一种钆基材料的中子/伽马甄别系统及方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术的中子/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。子/伽马甄别。子/伽马甄别。

【技术实现步骤摘要】
一种钆基材料的中子/伽马甄别系统及方法


[0001]本专利技术属于辐射探测领域，具体涉及一种中子/伽马甄别系统及方法。

技术介绍

[0002]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)。
[0003]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
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B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。
[0004]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。
[0005]天然钆具有最大的热中子截面，其截面是3He、
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B、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。
[0006]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。
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Gd、
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Gd的中子反应方程如下：
[0007][0008]同位素
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Gd和
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Gd在吸收一个中子后生成寿命极短的不稳定激发态核素
158
Gd
*
和
156
Gd
*
，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。
[0009]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。
[0010]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
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B、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。
[0011]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。

技术实现思路

[0012]本专利技术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。
[0013]为了实现上述目的，本专利技术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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]所述伽马射线探测器放置于钆基材料薄片的后方。
[0017]所述伽马射线探测器放置在钆基材料薄片的四周侧面。
[0018]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。
[0019]所述钆基材料薄片的厚度小于1mm。
[0020]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
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M计数管。
[0021]另一方面，本专利技术提供一种钆基材料的中子/伽马甄别方法，包括：
[0022]S1：符合时间阈值测定步骤，其包括：
[0023]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；
[0024]S12：设置阈值时间的推测值，利用阈值时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄跃峰，李勇平，陈永忠，侯会良，黄国庆，蔡创雄，
申请(专利权)人：中国科学院上海应用物理研究所，
类型：发明
国别省市：