中子二維位置探測(cè)器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種中子二維位置探測(cè)器，所述的中子二維位置探測(cè)器包括：中子敏感閃爍體；波移光纖陣列，設(shè)置在所述中子敏感閃爍體的下方，用于收集所述中子敏感閃爍體產(chǎn)生的閃爍光；光電轉(zhuǎn)換器件，所述光電轉(zhuǎn)換器件的一端連接所述波移光纖陣列，另一端連接信號(hào)輸出端口，所述的光電轉(zhuǎn)換器件接收所述的閃爍光，并將所述的閃爍光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后通過所述的信號(hào)輸出端口輸出。本實(shí)用新型的中子二維位置探測(cè)器在實(shí)現(xiàn)大面積中子位置探測(cè)時(shí)，可以將光纖陣列與光電轉(zhuǎn)換器件連接的一端轉(zhuǎn)彎，以減小探測(cè)器的探測(cè)死區(qū)，同時(shí)利用多個(gè)小面積中子二維位置探測(cè)器拼接的方式，可以實(shí)現(xiàn)大面積中子位置探測(cè)。
【專利說明】中子二維位置探測(cè)器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型是關(guān)于中子探測(cè)技術(shù)，特別是關(guān)于一種中子二維位置探測(cè)器。

【背景技術(shù)】
[0002]中子和X射線都是人類探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的有效探針。自英國(guó)物理學(xué)家查德威克(J.Chadwick)在1932年發(fā)現(xiàn)中子后，中子及中子散射技術(shù)的應(yīng)用使人們對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)日新月異。與X射線不同，中子不帶電，能輕易的穿透電子層，與原子核發(fā)生核反應(yīng)，其質(zhì)量衰減系數(shù)與入射的中子能量和物質(zhì)的原子核截面有關(guān)。因此，可以說中子是目前研宄物質(zhì)結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的理想探針。中子散射技術(shù)利用低能中子的波長(zhǎng)與原子間距相近，同時(shí)能量和原子、分子的熱運(yùn)動(dòng)能量大體相當(dāng)?shù)奶攸c(diǎn)，來研宄物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。散射后的中子需要用位置靈敏型中子探測(cè)器接收，以獲得散射中子的出射角度，為分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)提供有效信息。這要求中子探測(cè)器具有以下幾點(diǎn)性能:高計(jì)數(shù)率、高探測(cè)效率、大立體角、高定位精度和高η/γ抑制比。
[0003]目前市面上常用的中子探測(cè)器，主要是3He型氣體探測(cè)器，如美國(guó)GE Energy公司生產(chǎn)的高氣壓3He位置敏感正比計(jì)數(shù)器。近些年由于反恐形勢(shì)需要和全世界3He的匱乏，使3He價(jià)格暴漲，近3年3He氣體價(jià)格漲幅超過20倍，基于3He的中子探測(cè)器也就十分昂貴。以I英寸的一個(gè)大氣壓3He位置敏感正比計(jì)數(shù)器為例，目前的報(bào)價(jià)在10萬人民幣以上，這樣一個(gè)的Im2探測(cè)器陣列造價(jià)在300萬以上。
[0004]為滿足各種科學(xué)需要，許多實(shí)驗(yàn)室都在研發(fā)新型中子探測(cè)器以替代3He型中子探測(cè)器，如半導(dǎo)體中子探測(cè)器，涂硼GEM中子探測(cè)器。這些探測(cè)器都處在研發(fā)階段，面臨的主要問題是中子探測(cè)效率低，η/γ抑制比不高，同時(shí)受限于技術(shù)層面的問題，其關(guān)鍵部件同樣造價(jià)昂貴。閃爍體探測(cè)器是近幾年發(fā)展比較成熟的，用于中子探測(cè)的新型閃爍體。主要基于市面上制造工藝日趨成熟的，摻中子敏感材料的閃爍體，其與中子反應(yīng)，產(chǎn)生閃爍光，利用光電轉(zhuǎn)換器件實(shí)現(xiàn)對(duì)中子的探測(cè)。
[0005]但基于中子敏感閃爍體的探測(cè)器，其對(duì)中子位置的探測(cè)，目前主要通過后端光電轉(zhuǎn)換器件來實(shí)現(xiàn)，如利用帶位置分辨的光電倍增管或CCD相機(jī)，這些設(shè)備造價(jià)昂貴，同時(shí)難以實(shí)現(xiàn)大面積的中子位置探測(cè)。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006]本實(shí)用新型提供一種中子二維位置探測(cè)器，以提高定位精度高、實(shí)現(xiàn)大面積制作，同時(shí)降低成本。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供一種中子二維位置探測(cè)器，所述的中子二維位置探測(cè)器包括:
[0008]中子敏感閃爍體，所述中子敏感閃爍體的下表面涂有鋁基材；
[0009]波移光纖陣列，設(shè)置在所述中子敏感閃爍體的下方，用于收集所述中子敏感閃爍體產(chǎn)生的閃爍光；
[0010]光電轉(zhuǎn)換器件，所述光電轉(zhuǎn)換器件的一端連接所述波移光纖陣列，另一端連接信號(hào)輸出端口，所述的光電轉(zhuǎn)換器件接收所述的閃爍光，并將所述的閃爍光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后通過所述的信號(hào)輸出端口輸出。
[0011]在一實(shí)施例中，所述的波移光纖陣列由兩層排布方向互相垂直的波移光纖構(gòu)成，分別收集所述中子敏感閃爍體的閃爍光在X和Y方向的分布；每層所述波移光纖的一端連接所述光電轉(zhuǎn)換器件，另一端鍍有反射材料。
[0012]在一實(shí)施例中，所述的波移光纖具有芯層及包層，所述芯層中包含波移物質(zhì)。
[0013]在一實(shí)施例中，所述的波移光纖通過光導(dǎo)材料或空氣耦合所述的光電轉(zhuǎn)換器件。
[0014]在一實(shí)施例中，所述波移光纖與光電轉(zhuǎn)換器件連接的一端具有一彎折部。
[0015]在一實(shí)施例中，兩層所述波移光纖之間的間距為0.5_5mm。
[0016]在一實(shí)施例中，所述的反射材料包括鋁膜或銀膜。
[0017]本實(shí)用新型的中子二維位置探測(cè)器的主要部件在市面上制造工藝成熟，獲取渠道廣泛。探測(cè)器整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，總體造價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的位置分辨型中子探測(cè)器。
[0018]本實(shí)用新型的中子二維位置探測(cè)器，利用波移光纖陣列實(shí)現(xiàn)對(duì)中子敏感閃爍體上入射中子位置的重建，波移光纖陣列結(jié)構(gòu)上靈活多變，可根據(jù)具體的物理需求改變相應(yīng)結(jié)構(gòu)，如光纖間距和光纖組合方式等，以改善位置分辨。
[0019]本實(shí)用新型的中子二維位置探測(cè)器在實(shí)現(xiàn)大面積中子位置探測(cè)時(shí)，可以將光纖陣列與光電轉(zhuǎn)換器件連接的一端轉(zhuǎn)彎，以減小探測(cè)器的探測(cè)死區(qū)，同時(shí)利用多個(gè)小面積中子二維位置探測(cè)器拼接的方式，可以實(shí)現(xiàn)大面積中子位置探測(cè)。
[0020]綜上，本實(shí)用新型的光纖陣列讀出型中子位置探測(cè)器具有定位精度高和可大面積制作等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)和目前其他中子探測(cè)器相比，造價(jià)低廉。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]為了更清楚地說明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0022]圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例的中子二維位置探測(cè)器俯視圖；
[0023]圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例的中子二維位置探測(cè)器側(cè)視圖；
[0024]圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例的中子二維位置探測(cè)器的波移光纖結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例的入射中子在中子敏感閃爍體中的反射示意圖；
[0026]圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例在H8500上得到的波移光纖陣列XY方向上的光信號(hào)分布示意圖；
[0027]圖6A及圖6B為本實(shí)用新型實(shí)施例在H8500上得到的波移光纖陣列XY方向上的光信號(hào)分布的高斯擬合示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0028]下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
[0029]如圖1、圖2及圖3所示，本實(shí)用新型提供一種中子二維位置探測(cè)器，該中子二維位置探測(cè)器包括:波移光纖陣列1、中子敏感閃爍體2、及光電轉(zhuǎn)換器件3。
[0030]閃爍體是一種將高能光子(X射線，γ射線)或粒子(強(qiáng)子、電子、質(zhì)子、α粒子等)的電離能轉(zhuǎn)化成紫外/可見光子的光電導(dǎo)型發(fā)光材料。要實(shí)現(xiàn)對(duì)熱中子的有效探測(cè)，閃爍體材料基質(zhì)內(nèi)必須引入對(duì)熱中子吸收截面較大的6L1、10B、157Gd、155Gd等核素。中子敏感閃爍體，主要就是基于中子敏感材料的核反應(yīng)，其所產(chǎn)生的帶電粒子在閃爍體內(nèi)給出可探測(cè)的輸出脈沖。迄今為止，世界上各個(gè)實(shí)驗(yàn)室和公司研宄過的中子敏感閃爍材料有很多，例如:液體閃爍體BC-501A、塑料閃爍體ST401、粉體材料LiF/ZnS:Ag、晶體材料LiI (Eu)、LiBaF3、Cs2LiYC16: Ce、Li2B 407、LiYSi04: Ce 及 Li6Gd (B03) 3: Ce 等。
[0031]目前市面上應(yīng)用廣泛的中子敏感閃爍體，主要是摻6Li的ZnS閃爍體，在ZnS(Ag)無機(jī)閃爍體中摻雜6LiF的6LiF/ZnS (Ag)，鋰玻璃，摻6Li或kiB的塑料閃爍體等。本實(shí)用新型以中子敏感閃爍體6LiF/ZnS (Ag)為例進(jìn)行說明，對(duì)于中子敏感閃爍體6LiF/ZnS (Ag)，入射中子與閃爍體中的6Li核反應(yīng)，產(chǎn)生次級(jí)帶電粒子，帶電粒子在ZnS(Ag)中閃爍發(fā)光，最終出射一定數(shù)量的藍(lán)光光子。
[0032]由于6LiF/ZnS(Ag)等中子敏感閃爍體為粉末狀，需要通過膠固化后涂在一定厚度的鋁基材以增加其機(jī)械強(qiáng)度。在一實(shí)施例中，中子敏感閃爍體6LiF/ZnS(Ag)的厚度設(shè)置為400 μ m，面積100X 100mm2，銷基材面積與中子敏感閃爍體6LiF/ZnS (Ag)相同，厚度為1mm，并非用于限定。本實(shí)用新型中，中子敏感閃爍體6LiF/ZnS(Ag)及鋁基材的厚度可以根據(jù)具體情況設(shè)置。
[0033]波移光纖陣列I設(shè)置在中子敏感閃爍體2的下方，并連接光電轉(zhuǎn)換器件3，實(shí)現(xiàn)對(duì)中子敏感閃爍體2產(chǎn)生的閃爍光的收集，并將收集的閃爍光傳輸給光電轉(zhuǎn)換器件3。如圖1、圖2及圖3所示，中子敏感閃爍體2在鋁基材的下方，波移光纖陣列I貼近中子敏感閃爍體2的表面放置(波移光纖陣列I位于中子敏感閃爍體2無鋁基材的一面)。
[0034]光電轉(zhuǎn)換器件3的一端連接波移光纖陣列1，另一端連接信號(hào)輸出端口。光電轉(zhuǎn)換器件3接收中子敏感閃爍體2產(chǎn)生的閃爍光，將閃爍光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，生成電信號(hào)，然后通過信號(hào)輸出端口將電信號(hào)輸出。信號(hào)輸出端口連接至后端的電子學(xué)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，電子學(xué)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)對(duì)光電轉(zhuǎn)換器件3得到的電信號(hào)分析，通過對(duì)該電信號(hào)的分析，可以判斷處于何位置的波移光纖傳輸了多少光子，從而推出中子敏感閃爍體2上相應(yīng)的中子入射位置。單個(gè)方向排布的光纖陣列得到該方向維度上中子的位置信息，兩個(gè)垂直方向雙層光纖排列就可以得到入射中子的二維信息。
[0035]需要說明的是:本實(shí)用新型的中子二維位置探測(cè)器的作用是為電子學(xué)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)提供電信號(hào)，作為入射中子的二維信息分析的數(shù)據(jù)源。另外，電子學(xué)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行分析，已為本領(lǐng)域的公知技術(shù)，并非本實(shí)用新型的保護(hù)范疇。
[0036]如圖1、圖2及圖3所示，波移光纖陣列I由兩層排布方向互相垂直的波移光纖構(gòu)成，分別收集中子敏感閃爍體2的閃爍光在X和Y方向的分布。每層波移光纖的可以不規(guī)則排列，兩層波移光纖之間的間距可以設(shè)置為0.5-5_，本實(shí)用新型不以此為限。
[0037]在一實(shí)施例中，每層波移光纖的一端連接光電轉(zhuǎn)換器件，另一端4鍍有反射材料，該反射材料可以為鋁膜或銀膜。波移光纖可以通過光導(dǎo)材料或空氣耦合光電轉(zhuǎn)換器件3。
[0038]如圖4所示，波移光纖具有芯層5及包層6，芯層5中包含波移物質(zhì)，波移物質(zhì)將某一波長(zhǎng)入射的光子吸收并轉(zhuǎn)化成波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光子，轉(zhuǎn)化后的光子在波移光纖內(nèi)利用包層6與空氣界面全放射，將光子傳輸?shù)焦饫w兩端。包層6可以有單層或多層，包層6的作用是可以增加波移光纖的光傳輸效率。
[0039]具體實(shí)施時(shí)，如圖4所示，當(dāng)入射中子與6LiF/ZnS(Ag)反應(yīng)產(chǎn)生藍(lán)光后，接近入射中子位置的波移光纖吸收入射到光纖芯層的藍(lán)光并轉(zhuǎn)化成綠光，利用全反射原理將綠光傳輸?shù)讲ㄒ乒饫w的兩端。光纖兩端需要經(jīng)拋光處理，然后一端鍍上高反射率的銀膜(反射率>80% )，一端與光電轉(zhuǎn)換器件3的玻璃窗親合。傳輸?shù)讲ㄒ乒饫w兩端的綠光，一端直接進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換器件3玻璃窗，另一端經(jīng)銀膜反射，最終也將傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換器件3的玻璃窗。
[0040]常用的光電轉(zhuǎn)換器件有光電倍增管PMT (Photo Multiplier Tube)，半導(dǎo)體光探測(cè)器，電荷親合原件CCD(Charge-coupled Device)等。由于半導(dǎo)體光探測(cè)器和CCD價(jià)格昂貴，小面積制作時(shí)可考慮使用，大面積情況下主要采用光電倍增管作為光電轉(zhuǎn)換器件。
[0041]本實(shí)用新型的中子二維位置探測(cè)器，在實(shí)現(xiàn)大面積中子位置探測(cè)時(shí)，為了減小探測(cè)器的探測(cè)死區(qū)，可以將光纖陣列與光電轉(zhuǎn)換器件連接的一端轉(zhuǎn)彎形成一彎折部7。為了實(shí)現(xiàn)大面積中子位置的探測(cè)，可以同時(shí)利用多個(gè)小面積中子二維位置探測(cè)器拼接的方式，實(shí)現(xiàn)大面積中子位置探測(cè)。
[0042]為了更好的說明本實(shí)用新型，下面結(jié)合具體的實(shí)施例進(jìn)行描述，本實(shí)施例中，中子敏感閃爍體采用6LiF/ZnS(Ag)，光電轉(zhuǎn)換器件3采用多陽極光電倍增管MA-PMT。
[0043]如上所述，中子敏感閃爍體6LiF/ZnS(Ag)主要是在ZnS(Ag)無機(jī)閃爍體中摻雜6LiF,入射中子與中子敏感閃爍體6LiF/ZnS(Ag)中的6Li核反應(yīng)，產(chǎn)生次級(jí)帶電粒子，帶電粒子在ZnS (Ag)中閃爍發(fā)光，最終出射一定數(shù)量的藍(lán)光光子。由于6LiF/ZnS(Ag)為粉末狀，通過膠固化后涂在一定厚度的鋁基材以增加其機(jī)械強(qiáng)度。在一實(shí)施例中，中子敏感閃爍體6LiF/ZnS (Ag)厚度400 μ m，面積100 X 100mm2，銷基材面積相同，厚度為1mm。
[0044]波移光纖陣列位于閃爍體無鋁基材的一面，當(dāng)入射中子與6LiF/ZnS(Ag)反應(yīng)產(chǎn)生藍(lán)光后，接近入射中子位置的波移光纖吸收入射到波移光纖芯層的藍(lán)光，轉(zhuǎn)化成綠光，利用全反射原理將綠光傳輸?shù)讲ㄒ乒饫w兩端。波移光纖兩端經(jīng)拋光處理后，一端鍍上高反射率的銀膜(反射率>80% )，一端與多陽極光電倍增管MA-PMT的玻璃窗耦合。傳輸?shù)讲ㄒ乒饫w兩端的綠光，一端直接進(jìn)入光電倍增管的玻璃窗，另一端經(jīng)銀膜反射，最終也傳輸?shù)焦怆姳对龉艿牟ＡТ啊?br> [0045]波移光纖陣列的兩層波移光纖緊貼，與中子敏感閃爍體6LiF/ZnS (Ag)的間距為1mm，每層分別由50根光纖構(gòu)成，光纖間距均為2mm，也可以不規(guī)則排列。
[0046]多陽極光電倍增管MA-PMT連接在波移光纖的一端，采用H8500MA-PMT，其工作單元為8X8個(gè)，需要兩個(gè)H8500來接收雙層波移光纖的光信號(hào):一個(gè)H8500接X方向排列的光纖，每根光纖的一端都耦合到H8500的一個(gè)工作單元上，每一層的50根光纖接H8500對(duì)應(yīng)于50個(gè)工作單元；另一個(gè)H8500接Y方向排列的光纖，具體接法與X方向光纖接法一致。
[0047]多陽極光電倍增管MA-PMT連接至后端的電子學(xué)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，電子學(xué)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)工作單元的光電信號(hào)進(jìn)行放大成形，并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)獲取系統(tǒng)記錄存儲(chǔ)。根據(jù)所有H8500工作單元上的光電信號(hào)，可以得到兩層光纖上的光信號(hào)分布，通過對(duì)兩層光信號(hào)分布的高斯擬合，可以得到XY方向上光信號(hào)分布的中心位置，其對(duì)應(yīng)的就是入射中子在XY方向上的位置。H8500上得到的波移光纖陣列XY方向上光信號(hào)分布如圖5及圖6A及圖6B所示。
[0048]本實(shí)用新型中應(yīng)用了具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本實(shí)用新型的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本實(shí)用新型的思想，在【具體實(shí)施方式】及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本實(shí)用新型的限制。
【權(quán)利要求】
1.一種中子二維位置探測(cè)器，其特征在于，所述的中子二維位置探測(cè)器包括: 中子敏感閃爍體，涂在鋁基材上； 波移光纖陣列，設(shè)置在所述中子敏感閃爍體的下方，用于收集所述中子敏感閃爍體產(chǎn)生的閃爍光； 光電轉(zhuǎn)換器件，所述光電轉(zhuǎn)換器件的一端連接所述波移光纖陣列，另一端連接信號(hào)輸出端口，所述的光電轉(zhuǎn)換器件接收所述的閃爍光，并將所述的閃爍光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后通過所述的信號(hào)輸出端口輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中子二維位置探測(cè)器，其特征在于，所述的波移光纖陣列由兩層排布方向互相垂直的波移光纖構(gòu)成，分別收集所述中子敏感閃爍體的閃爍光在X和Y方向的分布；每層所述波移光纖的一端連接所述光電轉(zhuǎn)換器件，另一端鍍有反射材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的中子二維位置探測(cè)器，其特征在于，所述的波移光纖具有芯層及包層，所述芯層中包含波移物質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的中子二維位置探測(cè)器，其特征在于，所述的波移光纖通過光導(dǎo)材料或空氣耦合所述的光電轉(zhuǎn)換器件。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的中子二維位置探測(cè)器，其特征在于，所述波移光纖與光電轉(zhuǎn)換器件連接的一端具有一彎折部。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的中子二維位置探測(cè)器，其特征在于，兩層所述波移光纖之間的間距為0.5_5mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的中子二維位置探測(cè)器，其特征在于，所述的反射材料包括鋁膜或銀膜。
【文檔編號(hào)】G01T3/06GK204166139SQ201420489372
【公開日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月27日
【發(fā)明者】吳沖, 孫志嘉, 唐彬 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(北京)