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CN114509801A - 一种钆基材料的中子/伽马甄别系统及方法 - Google Patents

一种钆基材料的中子/伽马甄别系统及方法 Download PDF

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CN114509801A
CN114509801A CN202210146411.6A CN202210146411A CN114509801A CN 114509801 A CN114509801 A CN 114509801A CN 202210146411 A CN202210146411 A CN 202210146411A CN 114509801 A CN114509801 A CN 114509801A
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CN
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neutron
gadolinium
gamma
based material
channel
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CN202210146411.6A
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黄跃峰
李勇平
陈永忠
侯会良
黄国庆
蔡创雄
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Shanghai Institute of Applied Physics of CAS
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Shanghai Institute of Applied Physics of CAS
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Abstract

本发明提供一种钆基材料的中子/伽马甄别系统，其由钆基中子探测器、伽马射线探测器、与这两者相连的前置放大电路及双通道数字多道能谱仪组成；双通道数字多道谱仪接收经前置放大电路放大的两路脉冲，当两路脉冲的到达时间的时间差在设定的阈值时间内，则进行中子信号的事件计数，并进一步提取幅度值，分别记录在中子响应能谱和伽马能谱里。本发明的中子/伽马甄别系统将物理过程与电子技术进行了结合，钆基材料薄片仅吸收内转换电子和低能本底伽马射线，再利用内转换电子与次级瞬发伽马射线间的时序关系进一步区分钆基材料薄片探测到的信号是内转换电子还是低能本底伽马，实现中子/伽马甄别。

Description

一种钆基材料的中子/伽马甄别系统及方法
技术领域
本发明属于辐射探测领域，具体涉及一种中子/伽马甄别系统及方法。
背景技术
近年来，随着中子探测在核能利用、核物理及天体物理研究和核辐射环境监测等领域的应用日益广泛，中子探测器技术越来越受到工业界和科研学者的重视。特别是中子通量及能谱测量在核能领域具有非常重要的意义，直接关系到各类核能装置能否安全、可靠的运行。中子本身不带电，不能直接引起物质电离，它需要跟中间转换体相互作用产生能引起物质电离的次级粒子才能被探测。因此，中子探测的关键技术难题是：探测系统如何准确甄别带电粒子信号是中子与转换体产生的，还是来自中子场中的其他带电粒子或伽马射线。根据带电粒子能量大小或能量沉积方式的差异，不同的中子探测器采用不同的中子/伽马甄别技术，最常用的是脉冲幅度甄别(PHD)和脉冲波形甄别(PSD)。
脉冲幅度甄别是最简单的中子/伽马甄别技术，该技术适用于伽马射线脉冲幅度与中子信号脉冲幅度有一个或几个数量级的差异。气体电离室通常采用该方法，如裂变电离室、BF3正比计数管。一方面气体电离室对伽马射线的探测效率低，相应的脉冲幅度自然很小；另一方面，中子与转换体反应产生的次级粒子能量较大，如铀235单次裂变释放约200Mev的能量，而10B与中子产生的次级粒子能量为2.79Mev。只需设置恰当的阈值，就能够根据脉冲幅度，判断脉冲幅度小于阈值的为伽马射线，而大于阈值的为中子信号。
相比于脉冲幅度甄别，脉冲波形甄别要复杂一些，以6Li为中子转换体的闪烁体中子探测器均采用PSD。伽马射线通过光电效应、康普顿散射、电子对效应产生电子来沉积能量，而6Li与中子反应产生氚核和α粒子，α粒子由于质量大、电荷多，比电子沉积能量更快，其输出脉冲宽度更窄。这样，较宽的脉冲为伽马射线，与之相反的是中子脉冲信号。
天然钆具有最大的热中子截面，其截面是3He、10B、7Li热中子截面的20多倍，钆基闪烁体材料不仅中子探测效率高，还具有较强的发光产额、快的荧光衰减时间，理论上钆基闪烁体是一种很好的中子探测材料。而中子环境中通常含有大量的本底伽马射线，因此，如何甄别中子与伽马射线是钆基材料用于中子探测需要解决的首要问题。
众所周知，钆(Gd)具有非常高的热中子截面，但是，其反应产物即次级粒子成份相当复杂。157Gd、155Gd的中子反应方程如下：
Figure BDA0003509168790000021
Figure BDA0003509168790000022
同位素157Gd和155Gd在吸收一个中子后生成寿命极短的不稳定激发态核素158Gd*和156Gd*，激发能分别为7.94Mev和8.53Mev，二者在退激时发射一系列不同能量的γ射线和内转换电子。每吸收一个热中子平均释放3.288个γ射线，γ射线平均能量2.394Mev，同时释放0.67个内转换电子，电子平均能量71kev。钆基材料的密度较大，对γ射线具有很好的探测效率。γ射线在晶体内通过光电效应、康普顿散射、电子对效应产生次级电子而沉积能量，它与内转换电子在晶体内产生荧光的机制相同。由于钆与中子反应后产生的次级粒子复杂，且会产生一系列不同能量的伽马射线，而中子环境中通常含有大量的本底伽马射线，导致中子/伽马甄别不能采用常用的脉冲幅度甄别和脉冲波形来实现。而常用的中子/伽马甄别技术，如脉冲幅度甄别、PSD波形甄别，对钆基材料的中子/伽马甄别集体失效。
脉冲幅度甄别(PHD)实现起来相对简单，但适应范围相当有限。只有伽马射线脉冲幅度与中子信号幅度有较大差异才行，否则外部电磁干扰或温度引起阈值变化都易导致错误甄别。其次，中子场中伽马射线能量也是连续的，从几十Kev到几Mev，甚至几十上百Mev都有，脉冲幅度甄别容易将高能伽马射线误认为中子。考虑到钆与中子反应产生的次级伽马射线中存在大量几十Kev的低能伽马射线和X射线，而且钆基材料密度较大，对伽马的探测效率很高，所以PHD用于钆基材料的中子/伽马甄别必然引入很大的错误率。
脉冲波形甄别(PSD)的前提是中子响应产生的次级粒子不能是电子，必须是电荷量或质量与电子有显著差异的粒子，如质子、α粒子等。PSD甄别一般适应于10B、6Li为中子转换体的闪烁体中子探测器。另外，闪烁晶体的荧光衰减时间也不能太长，否则荧光的统计涨落也会湮灭不同粒子能量沉积快慢所致的脉冲形状差异。然而对于钆基闪烁体来说，最初，钆与中子反应生成一系列不同能量的伽马射线和内转换电子，然后，伽马射线通过光电效应、康普顿散射、电子对效应而产生次级电子，最终都是次级电子沉积能量。所以，脉冲波形甄别完全不能用于钆基闪烁体中子/伽马甄别。
考虑到在中子测量场合往往具有较强的本底γ射线，因此，中子n/伽马γ甄别是钆基闪烁体用于中子探测和中子成像时必须解决的科学难题。针对这一难题，急需提出一种新的中子/伽马甄别技术以实现基于钆基闪烁体的高效中子探测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钆基材料的中子/伽马甄别系统及方法，以实现钆基材料的高效中子探测。
为了实现上述目的，本发明提供一种钆基材料的中子/伽马甄别系统，其由钆基中子探测器、伽马射线探测器、与钆基中子探测器和伽马射线探测器通过两路通道相连的前置放大电路及与前置放大电路通过两路通道相连的双通道数字多道能谱仪组成；所述双通道数字多道谱仪设置为接收经前置放大电路放大的两路脉冲信号，当两路脉冲信号的到达时间的时间差在设定的阈值时间内，则进行中子信号的事件计数，并进一步提取两路脉冲信号的幅度值，分别记录在中子响应能谱和伽马能谱里。
所述钆基中子探测器由钆基材料薄片和粘合在钆基材料薄片后端的光电倍增管组成，所述钆基中子探测器通过光电倍增管与所述前置放大电路相连。
所述钆基材料薄片直接粘合或通过光路耦合在所述光电倍增管上。
所述伽马射线探测器放置于钆基材料薄片的后方。
所述伽马射线探测器放置在钆基材料薄片的四周侧面。
所述双通道数字多道谱仪设置为对两路脉冲信号依次进行AD转换、数字滤波、提取脉冲到达时间，以获取两路脉冲信号的到达时间的时间差。
所述钆基材料薄片的厚度小于1mm。
所述伽马射线探测器采用闪烁体探测器、半导体探测器、电离室、正比计数管或G-M计数管。
另一方面，本发明提供一种钆基材料的中子/伽马甄别方法，包括：
S1：符合时间阈值测定步骤，其包括：
S11：将根据上文所述的钆基材料的中子/伽马甄别系统置于中子通量相对确定位置；
S12：设置阈值时间的推测值，利用阈值时间的推测值和所述钆基材料的中子/伽马甄别系统来测定中子计数率；
S13：确定测定的中子计数率与实际的中子通量是否相符，如果相符，将此时的阈值时间的推测值确定为阈值时间并结束流程；否则，调整阈值时间的推测值，并回到步骤S12；
S2：中子/伽马在线甄别及探测步骤，其包括：
设定阈值时间，利用阈值时间在所述钆基材料的中子/伽马甄别系统的双通道数字多道能谱仪内部同时处理两路脉冲信号，当两路脉冲信号的到达时间的时间差小于阈值时间时，双通道数字多道能谱仪进行中子信号的事件计数并进一步提取两路脉冲信号的幅度值，分别记录在中子响应能谱和伽马能谱里。
本发明的钆基材料的中子/伽马甄别系统将物理过程与电子技术进行了结合，首先钆基材料薄片仅吸收内转换电子和低能本底伽马射线，将钆吸收中子产生的次级粒子和高能本底伽马射线从空间上进行了分离，再利用内转换电子与次级瞬发伽马射线之间的时序关系进一步区分钆基材料薄片探测到的信号是内转换电子还是低能本底伽马，最终实现中子/伽马甄别。
附图说明
图1是钆基材料薄片与伽马探测器的时序符合技术的原理图。
图2是根据本发明的一个实施例的钆基材料的中子/伽马甄别系统的框图。
图3是根据本发明的一个实施例的钆基材料的中子/伽马甄别方法的符合时间阈值测定步骤的流程图。
图4是根据本发明的一个实施例的钆基材料的中子/伽马甄别方法的中子/伽马在线甄别及探测步骤的流程图。
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、完整的描述。
本发明提供一种钆基材料的中子/伽马甄别系统及方法，其用于实现钆基材料尤其是钆基闪烁体的高效中子探测，同时也可实现高分辨率、高信噪比中子成像。以此为基础，钆基材料将在中子显微成像、无损检测领域，中子场原位测量方面必将具有广阔的应用前景。
本发明的钆基材料的中子/伽马甄别系统基于钆基材料薄片与伽马探测器的时序符合技术，该时序符合技术的物理过程及原理结构如图1所示。
现有技术一般采用基于锂6、硼10的闪烁体，或者是块状的钆基闪烁体(厚度大于1mm)。在本发明中，如图1所示，钆基材料薄片通过将钆基材料(例如钆基闪烁体材料)加工或制备成薄片或薄膜来得到。钆基材料薄片的厚度小于1mm。
由此，在含有本底伽马射线的中子束通过钆基材料薄片时，中子被钆基材料薄片吸收后得到瞬发的不同能量的内转换电子和伽马射线，其中，内转换电子、低能的本底伽马射线均沉积于钆基材料薄片内；瞬发的伽马射线从薄膜晶体逃逸，而能量较高的本底伽马直接穿透钆基材料薄片，两者均可被伽马探测器吸收。理论上，中子被吸收后得到的内转换电子与瞬发伽马射线几乎是同时产生的，存在时序相关性，而本底伽马在两者内同时产生信号的概率极低。因此，本发明的原理是利用中子被吸收后得到的内转换电子与伽马射线在薄膜晶体和伽马探测器内产生信号的时空差异性，实现中子/伽马甄别。
图2是根据本发明的一个实施例的钆基材料的中子/伽马甄别系统的系统框图。如图2所示，所述钆基材料的中子/伽马甄别系统由钆基中子探测器10、伽马射线探测器20、与钆基中子探测器10和伽马射线探测器20通过两路通道相连的前置放大电路30及与前置放大电路30通过两路通道相连的双通道数字多道能谱仪40组成。
所述钆基中子探测器10由钆基材料薄片11和粘合在钆基材料薄片11后端的光电倍增管12组成，钆基中子探测器10通过光电倍增管12与所述前置放大电路30相连。在本实施例中，钆基材料薄片11直接粘合在光电倍增管12上；伽马射线探测器20放置于钆基材料薄片11的后方，最好是放置在钆基材料薄片11的四周侧面，尽可能靠近钆基材料薄片11。然而，在其他实施例中，伽马射线探测器20也可以放在钆基材料薄片11的后端，或者左右位置，伽马射线探测器20与钆基材料薄片11之间不管是前后放置、左右放置，还是中心与外围的关系都在本发明保护之内。
需要说明的是，这里的前、后是相对于中子束的传播方向而言的，后是指中子束的传播方向的下游。
其中，双通道数字多道谱仪40设置为接收经前置放大电路30放大的两路脉冲信号，对两路脉冲信号依次进行AD转换、数字滤波、提取脉冲到达时间，以获取两路脉冲信号的到达时间的时间差；当两路脉冲信号的到达时间的时间差在设定的阈值时间内，则进行中子信号的事件计数，并进一步提取两路脉冲信号的幅度值，分别记录在中子响应能谱和伽马能谱里，以进行能谱处理。
钆基中子探测器10采用钆基材料薄片11作为中子转换体，且钆基材料薄片11的厚度小于1mm，甚至可以薄至十微米量级。
伽马射线探测器20同样可以采用闪烁体探测器，也可采用半导体探测器，或其他任何种类的探测器如电离室、正比计数管或G-M计数管。伽马射线探测器20需要能够探测几十Kev至1Mev的伽马射线，并对几十Kev至1Mev的伽马射线有较高的探测效率和快的时间分辨性能，即输出脉冲信号前后沿比较陡。
本发明的钆基材料的中子/伽马甄别系统由两个相对独立的探测器组成。中子射入钆基材料薄片11后由于中子被吸收时产生的内转换电子回到基态而产生荧光，荧光被光电倍增管12转换为电压脉冲，经前置放大电路30放大后输入双通道数字多道能谱仪40的其中一个通道；伽马射线探测器20的脉冲信号经前置放大电路30放大后输入双通道数字多道谱仪40的另一通道。双通道数字多道谱仪40根据两路脉冲信号的到达时间，判断钆基材料薄片11输出的脉冲信号是否为中子信号。本发明的钆基材料的中子/伽马甄别系统之所以能够实现钆基材料的中子伽马甄别，其根本在于将物理过程与电子技术进行了结合，而不再是单纯的电子信号处理方法。首先钆基材料薄片11仅吸收内转换电子和低能本底伽马射线，将钆吸收中子产生的次级粒子和高能本底伽马射线从空间上进行了分离，再利用内转换电子与次级瞬发伽马射线之间的时序关系进一步区分钆基材料薄片11探测到的信号是内转换电子还是低能本底伽马，最终实现中子/伽马甄别。
在现有技术中，脉冲幅度甄别处理单个脉冲幅度的大小，关注单个探测事件的能量信息。脉冲波形甄别处理单个脉冲信号的上升沿或下降沿，关注单个探测事件的时间信息。在钆基材料尤其是钆基闪烁体用于中子探测时，不管采用脉冲波形甄别，还是脉冲幅度甄别，都不能实现有效的中子伽马甄别。脉冲波形甄别和脉冲幅度甄别都是单一的电子处理方法，且都是一维信息。钆与中子反应产生的内转换电子、瞬发伽马射线与本底伽马射线沉积能量的机制是一样，这就决定了荧光衰减时间一致，从而脉冲波形完全相似，无法从脉冲形状上区分中子脉冲和伽马脉冲。钆吸收中子产生的内转换电子不是单能，主要有29Kev、39Kev、71Kev、78Kev、81Kev、131Kev等几种，这几种内转换电子都能利用钆基材料探测到，只是探测到的脉冲幅度不同。钆基材料晶体密度较大，即使50微米厚的晶体对60Kev伽马射线仍有10％左右的探测效率，所以，钆基材料薄片采用脉冲幅度甄别也不能实现有效的中子伽马甄别。
本发明的钆基材料的中子/伽马甄别系统同样关注探测事件的时间信息，但是侧重点不同，着重处理两个探测事件之间的时序关系。时序关系的处理不管是直接处理两路脉冲信号，还是先保存两路脉冲信号再离线处理；不管是模拟电路处理还是数字信号处理。只要是基于钆基材料的中子脉冲信号与伽马探测器脉冲信号之间的时序比较进行中子伽马甄别都在本发明保护之内。
基于上文所述的钆基材料的中子/伽马甄别系统，所实现的钆基材料的中子/伽马甄别方法包含两个主要步骤：如图3所示的符合时间阈值测定步骤(即步骤S1)，以及如图4所示的中子/伽马在线甄别及探测步骤(即步骤S2)。
符合时间阈值测定步骤是用来确定阈值时间的数值。
符合时间阈值测定步骤(即步骤S1)具体包括如下步骤：
步骤S11：将上文所述的钆基材料的中子/伽马甄别系统置于中子通量相对确定位置；
其中，钆基材料的中子/伽马甄别系统的位置没有要求，只是需要钆基材料的中子/伽马甄别系统的位置处实际的中子通量已知。实际的中子通量可以用其他探测器测定或者计量院标准的中子源通量。
步骤S12：设置阈值时间的推测值(即符合时间)，利用阈值时间的推测值和所述钆基材料的中子/伽马甄别系统来测定中子计数率；
步骤S13：确定测定的中子计数率与实际的中子通量是否相符，如果相符，将此时的阈值时间的推测值确定为阈值时间并结束流程；否则，调整阈值时间的推测值，并回到步骤S12。
由此，本发明可以不断调整阈值时间的推测值，直到测定的中子计数率与实际的中子通量相符时，将对应的阈值时间的推测值确定为阈值时间。
中子/伽马在线甄别及探测步骤(即步骤S2)具体包括：
设定阈值时间，利用阈值时间在所述钆基材料的中子/伽马甄别系统的双通道数字多道能谱仪40内部同时处理钆基中子探测器10和伽马射线探测器20两路脉冲信号，当两路脉冲信号的到达时间的时间差小于阈值时间时，双通道数字多道能谱仪40进行中子信号的事件计数并进一步提取两路脉冲信号的幅度值，分别记录在中子响应能谱和伽马能谱里，以进行能谱处理。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (9)

1.一种钆基材料的中子/伽马甄别系统，其特征在于，其由钆基中子探测器、伽马射线探测器、与钆基中子探测器和伽马射线探测器通过两路通道相连的前置放大电路及与前置放大电路通过两路通道相连的双通道数字多道能谱仪组成；
所述双通道数字多道谱仪设置为接收经前置放大电路放大的两路脉冲信号，当两路脉冲信号的到达时间的时间差在设定的阈值时间内，则进行中子信号的事件计数，并进一步提取两路脉冲信号的幅度值，分别记录在中子响应能谱和伽马能谱里。
2.根据权利要求1所述的钆基材料的中子/伽马甄别系统，其特征在于，所述钆基中子探测器由钆基材料薄片和粘合在钆基材料薄片后端的光电倍增管组成，所述钆基中子探测器通过光电倍增管与所述前置放大电路相连。
3.根据权利要求2所述的钆基材料的中子/伽马甄别系统，其特征在于，所述钆基材料薄片直接粘合或通过光路耦合在所述光电倍增管上。
4.根据权利要求2所述的钆基材料的中子/伽马甄别系统，其特征在于，所述伽马射线探测器放置于钆基材料薄片的后方。
5.根据权利要求4所述的钆基材料的中子/伽马甄别系统，其特征在于，所述伽马射线探测器放置在钆基材料薄片的四周侧面。
6.根据权利要求1所述的钆基材料的中子/伽马甄别系统，其特征在于，所述双通道数字多道谱仪设置为对两路脉冲信号依次进行AD转换、数字滤波、提取脉冲到达时间，以获取两路脉冲信号的到达时间的时间差。
7.根据权利要求1所述的钆基材料的中子/伽马甄别系统，其特征在于，所述钆基材料薄片的厚度小于1mm。
8.根据权利要求1所述的钆基材料的中子/伽马甄别系统，其特征在于，所述伽马射线探测器采用闪烁体探测器、半导体探测器、电离室、正比计数管或G-M计数管。
9.一种钆基材料的中子/伽马甄别方法，其特征在于，包括：
步骤S1：符合时间阈值测定步骤，其包括：
步骤S11：将根据权利要求1-8之一所述的钆基材料的中子/伽马甄别系统置于中子通量相对确定位置；
步骤S12：设置阈值时间的推测值，利用阈值时间的推测值和所述钆基材料的中子/伽马甄别系统来测定中子计数率；
步骤S13：确定测定的中子计数率与实际的中子通量是否相符，如果相符，将此时的阈值时间的推测值确定为阈值时间并结束流程；否则，调整阈值时间的推测值，并回到步骤S12；
步骤S2：中子/伽马在线甄别及探测步骤，其包括：
设定阈值时间，利用阈值时间在所述钆基材料的中子/伽马甄别系统的双通道数字多道能谱仪内部同时处理两路脉冲信号，当两路脉冲信号的到达时间的时间差小于阈值时间时，双通道数字多道能谱仪进行中子信号的事件计数并进一步提取两路脉冲信号的幅度值，分别记录在中子响应能谱和伽马能谱里。
CN202210146411.6A 2022-02-17 2022-02-17 一种钆基材料的中子/伽马甄别系统及方法 Pending CN114509801A (zh)

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