闪烁体阵列结构及应用该闪烁体阵列结构的中子探测器

摘要

本发明公开了一种闪烁体阵列结构及应用该闪烁体阵列结构的中子探测器，该闪烁体阵列结构包括多层闪烁体层，所述多层闪烁体层相互堆叠形成所述闪烁体阵列结构，其中所述多层闪烁体层中至少包括两层厚度不同的闪烁体层。本发明的闪烁体阵列由多层闪烁体层堆叠形成，并且其中具有厚度互不相同的闪烁体层，如此可以适于探测不同中子能谱，有效地增加中子能谱的探测范围。

说明书

技术领域

本发明涉及一种闪烁体阵列结构及包括该闪烁体阵列结构的探测器，尤指 一种梯度堆叠而成的闪烁体阵列结构及包括该闪烁体阵列结构的中子探测器。

背景技术

中子能谱测量尤其是快中子能谱测量具有重要意义。其中一个重要的方面 是对反应堆的监控，从而掌握反应堆的运行情况；而另一个常用的领域为太阳 中子及宇宙线探测，从而研究太阳活动的特点及规律，同时对航天安全具有重 要意义。传统所采用的测量方法是利用He-3管等充气正比探测器进行测量， 但这种探测器体积庞大，测量能量较低，而且粒子反应是离散化的。一种新兴 的测量方法是利用闪烁体所组成的固体探测器进行测量，可以用来测量能量较 高的中子连续能谱。

闪烁体探测器利用中子与物质的相互作用进行测量。典型地，对于含氢丰 富的塑料闪烁体，所利用的主要为中子与质子(即氢核)的碰撞相互作用。对 于弹性碰撞事例，入射中子能量、反冲质子能量、反冲质子与入射中子方 向的夹角满足

$E_n=\frac{{(m_p+m_n)}^2}{4m_p{m}_n{\cos }^2\theta }{E}_p\approx E_p/{\cos }^2\theta$

其中m_p、m_n分别为质子与中子的质量。

然而，不同能量的反冲质子在塑料闪烁体中的穿透深度差异很大，使得基 于这一原理的中子探测器无法适应不同能谱范围的中子探测。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种能够有效地 增加待测中子能谱探测范围的闪烁体阵列结构。

本发明的另一目的在于提供一种中子能谱测量范围广的中子探测器。

为实现上述目的，本发明的闪烁体阵列结构，包括多层闪烁体层，所述多 层闪烁体层相互堆叠形成所述闪烁体阵列结构，其中所述多层闪烁体层中至少 包括两层厚度不同的闪烁体层。

进一步，所述多层闪烁体层中包括多层第一厚度的第一闪烁体层和多层第 二厚度的第二闪烁体层；所述多层第一厚度的第一闪烁体层由下至上顺序排 列，所述多层第二厚度的第二闪烁体层由下至上顺序排列，并且所述多层第二 厚度的第二闪烁体层堆叠于所述多层第一厚度的第一闪烁体层的上方。

进一步，所述第二厚度大于所述第一厚度。

进一步，所述闪烁体层包括多条闪烁光纤，所述多条闪烁光纤沿一方向排 列结合形成所述闪烁体层。

进一步，每层闪烁体层中的闪烁光纤的尺寸相同。

进一步，相邻两层的所述闪烁体层中的闪烁光纤之间呈一角度排列。

进一步，相邻两层的所述闪烁体层中的闪烁光纤之间排列方向彼此正交。

进一步，所述多层闪烁体层中的至少部分闪烁体层之间具有一定间隙，并 且所述间隙大小相同或不同。

进一步，所述闪烁体层的厚度沿堆叠方向递减。

本发明的中子探测器，包括：

上述闪烁体阵列结构；

光传输单元，用于传送所述闪烁体阵列输出的光信号；

光电转换单元，用于将所述光传输单元传送来的光信号转换为电信号；

信号读出单元，用于将所述电信号经过处理得到可识别的数字信号；

数据处理单元，用于对所述数字信号进行处理，得到入射中子的信息。

本发明的闪烁体阵列由多层闪烁体层堆叠形成，并且其中包括厚度互不相 同的闪烁体层，如此可以适于探测不同中子能谱，有效地增加中子能谱的探测 范围。

为了能更进一步了解本发明为达成预定目的所采取的技术、手段及功效， 请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点， 当可由此得一深入且具体的了解，然而所附图式仅提供参考与说明用，并非用 来对本发明加以限制。

附图说明

图1为本发明的一实施例的闪烁体阵列结构的示意图；

图2为本发明的一实施例的中子探测器结构框图；

图3为本发明的一实施例的闪烁体阵列结构的探测低能谱、高能谱中子的 示意图；

图4为本发明的一实施例的闪烁体阵列结构探测中子于三维方向径迹的 示意图。

具体实施方式

有关本发明的技术内容及详细说明，配合图式说明如下：

如图1为本发明的一实施例的闪烁体阵列结构的示意图。本发明的闪烁体 阵列结构1主要是应用于中子探测器中，包括多层闪烁体层11，所述多层闪 烁体层11相互堆叠形成所述闪烁体阵列结构1，其中所述多层闪烁体层11中 包括三层厚度不同的闪烁体层111、112、113。本实施方式中以三层厚度不同 的闪烁体层为例进行说明，但本发明并不局限于此，其可以根据实际情况做任 意改变，但多层闪烁体层11中至少包括两层厚度不同的闪烁体层。

本实施例中闪烁体阵列结构1中闪烁体层的层数为16层，然而闪烁体层 的层数并不以此为限，可以根据需要另做调整变换。闪烁体层11中包括三种 厚度的闪烁体层，即第一闪烁体层111、第二闪烁体层112和第三闪烁体层113， 其中第一闪烁体层111的厚度最小、第二闪烁体层的厚度居中、第三闪烁体层 的厚度最大。第一闪烁体层111适于探测能谱较小的中子，第三闪烁体层113 适于探测能谱较大的中子，第二闪烁体层112适于探测相较于第一闪烁体层 111和第三闪烁体层113能谱之间的中子。本实施例中是以三种厚度不同的闪 烁体层111、112、113为例进行说明，然而闪烁体阵列结构中的闪烁体层厚度 并不以此为限制，例如可以选择闪烁体层阵列包括两种厚度的闪烁体层，或选 择闪烁体层阵列包括三种以上厚度的闪烁体层。此外，本实施例以第一闪烁体 层111为四层、第二闪烁体层112为四层、第三闪烁体层113为八层，并且相 同厚度的闪烁体层自下而上连续排列。然而，不同厚度闪烁体层的层数以及各 闪烁体层之间的排列方式并不局限于此，其可根据实际应用情况进行任意改 变。

本实施例的闪烁体阵列结构是由厚度不同的闪烁体层堆叠形成，根据闪烁 体层的厚度不同适于探测多种能谱范围的中子，同时将多层闪烁体层堆叠起来 更可以形成任意厚度的闪烁体阵列，有效地增加中子能谱的探测范围。

在一实施例中，闪烁体层包括多条闪烁光纤1111，所述多条闪烁光纤1111 沿横向方向排列结合形成第一闪烁体层111。其中，闪烁光纤1111材料上采 用闪烁体材料制成光纤状，并且多条闪烁光纤1111的尺寸相同，均采用同一 宽度、同一厚度的闪烁光纤结合形成闪烁体层1111。以上以第一闪烁体层111 为例进行说明，第二闪烁体层112、第三闪烁体层113中的闪烁光纤1121、1131 与上述闪烁光纤1111的排列方式类似，在此不再赘述。

在一实施例中，两相邻闪烁体层111中的闪烁光纤1111、1112呈90度排 列。然而，该闪烁光纤1111、1112之间的角度并不局限于90度，可以为除0 以外的任意角度。如图4所示，P为反冲质子的一条空间径迹，在xz，yz平 面上各有一条投影径迹，对应该平面上的塑料闪烁体光纤发光。因此，通过将 相邻层的闪烁光纤呈一角度排列，可以探测各个方向的散射质子。

此外，上述实施例中的每层闪烁体层之间可以具有一定间隙，以改善系统 的角分辨率以及能量分辨率。并且如图1所示，闪烁体层的厚度可以沿堆叠方 向递减，即在底层设置厚度较厚的闪烁体层，在顶层设置厚度较薄的闪烁体层。 并且各闪烁体层的厚度还可以沿堆叠方向逐层递减。如图3所示，为本发明闪 烁体阵列结构探测低能谱、高能谱中子的示意图。在某一投影平面上，P1、P2、 P3为反冲质子的径迹，图中带有剖面线的像素点为质子经过的像素点，会产 生闪烁光从而留下径迹信息。在同一散射角的情况下，反冲质子能量与入射中 子能量成正比，且能量越低的质子其穿透径迹越短，相应的需要越细的光纤来 判断径迹，而粗的光纤则主要用来测量能量高的反冲质子径迹，以减小探测器 的整体规模。P1、P2为入射能量较小的中子所产生的反冲质子径迹，相应的 为了保证能够有效探测到其反冲质子径迹，选择在上层设置多层厚度较薄的闪 烁体层来进行探测。P3为入射能量较大的中子所产生的反冲质子径迹，相应 的为了保证能够有效探测到其反冲质子径迹，选择设置多层厚度较厚的闪烁体 层来进行探测。P4为一个未能探测的事例，由于其未能穿透足够多的闪烁体 层，无法判断出径迹。因此，闪烁体层的厚度设置层数以及排列顺序与待测中 子能谱能量相关，通常于临近待测物体侧，即在闪烁体阵列结构的最上方设置 厚度最薄的闪烁体层，并自上而下逐渐过渡到厚度最厚的闪烁体层。其中，反 冲质子穿透至少两层闪烁体层，方可以测量反冲质子的径迹。

如图2为本发明的一实施例的中子探测器结构框图。本发明的中子探测器 2，包括外壳21，外壳21中设置上述图1中的闪烁体阵列结构1、光传输单元 22、光电转换单元23、信号读出单元24、数据处理单元25。其外壳21的材 质为铝，形状为正方体，大小为8cm*8cm*8cm，其中外壳厚度2mm。然而， 本发明中子探测器的外壳材质、形状以及尺寸并不局限于此。

其中，光传输单元21，用于传送所述闪烁体阵列输出的光信号，可以采 用光导耦合出光信号，之后采用光纤进行传输。

光电转换单元22，用于将所述光传输单元传送来的光信号转换为电信号 以进行后续处理。所选用的光电转换器件可以为光电倍增管、硅光电倍增管或 者电荷耦合元件(CCD)等，只要所组成的光电转换单元具备空间分辨能力。 光传输单元与光电转换单元的连接可以为一路传输信号对应光电转换单元的 一个像素点，也可以根据实际情况采用一对多、多对一、多对多的分配方式。

信号读出单元，用于将所述电信号经过处理得到可识别的数字信号。

数据处理单元，用于对所述数字信号进行处理，得到入射中子的信息。

以上具体地示出和描述了本发明的示例性实施方式。应该理解，本发明不 限于所公开的实施方式，相反，本发明意图涵盖包含在所附权利要求范围内的 各种修改和等效置换。