CN103135126B - 结构可变的模块化中子检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及中子测量技术，具体涉及一种结构可变的模块化中子检测装置。其结构包括可相互组合的若干个片状探测单元，每个探测单元包括探测体和位于探测体上端的电子学盒；所述探测体为内部嵌有多根³He正比计数管的聚乙烯板，电子学盒内设有与³He正比计数管相连接的前放电子学模块和电源模块。本发明可以任意组成合适的结构，满足对不同体积样品的测量需求，其结构紧凑，体积小，重量轻，便于携带。

Description

结构可变的模块化中子检测装置

技术领域

本发明涉及中子测量技术，具体涉及一种结构可变的模块化中子检测装置。

背景技术

中子测量是核材料非破坏性分析重要技术之一，目前国内外核材料中子测量装置一般是针对测量对象体积特点采用固定结构的设计方法，但这种方法不能满足核材料突发事件现场测量，因不明物料体积形状不确定。这种情况不可能携带较多的中子检测装置前往。另外，也有使用平板式中子测量装置，以适应不同结构尺寸样品，但探测效率较低，在进行半定量或定量测量中误差较大。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种结构可变的模块化中子检测装置，以解决尺寸不定样品的中子检测问题。

本发明的技术方案如下：一种结构可变的模块化中子检测装置，包括可相互组合的若干个片状探测单元，每个探测单元包括探测体和位于探测体上端的电子学盒；所述探测体为内部嵌有多根³He正比计数管的聚乙烯板，电子学盒内设有与³He正比计数管相连接的前放电子学模块和电源模块。

进一步，如上所述的结构可变的模块化中子检测装置，其中，相邻的两个探测单元的聚乙烯板的两侧设有相互适配的箱扣。

进一步，如上所述的结构可变的模块化中子检测装置，其中，相邻的两个探测单元之间设有角桶，探测单元的聚乙烯板的两侧以及角桶的两侧设有相互适配的箱扣。

更进一步，如上所述的结构可变的模块化中子检测装置，其中，所述的角桶为铝合金框架结构。

更进一步，如上所述的结构可变的模块化中子检测装置，其中，所述的箱扣为上下两套，对称的设置在聚乙烯板以及角桶的两侧。

进一步，如上所述的结构可变的模块化中子检测装置，其中，所述的电子学盒上设有与前放电子学模块和电源模块相连接的电缆接口。

本发明的有益效果如下：本发明针对在实际工作中尺寸不定样品的中子检测问题，设计了一种模块化的结构可变的中子检测装置。该装置由多组可独立测量部分组成，各组具有相同探测器及相关电子学模块，当样品尺寸较大，无法放入标准结构测量，可以将装置任意组成合适的结构，满足对不同体积样品的测量需求。本发明结构紧凑，体积小，重量轻，便于携带。

附图说明

图1为本发明单个片状探测单元的结构示意图；

图2-1为四个探测单元组合成的中子检测装置的俯视图；

图2-2为四个探测单元组合成的中子检测装置的侧视图；

图3-1至图3-7为具体实施例中多种探测单元组合形式示意图；

图4为检测装置的电子学模块原理图；

图5为多个电子学盒之间的连接方式示意图；

图6为³He正比计数管工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明所提供的结构可变的模块化中子检测装置包括可相互组合的若干个片状探测单元，组合的原则是根据待测对象的体积和具体形状，将被测物体尽可能围在中心，且各个探测面尽可能接近被测物体，这样便于提高探测效率。每个探测单元的结构如图1所示，包括探测体和位于探测体上端的电子学盒1；所述探测体为内部嵌有多根³He正比计数管3的聚乙烯板2，电子学盒1内设有与³He正比计数管3相连接的前放电子学模块和电源模块。

探测体外部选用聚乙烯材质是为了慢化核材料产生的中子，使其能量(约2Mev)降到热中子能量(0.0253ev)，以提高与³He气体核反应概率，提高探测效率。一般中子测量装置采用高密度聚乙烯作慢化材料，也可以使用其它如石蜡，水等轻(原子序数小)材料。因此，聚乙烯板可用石蜡板替代。

³He正比计数管使用的数量根据探测效率和装置大小而定，同样的装置，单层排布时，使用较多³He正比计数管，探测效率越高；若多层排布，其探测效率与管子的排布有关系，一般通过MC计算达到某探测效率是需要的管子数量和分布，不是单纯越多越好，这对于本领域的技术人员来说属于公知常识。本实施例中选用两根³He正比计数管，可以满足相关的测量要求，实际推广时，根据具体的应用环境，可以使用多根，或多层，各个单元也可更大，管子也可选更长的尺寸(但体积和质量可能增大)。

本发明的各个探测单元可独立工作，也可通过其上的箱扣4与其它单元连接，组成一定的结构进行测量。图2-1和图2-2为四个探测单元组合成的中子检测装置的基本结构。两个相邻的探测单元之间可直接连接，这种情况下，相邻的两个探测单元的聚乙烯板2的两侧设有相互适配的箱扣4。或者，相邻的两个探测单元之间设有过渡的角桶6，探测单元的聚乙烯板2的两侧以及角桶6的两侧设有相互适配的箱扣，通过角桶的连接组成不同的形状，图2-1和图2-2所示的中子检测装置的四个探测单元即通过角桶进行连接。本实施例中，角桶为铝合金框架结构，当然，也可以选用其它金属框架结构。同时，电子学盒1上设有与前放电子学模块和电源模块相连接的电缆接口5，通过电缆连接各个单元间电子学盒上的信号和电源。

电子学模块是将探测到的信号进行前置放大，主放大，甄别成型，最后形成脉冲信号的电路，其原理简图如图4所示。

模块前端采集的电压信号为³He管内气体电离，收集到的电荷形成电压脉冲信号，幅度较低，经前置放大和主放大后，电压脉冲幅度增大，然后经甄别成形后形成TTL脉冲信号(脉冲宽度可调，典型值为50ns)。该信号与从电子学盒上的“信号输入”BNC端口输入的TTL脉冲信号进行与操作后得到最后的脉冲序列信号，输出到“信号输出”BNC端口。

电源模块实现将5V电源转化为高压(高压值根据³He管工作电压决定)提供给³He管使用，同时5V电源给放大器模块供电。

每个电子学盒上面有信号输入和输出及电源输入输出四个BNC插座，两个电子学盒间使用同轴电缆相互级联，多个电子学模块连接方式如图5所示。5V电源与第一个模块的电源输入端相连，下一个模块的电源由上一个模块的电源输出端提供，即第一个模块电源输出端与第二个模块电源输入端相连，直到最后一个模块。第一个模块的信号输出接入第二个电子学模块的信号输入，该电子学模块具有将本身处理的信号与输入端的脉冲信号进行“或”操作后由信号输出端输出，这样级联，最后一个模块“信号输出”端输出的便是最终多个模块集成的脉冲序列信号。

另外，也可扩展设计连接端口，多出一对高压输入输出BNC接口，电源模块设计时便不需将5V转化为高压了。只是增加了连接电缆。

由于探测单元的组合是根据待测对象的体积和具体形状而定的，因此，可以有很多种组合形式，本发明的具体实施方式中列举几种常用的方式如下：

图3-1为两个探测单元组成的中子检测装置，两个探测单元呈90度布置，中间通过角桶(虚线部分)连接。

图3-2为三个探测单元组成的三角形中子检测装置，相邻的两个探测单元之间的夹角呈60度，中间通过角桶(虚线部分)连接。可见，角桶也可以设计成各种适合的形状。

图3-3为四个探测单元组成的中子检测装置，四个探测单元分为两组，每组的两个探测单元呈90度连接布置，通过角桶(虚线部分)连接。可以视为是两个图3-1的实例组合的形式，两组分开布置，适用于体积比较大的测量对象。

图3-4为另一种四个探测单元组成的中子检测装置，四个探测单元分为两组，每组的两个探测单元直接相邻连接，两组探测单元相互平行布置。

图3-5为五个探测单元组成的中子检测装置，五个探测单元围成五边形的结构，中间通过角桶(虚线部分)连接。

图3-6为六个探测单元组成的中子检测装置，六个探测单元围成六边形的结构，中间通过角桶(虚线部分)连接。

图3-7为另一种六个探测单元组成的中子检测装置，六个探测单元围成矩形的结构，矩形的四个角的位置通过角桶(虚线部分)连接，矩形长边的两个探测单元直接连接。

以上这些设计形式都是为了适应不同待测对象的需求。

下面，说明一下本发明的测量原理。

中子不带电，具有很强的穿透性，因此可以利用它对放射性进行测量。中子探测器一般选用³He正比计数管，是因为热中子与³He气体反应截面大(其反应截面为5330×10^-26m²)。其核反应如下式所示：

n+³He→p+³H+765keV

³He正比计数管工作示意图如图6所，图中3为³He正比计数管，7为热中子，核反应产生带电粒子质子和氚，它们使气体发生电离，电离产生的电荷被收集放大形成电压脉冲，经过放大器进一步放大，进行脉冲分析。

无源中子测量技术是利用中子计数器直接对核材料发射中子进行测量，在核材料中，Pu元素的偶数同位素如238Pu、240Pu和242Pu具有很高的自发裂变中子率，因此测量钚材料采用无源方式进行。对于含钚物料，Pu元素偶数同位素中，240Pu丰度最大，因此一般都用等效240Pueff来表示Pu元素中各偶数同位素总的自发裂变中子的能力，从而得到钚含量。

分析方法采用符合中子和总中子分析方法。无源符合中子分析方法是对时间相关的中子进行响应分析，即只对裂变中子进行分析，这种方法可以排除单中子影响，提高测量结果，一般用于含Pu量较大核材料测量。对于Pu含量较少的废物，常采用总中子分析方法。

对于Pu样品来说，²⁴⁰Pu^eff是与裂变中子计数率相对应，²⁴⁰Pu_eff由下式给出：

²⁴⁰Pu_eff＝k₁(²³⁸Pu)+(²⁴⁰Pu)+k₂(²⁴²Pu)

Pu总量计算公式为：

其中，²³⁸Pu、²⁴⁰Pu、²⁴²Pu表示各同位素质量，f₂₃₈、f₂₄₀、f₂₄₂表示各同位素丰度，k₁、k₂为系数，总中子分析方法中取值分别为2.43、1.69，符合分析方法中取值为2.52、1.68。

在已知样品各钚同位素丰度的情况下，就可以计算得到钚总量，然后分别得到Pu各同位素质量。

本发明所提供的结构可变的模块化中子检测装置，采用无源中子测量技术，主要用于对被测物体进行属性测量和半定量测量。属性测量是根据测量结果，若有明显的中子计数，说明被测物料含有发射中子的材料，若具有符合计数，说明被测物料含中子裂变材料。

作定量和半定量测量时，主要用于测量含钚物料。若各个单元模块使用中子探测器(³He正比计数管)较多，可提高探测效率和准确度。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种结构可变的模块化中子检测装置，其特征在于：包括可相互组合的若干个片状探测单元，每个探测单元包括探测体和位于探测体上端的电子学盒(1)；所述探测体为内部嵌有多根³He正比计数管(3)的聚乙烯板(2)，电子学盒(1)内设有与³He正比计数管(3)相连接的前放电子学模块和电源模块，相邻的两个探测单元之间设有角桶(6)，探测单元的聚乙烯板(2)的两侧以及角桶(6)的两侧设有相互适配的箱扣(4)。

2.如权利要求1所述的结构可变的模块化中子检测装置，其特征在于：所述的角桶(6)为铝合金框架结构。

3.如权利要求1或2所述的结构可变的模块化中子检测装置，其特征在于：所述的箱扣(4)为上下两套，对称的设置在聚乙烯板(2)以及角桶(6)的两侧。

4.如权利要求1所述的结构可变的模块化中子检测装置，其特征在于：所述的电子学盒(1)上设有与前放电子学模块和电源模块相连接的电缆接口(5)。

5.如权利要求1所述的结构可变的模块化中子检测装置，其特征在于：所述的聚乙烯板(2)可用石蜡板替代。