.5cm。第一光电倍增管7，第二光电倍增管9可从光电倍增管生产厂商购买，如：Hamamatsu，本实施例的第一光电倍增管7采用R2083型光电倍增管，阳极脉冲上升时间为0.7ns，第二光电倍增管9采用测量波长范围为160nm～850nm的R1926A型号。放大器自己开发也可购买，多道分析器11和计数器13直接购买，如ORTEC或堪培拉公司的产品，快中子转换体1根据模拟结果进行设计，利用富氢物为快中子转换体，荧光反射管3、荧光光导6、契伦科夫光反射管5和契伦科夫光光导8采用现有技术，探测器外壳17通过大量的试验和仿真模拟，根据实际情况设计了一种比较理想的结构，从外到内依次为1～1.2cm的钨层，0.5～0.6cm的含硼高密度聚乙烯层，其中含硼10的质量比例为8％～10％，0.5cm奥氏体不锈钢层。
本发明的工作过程为：将装置中快中子转换体1正对中子与γ辐射入射方向，当中子和γ进入含硼塑料闪烁体2中，快中子与含硼塑料闪烁体2中的氢原子反应产生反冲质子，低能中子与含硼塑料闪烁体2中的硼10反应生成锂7和α粒子，γ光子与含硼塑料闪烁体2反应产生正负电子，反冲质子、锂7、α粒子和正负电子使含硼塑料闪烁体2中的原子或分子激发，这些原子或分子在退激发中发射荧光光子，这些荧光光子通过荧光反射层的反射后进入荧光光导6，最终进入第一光电倍增管7转换成电信号，被放大器10放大进入多道分析器11；若这些次级带电粒子没把能量全部沉积在含硼塑料闪烁体2中，则有可能进入契伦科夫辐射体4，相比于正负电子，质子、锂7、α粒子的速度要小很多且穿透能力远小于正负电子，则对于所选择的机玻璃、光学铅玻璃、PbF2、熔融石英，正负电子可在其中产生契伦科夫光，而质子、锂7、α粒子无法产生契伦科夫光，这表明可以通过契伦科夫光来测量初始入射的γ光子的信息，这些契伦科夫光光子通过契伦科夫光反射层的反射后进入契伦科夫光光导8，最终进入第二光电倍增管9转换成电信号，被第二放大器12放大进入计数器13；多道分析器11和计数器13采集的数据全部送入数据处理***14，得到裂变中子通量信息，并通过计算机与数据显示***15实时显示和定时储存，并可将这些数据传输到用户的管理***和控制***中。
综上所述，本发明的裂变反应中子通量实时监测装置，具有很快的发光时间，结合快电子学，可用于实时监测裂变中子通量。沿粒子的入射方向放置监测装置，中子和γ射线进入含硼塑料闪烁体后，与物质的作用生成e+/e-、反冲质子和α粒子，可在闪烁体中沉积能量并激发产生荧光，荧光经闪烁体外的反射材料反射最终进入第一光电倍增管，经光电倍增管放大后给出中子加γ的信息。相比于γ射线的次级带电粒子e+/e-，质子和α粒子的速度较慢，当次级粒子进入契伦科夫辐射体后，只有e+/e-可以产生契伦科夫光，利用光电装置收集契伦科夫光，经第二光电倍增管放大后可给出γ的信息。将两路信号相减即可得到中子的通量信息。同时结合脉冲上升时间的差异对n、γ信号进行判断，进一步提高脉冲中子通量的测量精度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方案，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种裂变反应中子通量实时监测装置，其特征在于，包括快中子转换体（1）、含硼塑料闪烁体（2）、荧光反射管（3）、契伦科夫辐射体（4）、契伦科夫光反射管（5）、荧光光导（6）、第一光电倍增管（7）、契伦科夫光光导（8）、第二光电倍增管（9）、第一放大器（10）和第二放大器（12）、多道分析器（11）、计数器（13）、数据处理***（14）、计算机与数据显示***（15）、远程登陆***（16）和探测器外壳（17）；快中子转换体（1）对着粒子入射方向，快中子转换体（1）与探测器外壳（17）连接在一起组成封闭空间，含硼塑料闪烁体（2）、荧光反射管（3）、荧光光导（6）、第一光电倍增管（7）、契伦科夫辐射体（4）、契伦科夫光反射管（5）、契伦科夫光光导（8）、第二光电倍增管（9）均设置在快中子转换体（1）与探测器外壳（17）组成的封闭空间内；
荧光反射管（3）为中空结构，其内壁设有荧光反射层，荧光光导（6）设置在荧光反射管（3）的开口端形成封闭腔体，含硼塑料闪烁体（2）设置在荧光反射管（3）与荧光光导（6）形成的封闭腔体内且与荧光光导（6）连接；契伦科夫光反射管（5）为中空结构，其内壁设有契伦科夫光反射层，契伦科夫辐射体（4）设置在契伦科夫光反射管（5）和契伦科夫光光导（8）形成的封闭腔体内且与契伦科夫光光导（8）连接；
沿粒子入射方向分别放置快中子转换体（1）、荧光反射管（3）、含硼塑料闪烁体（2）、契伦科夫光反射管（5）、契伦科夫辐射体（4）；荧光光导（6）与第一光电倍增管（7）连接，第一光电倍增管（7）与第一放大器（10）连接，第一放大器（10）与多道分析器（11）连接，契伦科夫光光导（8）与第二光电倍增管（9）连接，第二光电倍增管（9）与第二放大器（12）连接，第二放大器（12）与计数器（13）连接；多道分析器（11）和计数器（13）依次连接数据处理***（14）、计算机与数据显示***（15），计算机与数据显示***（15）与远程登录***（16）通过电话线或者网线连接。
2.根据权利要求1所述的裂变反应中子通量实时监测装置，其特征在于，所述的探测器外壳（17）为层状结构，从外到内依次为1~1.2cm的钨层，0.5~0.6cm的含硼高密度聚乙烯层，0.5cm奥氏体不锈钢层，其中含硼高密度聚乙烯层中的硼10质量比例为8%~10%。
3.根据权利要求1所述的裂变反应中子通量实时监测装置，其特征在于，含硼塑料闪烁体（2）的厚度为1.8~2.2cm。
4.根据权利要求1所述的裂变反应中子通量实时监测装置，其特征在于，契伦科夫辐射体（4）为有机玻璃、光学铅玻璃、PbF2或熔融石英，厚度为2~3个辐射长度。
5.根据权利要求1所述的裂变反应中子通量实时监测装置，其特征在于，契伦科夫辐射体（4）的长度比含硼塑料闪烁体（2）的长度大2~2.5cm，契伦科夫辐射体（4）的宽度比含硼塑料闪烁体（2）的宽度大2~2.5cm。
6.根据权利要求1所述的裂变反应中子通量实时监测装置，其特征在于，所述第一光电倍增管（7）选用Hamamatsu公司的光电倍增管R2083型号，R2083型PMT 的阳极脉冲上升时间为0.7ns。
7.根据权利要求1所述的裂变反应中子通量实时监测装置，其特征在于，第二光电倍增管（9）选用Hamamatsu公司的光电倍增管R1926A 型号，R1926A 测量波长范围为160nm~850nm。
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