微通道板式快中子位置气体探测器及其探测方法技术

本发明专利技术提供了一种微通道板式快中子位置气体探测器及其探测方法，它涉及核技术应用领域；探测器包括带进排气孔的气体腔室、漂移阴极、微通道结构板、气体电子倍增器、高压分压电路、读出PCB、工作气体；所述带进排气孔的气体腔室内有漂移阴极，漂移阴极的下方设置有微通道结构板，微通道结构板的下方设置有气体电子倍增器，气体电子倍增器的下方设置有读出PCB；所述工作气体充满整个腔室和微通道结构板中的微通道。本发明专利技术所述的微通道板式快中子位置气体探测器能够在高计数率下正常工作，可用于大工件的无损检测和集装箱扫描安检。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般性的涉及核技术应用领域，特别是无损检测领域。更具体地，本专利技术涉及微通道板式快中子位置气体探测器及其探测方法。
技术介绍
相对于X射线，中子具有更强的穿透能力，这使得中子成像技术在大工件的无损检测领域有更广阔的应用前景，其中快中子具有比热中子更强的穿透能力，是集装箱扫描和大工件探伤的理想探针。对于聚乙烯慢化体加3He吸收介质的常规快中子探测手段，正由于3He供气不足而使得成本飙升。而且基于这种先将快中子慢化再探测热中子的技术手段得到的位置分辨率往往不高。为此急需寻找替代方案。基于聚乙烯等含氢物质的核反冲法探测快中子是业内经典方法。这种方法的原理是：快中子在聚乙烯转化体中与氢核发生敲出反应，将氢核敲出而形成反冲质子，反冲质子逃逸出聚乙烯后会在飞行过程中电离周围气体，产生电子离子对，电子、离子在电场作用下分别往阳极和阴极漂移并感应出信号。基于聚乙烯等含氢物质的核反冲法探测效率往往不高。这是因为对于较厚的聚乙烯转化体，反冲质子很难从其中逃逸出来，为此转化体往往很薄，这又使得中子敲出反冲质子的概率很低。而且基于上述两种探测方法制成的，目前普遍使用的正比计数管所获得的信号主要是由正离子贡献。由于正离子漂移速度一般比电子慢三个数量级，导致信号收集时间长，无法在高计数率下正常工作。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种无需昂贵气体3He的快中子探测器，以降低成本，推动快中子成像技术的发展。本专利技术的一个进一步的目的是在基于核反冲法的前提下提高快中子探测效率。本专利技术的另一个进一步的目的是在提高快中子探测效率的同时提高快中子的空间分辨率，以满足高分辨精度中子成像的需求。本专利技术的另一个进一步的目的是在实现以上目的前提下提高快中子探测器正常工作的计数率上限。总体而言，本专利技术创造性地采用如下基本思路实现本专利技术的上述目的，即：利用含氢材料为转化体，作为中子信号形成介质。利用微通道板几何结构上通道多、分布均匀的特点，提高反冲质子逃逸出转化体的几率，并利用电场将反冲质子在通道中电离出的电子拉出通道，随后获取信号。这样一来巧妙的解决了中子作用几率和反冲质子逃逸几率相互制约的矛盾，提高探测效率。利用微通道板几何结构上通道直径小、反冲质子在固体材料中射程较短的特点，把中子信号限制在入射点附近，提高空间分辨率。并利用气体电子倍增器放大电子信号屏蔽离子信号的特点，使得探测器信号绝大部分为电子信号所构成的快成分，去掉了正离子带来的信号拖尾，这样一来单个信号收集时间大大缩短，在较高计数率下仍能正常工作。针对本专利技术创造性提出的快中子探测器的新结构，本专利技术还提出了一种新探测方法，这是为了保证本专利技术中的快中子探测器能更好的实现上述目的。基于微通道板式快中子位置气体探测器的探测方法，包括以下步骤：为了保留快中子的位置信息，需保证透射快中子束流具有较好的平行度。将中子准直器置于待成像物体与所述的微通道板式快中子位置气体探测器之间，对已穿过待成像物体的快中子进行准直。经过中子准直器后所有的快中子几乎沿相同方向飞行。利用中子准直器，使得快中子束流的入射方向与微通道结构板法线夹角被限定在-5°~5°。快中子在微通道结构板内敲出反冲质子，反冲质子逃逸到充满工作气体的微通道中并电离出大量电子离子对，电子在电场的拉拽作用下漂移出微通道，随后进入气体电子倍增器中发生雪崩放大，并在读出PCB上感应出信号，通过信号位置来获取电子位置，通过电子位置与快中子入射位置的函数关系定位入射快中子。具体地，本专利技术提供的微通道板式快中子位置气体探测器包括：带进排气孔的气体腔室、漂移阴极、微通道结构板、气体电子倍增器、高压分压电路、读出PCB、工作气体；所述带进排气孔的气体腔室内设置有漂移阴极，漂移阴极的下方设置有微通道结构板，微通道结构板的下方设置有气体电子倍增器，气体电子倍增器的下方设置有读出PCB；所述工作气体充满整个腔室和微通道结构板中的微通道。作为优选，所述带进排气孔的气体腔室由铝或不锈钢制成。作为优选，所述漂移阴极由铝膜制成。作为优选，所述的微通道结构板由含氢材料制成；更为优选地，微通道结构板由高密度聚乙烯制成。作为优选，所述的微通道结构板呈长方体形状，其横截面是长方形，更为优选地，为正方形。所述的微通道结构板含有若干中空的微通道，微通道形状为圆柱体或长方体，其横截面相应地，为圆形或正方形。作为优选，所述工作气体以氩气等惰性气体为主，并混有二氧化碳或甲烷等猝灭气体。其中惰性气体所占比例为75%~98%。作为优选，所述的工作气体的工作气压在0.5atm~1.5atm之间，更为优选地，工作气体的工作气压为1.0atm，即一个标准大气压。作为优选，所述的读出PCB的阳极读出方式可以通过微条或者盘阵列读出，更优选地，为微条读出；为了与探测器的空间分辨精度更好的搭配，故更为优选地，读出PCB上每毫米至少有1根以上的读出条，用来获得电子在PCB上感应出的信号的幅度和位置。作为优选，所述的气体电子倍增器的数量为1~2个，更为优选地，气体电子倍增器的数量为一个，单个气体电子倍增器两端电压为300~600V。作为优选，所述高压分压电路在漂移阴极端接负高压，另一端接地。通过高压分压电阻串为气体腔室的不同位置提供不同的负高压，形成大小合适的、方向由读出PCB指向漂移阴极的电场以控制电子、离子的输运行为，并为气体电子倍增器提供高压分压。作为优选，所述中子准直器的材料为含氢材料、铁、铅中的一种或几种。作为优选，所述中子准直器的几何结构为微通道板式。作为优选，快中子束流的入射方向与微通道结构板法线夹角被限定在-5°~5°。作为优选，所述微通道板式快中子位置气体探测器还包括放大成形电路，其接收来自读出PCB的电信号并对其进行放大整形；延时电路，对来自放大成形电路的信号进行延时；触发计数电路，为位置提取电路提供触发信号触发其工作，同时对信号脉冲计数；位置提取电路，对经过延时的信号进行处理，提取位置信息，获取中子的入射位置。所述的放大成形电路的输出端与延时电路的输入端连接，延时电路的输出端与位置提取电路的输入端连接，位置提取电路的输入端还与触发计数电路的输出端连接。本专利技术所述的微通道板式快中子位置气体探测器完全摆脱了对昂贵气体3He的依赖。同时不需要任何浓缩同位素如10B、6Li等。成本相对较低。特别的，本专利技术所述的微通道板式快中子位置气体探测器利用微通道板的几何结构，在增加反冲质子产生概率的同时仍保证质子逃逸概率基本不变，同时把反冲质子和电子限制在入射快中子附近的通道内，从而把信号约束在快中子入射点附近，简单有效的实现了高位置分辨率和高探测效率。本专利技术所述的微通道板式快中子位置气体探测器能够在较高计数率下正常工作，适用于大工件的无损检测和集装箱扫描安检。根据下文结合附图对本专利技术优选实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本专利技术的上述以及其他目的，优点和特征。附图说明后文将会参照附图以示例性而非限定性方式对本专利技术的优选实施例进行详细描述。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应理解，这些附图未必是按比例绘制的。图1是本专利技术的示意性原理图；图2是图1中微通道结构板的一个实施例的俯视图；图3是构成图1中微通道结构板的一个实施例的示意性放大透视图；图4是利用简化后本文档来自技高网...

【技术保护点】
微通道板式快中子位置气体探测器，其特征在于它包括带进排气孔的气体腔室、漂移阴极、微通道结构板、气体电子倍增器、高压分压电路、读出PCB、工作气体；所述带进排气孔的气体腔室内设置有漂移阴极，漂移阴极的下方设置有微通道结构板，微通道结构板的下方设置有气体电子倍增器，气体电子倍增器的下方设置有读出PCB；所述工作气体充满整个腔室和微通道结构板中的微通道；所述高压分压电路位于带进排气孔的气体腔室之外，在漂移阴极端接负高压，另一端接地。

【技术特征摘要】
1.微通道板式快中子位置气体探测器，其特征在于它包括带进排气孔的气体腔室、漂移阴极、微通道结构板、气体电子倍增器、高压分压电路、读出PCB、工作气体；所述带进排气孔的气体腔室内设置有漂移阴极，漂移阴极的下方设置有微通道结构板，微通道结构板的下方设置有气体电子倍增器，气体电子倍增器的下方设置有读出PCB；所述工作气体充满整个腔室和微通道结构板中的微通道；所述高压分压电路位于带进排气孔的气体腔室之外，在漂移阴极端接负高压，另一端接地。2.微通道板式快中子位置气体探测器的探测方法，其特征在于它包括以下步骤：为了保留快中子的位置信息，需保证透射快中子束流具有较好的平行度；将中子准直器置于待成像物体与所述的微通道板式快中子位置气体探测器之间，对已穿过待成像物体的快中子进行准直；经过中子准直器的透射快中子几乎沿相同方向飞行；利用中子准直器，使得快中子束流的入射方向与微通道结构板法线夹角被限定在-5°~5°；快中子在微通道结构板内敲出反冲质子，反冲质子逃逸到充满工作气体的微通道中并电离出大量电子离子对，电子在电场的拉拽作用下漂移出微通道，随后进入气体电子倍增器中发生雪崩放大，并在读出PCB上感应出信号，通过信号位置来获取电子位置，通过电子位置与快中子入射位置的函数...

【专利技术属性】
技术研发人员：章先鸣，
申请(专利权)人：章先鸣，
类型：发明
国别省市：甘肃;62