一种多层球形聚乙烯慢化体和单探头中子能谱及注量测量装置

摘要

多层球形聚乙烯慢化体，从内至外由具有若干个内径不同的球形聚乙烯慢化体层层累加构成，其中第1个球形聚乙烯慢化2的内径等于球形中子探测器1的直径；以后i=2，3，4……n的每个球形聚乙烯慢化体的内径等于第i-1个球的外径；一种单探头中子能谱及注量测量装置包括：多层球形聚乙烯慢化体、球形中子探测器、核电子学电路和高低压电路、单片机组成；球形聚乙烯慢化体对中子进行慢化，使其慢化后能够易被球形中子探测器所探测，核电子学电路对球形中子探测器所探测的信号进行放大和n-γ甄别，单片机对信号进行处理和显示最终结果。本发明具有一致性好的优点，使用本发明的装置即可获得中子能谱和注量信息。

说明书

技术领域

本发明涉及一种多层球形聚乙烯慢化体和中子能谱及注量的测量装置，特别是一种单探 头中子能谱及注量测量装置，属于核物理、核技术及应用等领域。

背景技术

中子飞行时间谱仪、反冲质子法、核反应型测量等是常用的中子谱测量方法，在辐射防 护领域，虽然对分辨率要求不高，但由于所测量的中子能谱的能量范围广，目前技术成熟的 辐射防护用中子谱仪只有多球中子谱仪。

多球中子谱仪是由多个带有不同直径球形聚乙烯慢化体的中子探测器组成，每个中子探 测器是由聚乙烯球形慢化体和放置其中心的热中子探测器（球形³He中子正比计数管）组成， 每个中子探测器具有不同的中子能量响应函数。

入射中子经球形聚乙烯慢化体，利用中子与氢核弹性散射慢化，只有慢化到热中子那部 分中子与³He原子核发生核反应，产生带电粒子p和T，才能被³He中子正比计数管探测： ³He+n→T+p+0.765MeV

³He对热中子的反应截面大为5400(b)，为提高探测热中子灵敏度，球形³He中子正比计 数管内³He气体可充成较大气压，一般为2个大气压以上。核反应产生的p和T在³He气体中电 离，经正比放大后在电极形成脉冲输出，仪器或核电子学电路将脉冲记录下来，测出计数。

由于球形慢化体的直径不同，每个中子探测器对入射中子的能量响应不同，依据每个中 子探测器的能响曲线和测得中子辐射场计数数据，利用中子能谱解谱程序求出入射中子能 谱。

现有的Bonner谱仪无法直接测量中子注量，且使用多个球形中子探测器，因此需要多 个³He球形中子探测器和电子学线路，由于使用不同球形中子探测器和电子学线路，一致性 难以保证。

发明内容

本发明的技术解决问题：针对解决现有的Bonner谱仪存在探测器之间的一致性问题和 功能单一的问题，提供一种一致性好、能够测量能谱和注量的球形聚乙烯慢化体及单探头中 子测量装置。

本发明的技术解决方案：一种多层球形聚乙烯慢化体，从内至外由具有若干个内径不同 的球形聚乙烯慢化体层层累加构成，i=1，2，3，4……n，其中第1个球形聚乙烯慢化体的 内径等于球形中子探测器的直径；以后i=2，3，4……n的每个球形聚乙烯慢化体的内径等 于第i-1个球的外径。

所述多层球形聚乙烯慢化体的层能够拆卸更换，因此采用的单个球形中子探测器和一套 电子学线路，可以通过层层累加的方式获得现有的Bonner谱仪多台探测器的数据。

一种单探头中子能谱及注量测量装置，其特征在于包括：多层球形聚乙烯慢化体、球形 中子探测器、核电子学电路和高低压电路和单片机；多层球形聚乙烯慢化体包裹球形中子探 测器，多层球形聚乙烯慢化体对中子进行慢化，使中子慢化后能够易被球形中子探测器所探 测，核电子学电路对球形中子探测器所探测的信号进行放大和n-γ甄别，单片机对信号进行 处理和显示测量结果。

当球形中子探测器外围有m个内径不同的球形聚乙烯慢化体时，所述球形中子探测器的 对不同能量（10^-9-100MeV）中子的注量率灵敏度ε（探测器读数/中子注量率）变化小于10%， m≥1。这时探测器的中子的注量率灵敏度ε可近似为常数，因此注量率灵敏度与中子能量无 关，通过探测器的读数除以注量率灵敏度就能得到中子注量率。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）由于本发明采用的是球形聚乙烯慢化体，因此本发明对中子的响应是基本与方向 无关的，即对任何入射方向的同一能量的中子的响应是相同的。由于本发明采用可以层层累 加的球形聚乙烯慢化体，因此本发明可以采用单个球形中子探测器和一套电子学线路获得现 有的Bonner谱仪多台探测器的数据，在经济性上好于现有的Bonner多球谱仪探测器，并且 Bonner多球谱仪探测器和电子学线路的差异造成的一致性问题可以得到解决。

（2）现有的Bonner谱仪无法直接测量中子注量，本发明单探头中子测量装置除具有现 有的Bonner谱仪功能外，通过叠加球形聚乙烯慢化体使探测器注量率灵敏度对不同能量的 中子基本相同时，根据读数和注量率响应系数直接获得注量信息。

附图说明

图1为本发明的多层球形聚乙烯慢化体及球形中子探测器结构图；

图2为本发明的整体结构图；

图3为从第1层球形聚乙烯慢化体累加到第8层球形聚乙烯慢化体，本发明装置的响应 函数；

图4是根据本法明测量结果，获得的Am-Be中子谱与实际Am-Be谱比较；

图5为本发明的多层球形聚乙烯慢化体累加至第m个含氢材料厚度时，球形中子探测器 的注量率灵敏度与中子能量关系示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的多层球形聚乙烯慢化体从内至外由具有若干个内径不同的球形聚 乙烯慢化体层层累加构成，i=1，2，3，4……n，其中第1个球形聚乙烯慢化的内径等于球 形中子探测器1的直径；以后i=2，3，4……n的每个球形聚乙烯慢化体的内径等于第i-1个 球的外径。

多层球形聚乙烯慢化体包裹球形中子探测器1组成，其特征如下：n个不同厚度的球形 聚乙烯慢化体，其中第i（i>1）个球的内径等于第i-1个球的外径，第1个球的内径等于球 形中子探测器1的直径，球形聚乙烯慢化体可以层层累加（例如将外层球形聚乙烯慢化体2 沿着外径分为对称的两部分，即每一部分为中空半球，两个半球之间的通过卡槽连接），球 形聚乙烯慢化体可拆卸更换（更换时将2个半球之间的通过卡槽连接去除即可）。

如图2所示，单探头中子测量由球形中子探测器a、多层球形聚乙烯慢化体b、核电子 学电路和高低压电路c、单片机及显示部分d组成；多层球形聚乙烯慢化体b包裹球形中子 探测器a，多层球形聚乙烯慢化体b对中子进行慢化，使中子慢化后能够易被球形中子探测 器a所探测，核电子学电路和高低压电路c对球形中子探测器所产生的信号进行放大和中子 信号和光子信号的甄别，即n-γ甄别，单片机及显示部分d对信号进行处理和显示最终结果。

本发明测量过程如下：

（1）将10^-9MeV至10²MeV离散为M个能量群，如60个能群，使用蒙特卡罗程序，如 MCNP，Fluka，Geant4，建立本法明装置的模型，计算当外层球形聚乙烯慢化体累加至第 i个时，球形中子探测器对处于第j个能群中子的响应R_i(E_j)，从R_i(E₁)至R_i(E_M)记为R_i(E)。如 图3，将10^-9MeV至10²MeV离散为60个能群，从第1层球形聚乙烯慢化体累加到第8层球 形聚乙烯慢化体响应函数R₁(E)，R₂(E)，R₃(E)，R₄(E)，R₅(E)，R₆(E)，R₇(E)，R₈(E)。

（2）将本法明置于未知中子场，中子场需在测量期间稳定，如同位素中子源。通过逐 步累加球形聚乙烯慢化体，当外层球形聚乙烯慢化体累加至第i个时，获得读数C_i。

（3）根据如下理论：

$C_i=\underset{j=1}{\overset{M}{\Sigma }}{R}_i\left(E_j\right)*F\left(E_j\right)---\left(1\right)$

其中F(E_j)为中子场中第j个能群的通量。使用最小二乘法、最大熵法、神经网络法解方 程（1），获得M个解，从F(E₁)至F(E_M)，即中子能谱。如图4所示的使用本发明的测量结果， 通过最大熵解谱计算的Am-Be中子谱与实际Am-Be中子谱的比较图，计算结果与实际结果的 较为接近，尤其在高能区较为吻合，说明使用本发明获得数据能够用于中子谱的测量。

（4）当层层累加到第m个球形聚乙烯慢化体时，本发明的其注量率灵敏度ε对不同能量 的中子基本相同，在10个数量级能量范围内变化小于10%，如图5所示。使用中子源刻度 出的注量率灵敏度ε，如中子注量为10/cm²，球形中子探测器读数为2，那么注量率灵敏度 ε为20%。

（5）当层层累加到第m个球形聚乙烯慢化体时的本发明装置放置在未知中子场中，记录 下读数C，C除以注量率灵敏度ε记得到中子通量F。例如当层层累加到第m个球形聚乙烯慢 化体时的本发明装置读数C为0.2，根据步骤（4）所得的注量率灵敏度ε为20%，那么中子 通量F为1/cm²。