一种中子能谱测量装置及其测量方法

摘要

本发明公开了一种中子能谱测量装置及其测量方法，该中子能谱测量装置的中子‑伽马射线信息转换装置包括同心球体结构的热中子俘获材料、快中子慢化体、快中子非弹性散射材料和高能中子倍增材料，中心伽马探测器设置于同心球体中心处，多层热中子俘获材料、单层快中子慢化体、多层快中子非弹性散射材料和单层高能中子倍增材料由内至外依次包设在中心伽马探测器外部，数据采集处理系统电性连接中心伽马探测器。本发明通过中心伽马探测器探测中子与中子反应截面不同的各种核素反应产生的瞬发伽马射线，并通过数据采集处理系统及利用特征伽马射线的能量和强度及各种核素材料信息反推出中子能谱，有效提高系统探测效率，实现宽能区中子能谱的在线测量。

说明书

技术领域

本发明属于辐射探测技术领域，具体涉及一种中子能谱测量装置及其测量方法。

背景技术

中子能谱测量是中子物理学中一项基础性研究，对核物理研究工作具有很大的意义。传统的常用中子能谱测量方法的测量结果精度普遍不高并且都各自有其局限性，如活化片测量法，其成本较低，具有极好的n/γ甄别能力，但测量结果大都存在依赖初始谱、能量分辨率不高等弊端。基于塑料闪烁体或液体闪烁体的测量方法，其使用方便，但须解决n/γ甄别及准确响应函数获取的问题。常用的气体探测器的发展亦受到原材料短缺等问题的制约。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种中子能谱测量装置及其测量方法，该中子能谱测量装置通过与不带电的中子发生中子倍增反应、非弹性散射反应和俘获反应放出伽马射线，对伽马射线解谱分析即可获得中子能谱信息，当中子能谱测量装置的结构和元素含量确定时，中子能谱测量装置发射的伽马射线的能量和强度只与入射中子的能谱相关。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：一种中子能谱测量装置，包括中子-伽马射线信息转换装置、中心伽马探测器和数据采集处理系统，中子-伽马射线信息转换装置包括同心球体结构的热中子俘获材料、快中子慢化体、快中子非弹性散射材料和高能中子倍增材料，中心伽马探测器设置于同心球体的中心处，多层热中子俘获材料、单层快中子慢化体、多层快中子非弹性散射材料和单层高能中子倍增材料由内至外依次包设在中心伽马探测器外部，数据采集处理系统电性连接中心伽马探测器。

进一步地，所述中心伽马探测器为溴化镧探测器或BGO锗酸铋探测器或NaI碘化钠探测器或高纯锗探测器。

进一步地，所述热中子俘获材料设有2～5层，各层热中子俘获材料由内至外同心包覆于中心伽马探测器外部，且各层热中子俘获材料的取材不同。

进一步地，所述热中子俘获材料为含镉聚乙烯或含硼聚乙烯或碳化硼或氧化钆或氯化钠。

进一步地，所述快中子慢化体同心包覆于最外层热中子俘获材料外部，且快中子慢化体为富氢材料。

进一步地，所述快中子慢化体为聚乙烯、有机玻璃中的一种。

进一步地，所述快中子非弹性散射材料设有2～4层，各层快中子非弹性散射材料由内至外同心包覆于快中子慢化体外部，且各层快中子非弹性散射材料取材不同。

进一步地，所述快中子非弹性散射材料为有机玻璃或含铁有机玻璃或含铅有机玻璃或含铝有机玻璃。

进一步地，所述高能中子倍增材料同心包覆于最外层快中子非弹性散射材料外部，且位于同心球体结构的中子-伽马射线信息转换装置最外层，所述高能中子倍增材料为铅、钨、铜中的一种。

进一步地，所述数据采集处理系统为包括前置放大器、放大器、多道分析器等器件组成的信号分析器，其中前置放大器、放大器、多道分析器分别用于滤波整形、信号放大和幅度分析。

本发明还提供了上述中子能谱测量装置的测量方法，包括以下步骤：

S1、将中子能谱测量装置置于快中子与高能中子的混合中子场中，中子从某个方向入射中心伽马探测器，其中，快中子与最外层的快中子非弹性散射材料发生非弹性散射反应产生瞬发特征伽马射线，并且反应阈值不同，实现快中子能量的区分，中心伽马探测器测量所述瞬发特征伽马射线；

S2、混合中子场中高能中子与高能中子倍增材料发生倍增反应，产生能量为1~6MeV的快中子；

S3、步骤S2中产生的快中子进一步与快中子非弹性散射材料发生非弹性散射反应产生瞬发特征伽马射线，以实现高能中子响应；

S4、混合中子场中快中子以及高能中子倍增反应产生的快中子经快中子慢化体慢化为热中子；

S5、混合中子场中的热中子以及快中子慢化而来的热中子进一步与热中子俘获材料发生俘获反应，产生瞬发特征伽马射线，中心伽马探测器测量所述瞬发特征伽马射线；

S6、中心伽马探测器将探测的瞬发特征伽马射线传输至数据采集处理系统，并通过数据采集和处理得到伽马射线能谱，则利用特征伽马射线的能量和强度及各种核素材料信息反推出待测中子场的能谱信息。

本发明具有以下有益效果：

1）与传统的中子测量方法中复杂的利用脉冲幅度或者脉冲形状进行n/γ甄别不同，本发明可通过伽马能谱的有效核信息提取方法来为n/γ甄别难题提供新的解决途径；

2）简化测量过程：与活化片法，Bonner球谱仪中需要测量不同活化片活度或不同Bonner球的计数相比，测量过程复杂；本中子能谱测量装置在测量过程中，在单次测量过程中可同时获得全部选取的核素的特征峰信息，从而简化中子能谱测量过程，提高探测效率；

3）宽能量响应范围及较好的能量分辨率：本中子能谱测量装置包括同心球体结构的中子-伽马射线信息转换装置，中心伽马探测器位于同心球体结构的中子-伽马射线信息转换装置中心处，中子-伽马射线信息转换装置包括多种具有不同反应阈值的快中子非弹性散射材料、多种可与高能中子发生倍增反应的高能中子倍增材料、多种具有较高热中子俘获截面的热中子俘获材料以及具有较好快中子慢化材料的快中子慢化体，该中子能谱测量装置中的核素的选取决定了其可与很宽能量范围内的中子进行反应，入射的高能中子首先与高能中子倍增材料发生倍增反应，产生能量为几MeV的快中子来进一步与该测量装置进行反应，实现该材料对高能中子响应；快中子非弹性散射材料与快中子发生非弹性散射反应，产生特征伽马射线，之后快中子经过快中子慢化体慢化为热中子，热中子进一步与热中子俘获材料的核素发生反应而放出更多特征伽马射线，利用中心伽马探测器对伽马能谱进行测量并解谱，由于该检测装置（中子-伽马射线信息转换装置及中心伽马探测器整体）呈球形，其不受中子入射方向影响（中心伽马探测器对不同方向入射的中子具有响应一致性），不同能量的中子入射时中子能谱测量装置放出的伽马射线的差异大，中子与伽马射线转换效率高，通过数据采集处理系统进行数据采集和处理得到伽马射线能谱，则利用特征伽马射线的能量和强度及各种核素材料信息反推出待测中子场的能谱信息，有效提高系统探测效率，实现能量响应范围涵盖热中子区直到百兆电子伏的宽能区中子能谱的在线测量，为中子能谱测量提供全新而有效的解决方案，在中子通量和能谱测量中有着广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的半剖面示意图；

图2为中心伽马探测器对不同能量中子的响应函数图。

其中的附图标记为：中心伽马探测器1、数据采集处理系统2、热中子俘获材料3、内层热中子俘获材料3-1、外层热中子俘获材料3-2、快中子慢化体4、快中子非弹性散射材料5、内层快中子非弹性散射材料5-1、外层快中子非弹性散射材料5-2、高能中子倍增材料6。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

本发明的设计理念：不同能量的中子与核素的反应截面不同，同时非弹性散射反应具有能量阈值，当材料确定时，探测器测得的伽马射线种类与强度与中子场的相关；针对不同的应用领域（中子场）选取合适的指示性核素用来反映中子能量信息（如：利用Cl、B等元素反映热中子信息、Pb、C等元素反映快中子信息等），同时通过材料的结构设计，使不同的元素在样品不同位置分布。通过样品本身对入射中子进行慢化以及（n, xn）等倍增反应以扩大该装置的能量响应区间，同时使得与不同的指示性核素反应的中子能量不同，增大响应差异性以提高对入射中子的能量分辨率。

本发明提供了一种中子能谱测量装置，包括中子-伽马射线信息转换装置、中心伽马探测器1和数据采集处理系统2，中子-伽马射线信息转换装置包括同心球体结构的热中子俘获材料3、快中子慢化体4、快中子非弹性散射材料5和高能中子倍增材料6，中心伽马探测器1为溴化镧探测器或BGO探测器或NaI探测器或高纯锗探测器，且中心伽马探测器1设置于同心球体的中心处，热中子俘获材料3设有2～5层，各层热中子俘获材料3由内至外同心包覆于中心伽马探测器1外部，且各层热中子俘获材料3的取材不同，热中子俘获材料3为含镉聚乙烯或含硼聚乙烯或碳化硼或氧化钆或氯化钠，单层快中子慢化体4同心包覆于最外层热中子俘获材料3外部，且快中子慢化体4为富氢材料，快中子非弹性散射材料5设有2～4层，各层快中子非弹性散射材料5由内至外同心包覆于快中子慢化体4外部，且各层快中子非弹性散射材料5取材不同，快中子非弹性散射材料5为有机玻璃或含铁有机玻璃或含铅有机玻璃或含铝有机玻璃，单层高能中子倍增材料6同心包覆于最外层快中子非弹性散射材料5外部，且位于同心球体结构的中子-伽马射线信息转换装置最外层，高能中子倍增材料6为铅、钨、铜中的一种，数据采集处理系统2电性连接中心伽马探测器1。

优选地，快中子慢化体4为聚乙烯或有机玻璃。

实施例1

如图1所示，本发明的一种中子能谱测量装置，包括中子-伽马射线信息转换装置、中心伽马探测器1和数据采集处理系统2，中子-伽马射线信息转换装置包括同心球体结构的热中子俘获材料3、快中子慢化体4、快中子非弹性散射材料5和高能中子倍增材料6，中心伽马探测器1选用溴化镧探测器，设置于同心球体的中心处，热中子俘获材料3设有两层，内层热中子俘获材料3-1为含硼聚乙烯，外层热中子俘获材料3-2为氯化钠，内层热中子俘获材料3-1包覆于中心伽马探测器1外部，外层热中子俘获材料3-2包覆于内层热中子俘获材料3-1外部，快中子慢化体4选择聚乙烯，单层快中子慢化体4同心包覆于外层热中子俘获材料3-2外部，快中子非弹性散射材料5为两层，内层快中子非弹性散射材料5-1为含碳和氧的有机玻璃，外层快中子非弹性散射材料5-2为含铁有机玻璃，内层快中子非弹性散射材料5-1同心包覆于快中子慢化材料4外部，高能中子倍增材料6选用铅，单层高能中子倍增材料6同心包覆于外层快中子非弹性散射材料5-2外部，且位于同心球体结构的中子-伽马射线信息转换装置最外层，数据采集处理系统2为前置放大器、放大器、多道分析器等器件组成的信号分析器，与中心伽马探测器1连接，对瞬发特征伽马射线进行滤波整形、信号放大和幅度分析，最终获取中心伽马探测器1测量到的伽马射线能谱。

本实施例的中子能谱测量装置的测量方法，包括以下步骤：

S1、将中子能谱测量装置置于快中子与高能中子的混合中子场中，中子从某个方向入射中心伽马探测器1，其中，快中子与快中子非弹性散射材料5中的铁、碳、氧等元素发生非弹性散射反应，产生能量不同的瞬发特征伽马射线，中心伽马探测器1测量这些瞬发特征伽马射线；

S2、对于混合中子场中的高能中子，其与上述核素的非弹性散射和俘获反应截面都很小，这些高能中子与高能中子倍增材料6中的铅发生倍增反应，产生能量为1~6MeV的快中子；

S3、步骤S2中产生的快中子进一步与快中子非弹性散射材料5发生非弹性散射反应产生瞬发特征伽马射线，中心伽马探测器1测量该瞬发特征伽马射线，以实现高能中子响应；

S4、混合中子场中快中子以及高能中子倍增反应产生的快中子经快中子慢化体4慢化为热中子；

S5、混合中子场中的热中子以及快中子慢化而来的热中子进一步与热中子俘获材料3中的硼及镉元素发生俘获反应，释放更多瞬发特征伽马射线，中心伽马探测器1测量这些瞬发特征伽马射线

S6、中心伽马探测器1将探测的瞬发特征伽马射线传输至数据采集处理系统2，并通过数据采集和处理得到伽马射线能谱，则利用特征伽马射线的能量和强度及各种核素材料信息反推出待测中子场的能谱信息。

本多伽马射线能谱探测器主要利用热中子与核素发生的俘获反应和快中子与核素发生的非弹性散射反应来获取瞬发特征伽马射线，通过伽马射线进一步反推可获得入射中子的信息如入射中子的数目和能量分布，同时在本同心球体结构的多伽马射线能谱探测器中，由于该装置呈球形（中子-伽马射线信息转换装置及中心处中心伽马探测器整体），中心伽马探测器1的响应基本与入射中子方向无关，即对不同方向入射的中子具有响应一致性，有效提高了系统探测效率，实现宽能区中子能谱的在线测量。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。