CN109061716B - 一种套娃中子谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种套娃中子谱仪，包括中子辐射探测分析处理装置和多个不同尺寸的慢化体，慢化体包括容器杯、杯盖和水体，容器杯为正圆柱容器杯，圆形杯盖中心位置设置有手柄盘，手柄盘和圆形杯盖上均开设有相连通的通孔，手柄盘的侧壁上开设有与其通孔连通的螺纹孔，紧固件穿过螺纹孔与中空圆柱连接杆抵接，容器杯的壁厚和圆形杯盖的厚度均为2mm，手柄盘的高度为6mm～15mm，多个从小到大依次排序的容器杯中相邻两个容器杯的内直径差最小为2cm。本发明以水体为慢化体，取用方便、不受限制，可以满足以中子剂量测量为目的的中子能谱的测算能力，通过在携带或移动过程中将水体倒掉的方式，有效减小质量和空间，为中子能谱现场测量提供便捷灵活的解决方案。

Description

一种套娃中子谱仪

技术领域

本发明属于中子谱仪设备技术领域，具体涉及一种套娃中子谱仪。

背景技术

随着核能、核技术在国民生产、军事国防、医学、农业等领域的应用普及与高速发展，核辐射测量及防护正日益受到人们的重视。中子，作为重要的核辐射源项，普遍存在于核电站、核设施、核武器周围；即使普通民众的生活中，也无时无刻不处在环境本底中子的辐射场中。工作场所的中子辐射效应常用中子周围剂量当量来描述，它与中子的注量、能量密切相关；尤其是能量，相同注量、不同能量的中子对剂量的贡献不同，这使得中子能谱测量在辐射防护剂量测算中占有重要地位。所谓“中子能谱”，是指不同能量中子的注量φE随中子能量E的分布统计谱图，也叫“中子注量——能量分布谱”。通常关心的中子能量范围为10^-9～10MeV，按其能量大小分为：快中子(500keV～10MeV)、中能中子(1keV～500keV)、慢中子(能量小于1keV)，如果慢中子与室温下周围介质大量分子的运动处于热平衡状态，也就是说它的能量相当于周围介质分子的热运动的能量，称为热中子，其能量为0.025eV。

从中子周围剂量当量测算的角度出发，通常采用“多球中子谱仪”对现场中子能谱进行测量、解算。多球中子谱仪主要由一系列直径不同的实心聚乙烯慢化球和一个放置在慢化球中心的热中子探测器组成，每一个聚乙烯慢化球与一个热中子探测器的组合体被称为一个邦纳球(Bonner Sphere)，由于中子能谱测量均为现场测量，多球中子谱仪中一系列独立的聚乙烯实心材料作为慢化体，直径从3英寸至15英寸不等，体积大、质量重，在携带、移动过程中，有诸多不便；且每个慢化体的球体结构放置在现场环境中需配备一个球体底座，便于稳定慢化体，因此，又为多球中子谱仪的携带、移动添加了不必要的麻烦。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种套娃中子谱仪，其设计新颖合理，以水体为慢化体，取用方便、不受限制，测量中子能量范围宽，峰区能级定位准确，可以满足以中子剂量测量为目的的中子能谱的测算能力，通过在携带或移动过程中将水体倒掉的方式，有效减小其质量以及所占空间，为中子能谱的现场测量提供了便捷灵活的解决方案，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种套娃中子谱仪，其特征在于：包括中子辐射探测分析处理装置和多个不同尺寸的慢化体，所述中子辐射探测分析处理装置包括热中子探测器和对热中子探测器探测的信号进行分析处理的数据处理模块，热中子探测器为球形³He正比计数器，每个所述慢化体包括容器杯、杯盖和盛放在容器杯内的水体，所述容器杯为圆柱容器杯，所述圆柱容器杯的内直径与所述圆柱容器杯的内高相等，杯盖为圆形杯盖，所述圆形杯盖的中心位置设置有手柄盘，手柄盘和所述圆形杯盖上均开设有相连通的通孔，球形³He正比计数器位于容器杯的几何中心，球形³He正比计数器上连接的中空圆柱连接杆依次穿过手柄盘上的通孔和所述圆形杯盖上的通孔，手柄盘的侧壁上开设有与其通孔连通的螺纹孔，紧固件穿过所述螺纹孔与所述中空圆柱连接杆抵接，容器杯的壁厚和圆形杯盖的厚度均为2mm，手柄盘的高度为6mm～15mm，多个从小到大依次排序的容器杯中相邻两个容器杯的内直径差最小为2cm，容器杯为亚克力容器杯，杯盖为亚克力杯盖。

上述的一种套娃中子谱仪，其特征在于：所述数据处理模块包括依次连接的电荷灵敏前置放大器、多道脉冲幅度分析器、通信模块和计算机，热中子探测器的信号输出端与电荷灵敏前置放大器的信号输入端连接。

上述的一种套娃中子谱仪，其特征在于：所述多道脉冲幅度分析器为串行多道脉冲幅度分析器，通信模块为RS485串口转USB接口的通信模块。

上述的一种套娃中子谱仪，其特征在于：所述球形³He正比计数器为SP9球形³He正比计数器。

上述的一种套娃中子谱仪，其特征在于：所述慢化体的数量为17个，17个慢化体中的17个容器杯的内直径分别为4cm、6cm、8cm、10cm、12cm、14cm、16cm、18cm、20cm、22cm、24cm、26cm、28cm、30cm、32cm、35cm和40cm。

上述的一种套娃中子谱仪，其特征在于：所述手柄盘为亚克力手柄盘。

上述的一种套娃中子谱仪，其特征在于：所述中子辐射探测分析处理装置的数量为一个或多个；

当所述中子辐射探测分析处理装置的数量为多个时，所述中子辐射探测分析处理装置的数量与所述慢化体的数量相等，且多个所述中子辐射探测分析处理装置与多个所述慢化体一一对应。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明通过设置多个不同尺寸的慢化体分别获取不同范围内中子能量，其中，每个慢化体包括容器杯、杯盖和盛放在容器杯内的水体，以水体为慢化体，取用方便、不受限制，当需要进行中子辐射探测时，将多个不同尺寸的慢化体依次排开，通过每个慢化体与热中子探测器配合，测得跨数十个数量级能量范围内的中子能谱，峰区能级、峰位定位准确，可以完全实现现有多球中子谱仪的功能；当中子辐射探测结束时，将容器杯中的水体倒掉，将多个不同尺寸的容器杯按照大小顺序依次套装在一起，实现携带、移动过程中，所占空间小、质量轻，节省人力，为中子能谱的现场测量提供了更加便捷灵活的解决方案，便于推广使用。

2、本发明采用的容器杯的壁厚和圆形杯盖的厚度均为2mm，且多个从小到大依次排序的容器杯中相邻两个容器杯的内直径差最小为2cm，可实现相对较小的容器杯佩戴杯盖后完全设置在相对较大的容器杯内，圆形杯盖的中心位置设置手柄盘便于容器杯的密封和开启，使用效果好。

3、本发明设计新颖合理，容器杯为亚克力容器杯，杯盖为亚克力杯盖，采用亚克力材质制作容器杯和杯盖，亚克力的化学名称为聚甲基丙烯酸甲酯，聚甲基丙烯酸甲酯与水结合作为慢化体，与现有的聚乙烯材质制作的球壳慢化体的化学式中碳氢比接近，中子入射到慢化体中与慢化体中氢或碳元素发生弹性散射效果接近，可以完全实现现有多球中子谱仪的功能，便于推广使用。

综上所述，本发明设计新颖合理，以水体为慢化体，取用方便、不受限制，测量中子能量范围宽，峰区能级定位准确，可以满足以中子剂量测量为目的的中子能谱的测算能力，通过在携带或移动过程中将水体倒掉的方式，有效减小其质量以及所占空间，为中子能谱的现场测量提供了便捷灵活的解决方案，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明中子辐射探测分析处理装置与一个慢化体的结构连接示意图。

图2为本发明多个不同尺寸的慢化体除去水体的套娃结构示意图。

图3为本发明中子辐射探测分析处理装置的电路原理框图。

图4为实施例1中实验室本底环境中子能谱图。

图5为实施例2中Am-Be中子源能谱图。

图6为实施例2中Am-Be中子源热中子峰区局部放大图。

附图标记说明:

1—容器杯；2—杯盖；3—手柄盘；

4—紧固件；5—水体；6—热中子探测器；

7—数据处理模块；7-1—电荷灵敏前置放大器；

7-2—多道脉冲幅度分析器；7-3—通信模块；

7-4—计算机。

具体实施方式

如图1至图3所示，本发明包括中子辐射探测分析处理装置和多个不同尺寸的慢化体，所述中子辐射探测分析处理装置包括热中子探测器6和对热中子探测器6探测的信号进行分析处理的数据处理模块7，热中子探测器6为球形³He正比计数器，每个所述慢化体包括容器杯1、杯盖2和盛放在容器杯1内的水体5，所述容器杯1为圆柱容器杯，所述圆柱容器杯的内直径与所述圆柱容器杯的内高相等，杯盖2为圆形杯盖，所述圆形杯盖2的中心位置设置有手柄盘3，手柄盘3和所述圆形杯盖2上均开设有相连通的通孔，球形³He正比计数器位于容器杯1的几何中心，球形³He正比计数器上连接的中空圆柱连接杆依次穿过手柄盘3上的通孔和所述圆形杯盖2上的通孔，手柄盘3的侧壁上开设有与其通孔连通的螺纹孔，紧固件4穿过所述螺纹孔与所述中空圆柱连接杆抵接，容器杯1的壁厚和圆形杯盖2的厚度均为2mm，手柄盘3的高度为6mm～15mm，多个从小到大依次排序的容器杯1中相邻两个容器杯1的内直径差最小为2cm，容器杯1为亚克力容器杯，杯盖2为亚克力杯盖。

需要说明的是，采用多个不同尺寸的慢化体分别获取不同范围内中子能量，其中，每个慢化体包括容器杯1、杯盖2和盛放在容器杯内的水体5，以水体5为慢化体，取用方便、不受限制，当需要进行中子辐射探测时，将多个不同尺寸的慢化体依次排开，通过每个慢化体与热中子探测器6配合，测得跨数十个数量级能量范围内的中子能谱，峰区能级、峰位定位准确，可以完全实现现有多球中子谱仪的功能；当中子辐射探测结束时，将容器杯1中的水体5倒掉，将多个不同尺寸的容器杯按照大小顺序依次套装在一起，实现携带、移动过程中，所占空间小、质量轻，节省人力，为中子能谱的现场测量提供了更加便捷灵活的解决方案，实际上使用中，水应盛满，所述圆柱容器杯的内直径与所述圆柱容器杯的内高相等，形成一个正圆柱体，球形³He正比计数器位于容器杯1的几何中心，探测各个方向的中子辐射，圆柱容器杯的内直径与圆柱容器杯的内高相等，容器杯表面上任何一点至容器杯1的几何中心的距离的偏差不影响实验的进行，在满足实验的基础上实现搬运携带方便，成本低的功能。

实际使用中，采用的容器杯1的壁厚和圆形杯盖2的厚度均为2mm，且多个从小到大依次排序的容器杯1中相邻两个容器杯1的内直径差最小为2cm，可实现相对较小的容器杯1佩戴杯盖2后完全设置在相对较大的容器杯1内，圆形杯盖1的中心位置设置手柄盘3便于容器杯1的密封和开启，使用效果好；本实施例中，容器杯1为亚克力容器杯，杯盖2为亚克力杯盖，采用亚克力材质制作容器杯1和杯盖2，亚克力的化学名称为聚甲基丙烯酸甲酯，聚甲基丙烯酸甲酯与水结合作为慢化体，与现有的聚乙烯材质制作的球壳慢化体的化学式中碳氢比接近，中子入射到慢化体中与慢化体中氢或碳元素发生弹性散射效果接近，可以完全实现现有多球中子谱仪的功能。

本实施例中，所述球形³He正比计数器为SP9球形³He正比计数器。

本实施例中，所述数据处理模块7包括依次连接的电荷灵敏前置放大器7-1、多道脉冲幅度分析器7-2、通信模块7-3和计算机7-4，热中子探测器6的信号输出端与电荷灵敏前置放大器7-1的信号输入端连接。

本实施例中，所述多道脉冲幅度分析器7-2为串行多道脉冲幅度分析器，通信模块7-3为RS485串口转USB接口的通信模块。

需要说明的是，SP9球形³He正比计数器输出的电压脉冲信号经电荷灵敏前置放大器放大，送入串行多道脉冲幅度分析器，最后通过RS485串口转USB接口的通信模块送入计算机，完成计数采集过程。

本实施例中，所述慢化体的数量为17个，17个慢化体中的17个容器杯1的内直径分别为4cm、6cm、8cm、10cm、12cm、14cm、16cm、18cm、20cm、22cm、24cm、26cm、28cm、30cm、32cm、35cm和40cm。

需要说明的是，17个尺寸的慢化体，是从对中子的慢化效果考虑，能覆盖关注的中子能量范围，间隔2厘米，即可以达到能量区分度，间隔尺寸太小，反而增加计算量，使能谱反解变复杂。

本实施例中，所述手柄盘3为亚克力手柄盘。

本实施例中，所述中子辐射探测分析处理装置的数量为一个或多个；当所述中子辐射探测分析处理装置的数量为多个时，所述中子辐射探测分析处理装置的数量与所述慢化体的数量相等，且多个所述中子辐射探测分析处理装置与多个所述慢化体一一对应。

需要说明的是，当所述中子辐射探测分析处理装置的数量为一个时，可以用一个中子辐射探测分析处理装置与多个慢化体挨个搭配，一个一个的探测中子辐射；当所述中子辐射探测分析处理装置的数量为多个时，可以用多个中子辐射探测分析处理装置与多个慢化体配合同时探测中子辐射，使用灵活。

实施例1

本发明使用时，选取内直径分别为6cm、8cm、10cm、12cm、14cm、16cm、18cm、20cm、22cm、24cm、26cm的容器杯1进行实验室本底环境中子能谱测量，测量前算好套娃中子谱仪的能量响应矩阵，选取与以上尺寸容器杯1对应的响应矩阵，将SP9球形³He正比计数器置于容器杯1中心固定，再向容器杯1中注水形成正圆柱慢化体，开始测量，每个尺寸慢化体测量12小时，依容器杯1尺寸由小到大，每秒探测到的中子计数率分别为：0.00465、0.00549、0.00553、0.00641、0.00576、0.00630、0.00613、0.00523、0.00595、0.00539、0.00520；应用少道解谱算法求解中子能谱。

如图4所示，实验室本底环境中子能谱所得的结果主要有两个峰区间：蒸发中子区(0.1MeV～10MeV)，该区域中子能量在0.1MeV到10MeV之间，其主要来源是宇宙射线中的中子与大气及建筑发生共振核反应，退激发而形成的能量在0.1MeV～10MeV之间的中子；

热中子区，该区域的中子能量小于0.4eV，即小于4×10^-7MeV。该部分中子来源于空气中的中子与实验室的墙壁、地面等各种物质发生碰撞散射，最终达到热平衡状态，从而在本底中子能谱上形成了一个热中子峰，并且其分布符合麦克斯韦-玻尔兹曼分布。

实施例2

本实施例中，选取内直径分别为6cm、8cm、10cm、12cm、14cm、16cm、18cm、20cm、22cm、24cm、26cm、28cm、30cm的容器杯1进行Am-Be中子源能谱测量，测量前算好套娃中子谱仪的能量响应矩阵，选取与以上尺寸容器杯1对应的响应矩阵，将SP9球形³He正比计数器置于容器杯1中心固定，再向容器杯1中注水形成正圆柱慢化体，开始测量，每个尺寸慢化体测量0.5小时，依容器杯1尺寸由小到大，每秒探测到的中子计数率分别为：2.42、5.25、8.48、12.76、16.12、16.30、17.43、16.68、19.27、16.13、18.69、17.11、14.14；应用少道解谱算法求解中子能谱。

如图5所示，Am-Be中子源能谱所得的结果主要有三个峰区间：分别为Am-Be中子峰区、散射中子峰区、热中子区。

Am-Be中子峰区，该区域中子能量在1MeV到10MeV之间，峰位在3MeV附近，这与Am-Be中子源出射中子的能量在1MeV～10MeV，3.1MeV处存在极大值相一致。

散射中子峰区，该区域中子能量在1×10^-3MeV～1MeV之间。散射中子峰区的形成，是由于实验时，并未使用中子准直***，且中子源四周大多为混凝土墙壁，Am-Be中子源所发出的1MeV～10MeV中子与混凝土墙壁发生碰撞散射，损失一定的能量，之后再进入SP9球形³He正比计数器被探测到，从而在能量稍低的地方形成了散射中子峰区，快中子经碰撞散射，变成了中能中子。

热中子区，该区域中子能量在0.1eV附近，即1×10^-7MeV附近。Am-Be中子源所发出的中子、散射中子、环境本底中子与实验室的墙壁、地面等各种物质发生碰撞散射，最终达到热平衡状态，形成了热中子峰区，由于Am-Be中子源比较强，压低了热中子峰区，将该区纵坐标轴放大，得到图6。从图6中可以发现：其峰位小于4×10^-7MeV，符合热中子能量分布特点。

本发明从中子周围剂量当量测量的角度出发，对现场中子能谱进行测算，要求谱仪能量响应范围宽，从热中子到快中子，跨至少10个数量级；而对分辨率不要求过高：精确到数量级、峰位准确即可。

本发明的套娃中子谱仪可以成功测得10^-9MeV～10MeV，跨11个数量级能量范围内的中子能谱，峰区能级、峰位定位准确，可以完全实现现有多球中子谱仪的功能；此外，其在携带、移动过程中，所占空间小、质量轻，为中子能谱的现场测量提供了更加便捷灵活的解决方案。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种套娃中子谱仪，其特征在于：包括中子辐射探测分析处理装置和多个不同尺寸的慢化体，所述中子辐射探测分析处理装置包括热中子探测器(6)和对热中子探测器(6)探测的信号进行分析处理的数据处理模块(7)，热中子探测器(6)为球形³He正比计数器，每个所述慢化体包括容器杯(1)、杯盖(2)和盛放在容器杯(1)内的水体(5)，所述容器杯(1)为圆柱容器杯，所述圆柱容器杯的内直径与所述圆柱容器杯的内高相等，杯盖(2)为圆形杯盖，所述圆形杯盖(2)的中心位置设置有手柄盘(3)，手柄盘(3)和所述圆形杯盖(2)上均开设有相连通的通孔，球形³He正比计数器位于容器杯(1)的几何中心，球形³He正比计数器上连接的中空圆柱连接杆依次穿过手柄盘(3)上的通孔和所述圆形杯盖(2)上的通孔，手柄盘(3)的侧壁上开设有与其通孔连通的螺纹孔，紧固件(4)穿过所述螺纹孔与所述中空圆柱连接杆抵接，容器杯(1)的壁厚和圆形杯盖(2)的厚度均为2mm，手柄盘(3)的高度为6mm～15mm，多个从小到大依次排序的容器杯(1)中相邻两个容器杯(1)的内直径差最小为2cm，容器杯(1)为亚克力容器杯，杯盖(2)为亚克力杯盖；

所述中子辐射探测分析处理装置的数量为一个或多个；

当所述中子辐射探测分析处理装置的数量为多个时，所述中子辐射探测分析处理装置的数量与所述慢化体的数量相等，且多个所述中子辐射探测分析处理装置与多个所述慢化体一一对应。

2.按照权利要求1所述的一种套娃中子谱仪，其特征在于：所述数据处理模块(7)包括依次连接的电荷灵敏前置放大器(7-1)、多道脉冲幅度分析器(7-2)、通信模块(7-3)和计算机(7-4)，热中子探测器(6)的信号输出端与电荷灵敏前置放大器(7-1)的信号输入端连接。

3.按照权利要求2所述的一种套娃中子谱仪，其特征在于：所述多道脉冲幅度分析器(7-2)为串行多道脉冲幅度分析器，通信模块(7-3)为RS485串口转USB接口的通信模块。

4.按照权利要求1所述的一种套娃中子谱仪，其特征在于：所述球形³He正比计数器为SP9球形³He正比计数器。

5.按照权利要求1所述的一种套娃中子谱仪，其特征在于：所述慢化体的数量为17个，17个慢化体中的17个容器杯(1)的内直径分别为4cm、6cm、8cm、10cm、12cm、14cm、16cm、18cm、20cm、22cm、24cm、26cm、28cm、30cm、32cm、35cm和40cm。

6.按照权利要求1所述的一种套娃中子谱仪，其特征在于：所述手柄盘(3)为亚克力手柄盘。