利用NaI(TI)闪烁体降低γ射线干扰的中子探测方法及设备与流程

本发明属于辐射测量技术领域，具体涉及利用nai(ti)闪烁体降低γ射线干扰的中子探测方法及设备。

背景技术：

众所周知，空间粒子辐射环境不仅包括质子、电子等带电粒子，同时也包括中子(n)、x射线等非带电粒子。中子作为一种重要的非带电粒子，一直受到人们的广泛关注，与中子相关的探测技术一直是人们研究的热点。由于存在中子的场合往往都伴随着大量的γ射线，因此去除γ射线对中子信号的干扰是中子探测领域的研究热点及难点。中子与γ射线的甄别是违禁品检测、环境辐射检测、军事以及深空探测等中子探测技术的基础，具有极其重要的理论及实际意义。

选择中子探测器时，除了关心其中子探测效率、能量或时间分辨性能、寿命等多种性能指标与参数外。还需关心其是否具有良好的γ射线甄别能力或是较差的γ射线响应。⁶lii闪烁体是中子探测技术中一种重要的探测器(是探测慢中子、特别是热中子的高效率探测器。例如10mm厚度，富集⁶li的碘化锂闪烁体对热中子的探测效率已达到100％)，它材料密度大，阻止本领强，具有很高的探测灵敏度,但同时它对γ射线响应也很灵敏(见图2所示)。实验表明，⁶lii闪烁体在低能γ射线照射下，具有较好的耐γ辐射性能。但是对于能量大于1mev的高能γ射线，探测灵敏度较高，这对其中子探测极为不利。因此用⁶lii闪烁体探测中子射线时，如何降低或消除其γ射线响应是其必须要解决的关键问题之一。目前，用⁶lii闪烁体作为中子剂量当量率仪的探测器时，主要采用脉冲幅度甄别技术来剔除γ射线信号，即利用中子射线和γ射线在⁶lii闪烁体中产生信号脉冲幅度的差异，在与⁶lii闪烁体相连的比较电路中设置一个电压幅值甄别阈值，将幅度较低的γ脉冲卡掉，从而只记录中子信号。这种方法在γ射线能量比较低的情况下效果良好，但是却忽略了能量为6.0mev的高能γ射线在⁶lii闪烁体中沉积的能量可以和⁶li(α,n)反应一样多。实际的n-γ比从1.0mev时的1000:1下降到6.0mev时的1:1。这时γ射线引起的响应将严重干扰中子剂量的测量结果，所以常用的脉冲幅度甄别技术在混合辐射场具有高能γ射线的情况下就会产生较大偏差。

技术实现要素：

为了有效的使用⁶lii闪烁体探测中子射线，通过γ射线信号甄别技术来降低其γ射线干扰是极为必要的。考虑到nai(ti)闪烁体具有对γ粒子辐射灵敏而对中子辐射相对不灵敏的优点，这种特性对提高n、γ混合的辐射场中测量中子射线时有效屏蔽γ辐射干扰是非常有意义的，所以将⁶lii和nai(ti)这两种闪烁体结合起来探测中子射线。在探测混合辐射场时，从⁶lii闪烁体的输出信号中，按相应的比例扣掉nai(ti)闪烁体的输出信号，便可以获得混合辐射场中的净中子信号。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是利用nai(ti)闪烁体降低γ射线干扰的中子探测方法，通过采用⁶lii闪烁体的⁶lii闪烁体探测器对混合辐射场中的中子射线进行探测时，在与所述⁶lii闪烁体相连的第一比较电路中设置第一电压幅值甄别阈值，将所述⁶lii闪烁体测到的低能γ射线的信号过滤掉，为了解决高能γ射线对测量效果的影响，采用所述的利用nai(ti)闪烁体降低γ射线干扰的中子探测方法，包括如下步骤：

(s1)，在所述⁶lii闪烁体附近设置一个采用nai(ti)闪烁体的nai(ti)闪烁体探测器；

(s2)，在所述nai(ti)闪烁体相连的比较电路中设置第二电压幅值甄别阈值，将所述nai(ti)闪烁体测到的所述低能γ射线的信号过滤掉；

(s3)，记录第一信号、第二信号；所述第一信号包括所述⁶lii闪烁体所测到的所述中子射线和所述高能γ射线的计数率；所述第二信号为所述nai(ti)闪烁体所测到的所述高能γ射线的计数率；

(s4)，计算净中子计数率，对所述第二信号乘以修正系数，通过在所述第一信号中减去乘以所述修正系数后的所述第二信号得到所述净中子计数率。

进一步，所述第一电压幅值甄别阈值为所述γ射线的能量为662kev时所述⁶lii闪烁体所探测得到的电压幅值；

所述第二电压幅值甄别阈值为所述γ射线的能量为662kev时所述nai(ti)闪烁体所探测得到的电压幅值；

所述低能γ射线是指能量小于等于662kev的γ射线；所述高能γ射线是指能量大于662kev的γ射线。

进一步，在所述步骤(s1)中还包括在所述⁶lii闪烁体外部设置中子响应层；所述nai(ti)闪烁体设置在所述中子响应层中部；所述中子响应层为聚乙烯慢化体；所述聚乙烯慢化体的厚度为8-10cm。

进一步，

在所述步骤(s4)中获得所述修正系数包括如下步骤：

(s4.1)将能量为662kev-3mev的γ放射源设置在距离所述⁶lii闪烁体、nai(ti)闪烁体直线距离60cm的照射位置上；

(s4.2)利用所述γ放射源产生662kev-3mev之间的不同的能量段的γ射线照射所述⁶lii闪烁体、nai(ti)闪烁体，并记录所述⁶lii闪烁体、nai(ti)闪烁体在不同的所述能量段的γ射线照射下所测得的计数率；

(s4.3)计算在同一个所述能量段的γ射线照射下的所述⁶lii闪烁体、nai(ti)闪烁体所测得的计数率的比值；

(s4.4)将步骤(s4.3)中各个所述能量段的γ射线照射下所测得的所述比值求平均值，所述平均值就是所述修正系数。

进一步，所述净中子计数率的计算公式为：

h(n)＝h(n,γ)-h(γ)*k

式中：

h(n)——最终所得的所述净中子计数率；

h(n,γ)——由所述⁶lii闪烁体所测得的中子射线和由所述⁶lii闪烁体所测得的能量高于662kev的所述高能γ射线的计数率；

h(γ)——由所述nai(ti)闪烁体所测得的能量高于662kev的所述高能γ射线的计数率；

k——修正系数，用于扣除由所述nai(ti)闪烁体所测得的能量高于662kev的所述高能γ射线的计数率。

为达到以上目的，本发明还公开了用于以上所述的中子探测方法的利用nai(ti)闪烁体降低γ射线干扰的中子探测设备，包括⁶lii闪烁体探测器，所述⁶lii闪烁体探测器包括依次连接的所述⁶lii闪烁体、设有偏置电压的pin发光二极管、第一前置放大电路、第一比较电路、第一整形电路、单片机系统，其中在所述第一比较电路中设置第一电压幅值甄别阈值，将所述⁶lii闪烁体测到的低能γ射线的信号过滤掉；其中，还包括与所述单片机系统相连的采用nai(ti)闪烁体的nai(ti)闪烁体探测器，在所述nai(ti)闪烁体相连的比较电路中设置第二电压幅值甄别阈值，将所述nai(ti)闪烁体测到的低能γ射线的信号过滤掉。

进一步，所述nai(ti)闪烁体探测器包括依次相连的nai(ti)闪烁体、设有高压的光电倍增管、第二前置放大电路、第二比较电路、第二整形电路，所述第二整形电路连接所述单片机系统；

在所述第二比较电路中设置所述第二电压幅值甄别阈值。

进一步，所述第一电压幅值甄别阈值为所述γ射线的能量为662kev时所述⁶lii闪烁体所探测得到的电压幅值；

所述第二电压幅值甄别阈值为所述γ射线的能量为662kev时所述nai(ti)闪烁体所探测得到的电压幅值；

所述低能γ射线是指能量小于等于662kev的γ射线；所述高能γ射线是指能量大于662kev的γ射线。

更进一步，在所述⁶lii闪烁体外部设置中子响应层，将所述nai(ti)闪烁体设置在靠近所述⁶lii闪烁体的位置；所述中子响应层用于将被测的所述中子射线慢化为热中子，便于所述⁶lii闪烁体对所述中子射线的测量。

进一步，所述nai(ti)闪烁体设置在所述⁶lii闪烁体外部的所述中子响应层中部。

进一步，所述中子响应层为聚乙烯慢化体，所述聚乙烯慢化体的厚度为8-10cm。

本发明的有益效果在于：

有利于对中子伴随γ射线辐射的混合辐射场的监测，为辐射防护工作提供更有利的条件，其中：

1.通过在与⁶lii闪烁体相连的第一比较电路中设置第一电压幅值甄别阈值，解决低能γ射线对中子测量的干扰；通过在⁶lii闪烁体附近设置一个采用nai(ti)闪烁体的nai(ti)闪烁体探测器，并在与nai(ti)闪烁体相连的比较电路中设置第二电压幅值甄别阈值，解决高能γ射线对中子测量的干扰；

2.通过对第一电压幅值甄别阈值和第二电压幅值甄别阈值进行明确的定义，保证了⁶lii闪烁体和nai(ti)闪烁体对低能γ射线的信号的过滤，进而保证了最终的净中子计数率的准确性；对低能γ射线和高能γ射线以662kev能量大小为界进行准确的区分，保证了⁶lii闪烁体对低能γ射线的信号的过滤，也保证了nai(ti)闪烁体对高能γ射线的测量的准确性；

3.通过在⁶lii闪烁体外部设置中子响应层能够增加中子(中子射线)的响应，提高⁶lii闪烁体对中子(中子射线)的探测效果；通过将nai(ti)闪烁体设置在中子响应层中部能够保证nai(ti)闪烁体对高能γ射线的探测效果更加准确；

4.通过对中子响应层的材质和厚度进行优选(材质为聚乙烯慢化体，厚度为8-10cm)能够保证⁶lii闪烁体对中子(中子射线)的探测效果更加准确；

5.通过对修正系数的数值范围的优选，能够进一步提高对净中子计数率的计算准确性。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中所述的利用nai(ti)闪烁体降低γ射线干扰的中子探测设备的外围电路结构示意图；

图2是本发明背景技术中所述的⁶lii闪烁体对热中子(经中子响应层慢化后的中子射线)、γ射线的响应曲线图；

图3是本发明具体实施方式中所述的nai(ti)闪烁体对γ射线的能量响应曲线图；其中横坐标表示γ射线的能量，纵坐标表示nai(ti)闪烁体对γ射线的响应；

图中：1-⁶lii闪烁体，2-pin发光二极管，3-偏置电压，4-第一前置放大电路，5-第一比较电路，6-第一整形电路，7-单片机系统，8-nai(ti)闪烁体，9-光电倍增管，10-第二前置放大电路，11-第二比较电路，12-第二整形电路、13-高压。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

nai(ti)闪烁体具有对带电粒子阻止本领强的特点，对γ射线具有较高的发光效率和良好的能量线性、灵敏度高、探测效率高，nai(ti)闪烁体的能量响应并不是线性的，为了能够获得较好的能量响应，nai(ti)闪烁体需要进行相应的能量补偿，经能量补偿后的nai(ti)闪烁体能量响应良好，从100多kev开始至3mev能量范围内的γ射线的响应趋于稳定(见图3，nai(ti)闪烁体对γ射线的能量响应曲线)。同时，nai(ti)闪烁体对中子射线响应不灵敏，与⁶lii闪烁体对中子射线的响应相比可以忽略，因此在⁶lii闪烁体附近再放置一个nai(ti)闪烁体探测器，用⁶lii闪烁体测到的计数率按相应比例减去nai(ti)闪烁体测到的计数率，就可得到更加精确的净中子计数率。

本发明提供的利用nai(ti)闪烁体降低γ射线干扰的中子探测方法，通过采用⁶lii闪烁体的⁶lii闪烁体探测器对混合辐射场中的中子射线进行探测时，为了解决低能γ射线对测量效果的影响，在与⁶lii闪烁体相连的第一比较电路中设置第一电压幅值甄别阈值，将⁶lii闪烁体测到的低能γ射线的信号过滤掉；从而只记录测到的中子射线的信号；为了解决高能γ射线对测量效果的影响，包括如下步骤：

步骤s1，在⁶lii闪烁体附近设置一个采用nai(ti)闪烁体的nai(ti)闪烁体探测器；

步骤s2，在nai(ti)闪烁体相连的比较电路中设置第二电压幅值甄别阈值，将nai(ti)闪烁体测到的低能γ射线的信号过滤掉；

步骤s3，记录采用⁶lii闪烁体所测到的第一信号，第一信号包括⁶lii闪烁体所测到的中子射线和高能γ射线的计数率；记录采用nai(ti)闪烁体所测到的第二信号，第二信号为nai(ti)闪烁体所测到的高能γ射线的计数率；

步骤s4，计算净中子计数率，对第二信号乘以修正系数，通过在第一信号中减去乘以修正系数后的第二信号得到净中子计数率。

在步骤s4中获得修正系数包括如下步骤：

步骤s4.1，将能量为662kev-3mev的γ放射源设置在距离⁶lii闪烁体、nai(ti)闪烁体直线距离60cm的照射位置上；

步骤s4.2，利用γ放射源产生662kev-3mev之间的不同的能量段的γ射线照射⁶lii闪烁体、nai(ti)闪烁体，并记录⁶lii闪烁体、nai(ti)闪烁体在不同的能量段的γ射线照射下所测得的计数率；

步骤s4.3，计算在同一个能量段的γ射线照射下的⁶lii闪烁体、nai(ti)闪烁体所测得的计数率的比值；

步骤s4.4，将步骤s4.3中各个能量段的γ射线照射下所测得的比值求平均值，平均值就是修正系数。

修正系数的具体数值会因为所选nai(ti)闪烁体的类型、尺寸等不同而不同。

为了增强中子(中子射线)的响应，在步骤(s1)中还包括在⁶lii闪烁体探测器的⁶lii闪烁体外部设置中子响应层；将nai(ti)闪烁体设置在中子响应层的中部；中子响应层为聚乙烯慢化体；聚乙烯慢化体的厚度为8-10cm

其中，第一电压幅值甄别阈值为γ射线的能量为662kev时⁶lii闪烁体所探测得到的电压幅值；

第二电压幅值甄别阈值为γ射线的能量为662kev时nai(ti)闪烁体所探测得到的电压幅值；

低能γ射线是指能量小于等于662kev的γ射线；高能γ射线是指能量大于662kev的γ射线。在本发明中，高能γ射线具体是指662kev-3mev之间的γ射线。

净中子计数率的计算公式为：

h(n)＝h(n,γ)-h(γ)*k

式中：

h(n)——最终所得的净中子计数率；

h(n,γ)——由⁶lii闪烁体所测得的中子射线和能量高于662kev的高能γ射线的计数率；

h(γ)——由nai(ti)闪烁体所测得的能量高于662kev的高能γ射线的计数率；

k——修正系数，用于扣除由nai(ti)闪烁体所测得的能量高于662kev的高能γ射线的计数率。

这样对未知能量和未知注量的混合辐射场，不管γ射线属于高能还是低能，本发明所提供的方法都够给出混合辐射场的净中子计数率。

上述之所以认定γ射线为662kev时作为两种闪烁体探测器的甄别条件，是因为：

1.γ射线能量为662kev时，⁶lii闪烁体所能测到的幅度要明显小于探测热中子(经中子响应层慢化后的中子射线)所得到的幅度；

2.γ射线能量为662kev至3mev量级，nai(ti)闪烁体在这个能量范围内响应趋近于稳定；

3.cs-137放射源放出能量为662kev的γ射线，该能量点作为实验条件容易获取。

本发明还公开了利用nai(ti)闪烁体降低γ射线干扰的中子探测设备，该中子探测设备通过使用上述的中子探测方法测量混合辐射场中的净中子计数率。该中子探测设备包括⁶lii闪烁体探测器和nai(ti)闪烁体探测器(见图1)。

其中，⁶lii闪烁体探测器包括依次连接的⁶lii闪烁体1、pin发光二极管2(设有偏置电压3)、第一前置放大电路4、第一比较电路5、第一整形电路6、单片机系统7，其中在第一比较电路5中设置第一电压幅值甄别阈值，将⁶lii闪烁体1测到的低能γ射线的信号过滤掉；

nai(ti)闪烁体探测器也与单片机系统7相连，用于记录高能γ射线的信号。nai(ti)闪烁体探测器包括依次相连的nai(ti)闪烁体8、光电倍增管9(设有高压13)、第二前置放大电路10、第二比较电路11、第二整形电路12；其中，第二整形电路12连接单片机系统7。在第二比较电路11中设置第二电压幅值甄别阈值，将nai(ti)闪烁体8测到的低能γ射线的信号过滤掉。

第一电压幅值甄别阈值为γ射线的能量为662kev时⁶lii闪烁体1所探测得到的电压幅值；

第二电压幅值甄别阈值为γ射线的能量为662kev时nai(ti)闪烁体8所探测得到的电压幅值；

低能γ射线是指能量小于等于662kev的γ射线；高能γ射线是指能量大于662kev的γ射线。在本发明中，高能γ射线具体是指662kev-3mev之间的γ射线。

在⁶lii闪烁体1外部设置中子响应层(以增加中子响应)，将nai(ti)闪烁体8设置在靠近⁶lii闪烁体1的位置，具体的可以将nai(ti)闪烁体8设置在⁶lii闪烁体1外部的中子响应层中部。(nai(ti)闪烁体8的具体位置则可根据⁶lii闪烁体1的方向与位置进行调整，尽可能的与⁶lii闪烁体1的位置接近)。中子响应层为聚乙烯慢化体。聚乙烯慢化体的厚度为8-10cm。中子响应层用于将被测的中子射线慢化为热中子，便于⁶lii闪烁体对中子射线的测量。

如图1所示，⁶lii闪烁体1连接pin发光二极管2、nai(ti)闪烁体8连接光电倍增管9，pin发光二极管2和光电倍增管9输出的信号进入各自的前置放大电路对信号进行放大，放大后的信号进入各自的比较电路进行阈值甄别，得到第一信号(⁶lii闪烁体1探测得到的中子和高能γ射线的计数率)和第二信号(nai(ti)闪烁体8探测得到的高能γ射线的计数率)。这里，⁶lii闪烁体1的甄别信号的阈值(第一电压幅值甄别阈值)设为γ射线为662kev时⁶lii闪烁体1所探测得到的电压幅值大小，nai(ti)闪烁体8的甄别信号的阈值(第二电压幅值甄别阈值)同样设置为γ射线为662kev时nai(ti)闪烁体8所探测得到的电压幅值大小。这样可以保证γ射线能量低时，⁶lii闪烁体1自身的幅值甄别技术(利用第一电压幅值甄别阈值)就剔除掉这部分低能γ射线，而在γ射线能量高时，nai(ti)闪烁体8做γ射线能量从662kev开始至3mev范围的测量，⁶lii闪烁体1所测到的第一信号剥去nai(ti)闪烁体8所测到的第二信号。经过各自的比较电路后的第一信号和第二信号再经过各自的整形电路后进入单片机系统7进行数据处理，获得净中子计数率。

净中子计数率的计算公式为：

h(n)＝h(n,γ)-h(γ)*k

式中：

h(n)——最终所得的净中子计数率；

h(n,γ)——由⁶lii闪烁体1所测得的中子射线和能量高于662kev的高能γ射线的计数率；

h(γ)——由nai(ti)闪烁体8所测得的能量高于662kev的高能γ射线的计数率；

k——修正系数，用于扣除由nai(ti)闪烁体8所测得的能量高于662kev的高能γ射线的计数率。

本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。