CN106199680A - 慢中子探测装置 - Google Patents

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CN106199680A CN201610821372.XA CN201610821372A CN106199680A CN 106199680 A CN106199680 A CN 106199680A CN 201610821372 A CN201610821372 A CN 201610821372A CN 106199680 A CN106199680 A CN 106199680A
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李元景
方竹君
李玉兰
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Abstract

公开了一种慢中子探测装置，包括：第一慢中子转换体和第二慢中子转换体以及设置在二者之间的读出电极丝组和阴极丝组。通过将读出电路设置在两个慢中子转换体之间，使得在探测器外形尺寸不变的情况下，电子漂移距离降低了一半，提升了信号的平均过阈概率。

Description

慢中子探测装置
技术领域
本公开涉及慢中子探测，具体而言，涉及一种提高慢中子探测效率的慢中子探测装置。
背景技术
随着慢中子探测、成像技术在国土安全、材料监测、慢中子散射源测量等多个方向应用逐渐增多，对于慢中子探测器的需求也逐渐增加。然而，广泛使用的3He气体已不能满足持续增长的使用需求，不同类型的新型慢中子探测器被研发出来用于替代3He，包括气体慢中子探测器、闪烁体慢中子探测器、半导体慢中子探测器等。
对一个慢中子探测器而言，慢中子转换体是其中的一个重要结构。慢中子本身不带电荷，除了少数几种慢中子敏感核素如6Li、10B、Gd等，慢中子与其他物质的反应截面都比较小，直观效果就是慢中子难以被直接探测到。慢中子转换体内部富含较多的慢中子敏感核素，能够通过核反应将慢中子转换为带电粒子。探测器可以较为方便地测量到这些带电粒子的能量、位置信息，进而可以得到入射慢中子的相关物理信息。
在气体慢中子探测器设计中，根据使用的基础探测器的不同，可有多种类型的慢中子转换体与慢中子探测器，例如基于圆柱形正比探测器阵列的气体慢中子探测器、基于平板型电离室堆叠的气体慢中子探测器。
在基于圆柱形正比探测器阵列的气体慢中子探测器中，最基本的慢中子探测单元是一个圆柱形的正比探测器，每个单元都有独立的阳极丝和信号收集处理***，典型代表如“稻草管”慢中子探测器阵列。然而，探测器的慢中子敏感面积与慢中子探测效率大致与圆柱形正比探测器个数的二次方成正比，整个***内大量阳极丝的安装、维修会有很大的工作量，各个慢中子探测单元探测效率的差异也会影响***整体的性能。
在基于平板型电离室堆叠的气体慢中子探测器中，最基本的慢中子探测单元是一个平板型电离室，每个电离室有独立的二维信号读出***，典型代表如Gd-GEM慢中子探测器。然而，单层平板电离室的慢中子探测效率比较低，需要采用多个堆叠、慢中子掠入射等方法提高整体的慢中子探测效率，但这会给整体的信号读出处理带来很大压力，不方便实现大面积慢中子探测。
发明内容
针对现有技术中的一个或多个问题，提出了一种慢中子探测装置。
根据本发明的一个方面，提出了一种慢中子探测装置，包括：第一慢中子转换体和第二慢中子转换体，所述第一慢中子转换体和所述第二慢中子转换体配置为与入射的中子发生反应，并且产生电子；电子倍增和读出装置，设置在所述第一慢中子转换体和所述第二慢中子转换体之间，对所述电子进行倍增并读出。
根据一些实施例，所述电子倍增和读出装置包括：第一阴极丝组，包括并行排列的多条电极丝，并且设置在所述第一慢中子转换体和所述第二慢中子转换体之间靠近所述第一慢中子转换体一端；第二阴极丝组，包括并行排列的多条电极丝，并且设置在所述第一慢中子转换体和所述第二慢中子转换体之间靠近所述第二慢中子转换体一端；读出电极丝组，包括并行排列的多条电极丝，工作为阳极，并且设置在所述第一阴极丝组和和所述第二阴极丝组之间，所述读出电极丝组的多条电极丝与所述第一阴极丝组的多条电极丝和所述第二电极丝组的多条电极丝的延伸方向基本上垂直。
根据一些实施例，所述的慢中子探测装置还包括：第一阴极极板，相对于所述第一阴极丝组设置在所述第一慢中子转换体的另一端；第二阴极极板，相对于所述第二阴极丝组设置在所述第二慢中子转换体的另一端。
根据一些实施例，所述的慢中子探测装置还包括：第一电场保护丝组，包括多条并行排列的电极丝，设置在所述第一阴极丝组和所述第一慢中子转换体之间；第二电场保护丝组，包括多条并行排列的电极丝，设置在所述第二阴极丝组和所述第二中子转换体之间。
根据一些实施例，所述读出电极丝组与第一阴极丝组之间的间距为2-3毫米，所述读出电极的多条电极丝之间的间距为3-5毫米。
根据一些实施例，所述第一慢中子转换体和所述第二慢中子转换体的每一个包括：基体，包括沿与所述读出电极的多条电极丝所在平面垂直的方向延伸的多个孔贯穿洞和所述多个贯穿孔洞之间的绝缘壁；硼层，至少覆盖所述多个贯穿孔洞的暴露表面。
根据一些实施例，所述第一慢中子转换体和所述第二慢中子转换体的每一个的体积范围为1-20000立方厘米，所述贯穿孔洞的直径大小范围在1-10毫米。
根据一些实施例，所述第一慢中子转换体和所述第二慢中子转换体的每一个是底面为10厘米×10厘米，高5厘米的长方体涂硼慢中子转换体，贯穿孔洞的直径为3.6毫米。
根据一些实施例，硼层的涂布厚度为1-3微米，优选为1.6微米。
根据一些实施例，所述的慢中子探测装置还包括：具有圆柱状结构的场笼，所述场笼围绕所述第一慢中子转换体和所述第二慢中子转换体。
根据一些实施例，所述场笼包括多个同轴铜圈，所述多个同轴铜圈用于分别加上梯度电压。
通过将读出电路设置在两个慢中子转换体之间，使得在探测器外形尺寸不变的情况下，电子漂移距离降低了一半，提升了信号的平均过阈概率。
附图说明
为了更好的理解本发明，将根据以下附图对本发明的实施例进行描述：
图1示出根据本公开一示例实施方式的慢中子转换体的立体图；
图2示出图1所示的慢中子转换体的剖视图；
图3示出根据本公开的慢中子转换体的慢中子探测效率与硼层质量厚度的关系图；
图4示出根据本公开一示例实施方式的慢中子探测装置的结构图；
图5示出根据本公开一示例实施方式的读出电极和阴极丝组的结构示意图；
图6示出根据本公开的慢中子探测装置的工作过程的示意图；
图7示出根据本公开的慢中子探测装置对过阈概率的提高的示意图。
附图没有对实施例的所有电路或结构进行显示。贯穿所有附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或特征。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
下文中提到的“慢中子”是指低于某一特定值的中子。该值的选择取决于具体应用场合。例如，在中子物理及核技术应用中，通常把能量低于1keV的中子称为慢中子。
针对现有技术的慢中子探测装置的问题，本公开的实施例提出了一种提高信号过阈概率的慢中子探测装置。根据本公开的实施例，慢中子探测装置包括两个慢中子转换体以及设置在二者之间的读出电极丝组和阴极丝组。通过将诸如独处电极丝组之类的读出电路设置在两个慢中子转换体之间，使得在探测器外形尺寸不变的情况下，电子漂移距离降低了一半，提升了信号的平均过阈概率。
图1示出根据本公开一示例实施方式的慢中子转换体的立体图。图2示出图1所示的慢中子转换体的剖视图。应理解，图1和图2示意性示出的结构仅是根据本公开的慢中子转换体的一种示例，本公开并不限于此。
如图1和图2所示，根据本公开的慢中子转换体100可包括基体120。基体120可包括沿第一方向贯穿所述基体的多个孔洞124和所述多个孔洞之间的绝缘壁122。
每个孔洞124可具有圆形或多边形截面。根据一些实施例，每个孔洞具有正多边形截面。根据另一些实施例，每个孔洞具有正六边形截面且所述多个孔洞均匀排布，从而所述慢中子转换体具有蜂窝状结构，如图1和图2所示，但本公开不限于此。孔洞124可用于填充电离工作气体，如后面所详细描述的。
如图2所示，慢中子转换体100还包括至少覆盖所述多个孔洞124的暴露表面的硼层126。根据一些实施例，可通过浸涂或其他合适的方式形成硼层126。
孔洞124可具有光滑的暴露表面，从而使覆盖基体122的硼层具有较好的均匀性和表面粗糙度(例如，小于0.1微米的平整度)。
根据本公开，可使用natB(自然硼)或10B(提纯硼)作为慢中子转换材料。
根据一些实施例，基体120具有立方体或长方体形状，但本公开不限于此。
根据一些实施例，绝缘壁122可具有1微米至50微米范围内的厚度。例如，绝缘壁可具有5微米至20微米范围内的厚度。根据一些实施例，绝缘壁122包括芳纶纸。
图3示出根据本公开的慢中子转换体慢中子探测效率与硼层质量厚度关系的曲线图。
如图3所示，如果使用natB作为慢中子转换材料，硼层的质量厚度保持在0.232-0.694mg/cm2的范围内时(密度2.35g/cm3时，对应厚度1-3μm，优选为1.6μm)，可以实现较高的慢中子探测效率。
根据一些实施例，硼层具有0.232-0.694mg/cm2的质量厚度。再根据一些实施例，所述硼层具有0.3-0.4mg/cm2的质量厚度。再根据一些实施例，硼层具有0.37mg/cm2的质量厚度。
发明人发现，硼层太薄会导致与慢中子发生反应的概率降低，而硼层太厚会导致反应产生的重带电粒子难以从转换体的涂层内进入蜂窝状孔洞，这均会大大降低整体的慢中子探测效果。
另外，可以根据不同的应用场景选择慢中子转换体的孔径。根据一些实施例，孔洞124可具有0.1mm至20mm范围内的内切圆直径。根据另一些实施例，孔洞可具有3mm至10mm范围内的内切圆直径。在本申请中使用时，内切圆指的是可与孔洞的最多边相切的圆。
此外，可以根据不同的应用场景选择慢中子转换体的高度，以兼顾较高的慢中子探测效率与较好的电子导出效果。根据一些实施例，基体120具有1cm至30cm范围内的高度。例如，基体120可具有4cm至6cm范围内的高度。
根据一些实施例，两个慢中子转换体的每一个的体积范围为1-20000立方厘米，所述孔洞124的直径大小范围在1-10毫米。此外，优选地，慢中子转换体可以底面为10厘米×10厘米，高5厘米的长方体涂硼慢中子转换体，贯穿孔洞124的直径为3.6毫米。
根据一些实施例，可通过将纳米级硼粉均匀沉积在芳纶纸基材上而制成蜂窝状结构，再经过切割与裁剪可以制成孔径、长度、硼层厚度均满足应用场景要求的慢中子转换体。
图4示意性示出根据本公开一示例实施方式的慢中子探测装置的结构图。
如图4所示，慢中子探测装置可包括第一慢中子转换体520和第二慢中子转换体530和电场保护丝组及阴阳信号丝组540。第一慢中子转换体520和第二慢中子转换体530可以是如前结合图1、图2和图3所述的慢中子转换体。慢中子探测装置还包括设置在所述第一慢中子转换体520一端的上阴极极板510和设置在所述第二慢中子转换体530一端的***极极板560。所述阴极极板510与电场保护丝组及阴阳信号丝组540中的阳极丝组形成电场以驱动电子向阳极丝组漂移。类似地，所述阴极极板560与电场保护丝组及阴阳信号丝组540中的阳极丝组形成电场以驱动电子向阳极丝组漂移，如后面将详细描述的。
如前所述，第一慢中子转换体520和第二慢中子转换体530均可包括基体120和硼层126。基体120的多个孔洞124中填充电离工作气体，以用于产生电子。可使用电子横向扩散系数小的工作气体，使电子在漂移导出过程中的横向扩散尽量小。根据一些实施例，电离工作气体可以是95％的氩气与5％的二氧化碳的混合气体，但本公开不限于此，也可以气体适宜的工作气体。
根据一些实施例，如图4所示，慢中子探测装置还可包括具有圆柱状结构的场笼550，所述场笼550围绕所述两个慢中子转换体520和530。场笼550可包括多个同轴铜圈，所述多个同轴铜圈用于分别加上梯度电压。场笼550可起到隔离屏蔽的作用，并可约束内部气体环境的等势面在大部分区域保持平行，即形成近似的匀强电场。
此外，根据一些实施例，慢中子探测装置还可包括保护环(未示出)。保护环可设置在场笼两侧，用于提供两端平面的电位，对匀强电场的实现起辅助作用。
图5示出根据本公开一示例实施方式的读出电极和阴极丝组的结构示意图。如图5所示，为了构造一个与阴极极板相对、且电子能够顺利穿过的漂移极，本公开的一些实施例中使用了一组金属丝构成电场保护丝组541和545，以隔绝漂移电场与倍增电场，同时无碍电子的运动。如图5所示，考虑到电子会从上下两侧到达倍增和读出装置542、543和544，且便于在大面积探测领域使用，本公开的实施例中采用二维多丝电极的技术构建电子倍增器，即利用三组丝构成平行的第一和第二阴极丝组542、544所在平面与阳极丝组543所在平面，其中第一和第二阴极丝组542、544的电极丝与阳极丝组543的电极丝的方向相互垂直，利用阳极丝附近的强电场实现电子雪崩，雪崩产生的电子会很快被阳极丝收集，而产生的正离子则会漂移一段距离，然后被第一和第二阴极丝组542、544收集。
如图4和图5所示，第一阴极丝组542包括并行排列的多条电极丝，并且设置在第一慢中子转换体520和第二慢中子转换体530之间靠近第一慢中子转换体一端。第二阴极丝组544包括并行排列的多条电极丝，并且设置在第一慢中子转换体520和第二慢中子转换体530之间靠近第二慢中子转换体一端。读出电极丝组543包括并行排列的多条电极丝，工作为阳极，并且设置在第一阴极丝组542和和第二阴极丝组544之间，所述读出电极丝组543的多条电极丝与第一阴极丝组542的多条电极丝和第二电极丝组544的多条电极丝的延伸方向基本上垂直。根据一些实施例，作为阳极丝组的读出电极丝组543与第一阴极丝组542以及第二阴极丝组543的丝间距均为2-3mm，优选为2mm，阳极丝组的丝间距为3-5mm，优选为4mm。
如图5所示的，慢中子探测装置还包括第一电场保护丝组541和第二电场保护丝组545。第一电场保护丝组541包括多条并行排列的电极丝，设置在第一阴极丝组542和第一慢中子转换体520之间。第二电场保护丝组545包括多条并行排列的电极丝，设置在第二阴极丝组544和第二中子转换体545之间。
图6示出根据本公开的慢中子探测装置的工作原理。下面参照图5和图6描述根据本公开的慢中子探测装置的工作原理。
如图6所示，根据本公开的慢中子探测过程可分为三大部分：慢中子吸收到电子形成、电子漂移、电子倍增及信号收集。
慢中子吸收到电子形成阶段的物理过程发生在慢中子转换体内部。入射慢中子在硼层126中发生10B(n，α)7Li反应，产生重带电粒子α粒子与7Li，它们的运动方向相反且是在4π立体角内均匀分布的。因此，每次反应最多只有一个粒子进入蜂窝状孔洞124的气体环境中。当α粒子或7Li在孔洞124内的气体环境中运动时，会通过电离作用沉积能量，产生电子。这些电子如果被探测器探测到，就能够形成相应的电信号。
在这个环节中，慢中子穿过硼层126时发生10B(n，α)7Li反应的概率与α粒子、7Li进入孔洞124的平均概率决定整个探测器可能的慢中子探测效率。如前参照图3所述，当硼层的质量厚度保持在0.232-0.694mg/cm2的范围内时(密度2.35g/cm3时，对应厚度1-3μm)，可以实现较高的慢中子探测效率。
由于重带电粒子的电离效应，电子产生的初始位置分布在整个慢中子转换体的各个蜂窝状孔洞的内部。为使这些电子形成输出的电信号，本公开的方案使电子从孔洞内漂移出来。如前所述，电子在电场驱动下向慢中子转换体的一端漂移，即向电子倍增和读出装置542、543、544漂移。
考虑到电子会从上下两侧到达倍增和读出装置542、543、544，且便于在大面积探测领域使用，本公开的实施例采用了如上所述的二维多丝电极的技术构建电子倍增器，即利用三组丝构成平行的第一和第二阴极丝组542、544所在平面与阳极丝组543所在平面，其中第一和第二阴极丝组542、544的电极丝与阳极丝组543的电极丝的方向相互垂直，利用阳极丝附近的强电场实现电子雪崩，雪崩产生的电子会很快被阳极丝收集，而产生的正离子则会漂移一段距离，然后被第一和第二阴极丝组542、544收集。
上述实施例的慢中子探测器中有两个涂硼热中子转换体520和530，它们共用一个电子雪崩及信号收集装置，呈平面对称关系。这样设计使得在探测器外形不变的情况下，最大的电子漂移距离将会下降一半，这对于提升探测器的探测性能很有帮助。
为了去除电子学噪声与γ射线信号，所有的气体中子探测器都需要设定一定的阈值，而在阈值与电子雪崩看似恒定的情况下，电子漂移结果的好坏则会在很大程度上影响中子探测效率。图7给出了在阈值确定时电子漂移长度与信号过阈概率之间的关系，由图7可知，若将一个100mm高的中子转换体拆成两个50mm高的转换体，并从中间读出信号，即可将最大漂移距离从100mm缩短为50mm，则信号的平均过阈概率能提升5％-10％。
用例如上述的涂硼热中子转换体以及中间多丝读出的设计，可以制成性能较好的气体中子探测器。相较于利用单个新型涂硼热中子转换体设计的探测器，在不增大探测器体积的前提下缩短了电子在热中子转换体内的漂移距离，可以提高探测器整体的探测效率。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种慢中子探测装置，包括：
第一慢中子转换体和第二慢中子转换体，所述第一慢中子转换体和所述第二慢中子转换体配置为与入射的中子发生反应，并且产生电子；
电子倍增和读出装置，设置在所述第一慢中子转换体和所述第二慢中子转换体之间，对所述电子进行倍增并读出。
2.如权利要求1所述的慢中子探测装置，所述电子倍增和读出装置包括：
第一阴极丝组，包括并行排列的多条电极丝，并且设置在所述第一慢中子转换体和所述第二慢中子转换体之间靠近所述第一慢中子转换体一端；
第二阴极丝组，包括并行排列的多条电极丝，并且设置在所述第一慢中子转换体和所述第二慢中子转换体之间靠近所述第二慢中子转换体一端；
读出电极丝组，包括并行排列的多条电极丝，工作为阳极，并且设置在所述第一阴极丝组和和所述第二阴极丝组之间，所述读出电极丝组的多条电极丝与所述第一阴极丝组的多条电极丝和所述第二电极丝组的多条电极丝的延伸方向基本上垂直。
3.如权利要求2所述的慢中子探测装置，还包括：
第一阴极极板，相对于所述第一阴极丝组设置在所述第一慢中子转换体的另一端；
第二阴极极板，相对于所述第二阴极丝组设置在所述第二慢中子转换体的另一端。
4.如权利要求2所述的慢中子探测装置，还包括：
第一电场保护丝组，包括多条并行排列的电极丝，设置在所述第一阴极丝组和所述第一慢中子转换体之间；
第二电场保护丝组，包括多条并行排列的电极丝，设置在所述第二阴极丝组和所述第二中子转换体之间。
5.如权利要求2所述的慢中子探测装置，其中所述读出电极丝组与第一阴极丝组和第二阴极丝组之间的间距为2-3毫米，所述读出电极的多条电极丝之间的间距为3-5毫米。
6.如权利要求2所述的慢中子探测装置，其中所述第一慢中子转换体和所述第二慢中子转换体的每一个包括：
基体，包括沿与所述读出电极的多条电极丝所在平面垂直的方向延伸的多个孔贯穿洞和所述多个贯穿孔洞之间的绝缘壁；
硼层，至少覆盖所述多个贯穿孔洞的暴露表面。
7.如权利要求6所述的慢中子探测装置，其中所述第一慢中子转换体和所述第二慢中子转换体的每一个的体积范围为1-20000立方厘米，所述贯穿孔洞的直径大小范围在1-10毫米。
8.如权利要求7所述的慢中子探测装置，其中所述第一慢中子转换体和所述第二慢中子转换体的每一个是底面为10厘米×10厘米，高5厘米的长方体涂硼慢中子转换体，贯穿孔洞的直径为3.6毫米。
9.如权利要求8所述的慢中子探测装置，其中硼层的涂布厚度为1-3微米，优选为1.6微米。
10.如权利要求1所述的慢中子探测装置，还包括：具有圆柱状结构的场笼，所述场笼围绕所述第一慢中子转换体和所述第二慢中子转换体，所述场笼包括多个同轴铜圈，所述多个同轴铜圈用于分别加上梯度电压。
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