一种快中子探测器的制作方法

本发明属于中子探测技术领域，具体涉及一种快中子探测器。

背景技术：

中子场几乎都伴有伽马射线，如裂变装置、²⁵²cf中子源、am-be中子源等的辐射场。在中子/伽马混合辐射场中开展快中子（特指中子能量在100kev-20mev的中子）的注量测量时，伽马射线会在中子探测器中形成干扰信号，造成错误计数。为此，本领域技术人员正在研究具有较高的中子/伽马分辨能力、较快的响应时间并具有较高的中子探测效率的快中子探测器。

中国专利文献库公开了一种使用常压氦气（⁴he气）和聚乙烯转换靶组合的快中子探测器（cn102628954a），这种快中子探测器利用快中子和聚乙烯转换靶作用产生反冲质子，以及快中子和⁴he气作用产生反冲⁴he核，⁴he气受带电粒子激发后会发出闪烁光，实现了快中子探测。该快中子探测器依赖于常压氦气和聚乙烯转换靶作为灵敏物质来探测快中子，导致其设计探测效率偏低。同时，该快中子探测器不具备将⁴he气发出的紫外光（峰值波长约80nm）进行波长转换的部件，所产生的紫外光子被石英窗吸收而无法进入光电探测器，导致探测器的中子探测效率难以达到预期。此外，该快中子探测器中采用的单向入射窗结合转换靶的构型仅对入射窗方向上的部分中子灵敏，导致探测器对不同入射方向的中子响应不均匀。以上缺陷限制了该中子探测器的推广应用。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种快中子探测器。

本发明的快中子探测器，其特点是：所述的探测器包括上半球、下半球，上半球与下半球相扣组成球形腔体，上半球和下半球的内表面涂覆有波长转换层，球形腔体内充满闪烁气体。上半球的顶部安装有充气装置。下半球的底部安装有观察窗，观察窗与套筒固定连接，套筒内安装有光电探测器。

所述的闪烁气体为⁴he气；

所述的波长转换层的材料为1-1-4-2四苯基-1-3-丁二烯。

所述的上半球开口处设置有上法兰，下半球开口处设置有下法兰，上法兰和下法兰之间有密封圈，上半球和下半球之间通过紧固螺栓固定连接，上半球与下半球密封连接成球形腔体。

所述的上半球和下半球的半球内径范围为80mm-200mm。

所述的闪烁气体的气压范围为50atm-180atm。

所述的观察窗的材料为蓝宝石或石英玻璃中的一种。

所述的充气装置包括三通和手动阀，三通的顶端与手动阀相连，三通的下端与上半球相通，三通的侧端与压力表相连。

所述的充气装置上安装有压力表。

本发明的快中子探测器利用中子与⁴he原子核反应产生的带电粒子激发气体发出紫外光，再通过波长转换层将紫外光转换为可见光，从而通过光电探测器实现对中子的探测，具有如下优点：

1.本发明的快中子探测器对快中子的探测效率高。

本发明的快中子探测器采用的⁴he气体与快中子作用截面较高，⁴he气体对自身发出的紫外光透明，通过增加⁴he气压可进一步提高中子与⁴he核反应概率。利用波长转换材料可以使⁴he气体发出的紫外光转换为可见光，可见光能够透过观察窗被光电探测器探测到，从而达到提高中子探测效率的目的。计算结果表明，对能量为1.25mev的快中子采用120atm的⁴he气体可达到8.1%的中子探测效率。

2.本发明的快中子探测器对快中子的角度响应平坦。

本发明的快中子探测器采用两个半球壳组成球形的探测器灵敏腔体，能够对4π方向的中子均匀响应，同时球形波长转换层可以实现均匀的光收集，从而使得探测器的角度响应平坦。计算结果表明，中子入射方向在0-180°变化所引起探测效率变化比例不超过4.2%。

3.本发明的快中子探测器的时间响应较快。

本发明的快中子探测器采用⁴he作为气体闪烁体，而⁴he受激后的退激发光半衰期短（10ns），因此本探测器的时间响应较快。

4.本发明的快中子探测器具有较高的快中子/伽马分辨能力。

⁴he气体的电子密度低，从而与伽马射线作用的概率低；⁴he气体的发光效率与粒子种类无关，仅与能量沉积相关，而⁴he气体对电子的阻止本领远小于对α粒子的阻止本领，从而极大降低了伽马射线在探测器中产生的信号幅度。因此，本发明的快中子探测器可以实现较高的快中子/伽马分辨能力。计算结果表明，探测器对能量同为1.25mev的快中子和伽马的分辨能力可达10.03。

本发明的快中子探测器是能够在中子/伽马混合辐射场中测量快中子注量的计数型中子探测器，具有较高探测效率、较好方向性和较高中子/伽马分辨能力。

附图说明

图1为本发明的快中子探测器的结构示意图；

图2为本发明的快中子探测器的探测效率图；

图3为本发明的快中子探测器的对不同入射方向中子的探测效率计算结果；

图4为本发明的快中子探测器的能量沉积谱；

图中，1.上半球2.下半球3.波长转换层4.闪烁气体5.观察窗6.光电探测器7.套筒8.充气装置9.压力表10.上法兰11.下法兰12.密封圈13.紧固螺栓81.三通82.手动阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明。

实施例1

在图1中，本发明的一种快中子探测器，包括上半球1、下半球2，上半球1与下半球2相扣组成球形腔体，上半球1和下半球2的内表面涂覆有波长转换层3、球形腔体内部充满闪烁气体4。上半球1的顶部安装有充气装置8，充气装置8上安装有压力表9。下半球2底部安装有观察窗5，观察窗5与套筒7固定连接，套筒7内安装有光电探测器6。

上半球1的开口处设置有上法兰10，下半球2的开口处设置有下法兰11，上法兰10和下法兰11之间设置有密封圈12，上半球1和下半球2之间通过紧固螺栓13固定连接，上半球1与下半球2密封连接成球形腔体。

上半球1和下半球2采用4mm厚的不锈钢，半球内径为100mm；波长转换层3采用1-1-4-2四苯基-1-3-丁二烯，质量厚度为0.2mg/cm²；闪烁气体4采用⁴he气体，其气压为120atm，气体纯度99.9999%；观察窗5采用直径为40mm，厚度为6mm的蓝宝石，通过焊接的方式固定在下半球2的底部；光电探测器6采用光电倍增管，从侧面固定在观察窗5上的套筒7插入，使光电倍增管前端面与观察窗5贴合；充气装置8包括设置在上半球1顶部的三通81以及手动阀82；三通81与手动阀82相连，三通81的下端与上半球1相通，压力表9与三通81相连，用于监测闪烁气体4的压强；上半球1和下半球2的内表面均经过抛光处理，目的是减少表面放出杂质气体。

本发明的一种快中子探测器中的中子与⁴he气体中的⁴he原子核发生弹性散射产生反冲⁴he核（即α粒子），反冲⁴he核在⁴he气体中沉积能量并激发⁴he气体发出峰值波长约80nm的紫外光子，紫外光子再激发波长转换层中的波长转换材料（即1-1-4-2四苯基-1-3-丁二烯）发出峰值波长约420nm的可见光，该可见光透过观察窗并被光电倍增管接收并产生信号，从而实现中子探测。

（1）⁴he气体受激后发出的紫外光子无法穿透观察窗，而采用波长转换材料可以使紫外光转换为可见光，可见光能够透过观察窗被光电探测器探测到，从而实现中子探测；利用⁴he气体与快中子作用截面较高，反冲⁴he核能量大，且⁴he气体对自身发出的紫外光透明的特点，通过增加⁴he气压以增大中子与⁴he核反应概率，从而达到提高中子探测效率的目的。

（2）两个半球壳组成球形的探测器灵敏腔体能够对4π方向的中子均匀响应，同时球形波长转换层可以实现均匀的光收集，从而使得探测器的角度响应平坦；

（3）⁴he原子序数低，且其气体的电子密度低，从而与伽马射线作用的概率低；同时，⁴he气体的发光效率与粒子种类无关，仅与能量沉积相关，而⁴he气体对电子的阻止本领远小于对α粒子的阻止本领，从而极大降低了伽马射线在探测器中产生的信号幅度，可以实现较高的快中子/伽马分辨能力。

如图2所示，实施例1给出了采用蒙特卡洛方法模拟计算的探测器在不同⁴he气压下对1.25mev快中子的探测效率，从图上可知，增大探测器内的⁴he气压可以线性地提高中子探测效率，当气压增大到120atm时中子探测效率高达8.1%。

如图3所示，实施例1对各入射方向的中子响应十分平坦。

如图4所示，1.25mev的快中子和1.25mev的伽马射线分别在该探测器中的能量沉积谱，实施例1的快中子在探测器中能量沉积比伽马射线的能量沉积多。

本实施例的观察窗的材料还可以更换为石英玻璃。

实施例2

本实施例与实施例1的实施方式基本相同，主要区别在于，上半球1和下半球2的内径为80mm，⁴he气压为50atm。本实施例与实施例1的有益效果基本相同，主要区别在于本实施例对1.25mev快中子的探测效率为3.37%。

实施例3

本实施例与实施例1的实施方式基本相同，主要区别在于，上半球1和下半球2的内径为200mm，⁴he气压为180atm。本实施例与实施例1的有益效果基本相同，主要区别在于本实施例对1.25mev快中子的探测效率为4.51%。