專利名稱：基于聚乙烯組合式氣體閃爍體的中子探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于低強度脈沖中子/伽馬混合輻射場中測量中子注量率的探測器，特別涉及一種利用中子與聚乙烯、4He氣反應(yīng)產(chǎn)生的反沖質(zhì)子、反沖4He核激發(fā)4He氣體發(fā)光的原理以實現(xiàn)對快中子探測的探測器。
背景技術(shù)：
低強度中子/伽馬混合輻射場具有如下特點中子強度低，中子能量分布范圍廣，伽馬射線的輻射強度與中子強度在同一水平。低強度中子/伽馬混合輻射場包括裂變反應(yīng) 堆、Am-Be中子源、252Cf中子源，等等。因此，在這種輻射場中測量快中子注量是比較困難的問題，為了在中子/伽馬混合輻射場中能較為準確的測量中子注量，要求中子探測器對快中子的能量響應(yīng)平坦，及有較高的快中子/伽馬分辨能力。而目前在這種輻射場中測量中子的探測器并不完全具備這些要求。例如常用閃爍薄膜探測器、閃爍纖維探測器都是利用中子在閃爍體中產(chǎn)生的反沖質(zhì)子激發(fā)閃爍體發(fā)光的原理來探測中子。然而由于電子在薄膜和纖維的發(fā)光效率比質(zhì)子高，中子的能量沉積只依賴1H的中子散射截面，所以閃爍薄膜探測器和閃爍纖維探測器的中子/伽馬分辨能力不高，很難大于10倍，并且它們對快中子的能量響應(yīng)也不是很平坦。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在低強度中子/伽馬混合輻射場中能較好的測量中子注量的基于聚乙烯組合式氣體閃爍體的中子探測器。該探測器對I 15MeV中子的能量響應(yīng)非常平坦，且快中子/伽馬分辨能力較高。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種基于聚乙烯組合式氣體閃爍體的中子探測器，其特殊之處在于包括筒體I、密封設(shè)置在筒體I前端面的入射窗2、密封設(shè)置在筒體I后端面的出射窗3、依次設(shè)置在入射窗2內(nèi)側(cè)的第一轉(zhuǎn)換靶4和第二轉(zhuǎn)換靶5、設(shè)置在筒體I側(cè)面的石英窗6、設(shè)置在石英窗6外的光電探測器7、用于聯(lián)接光電探測器7與筒體I的套筒8、與筒體I相連通的充氣裝置9、充于筒體I內(nèi)部的閃爍氣體10 ;所述閃爍氣體10采用4He氣；所述第一轉(zhuǎn)換靶4的材料為聚乙烯，所述第二轉(zhuǎn)換靶5的材料為聚四氟乙烯、Al、Be或石墨。還包括用于將第一轉(zhuǎn)換靶4和第二轉(zhuǎn)換靶5固定在入射窗2上的壓環(huán)11。上述筒體I的內(nèi)部腔室形狀為圓柱形或者長方形。上述充氣裝置9包括設(shè)置在主筒側(cè)面的充氣口 91以及與充氣口相連的三通92。上述光電探測器7設(shè)置在套筒8內(nèi)，所述套筒8用螺絲固定在石英窗6上。本發(fā)明采用光電探測器探測中子與聚乙烯、4He原子核反應(yīng)產(chǎn)生的帶電粒子激發(fā)氣體發(fā)光來實現(xiàn)對中子的測量，其具有如下優(yōu)點I、本發(fā)明對快中子能量響應(yīng)平坦。本發(fā)明所采用的聚乙烯、4He氣與中子的作用截面具有互補性，且在聚乙烯后面覆上一層聚四氟乙烯(或Al、或Be、或石墨)能夠吸收低能中子在聚乙烯產(chǎn)生的反沖質(zhì)子，并降低快中子在聚乙烯產(chǎn)生的反沖質(zhì)子能量，使反沖質(zhì)子在氣體中的能量沉積與反沖4He核在氣體中的能量沉積能夠互補，從而使本探測器具有平坦的快中子能譜響應(yīng)，便于準確測量能譜變化大的快中子注量率。2、本發(fā)明對能量低的中子具有卡閾作用。本發(fā)明所采用的4He氣與低能中子作用截面小，且在聚乙烯后面覆上一層聚四氟乙烯(或Al、或Be、或石墨)能夠吸收低能中子在聚乙烯產(chǎn)生的反沖質(zhì)子，從而極大的降低了低能中子在氣體中的能量沉積。計算結(jié)果表明，0. 5MeV以下的中子在4He氣體中的能量沉積比I 15MeV中子要小十倍以上。3、本發(fā)明的時間響應(yīng)較快，約幾十ns。本發(fā)明4He氣體發(fā)光時間很快，在幾十納秒之內(nèi)，這決定了本探測器具有較快的時間響應(yīng)。4、本發(fā)明具有較高的快中子/伽馬分辨能力。由于4He氣體發(fā)光效率只與能量沉積有關(guān)，與粒子種類無關(guān)，且對電子的阻止本領(lǐng)比對質(zhì)子、a粒子小得多，因而本發(fā)明可以實現(xiàn)較高的快中子/伽馬分辨能力，理論計算表明，探測器對I 15MeV中子/伽馬分辨能力可達到10倍。 5、本發(fā)明具有較高的快中子靈敏度。由于反沖質(zhì)子、a粒子的能量高，在4He氣體中的能量沉積較大，且采用光電倍增管，因而本發(fā)明可以實現(xiàn)較高的中子靈敏度，能達到
1 a_15o — 2
10 C cm o6、本發(fā)明采用的將具有不同中子截面的聚乙烯、4He氣組合在一起探測中子的思想，可用于設(shè)計探測其他射線的探測器。


圖I是探測器的結(jié)構(gòu)示意圖；其中1_筒體，2-入射窗，3-出射窗，4-第一轉(zhuǎn)換靶，5-第二轉(zhuǎn)換靶，6-石英窗，7-光電探測器，8-套筒，9-充氣裝置，91-充氣口，92-三通，IO-4He閃爍體，11_壓環(huán)。圖2是采用蒙特卡洛方法模擬計算的不同能量中子與聚乙烯、4He氣發(fā)生彈性散射產(chǎn)生反沖質(zhì)子、反沖氦核(即a粒子)在4He氣中的能量沉積，從圖上可知，這兩種帶電粒子在氣體中的能量沉積能夠互補。圖3是不同能量中子在探測器中的能量沉積，將反沖質(zhì)子、反沖氦核(即a粒子)在4He氣中的能量沉積相加即可得到該結(jié)果，從圖上可知，I 15MeV中子的能量沉積非常平坦。圖4是該探測器的中子靈敏度計算結(jié)果，這是采用增益為5. 7X IO5的光電倍增管得到的。從圖上可知，探測器對I 15MeV中子的能量響應(yīng)非常平坦，中子靈敏度約為
4.OXlO-15C cm2 ;探測器對0. 5MeV以下中子的靈敏度比I 15MeV中子的靈敏度小十倍以上。圖5是采用MCNP程序模擬計算的伽馬射線在探測器中的能量沉積。圖6是該探測器的伽馬靈敏度計算結(jié)果，這是采用增益為5. 7X IO5的光電倍增管得到的。從圖上可知，探測器的靈敏度隨伽馬能量的增加而增大。其中，探測器對1.25MeV伽馬的靈敏度約為3. 59X KT16C cm2。圖7是該探測器的n/ y ,25分辨本領(lǐng)計算結(jié)果。從圖上可知，探測器對I 15MeV中子的n/ y 125分辨約在10倍以上。
具體實施例方式如圖I所示，本發(fā)明基于聚乙烯組合式氣體閃爍體的中子探測器，包括筒體I、密封設(shè)置在筒體I前端面的入射窗2、密封設(shè)置在筒體I后端面的出射窗3、固定在入射窗2上的第一轉(zhuǎn)換靶4和第二轉(zhuǎn)換靶5、設(shè)置在筒體I 一側(cè)石英窗6、固定在石英窗6上的套筒
8、安裝在套筒8內(nèi)的光電探測器7、與筒體I相連通的充氣裝置9、充于筒體內(nèi)部的4He閃爍氣體10、壓緊第一轉(zhuǎn)換靶4和第二轉(zhuǎn)換靶5的壓環(huán)11 ;筒體I前后端的入射窗2和出射窗3為0. 4mm厚的鈦合金板；閃爍氣體10采用4He氣體,氣壓為Iatm ;第一轉(zhuǎn)換祀4采用聚乙烯材料，厚度為2mm，第二轉(zhuǎn)換靶5采用聚四氟乙烯、Al、Be或石墨，厚度為0. 2mm ;筒體I采用不銹鋼制成，外形尺寸為長為69mm、寬為89mm、高為89mm的長方體，內(nèi)部空腔尺寸為直徑O 80mm、高60mm的圓柱體或者長為60mm、寬為80mm、高為80mm的長方體，內(nèi)部空腔尺寸既能保證光電探測器件盡可能的靠近靶室中線，以提高光收集效率，又能確保射線束不會打到石英窗上；充氣裝置9包括設(shè)置在主筒側(cè)面的充氣口 91以及與充氣口相連的三通92 ；在筒體I 一側(cè)開直徑4>55_的窗口，然后用厚6_的石英窗密封，光電探測器從側(cè)面固定 在石英窗的圓筒插入，通過壓接方式或帶鎖緊裝置的螺紋結(jié)構(gòu)(螺絲)固定在石英窗6上，光電探測器通常采用光電倍增管或光電管；第一轉(zhuǎn)換靶4和第二轉(zhuǎn)換靶5通過壓環(huán)11固定在入射窗2上；筒體I內(nèi)表面要拋光處理，一是減少內(nèi)表面放氣，二是增強光反射以提高光收集效率。本發(fā)明中子探測器的工作原理是中子與聚乙烯中的1H核、4He氣中的4He核主要發(fā)生彈性散射產(chǎn)生反沖質(zhì)子、反沖氦核(即a粒子)，這兩種帶電粒子將能量沉積在4He氣中從而激發(fā)氣體發(fā)光，然后利用光電倍增管接受氣體的發(fā)光并輸出信號來實現(xiàn)對中子的測量。(I) 1H^He核與中子的作用截面具有互補性，不同能量的反沖質(zhì)子在材料中的射程不同，通過在聚乙烯后面覆上一片聚四氟乙烯(或Al、或Be、或石墨)調(diào)節(jié)反沖質(zhì)子的出射能量，可以使反沖質(zhì)子在4He氣中的能量沉積與反沖4He核在4He氣中的能量沉積起到互補的作用，從而使不同能量中子在氣體中的總能量沉積變得非常平坦；(2)伽馬是通過與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的電子激發(fā)4He氣體發(fā)光產(chǎn)生信號的，而4He氣體發(fā)光效率只與能量沉積有關(guān)，與粒子種類無關(guān)，且對電子的阻止本領(lǐng)比對質(zhì)子、a粒子小得多，這決定了本探測器具有較高的中子/伽馬分辨能力；(3)由于反沖質(zhì)子與反沖4He核能將其大部分能量沉積在氣體中使氣體發(fā)光，且采用光電倍增管，因而可以實現(xiàn)較高的中子靈敏度。
權(quán)利要求
1.一種基于聚乙烯組合式氣體閃爍體的中子探測器，其特征在于包括筒體(I)、密封設(shè)置在筒體(I)前端面的入射窗(2)、密封設(shè)置在筒體(I)后端面的出射窗(3)、依次設(shè)置在入射窗(2)內(nèi)側(cè)的第一轉(zhuǎn)換靶(4)和第二轉(zhuǎn)換靶(5)、設(shè)置在筒體(I)側(cè)面的石英窗(6)、設(shè)置在石英窗(6)外的光電探測器(7)、用于聯(lián)接光電探測器(7)與筒體(I)的套筒(8)、與筒體(I)相連通的充氣裝置(9)、充于筒體(I)內(nèi)部的閃爍氣體(10);所述閃爍氣體(10)采用4He氣；所述第一轉(zhuǎn)換靶(4)的材料為聚乙烯，所述第二轉(zhuǎn)換靶(5)的材料為聚四氟乙烯、Al、Be或石墨。
2.根據(jù)I所述的基于聚乙烯組合式氣體閃爍體的中子探測器，其特征在于還包括用于將第一轉(zhuǎn)換靶(4)和第二轉(zhuǎn)換靶(5)固定在入射窗(2)上的壓環(huán)(11)。
3.根據(jù)I或2所述的基于聚乙烯組合式氣體閃爍體的中子探測器，其特征在于所述筒體(I)的內(nèi)部腔室形狀為圓柱形或者長方形。
4.根據(jù)3所述的基于聚乙烯組合式氣體閃爍體的中子探測器，其特征在于所述充氣裝置(9)包括設(shè)置在主筒側(cè)面的充氣口(91)以及與充氣口相連的三通(92)。
5.根據(jù)4所述的基于聚乙烯組合式氣體閃爍體的中子探測器，其特征在于所述光電探測器(7)設(shè)置在套筒(8)內(nèi)，所述套筒(8)用螺絲固定在石英窗(6)上。
全文摘要
一種基于聚乙烯組合式氣體閃爍體的中子探測器，包括筒體、密封設(shè)置在筒體前端面的入射窗、密封設(shè)置在筒體后端面的出射窗、依次設(shè)置在入射窗內(nèi)側(cè)的第一轉(zhuǎn)換靶和第二轉(zhuǎn)換靶、設(shè)置在筒體側(cè)面的石英窗、設(shè)置在石英窗外的光電探測器、用于聯(lián)接光電探測器與筒體的套筒、與筒體相連通的充氣裝置、充于筒體內(nèi)部的閃爍氣體。本發(fā)明的目的是提供一種在低強度中子/伽馬混合輻射場中能較好的測量中子注量的基于聚乙烯組合式氣體閃爍體的中子探測器。該探測器對1～15MeV中子的能量響應(yīng)非常平坦，且快中子/伽馬分辨能力較高。
文檔編號G01T3/06GK102628954SQ20121008797
公開日2012年8月8日 申請日期2012年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月29日
發(fā)明者張小東, 張建福, 歐陽曉平 申請人:西北核技術(shù)研究所