CN204166139U - 中子二维位置探测器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种中子二维位置探测器，所述的中子二维位置探测器包括：中子敏感闪烁体；波移光纤阵列，设置在所述中子敏感闪烁体的下方，用于收集所述中子敏感闪烁体产生的闪烁光；光电转换器件，所述光电转换器件的一端连接所述波移光纤阵列，另一端连接信号输出端口，所述的光电转换器件接收所述的闪烁光，并将所述的闪烁光进行光电转换后通过所述的信号输出端口输出。本实用新型的中子二维位置探测器在实现大面积中子位置探测时，可以将光纤阵列与光电转换器件连接的一端转弯，以减小探测器的探测死区，同时利用多个小面积中子二维位置探测器拼接的方式，可以实现大面积中子位置探测。
Description
技术领域
本实用新型是关于中子探测技术，特别是关于一种中子二维位置探测器。
背景技术
中子和X射线都是人类探索物质微观结构的有效探针。自英国物理学家查德威克(J.Chadwick)在1932年发现中子后，中子及中子散射技术的应用使人们对物质微观结构的认识日新月异。与X射线不同，中子不带电，能轻易的穿透电子层，与原子核发生核反应，其质量衰减系数与入射的中子能量和物质的原子核截面有关。因此，可以说中子是目前研究物质结构和动力学性质的理想探针。中子散射技术利用低能中子的波长与原子间距相近，同时能量和原子、分子的热运动能量大体相当的特点,来研究物质结构和运动状态。散射后的中子需要用位置灵敏型中子探测器接收，以获得散射中子的出射角度，为分析物质结构提供有效信息。这要求中子探测器具有以下几点性能：高计数率、高探测效率、大立体角、高定位精度和高n/γ抑制比。
目前市面上常用的中子探测器，主要是3He型气体探测器,如美国GE Energy公司生产的高气压3He位置敏感正比计数器。近些年由于反恐形势需要和全世界3He的匮乏，使 3He价格暴涨，近3年3He气体价格涨幅超过20倍，基于3He的中子探测器也就十分昂贵。以1英寸的一个大气压3He位置敏感正比计数器为例,目前的报价在10万人民币以上,这样一个的1m2探测器阵列造价在300万以上。
为满足各种科学需要，许多实验室都在研发新型中子探测器以替代3He型中子探测器，如半导体中子探测器,涂硼GEM中子探测器。这些探测器都处在研发阶段,面临的主要问题是中子探测效率低,n/γ抑制比不高,同时受限于技术层面的问题,其关键部件同样造价昂贵。闪烁体探测器是近几年发展比较成熟的，用于中子探测的新型闪烁体。主要基于市面上制造工艺日趋成熟的，掺中子敏感材料的闪烁体,其与中子反应，产生闪烁光，利用光电转换器件实现对中子的探测。
但基于中子敏感闪烁体的探测器，其对中子位置的探测，目前主要通过后端光电转换器件来实现，如利用带位置分辨的光电倍增管或CCD相机，这些设备造价昂贵，同时难以实 现大面积的中子位置探测。
实用新型内容
本实用新型提供一种中子二维位置探测器，以提高定位精度高、实现大面积制作，同时降低成本。
为了实现上述目的，本实用新型提供一种中子二维位置探测器，所述的中子二维位置探测器包括：
中子敏感闪烁体，所述中子敏感闪烁体的下表面涂有铝基材；
波移光纤阵列，设置在所述中子敏感闪烁体的下方，用于收集所述中子敏感闪烁体产生的闪烁光；
光电转换器件，所述光电转换器件的一端连接所述波移光纤阵列，另一端连接信号输出端口，所述的光电转换器件接收所述的闪烁光，并将所述的闪烁光进行光电转换后通过所述的信号输出端口输出。
在一实施例中，所述的波移光纤阵列由两层排布方向互相垂直的波移光纤构成，分别收集所述中子敏感闪烁体的闪烁光在X和Y方向的分布；每层所述波移光纤的一端连接所述光电转换器件，另一端镀有反射材料。
在一实施例中，所述的波移光纤具有芯层及包层，所述芯层中包含波移物质。
在一实施例中，所述的波移光纤通过光导材料或空气耦合所述的光电转换器件。
在一实施例中，所述波移光纤与光电转换器件连接的一端具有一弯折部。
在一实施例中，两层所述波移光纤之间的间距为0.5-5mm。
在一实施例中，所述的反射材料包括铝膜或银膜。
本实用新型的中子二维位置探测器的主要部件在市面上制造工艺成熟，获取渠道广泛。探测器整体结构简单，易于实现，总体造价远远低于传统的位置分辨型中子探测器。
本实用新型的中子二维位置探测器，利用波移光纤阵列实现对中子敏感闪烁体上入射中子位置的重建，波移光纤阵列结构上灵活多变，可根据具体的物理需求改变相应结构，如光纤间距和光纤组合方式等，以改善位置分辨。
本实用新型的中子二维位置探测器在实现大面积中子位置探测时，可以将光纤阵列与光电转换器件连接的一端转弯，以减小探测器的探测死区，同时利用多个小面积中子二维位置探测器拼接的方式，可以实现大面积中子位置探测。
综上，本实用新型的光纤阵列读出型中子位置探测器具有定位精度高和可大面积制作 等优点，同时和目前其他中子探测器相比，造价低廉。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例的中子二维位置探测器俯视图；
图2为本实用新型实施例的中子二维位置探测器侧视图；
图3为本实用新型实施例的中子二维位置探测器的波移光纤结构示意图；
图4为本实用新型实施例的入射中子在中子敏感闪烁体中的反射示意图；
图5为本实用新型实施例在H8500上得到的波移光纤阵列XY方向上的光信号分布示意图；
图6A及图6B为本实用新型实施例在H8500上得到的波移光纤阵列XY方向上的光信号分布的高斯拟合示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
如图1、图2及图3所示，本实用新型提供一种中子二维位置探测器，该中子二维位置探测器包括：波移光纤阵列1、中子敏感闪烁体2、及光电转换器件3。
闪烁体是一种将高能光子(x射线，γ射线)或粒子(强子、电子、质子、α粒子等)的电离能转化成紫外/可见光子的光电导型发光材料。要实现对热中子的有效探测，闪烁体材料基质内必须引入对热中子吸收截面较大的6Li、10B、157Gd、155Gd等核素。中子敏感闪烁体，主要就是基于中子敏感材料的核反应，其所产生的带电粒子在闪烁体内给出可探测的输出脉冲。迄今为止，世界上各个实验室和公司研究过的中子敏感闪烁材料有很多，例如：液体闪烁体 BC-501A、塑料闪烁体ST401、粉体材料LiF/ZnS:Ag、晶体材料LiI(Eu)、LiBaF3、Cs2LiYCl6:Ce、Li2B 4O7、LiYSiO4:Ce及Li6Gd(BO3)3:Ce等。
目前市面上应用广泛的中子敏感闪烁体，主要是掺6Li的ZnS闪烁体，在ZnS(Ag)无机闪烁体中掺杂6LiF的6LiF/ZnS(Ag)，锂玻璃，掺6Li或10B的塑料闪烁体等。本实用新型以中子敏感闪烁体6LiF/ZnS(Ag)为例进行说明，对于中子敏感闪烁体6LiF/ZnS(Ag)，入射中子与闪烁体中的6Li核反应，产生次级带电粒子，带电粒子在ZnS(Ag)中闪烁发光，最终出射一定数量的蓝光光子。
由于6LiF/ZnS(Ag)等中子敏感闪烁体为粉末状，需要通过胶固化后涂在一定厚度的铝基材以增加其机械强度。在一实施例中，中子敏感闪烁体6LiF/ZnS(Ag)的厚度设置为400μm，面积100×100mm2，铝基材面积与中子敏感闪烁体6LiF/ZnS(Ag)相同，厚度为1mm，并非用于限定。本实用新型中，中子敏感闪烁体6LiF/ZnS(Ag)及铝基材的厚度可以根据具体情况设置。
波移光纤阵列1设置在中子敏感闪烁体2的下方，并连接光电转换器件3，实现对中子敏感闪烁体2产生的闪烁光的收集，并将收集的闪烁光传输给光电转换器件3。如图1、图2及图3所示，中子敏感闪烁体2在铝基材的下方，波移光纤阵列1贴近中子敏感闪烁体2的表面放置(波移光纤阵列1位于中子敏感闪烁体2无铝基材的一面)。
光电转换器件3的一端连接波移光纤阵列1，另一端连接信号输出端口。光电转换器件3接收中子敏感闪烁体2产生的闪烁光，将闪烁光进行光电转换，生成电信号，然后通过信号输出端口将电信号输出。信号输出端口连接至后端的电子学系统和数据获取系统，电子学系统和数据获取系统对光电转换器件3得到的电信号分析，通过对该电信号的分析，可以判断处于何位置的波移光纤传输了多少光子，从而推出中子敏感闪烁体2上相应的中子入射位置。单个方向排布的光纤阵列得到该方向维度上中子的位置信息，两个垂直方向双层光纤排列就可以得到入射中子的二维信息。
需要说明的是：本实用新型的中子二维位置探测器的作用是为电子学系统和数据获取系统提供电信号，作为入射中子的二维信息分析的数据源。另外，电子学系统和数据获取系统对电信号进行分析，已为本领域的公知技术，并非本实用新型的保护范畴。
如图1、图2及图3所示，波移光纤阵列1由两层排布方向互相垂直的波移光纤构成，分别收集中子敏感闪烁体2的闪烁光在X和Y方向的分布。每层波移光纤的可以不规则排列，两层波移光纤之间的间距可以设置为0.5-5mm，本实用新型不以此为限。
在一实施例中，每层波移光纤的一端连接光电转换器件，另一端4镀有反射材料，该 反射材料可以为铝膜或银膜。波移光纤可以通过光导材料或空气耦合光电转换器件3。
如图4所示，波移光纤具有芯层5及包层6，芯层5中包含波移物质，波移物质将某一波长入射的光子吸收并转化成波长较长的光子，转化后的光子在波移光纤内利用包层6与空气界面全放射，将光子传输到光纤两端。包层6可以有单层或多层，包层6的作用是可以增加波移光纤的光传输效率。
具体实施时，如图4所示，当入射中子与6LiF/ZnS(Ag)反应产生蓝光后，接近入射中子位置的波移光纤吸收入射到光纤芯层的蓝光并转化成绿光，利用全反射原理将绿光传输到波移光纤的两端。光纤两端需要经抛光处理，然后一端镀上高反射率的银膜(反射率>80％)，一端与光电转换器件3的玻璃窗耦合。传输到波移光纤两端的绿光，一端直接进入光电转换器件3玻璃窗，另一端经银膜反射，最终也将传输到光电转换器件3的玻璃窗。
常用的光电转换器件有光电倍增管PMT(Photo Multiplier Tube)，半导体光探测器，电荷耦合原件CCD(Charge-coupled Device)等。由于半导体光探测器和CCD价格昂贵，小面积制作时可考虑使用，大面积情况下主要采用光电倍增管作为光电转换器件。
本实用新型的中子二维位置探测器，在实现大面积中子位置探测时，为了减小探测器的探测死区，可以将光纤阵列与光电转换器件连接的一端转弯形成一弯折部7。为了实现大面积中子位置的探测，可以同时利用多个小面积中子二维位置探测器拼接的方式，实现大面积中子位置探测。
为了更好的说明本实用新型，下面结合具体的实施例进行描述，本实施例中，中子敏感闪烁体采用6LiF/ZnS(Ag)，光电转换器件3采用多阳极光电倍增管MA-PMT。
如上所述，中子敏感闪烁体6LiF/ZnS(Ag)主要是在ZnS(Ag)无机闪烁体中掺杂6LiF，入射中子与中子敏感闪烁体6LiF/ZnS(Ag)中的6Li核反应，产生次级带电粒子，带电粒子在ZnS(Ag)中闪烁发光，最终出射一定数量的蓝光光子。由于6LiF/ZnS(Ag)为粉末状，通过胶固化后涂在一定厚度的铝基材以增加其机械强度。在一实施例中，中子敏感闪烁体 6LiF/ZnS(Ag)厚度400μm，面积100×100mm2，铝基材面积相同，厚度为1mm。
波移光纤阵列位于闪烁体无铝基材的一面，当入射中子与6LiF/ZnS(Ag)反应产生蓝光后，接近入射中子位置的波移光纤吸收入射到波移光纤芯层的蓝光，转化成绿光，利用全反射原理将绿光传输到波移光纤两端。波移光纤两端经抛光处理后，一端镀上高反射率的银膜(反射率>80％)，一端与多阳极光电倍增管MA-PMT的玻璃窗耦合。传输到波移光纤两端的绿光，一端直接进入光电倍增管的玻璃窗，另一端经银膜反射，最终也传输到光电倍增管的玻璃窗。
波移光纤阵列的两层波移光纤紧贴，与中子敏感闪烁体6LiF/ZnS(Ag)的间距为1mm，每层分别由50根光纤构成，光纤间距均为2mm，也可以不规则排列。
多阳极光电倍增管MA-PMT连接在波移光纤的一端，采用H8500MA-PMT，其工作单元为8×8个，需要两个H8500来接收双层波移光纤的光信号：一个H8500接X方向排列的光纤，每根光纤的一端都耦合到H8500的一个工作单元上，每一层的50根光纤接H8500对应于50个工作单元；另一个H8500接Y方向排列的光纤，具体接法与X方向光纤接法一致。
多阳极光电倍增管MA-PMT连接至后端的电子学系统和数据获取系统，电子学系统和数据获取系统实现对每个工作单元的光电信号进行放大成形，并进行模数转化，转化后的数字信号经获取系统记录存储。根据所有H8500工作单元上的光电信号，可以得到两层光纤上的光信号分布，通过对两层光信号分布的高斯拟合，可以得到XY方向上光信号分布的中心位置，其对应的就是入射中子在XY方向上的位置。H8500上得到的波移光纤阵列XY方向上光信号分布如图5及图6A及图6B所示。
本实用新型中应用了具体实施例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。
Claims (7)
1.一种中子二维位置探测器，其特征在于，所述的中子二维位置探测器包括：
中子敏感闪烁体，涂在铝基材上；
波移光纤阵列，设置在所述中子敏感闪烁体的下方，用于收集所述中子敏感闪烁体产生的闪烁光；
光电转换器件，所述光电转换器件的一端连接所述波移光纤阵列，另一端连接信号输出端口，所述的光电转换器件接收所述的闪烁光，并将所述的闪烁光进行光电转换后通过所述的信号输出端口输出。
2.根据权利要求1所述的中子二维位置探测器，其特征在于，所述的波移光纤阵列由两层排布方向互相垂直的波移光纤构成，分别收集所述中子敏感闪烁体的闪烁光在X和Y方向的分布；每层所述波移光纤的一端连接所述光电转换器件，另一端镀有反射材料。
3.根据权利要求2所述的中子二维位置探测器，其特征在于，所述的波移光纤具有芯层及包层，所述芯层中包含波移物质。
4.根据权利要求2所述的中子二维位置探测器，其特征在于，所述的波移光纤通过光导材料或空气耦合所述的光电转换器件。
5.根据权利要求2或4所述的中子二维位置探测器，其特征在于，所述波移光纤与光电转换器件连接的一端具有一弯折部。
6.根据权利要求2所述的中子二维位置探测器，其特征在于，两层所述波移光纤之间的间距为0.5-5mm。
7.根据权利要求2所述的中子二维位置探测器，其特征在于，所述的反射材料包括铝膜或银膜。
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