一种金刚石半导体反冲质子望远镜

摘要

本申请公开一种金刚石半导体反冲质子望远镜，包括穿透型探测器和全耗尽探测器，其中，所述全耗尽探测器采用金刚石探测器，由于金刚石探测器具有抗辐照能力强的特点，在中子流强较高时，能够具有较好的抗辐照能力；而且对于中子能量较高时，产生的反冲质子能量较高，沉积在金刚石探测器后，能够与本底或其他粒子的能量分离开来，从而能够甄别出反冲质子，从而达到扣除本底的目的，本底扣除更加彻底，进而能够提高测量中子源强的精度。由于本发明提供的金刚石半导体反冲质子望远镜的抗辐照能力更强，可以避免使用屏蔽体对辐照进行屏蔽，从而相对于现有技术中抗辐照能力较差的反冲质子望远镜而言，本发明提供的反冲质子望远镜的结构更加简单。

说明书

技术领域

本发明涉及中子源强度监测技术领域，尤其涉及一种金刚石半导体反冲质子望远镜。

背景技术

通过测量反冲质子数目是测量中子注量率目前采用的最广泛的方法，因为¹H(n，n＇)¹H的截面计算和实验得出的数据已相当准确，反冲质子望远镜方法是1MeV-20MeV甚至更高能中子注入量率测量的主要方法。

现有技术中反冲质子望远镜主要有半导体反冲质子望远镜和CsI闪烁体反冲质子望远镜。CsI闪烁体反冲质子望远镜适用于5MeV以上中子注量率测量，中子流强较高时，需要进行n、γ甄别，辐照损伤严重。半导体反冲质子望远镜一般包括穿透型探测器和全耗尽探测器，具有结构简单的优点，但是目前的半导体反冲质子望远镜主要用于能量较低中子的测量，如能量低于5MeV的中子，用于测量流强较高能量较高(大于5MeV)的中子时，则会遇到很强的中子本底、γ射线本底和电磁干扰，辐照强度高，通常反冲质子望远镜会出现严重的电子学阻塞，或受到强本底干扰，或出现中子辐照损伤，存在抗辐照能力差且扣除本底能力较差的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种金刚石半导体反冲质子望远镜，以解决现有技术中半导体反冲质子望远镜的抗辐照能力差且扣除本底能力较差的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种金刚石半导体反冲质子望远镜，包括：

真空腔室，所述真空腔室的其中一个端面上设置有中子进入口；

位于所述真空腔室内，且沿所述真空腔室设置有中子进入口的端面朝向所述真空腔室内部的方向上依次设置的聚乙烯转换膜、穿透型探测器和全耗尽探测器；

位于所述真空腔室外侧的电子学，所述电子学分别与所述穿透型探测器、所述全耗尽探测器相连；

其中，所述全耗尽探测器为金刚石探测器。

优选地，所述聚乙烯转换膜与所述穿透型探测器和所述全耗尽探测器相互平行设置。

优选地，所述穿透型探测器为一个。

优选地，所述穿透型探测器为两个，包括第一穿透型探测器和第二穿透型探测器，所述第一穿透型探测器和所述第二穿透型探测器相对设置，且位于所述聚乙烯转换膜和全耗尽探测器之间。

优选地，所述穿透型探测器为穿透型硅探测器。

优选地，穿透型硅探测器为金硅面垒半导体探测器。

优选地，所述真空腔室的长度为10cm～30cm，包括端点值。

经由上述的技术方案可知，本发明提供的金刚石半导体反冲质子望远镜包括穿透型探测器和全耗尽探测器，其中，所述全耗尽探测器采用金刚石探测器，由于金刚石探测器具有抗辐照能力强的特点，在中子流强较高时，能够具有较好的抗辐照能力；而且对于中子能量较高(>10MeV)时，产生的反冲质子能量较高，沉积在金刚石探测器后，能够与本底或其他粒子的能量分离开来，从而能够甄别出反冲质子，从而达到扣除本底的目的，本底扣除效果更好，进而能够提高中子源强测量的精度。

进一步地，由于本发明提供的金刚石半导体反冲质子望远镜的抗辐照能力更强，可以避免使用屏蔽体对辐照进行屏蔽，从而相对于现有技术中抗辐照能力较差的反冲质子望远镜而言，本发明提供的金刚石半导体反冲质子望远镜的结构更加简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种金刚石半导体反冲质子望远镜结构示意图；

图2为本发明提供的金刚石半导体反冲质子望远镜应用示意图；

图3为本发明提供的金刚石半导体反冲质子望远镜中电子学的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术中的半导体反冲质子望远镜主要用于能量小于5MeV中子的测量，但用于能量5MeV以上中子的测量时，由于会与Si核反应产生带电粒子，产生很强的本底限制其用于5MeV以上中子的测量。现有技术中采用硅半导体二重符合反冲质子望远镜，测量T(d，n)中子时，穿透型探测器(△E探测器)和全耗尽探测器(E探测器)都采用硅半导体，由于中子在硅半导体探测器中引起Si(n,α)和Si(n，p)等反应对望远镜的系统调试造成严重干扰，且影响中子注量的测量精度，测试结果表明辐照损伤和Si(n,α)本底均很大。

而且，通常情况下均不涉及强流中子场抗辐照能力改善问题，即使涉及，通常给出的主要技术方案为采取屏蔽措施降低半导体探测器辐照损伤和本底干扰，如在硅探测器的前端增加大厚屏蔽体减小辐照降低散射，但这样会造成反冲质子望远镜的结构复杂。

基于此，本发明提供一种用于测量流强较强、能量较高的中子注量，且结构简单、抗辐照能力强、扣除本底能力强的金刚石半导体反冲质子望远镜，如图1所示，所述半导体反冲质子望远镜包括：真空腔室5，真空腔室5的其中一个端面上设置有中子进入口；位于真空腔室5内，且沿真空腔室5设置有中子进入口的端面朝向真空腔室5内部的方向上依次设置的聚乙烯转换膜2、穿透型探测器3和全耗尽探测器4；位于真空腔室5外侧的电子学6，电子学6分别与穿透型探测器3、全耗尽探测器4相连；其中，全耗尽探测器4为金刚石探测器。

本发明实施例中全耗尽探测器4为金刚石探测器，金刚石半导体探测器具有禁带宽度大、抗辐照能力强、对γ不灵敏、时间响应快、性能稳定等优点，由于其抗辐照能力强，因此可以应用于强辐射场中，也即本发明实施例提供的半导体反冲质子望远镜能够适用于强流中子加速器、高能加速器和散裂中子源中子辐射场的源强度监测。

需要说明的是，本发明实施例中对聚乙烯转换膜2、穿透型探测器3和金刚石探测器4的具体位置不做限定，可选的，聚乙烯转换膜2、穿透型探测器3和金刚石探测器4相互平行设置，并且与真空腔室5的中子进入口相互平行设置，当高能中子从外面入射到真空腔室5内时，方便调整聚乙烯转换膜2、穿透型探测器3和金刚石探测器4能够工作在中子入射的0°方向上，也即聚乙烯转换膜2、穿透型探测器3和金刚石探测器4的粒子入射表面与中子入射方向垂直，由于中子入射0°方向上的能量最大，从而可以获得能量最大的反冲质子，使得反冲质子的信号幅度大于中子和金刚石发生的¹²C(n,α)反应α粒子的幅度。

本实施例中对聚乙烯转换膜2也不进行限定，可选的，聚乙烯转换膜2采用高纯度聚乙烯制作形成，且面向入射面1设置，中子从入射面1照射到聚乙烯转换膜上，从而产生反冲质子。

本实施例中对穿透型探测器的具体类型不做限定，只要位于聚乙烯转换膜2的后方，能够使中子照射到聚乙烯转换膜2上产生的反冲质子穿透后，保持一定能量即可，可选的，为使反冲质子通过穿透型探测器3后，保持较高能量，可选的，穿透型探测器3为穿透型硅探测器，更加可选的，可采用金硅面垒半导体探测器，反冲质子穿过时损失较少部分能量。本实施例中所述金硅面垒半导体探测器与聚乙烯转换膜的夹角为0°，便于后续调节与中子入射方向的夹角。

中子从入射面1打在聚乙烯转换膜上2时，中子与聚乙烯转换膜内的氢发生弹性散射产生反冲质子，通过将穿透型探测器3、金刚石探测器4设置在0°方向，反冲质子经穿透型探测器3只损失少量能量，进入全耗尽反冲质子探测器即金刚石探测器4后，沉积所有能量，因此14MeV及更高能量的中子在0°方向反冲质子可以获得12MeV以上能量，该能量产生脉冲幅度可与其它反应及散射、噪声等在金刚石探测器内产生的脉冲幅度分开，如14MeV中子与金刚石探测器直接反应¹²C(n,α)会产生8.3MeV的总沉积能量。

金刚石探测器为全耗尽探测器，金刚石探测器4位于穿透型探测器3后面，将反冲质子的所有能量耗尽在其中，使得反冲质子的能量沉积在金刚石探测器中。

需要说明的是，本发明实施例中提供的金刚石半导体反冲质子望远镜可以是二重符合结构，也可以是三重符合结构，本实施例中对此不做限定，当半导体反冲质子望远镜为二重符合结构时，半导体反冲质子望远镜中包括一个穿透型探测器；当半导体反冲质子望远镜为三重符合结构时，半导体反冲质子望远镜中包括两个穿透型探测器，即第一穿透型探测器和第二穿透型探测器，且所述第一穿透型探测器和所述第二穿透型探测器相对设置，且位于所述聚乙烯转换膜2和全耗尽探测器4之间。当半导体反冲质子望远镜为三重符合结构时，本发明实施例中不限定第一穿透型探测器和第二穿透型探测器的具体类型，第一穿透型探测器和第二穿透型探测器的类型可以相同，均可选为金硅面垒半导体探测器，也可以不相同。

为避免金刚石半导体反冲质子能量在空气中衰减造成能量分辨率变坏，真空腔室5需要保证一定真空，可选地，其真空度保持在几十帕或百帕内均可；更加可选的，真空腔室5内的真空度小于或等于1帕，本实施例中优选的，真空腔室5内的真空度保持在1Pa左右。

需要说明的是，本发明实施例中不限定真空腔室的具体形状，可以是圆筒状，也可以为长方体形状，为减小反冲质子在传输过程中能量损失，真空腔室的长度可选为10cm～30cm，包括端点值。另外，本发明实施例对真空腔室的其他尺寸不做限定。

现有技术中金刚石探测器可以作为JET中子诊断工具，利用快中子与金刚石的相互作用如¹²C(n,α)⁹Be直接测量反应产生的带电粒子，响应相对较低，但现有技术中采用金刚石直接探测¹²C(n,α)反应产生的α粒子，未涉及采用金刚石探测器测量从辐射体中反冲出来的质子。

本申请中的金刚石半导体反冲质子望远镜的具体工作过程，如图2所示，高能中子(>10MeV)从入射面1照射在聚乙烯转换膜2上，产生反冲质子；反冲质子经位于真空腔室5内穿透型探测器3在金刚石探测器4内沉积所有能量；穿透型探测器3和金刚石探测器4的信号输出至电子学6中，经符合后作为多道分析器的门信号，金刚石探测器4的信号输入到电子学6的多道分析器中，通过设置阈值甄别不同粒子和抑制背景。由于不同粒子在金刚石探测器4上的能量沉积不同，进而在多道分析器中产生脉冲高度不同，因此反冲质子能量高于¹²C(n,α)反应α粒子能量和其它散射粒子能量。根据多道分析器采集到的脉冲幅度谱，通过脉冲幅度甄别技术设置阈值可将反冲质子和α粒子及其它本底粒子进行甄别开，从而达到抑制背景散射及其他本底的目的。

本实施例中电子学6的结构如图3所示，包括：与穿透型探测器3相连的穿透型探测器高压电源31和前置放大器32；前置放大器32与主放大器33连接；与金刚石探测器4相连的金刚石探测器高压电源41和前置放大器42；前置放大器42与主放大器43连接；穿透型探测器的主放大器33和金刚石探测器的主放大器43分别与符合器344相连，通过将穿透型探测器3和金刚石探测器4的输出信号进行符合后，符合后的信号作为多道分析器347的门345的信号，多道分析器347采集到的金刚石探测器4输出信号幅度谱，采用脉冲幅度甄别的方式，在多道幅度谱上设置阈值卡掉中子和金刚石探测器的反应本底及其它散射本底信号，根据不同粒子能量沉积大小通过设置阈值甄别不同粒子采用脉冲幅度甄别的方式扣除本底和抑制背景散射，从而将反冲质子从¹²C(n，α)反应α粒子和从其他粒子中甄别出来。

本实施例中不限定电子学中各结构的具体仪器的型号，可选的，主放大器采用572A放大器；金刚石探测器4的前置放大器为CX-L型号；穿透型硅探测器3的前置放大器为142IH型号。

综上所述，本发明实施例提供的金刚石半导体反冲质子望远镜至少包括以下优点：

1.金刚石探测器抗辐照能力强，可以用于强流中子源、高能加速器及散裂中子源的中子辐射场的源强测量中。

2.由于聚乙烯转换膜、穿透型探测器和金刚石探测器相对设置，能够方便调整与中子入射方向垂直，获取中子入射方向为0°的能量最大的中子，使得出射反冲质子有较高的能量。

3.穿透型探测器和金刚石探测器采用二重符合的方式，接收从0°方向出射的反冲质子，从而可抑制其它方向的散射本底。

4.电子学包括高压电源、前置放大器、主放大器、符合电路和多道分析器，给穿透型探测器和金刚石探测器分别加高压，输出电荷信号各经过一个前置放大器转换为适合线缆传输的电压信号，并经主放大器进一步放大成形。这两路信号经符合电路后，在时间上完全重合的信号被记录下来，多道分析器将不同幅度的电压信号分入各道，该电子学可用于不同能量粒子甄别，可分辨出反冲质子和¹²C(n,α)反应产生的α粒子本底。

5.电子学中多道分析器可通过改变甄别阈测得幅度较大脉冲卡掉中子反应产生的本底。

本发明提供的金刚石半导体反冲质子望远镜的全耗尽探测器采用耐辐照的金刚石探测器，利用反冲质子能量沉积产生输出幅度大于¹²C(n,α)反应幅度的脉冲信号，从而采用脉冲幅度甄别技术抑制本底，有效解决了传统硅半导体反冲质子望远镜测量中子能量在5MeV以上时硅本底严重和在强流中子源、高能加速器及散裂中子源中子辐射场环境中容易导致辐照损伤的问题。

由于本发明提供的金刚石半导体反冲质子望远镜的抗辐照能力更强，可以避免使用屏蔽体对辐照进行屏蔽，从而相对于现有技术中抗辐照能力较差的反冲质子望远镜而言，本发明提供的反冲质子望远镜的结构更加简单。

另外，本发明提供的金刚石半导体反冲质子望远镜中，中子反应本底可通过脉冲幅度甄别分辨开，对γ不灵敏，可实现n/γ甄别，散射影响小，时间响应快，性能稳定，适用于强流中子加速器、高能加速器和散裂中子源中子辐射场的源强度监测。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。