专利名称：用于通过俘获伽马热量测定的中子检测的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于将伽马射线闪烁体(scintillator)用于间接检测来检测中子辐射(优选为热(慢)中子)的装置。
背景技术：
尽管有可用于中子检测的广泛多种方法和设备，在需要以最低成本具有最高效率的中子计数的多数应用中仍然以常见3He管为主。然而预计3He短缺，使得需要替代物。
在现有技术中已知这样的替代检测器。Knoll的Radiation Detection and Measurement ,2000年第3版第506页陈述了用来检测中子的所有常见反应是具有带电粒子发射的反应。更具体而言，用于检测的可能反应产物是反冲核(主要为质子)、氚核、阿尔法粒子和裂变碎片(fission fragment)。然而在中子俘获反应之后的伽马射线使用于一些专用检测器中，但是这些应用相对罕见。
已经在Grodzins的US 7 525 101 B2中公开一种使用伽马射线闪烁体的检测器。 Grodzins公开一种包括夹在两个光导之间的中子闪烁体的检测器，该中子闪烁体对于传入光学光子而言是不透明的，光导之一也作为伽马射线闪烁体。这一检测器也一般地利用在中子俘获之后的重型带电粒子发射。Grodzins确实提到6Li^Bj13Cd或者157Gd作为中子俘获材料。
那些材料与SiS闪烁成分组合使用，其中带电粒子失去能量，从而使ZnS材料闪烁而每kv能量损耗发射约50个光学光子，因此在每次中子俘获之后产生数十万的光学光量子。
因而，Grodzins公开的检测器向中子闪烁体片的两侧发射光量子。检测器本身然后测量光检测在中子闪烁体片的两侧上的重合(coincidence)。这样的重合测量被视为用于中子闪烁片中的中子俘获的标志。这一检测器区分伽马辐射，因为伽马量子将仅在与另一光导在光学上分离的伽马闪烁体中停止。
除了复杂的设置之外，Grodzins公开具有如下劣势它不能区分中子事件与宇宙背景辐射以及其他如下高能带电粒子辐射，该高能带电粒子辐射可能引起中子吸收体材料内的闪烁或者光导中的契伦科夫(Cerenkov)光，之后也引起向两个光导中的光发射。
Grodzins公开的另一劣势是在使用113Cd或者157Gd作为中子俘获材料的情况下的无法令人满意的中子-伽马区分。在这一情况下，检测器也对外部伽马敏感。通过检测中子闪烁体中的外部伽马辐射而生成的脉冲不能区别于归因于中子俘获反应产生的伽马的脉冲。
Reeder在Physics Research A 340 (1994) 371 中的Nuclear Instruments and Methods提出一种由硅酸钆(GSO)制成的中子检测器，该中子检测器由与GSO重合作为全伽马吸收分光计来操作的塑料闪烁体包围。由于通过针对高能伽马射线的大衰变长度来区别塑料闪烁体，所以提出的全吸收分光计将相当无效率或者将需要大量塑料闪烁体。又一劣势在于当用合理数目的光电检测器从塑料材料收集光时有困难。此外，大塑料层不仅缓和而且也吸收中子通量的一部分，因此减少中子检测器效率。又一劣势在于不能消除由于伽马射线从中子检测器中的外部源的康普顿散射、继而为散射的伽马与伽马检测器的互作用的背景。
Bell在US 6 011 266中公开另一种利用伽马射线闪烁体的中子检测器。Bell使用由对中子敏感的材料(优选包括硼)包围的伽马射线闪烁体。中子俘获反应造成对中子敏感的材料裂变成阿尔法粒子和7Li离子，其中锂离子的第一受激态经由在478 keV发射闪烁检测器然后检测到的单个伽马射线来衰变。同时，在Bell中公开的检测器对入射辐射场产生的伽马射线敏感，因为对中子敏感的材料未充当针对伽马射线的屏蔽。
这样的检测器的劣势之一在于在7Li的第一受激态衰变之后的单个伽马射线落在其中存在许多其他伽马射线的能量区域内。因此有必要非常准确地测量这一单个衰变以便实现至少合理的结果，因此大量增加技术复杂性和有关成本。另外，利用如Bell公开的检测器即使并非不可能也难以区分带电粒子辐射(例如宇宙起源的带电粒子辐射)。
概括而言，如果同时考虑决定性参数(比如每体积的中子检测效率、每成本的中子检测效率、伽马抑制因子、检测器材料的简单性和坚固性以及可用性)，则已知的中子检测器概念无一可与3He管竞争。发明内容
因此，本发明的目的在于克服现有技术的劣势并且提供一种具有简单设置并且中子检测高度保密的高效中子检测器。
这一问题由一种用于检测中子辐射(优选为热中子)的装置解决，该装置包括具有高中子吸收能力的至少一个第一分段和具有低中子吸收能力的至少一个第二分段，第二分段包括伽马射线闪烁体，伽马射线闪烁体材料包括针对5 MeV能量的伽马射线具有小于 10cm、优选小于5cm的衰减长度的无机材料，以便针对第二分段内的高能伽马射线提供高伽马射线停止能力。第一分段的材料选自于通过主要经由伽马辐射的中子俘获来释放第一分段中部署的能量的一组材料，并且第二分段以第一分段的大部分由第二分段覆盖的方式包围第一分段。该装置还包括光学耦合到第二分段以便检测第二分段中的光量的光检测器和耦合到光检测器的评估设备，所述设备能够确定光检测器针对一个闪烁事件检测到的光量，该量有与通过第二分段中的伽马辐射而部署的能量的已知关系。评估设备被配置成当测量的总伽马能量Esum在2，614 MeV以上时将检测到的辐射分类为中子。评估设备还可以被配置成仅当测量的总伽马能量在预定阈值以下、优选地还在10 MeV以下时将检测到的辐射分类为中子。
第一分段优选地包括镉(Cd)、钐(Sm)、镝(Dy)、铕(Eu)、钆(Gd)、铱(Ir)、铟(In) 或者汞(Hg)，第二分段优选地包括钨酸铅(PW0)、钨酸钙(CaW04)、锗酸铋(BG0)、碘化钠 (NaI),碘化铯(CsI)、氟化钡(Barium Flouride) (BaF2)、氟化铅(PbF2)、氟化铈(CeF2)、氟化钙(CaF2)或者闪烁玻璃材料。
在又一实施例中，第二分段以多于一半的球面(2 π )由第二分段覆盖的方式包围第一分段。
当第一分段包括中子闪烁体时是尤其优选的，优选以中子闪烁体具有充分伽马俘获横截面以用充分效率测量上至至少100 keV、优选上至至少500 keV的伽马能量的方式选择中子闪烁体。
当评估设备被配置成在至少一个伽马事件还由中子闪烁体测量时将检测到的辐射分类为中子时也是有利的。当第一分段中的没有信号具有预定阈值以上的测量能量时， 可以实现进一步改进。通过测量闪烁体在第一分段中的厚度d (以cm为单位)、然后通过将所述厚度乘以闪烁体材料的以g/cm3为单位给定的密度并且乘以所述闪烁体中的最小电离粒子的以MeV/(g/cm2)为单位给定的能量损耗确定与所述闪烁体中的覆盖距离d的最小电离粒子的能量沉积对应的能量^lin (以MeV为单位)来确定这一阈值。然后将阈值设置在所述能量以下。
在又一实施例中，以伽马射线和中子闪烁体的光均向相同光检测器传播的方式安装光检测器。优选地，用于中子和伽马射线闪烁体的材料选自于一组材料使得它们的发射光具有不同时序特性、例如发射具有不同衰变时间的光。然后可以用评估设备能够区别相应闪光体发射的具有不同特性的光与包括两个闪烁体的光分量的单个光检测器信号的方式配置评估设备。用于中子和伽马射线闪烁体的材料还可以选自于一组材料使得它们具有相似发射波长和相似光折射率。另外，第一和第二分段可以共同布置于向共同光检测器安装的一个检测器中，使得第二分段由第一分段分成至少两个部分，第二分段的仅一个部分光学耦合到光检测器。
如果第一分段的材料包括钨酸镉(CWO)并且第二分段的材料包括钨酸铅(PWO) 或者第一分段的材料包括基于硅酸钆(GSO)的材料并且第二分段的材料包括基于碘化钠 (NaI)或者碘化铯(CsI)的闪烁体则是有优势的。
在又一实施例中，第二分段可以包括至少三个伽马射线闪烁体，每个伽马射线闪烁体耦合到光检测器，使得可以区别来自不同伽马闪烁体的信号。作为一个具体实施例，第一和第二分段共同布置于一个检测器中，使得第二分段由第一分段至少分成三个部分，所有部分光学耦合到不同光检测器，使得可以单独评估来自部分的光。理想地，评估设备被配置成当至少两个伽马射线闪烁体已经检测到由于在第一分段中的中子俘获之后的伽马互作用的信号时将检测到的辐射分类为中子。
将理解如在前段中描述的第二分段的部分可以形成单个检测器的若干或多或少完整部分，或者作为替代可以包括至少三个个别伽马射线闪烁体，如上文描述的那样共同评估这些闪烁体的信号。
一种替代是如下装置，其中第一和第二分段共同布置于向共同光检测器安装的一个检测器中，使得第二分段由第一分段分成两个部分，两个部分均光学耦合到光检测器。当第二分段由第一分段至少分成三个部分、所有部分光学耦合到光检测器时甚至是又一优势。
根据另一实施例，第一分段安装于第二分段的外球面。
当本发明的装置包括第三分段、使得第一和第二分段由所述第三分段部分地共同包围、所述第三分段包括闪烁体、所述闪烁体的发射光由光检测器测量、其中光检测器的输出信号由装置的共同评估设备评估时可以是又一优势。在一个具体实施例中，评估设备被配置成当尚未在相同时帧内从第三分段闪烁体检测到具有在某一屏蔽阈值以上的能量的信号(防重合)时将检测到的辐射分类为中子，在若干步骤中确定所述屏蔽阈值。首先测量闪烁体在第三分段中的厚度t(以cm为单位)，然后通过将所述厚度乘以闪烁体材料的以g/cm3为单位给定的密度并且乘以所述闪烁体中的最小电离粒子的以MeV/(g/cm2)为单位给定的能量损耗来确定与所述闪烁体中的覆盖距离t的最小电离粒子的能量沉积对应的能量Emin (以MeV为单位)，并且通过最终将屏蔽阈值设置在所述能量以下。
有可能将第三分段光学耦合到第二分段的光检测器并且将评估设备配置成通过来自第二和第三分段的信号的信号性质区别它们的信号。这可以通过将波长移动器安装于第三分段的闪烁体与光电检测器之间来进一步改进。
用于第三分段中的闪烁体的材料可以优选地选自于作为用于快中子的中子缓和器的包括具有低原子序数Z的成分(constituent)的一组材料。
本发明也包括一种用于使用如上文描述的本发明的装置来检测中子、优选为热中子的方法，其中作为第一步骤，在第一分段中俘获中子，之后测量由于伽马辐射的能量损耗而从第二分段发射的光，并且根据从装置的第二分段发射的光确定在中子俘获之后的伽马辐射的总能量损耗。然后在测量的总能量损耗在2，614 MeV以上时将测量事件分类为中子俘获。也有可能添加上阈值以便将测量事件分类为中子俘获，其中要求测量的总能量损耗在预定阈值以下、优选在10 MeV以下。
当使用本发明的检测器(该检测器的第二分段包括至少三个伽马射线闪烁体)时， 可以利用一种用于检测中子、优选为热中子的方法，该方法包括以下步骤首先在第一分段中俘获中子，然后测量由于伽马辐射的能量损耗而从第二分段发射的光，因而根据从装置的第二分段发射的光确定在中子俘获之后的伽马辐射的总能量损耗，并且最终在测量的总能量损耗在2，614MeV以上时并且当还在伽马闪烁体中的至少两个中测量能量损耗时将事件分类为中子俘获。
在本发明的装置在它的第一分段中利用中子闪烁体的情况下，可以利用一种用于检测中子、优选为热中子的方法，该方法包括以下步骤首先在第一分段中俘获中子，然后测量由于伽马辐射能量损耗而从第一分段发射的光，同时测量由于伽马辐射能量损耗而从第二分段发射的光，并且根据从装置的第二分段发射的光确定在中子俘获之后的伽马辐射的总能量损耗，并且当在第二分段中测量的总能量损耗在2，614MeV以上时并且当已经同时在第一分段中检测到能量损耗时将事件分类为中子俘获。可以通过根据从装置的第一和第二分段两者发射的光确定在中子俘获之后的伽马辐射的总能量损耗来改进这一方法。
同样，如果还要求在中子俘获之后的伽马辐射的总能量损耗在预定阈值以下、优选在10 MeV以下则可能是有优势的。
当要求第一分段中的测量能量损耗在预定阈值以下时可以实现又一改进。通过利用以下步骤来确定该阈值测量闪烁体在第一分段中的厚度d (以cm为单位)、通过将所述厚度乘以闪烁体材料的以g/cm3为单位给定的密度并且乘以所述闪烁体中的最小电离粒子的以MeV/(g/cm2)为单位给定的能量损耗来确定与所述闪烁体中的覆盖距离d的最小电离粒子的能量沉积对应的能量^llin (以MeV为单位)并且最终将设置在阈值以下。当在第二分段中观测到能量损耗、但是未同时在第一分段中观测到能量损耗时将事件分类为外部伽马辐射并且因此未分类为中子俘获时，针对不期望事件进行进一步区分是可能的。
当使用如上文描述的第三——屏蔽——分段时，可以通过利用以下步骤来确定中子、优选为热中子再次在第一分段中俘获中子，测量由于伽马辐射能量损耗而从第二分段发射的光，根据从装置的第二分段发射的光确定在中子俘获之后的伽马辐射的总能量损耗，并且当测量的总能量损耗在2，614 MeV以上时并且当尚未在相同时帧内从第三分段闪烁体检测到具有在某一屏蔽阈值以上的能量的信号(防重合)时将事件分类为中子俘获。根据以下步骤确定所述屏蔽阈值首先测量闪烁体在第三分段中的厚度t (以cm为单位)，然后通过将所述厚度乘以闪烁体材料的以g/cm3为单位给定的密度并且乘以所述闪烁体中的最小电离粒子的以MeV/(g/cm2)为单位给定的能量损耗来确定与所述闪烁体中的覆盖距离 t的最小电离粒子的能量沉积对应的能量^llin(以MeV为单位)，并且通过最终将屏蔽阈值设置在所述能量以下。
当根据从第二和第三分段两者发射的光确定在中子俘获之后的伽马辐射的总能量损耗时，可以增加这样的方法的效率。此外，仅当在中子俘获之后的伽马辐射的总能量损耗在预定阈值以下、优选在10 MeV以下时，可以将事件分类为中子俘获。另一方面，当在分段三中观测到在屏蔽阈值以下的能量损耗、但是未在第二分段中观测到能量损耗时，可以将事件分类为外部伽马辐射、因此并非中子俘获事件。
也公开一种用于使用本发明的装置来检测中子、优选为热中子的方法，该装置具有包围第三(屏蔽)分段，第一分段包括中子闪烁体，该方法利用以下步骤在第一分段中俘获中子，测量由于伽马辐射能量损耗而从第一分段发射的光，测量由于伽马辐射能量损耗而从第二分段发射的光，并且根据从装置的第二分段发射的光确定在中子俘获之后的伽马辐射的总能量损耗。根据该方法，当在第二分段中测量的总能量损耗在2，614 MeV以上时并且当已经同时在第一分段中检测到能量损耗时并且当尚未在相同时帧内从第三分段闪烁体检测到具有在某一屏蔽阈值以上的能量的信号(防重合)时将事件分类为中子俘获。根据以下步骤确定所述屏蔽阈值首先测量闪烁体在第三分段中的厚度t (以cm为单位)，然后通过将所述厚度乘以闪烁体材料的以g/cm3为单位给定的密度并且乘以所述闪烁体中的最小电离粒子的以MeV/(g/cm2)为单位给定的能量损耗来确定与所述闪烁体中的覆盖距离 t的最小电离粒子的能量沉积对应的能量^llin(以MeV为单位)，并且通过最终将屏蔽阈值设置在所述能量以下。
同样，当通过将在第一和第二分段中检测到的能量损耗相加或者通过将在第二和第三分段中检测到的能量损耗相加或者甚至通过将在第一、第二和第三分段中检测到的能量损耗相加来确定在中子俘获之后的伽马辐射的总能量损耗时，可以改进该方法的效率。
可以通过要求在中子俘获之后的伽马辐射的测量的总能量损耗在预定阈值以下、 优选在IOMeV以下来改进针对背景辐射的区分。
另一种区分背景辐射的方式是当在分段二中或者在分段三中检测到能量损耗、但是同时未在分段三中检测到在屏蔽阈值以上的能量损耗并且未在分段一中检测到能量损耗时将事件分类为外部伽马辐射——而不是分类为中子俘获事件。在该上下文中，不用说 “无能量损耗”代表在检测限制以下的能量损耗。
与以下图一起描述本发明的一些具体实施例。
图1示出了本发明的一个实施例，该实施例具有圆柱形闪烁体和在该闪烁体中间的中子吸收体层以及光检测器，图2示出了具有两个中子俘获层的相似设置，图3示出了具有中子俘获闪烁体的另一实施例，该闪烁体划分闪烁体材料的两个部分，图4示出了具有包围屏蔽检测器的本发明的检测器， 图5示出了仅使用单个光检测器的相似检测器，并且图6示出了从不同闪烁体材料发射的信号的各种衰变时间。
具体实施方式
图1在它的下面部分中示出了经过一个实施例的纵向切割。这里示出了检测器 100及其主要分段中的三个分段。可以看见安装于光检测器103 (优选为光电倍增器管或者盖尔(Geiger)模式雪崩光电二极管(G-APD)的阵列)上的伽马闪烁体材料101。这一伽马闪烁体材料沿着它的纵轴分成两个部分，而中子俘获材料102布置于伽马闪烁体的两个部分之间。可以在图的上部分中示出的经过闪烁体材料的横向切割中明显看见中子俘获材料102的位置。
以伽马闪烁体材料的用于热(慢)中子的中子俘获横截面低的方式选择伽马闪烁体材料、因此让大多数中子穿过闪烁体材料而无中子俘获。
位于检测器中心的中子俘获分段102是具有高中子俘获横截面(也就是具有高中子吸收能力)的材料片。这一分段102优选为对于伽马射线而言或多或少透明。
与根据现有技术已知的内容不同，第一分段102的中子俘获材料并非如下的材料，该材料一旦已经俘获中子就大量造成带电粒子裂变或者发射，但是主要经由伽马射线发射来释放它的激发能量。适当材料例如是包含钆(Gd)、镉(Cd)、铕(Eu)、钐(Sm)、镝(Dy)、 铱(Ir)、汞(Hg)或者铟(In)的材料。由于每次中子俘获根据俘获核素(nuclide)而在核子中沉积了主要约为5至10 Mev的可观量的激发能量，所以这大约是以能量范围从几keV上至一些MeV的多个伽马量子的形式释放的能量。与此对照，在现有技术的检测器中使用的通常中子俘获反应主要通过裂变产物和/或带电粒子的发射来造成能量释放。那些过程也经常伴随有伽马辐射，然而该伽马辐射总计仅为全部能量释放的较小部分。
本发明的装置利用中子俘获、之后为释放具有在5至10 MeV之间某处的总能量的伽马量子。因而，具有高效伽马闪烁体的新颖检测器概念允许测量发射的那些伽马量子的大量部分，并且因此针对辐射背景(特别地针对由于多数放射性衰变的伽马辐射)充分区分在中子俘获之后的事件。
必须注意，很快发射在中子俘获之后的伽马级联使得伽马闪烁体101不能区分单个伽马事件。因此，如这样的伽马闪烁体101合计所有伽马能量，从而产生主要与沉积于闪烁体材料中的总能量Esim成比例的光量。闪烁体因此不能在相同时间窗中吸收的单个高能量伽马与多种更低能量伽马射线之间进行区分。
伽马闪烁体101因此被设计成作为一种热量计来操作、因此合计在单个中子俘获事件之后沉积的所有能量。以如下方式构造和布置它，该方式以最小成本和最小检测器体积最大化和能量Esim的在中子吸收体中的中子俘获之后在闪烁材料中平均吸收的部分。考虑根据所用具体反应而事实上吸收了和能量Esim的仅一部分，在检测器中定义适当窗(换而言之为和能量门)是有利的。然后以充分确信度仅将具有在该窗内的和能量Esim的事件标识为中子俘获。
评估从光检测器103输出的信号的评估设备(这里未示出)被设置成在和能量Esum 大于2，614 MeV时将事件定义为中子俘获。对于这一条件用于下阈值，本发明利用如下事实自然放射性系之一产生的最高单个伽马能量确切具有2，614 MeV，这是2tl8Tl中的伽马衰变(是自然钍放射性系的部分)。
由于很不可能重合测量来自两个源的两个独立伽马射线，所以阈值2，614 MeV好到足以区分自然或者其他背景辐射。
值得注意的是，这样的伽马热量计也是用于在检测器以外产生的中子俘获伽马射线的高效检测器。这可以改进本发明的装置用于检测中子源的灵敏度。这归因于如下事实 包围中子源的所有材料在或多或少程度上俘获中子，从而最终俘获源产生的所有中子。在这些过程之后通常发射高能伽马，其经常具有适当在3 MeV以上的能量。如果那些伽马射线在装置的分段二中沉积它们的能量的充分部分，则它们可以对本发明的检测器中的中子信号有所贡献。
为了在热量计体制中操作伽马闪烁体，以可以在伽马闪烁体中停止在中子俘获之后发射的伽马射线的大部分的方式依赖于(in dependence from)闪烁体材料选择闪烁体的大小是有利的。很适合的材料例如是钨酸铅(PW0或者HdWO4),因为通过针对感兴趣的伽马能量(包括最高伽马能量)的显著停止能力来区别这一材料。PWO的低光输出(以每MeV 的光子为单位)对于这一应用而言是可接受的，因为它无需卓越的分光性能。一个也重要的方面是这一材料容易低成本大量可用。
建议使用对于分段二而言具有约5至8厘米直径的PWO闪烁体材料。与图1和图 2中所示设置组合，当在中子俘获材料(分段一)中产生具有在4 MeV以上的能量的伽马射线时，这样的检测器能够在所有情况的多于50%情况下吸收多于3 MeV的伽马能量。
优选以如下方式布置检测器的第一(中子)和第二 (伽马)分段伽马射线闪烁体分段覆盖中子俘获第一分段的球面(2 π)的至少一半并且优选或多或少地完整包围所述第一分段，以便针对在第一分段中的中子俘获之后发射的那些伽马射线提供高检测效率。
也可以建议在约10 MeV设置用于和能量Esum的又一上阈值。在中子俘获之后发射的总能量通常未超过这一个值。然而具有在该阈值以上的能量标志的信号尤其在检测器相对大时可能在宇宙辐射(例如μ介子)穿过伽马闪烁体之后出现。所述阈值区分和抑制那些事件。实际上应当以针对感兴趣的场景优化效果与背景之比的方式优化用于分段二中的能量沉积的下和上阈值两者。
在一个优选实施例中，检测器的第一分段102包括优选对于闪烁体光子而言透明的中子闪烁体材料。
这一实施例还可以通过将信息用于进一步评估来利用如下事实中子闪烁体如任何闪烁体那样也在某一程度上吸收伽马量子。为了这样做，有必要区别在中子闪烁体中的伽马吸收之后发射的光与在伽马射线闪烁体中的伽马吸收之后发射的光。如果以两个闪烁体中的发射光的光衰变时间和/或频率是不同的方式选择闪烁材料，则可以容易用单个光电检测器来完成该区别。
在图6中示出了具有不同衰变时间的相应信号的例子。脉冲608例如产生于向闪烁材料提供短衰变时间的伽马射线闪烁体。当从中子闪烁体发射的光的衰变时间如图6中的虚线609所示大得多时，可以容易低通过数字信号处理或者通过在光检测器的信号输出上简单地设置两个时序窗618和619来区别那些信号。
有可能针对闪烁光在光学上分离中子和伽马射线闪烁体。然而对于一些应用，当中子闪烁体的发射波长和中子闪烁体的折射率与伽马闪烁体的对应值相似时尤为优选。在满足那些条件的情况下，装置的第一和第二分段(也就是中子闪烁体和伽马闪烁体)在光学上作用相似并且可以接合成仅一块闪烁体，因此使光检测器103中的光检测更容易和更高效。
通常通过使用光检测器103收集和测量在伽马射线闪烁体中产生的光并且评估来自光检测器的测量信号来在伽马射线闪烁体中测量和能量E·。单独并且另外测量中子闪烁体中的伽马射线释放的能量4。如果中子闪烁体高效到足以吸收中子俘获中释放的伽马能量的部分，则这允许通过要求用于检测中子的更多条件来改进中子标识和背景抑制。
第一中子检测标准一般是比2，614 Mev高的和能量ESUffl。
第二标准是在中子闪烁体中检测的信号。原因在于在本发明的检测器中的多数中子俘获事件之后为伽马级联、即包括在500 keV以下或者甚至在100 keV以下的低能量伽马射线的多种伽马射线的发射，其在几毫米厚度的闪烁体中以高概率互作用。中子闪烁体中的信号因此是中子俘获事件的良好指标。必须注意，用于中子俘获事件的检测器系统的效率未受这样的附加标准很多影响，因为中子俘获发生于中子闪烁体内，中子闪烁体本身是伽马辐射源。这包括其中中子闪烁体具有高停止能力的低能量伽马辐射。因此，中子闪烁体检测到在第一分段内的中子俘获之后的至少一个伽马事件存在高概率。
第三有用标准可以是在中子闪烁体中部署的对伽马能量&的上限，以便抑制由于穿透宇宙辐射的背景。在几毫米厚度的闪烁体中，由于中子俘获的沉积多于1-2 Mev伽马能量的概率相当小。另一方面，穿透宇宙粒子可以在这样的闪烁体中沉积可观量的动能。 穿透带电粒子的最小能量沉积(以MeV为单位)由检测器厚度(以厘米为单位给定)乘以闪烁体的密度(以克每立方厘米为单位给定)并且乘以对应闪烁体材料中的所谓最小电离粒子(mips)的能量损耗(以MeV每克每平方厘米为单位给定)给定。后者对于所有常见材料而言大于1 MeV/(g/cm2)，这允许容易估计所述上限。使用0，5cm钨酸镉(CWO)闪烁体作为中子闪烁体例如针对穿越中子闪烁体的带电粒子的能量沉积造成约0,5X7，8X1 Mev或者约3，9 MeV的下限。这一个值必须取作用于中子闪烁体中的中子俘获信号的上限；更大信号有望由高能(宇宙)背景引起并且将必须加以拒绝。
值得提到的是当第二标准用于标识中子俘获事件时，在从分段二获得信号时在分段一中的遗漏信号可以取作用于检测分段二中的外部伽马射线的标志，因此并行使用本发明的检测器作为用于外部伽马射线的检测器(或分光计)。
可以通过查看整个闪烁体(也就是作为单个伽马闪烁体的第一(中子)与第二 (伽马)分段组合)、由此将伽马射线闪烁体中部署的能量与中子闪烁体中部署的能量相加并且使用这一组合值作为和能量Esum来增加检测器系统的效率。
在图2中示出了另一实施例200。这里，伽马射线闪烁体201分成由中子检测器 202划分的四个部分。闪烁体同样安装于光检测器203上。
当使用中子闪烁体材料作为中子检测器时，尤其当这一闪烁体材料具有与伽马闪烁体材料的折射率相似的折射率时，其他实施例是可能的。
在图3中示出了例子，其中伽马闪烁体材料301由中子闪烁体312划分成与纵轴垂直的两个分段。
由于所有闪烁体材料具有基本上相同的反射率，所以光在第二分段的上部分中的伽马俘获之后能够穿过检测器300的中心部分中的中子闪烁体材料312而无大损耗，使得它可以由光检测器303检测到。
在图4中示出了本发明的又一实施例。在中心将看见如在第一实施例中描述的由俘获中子的第一分段402、第二伽马射线闪烁体分段401和光检测器403构成的装置。这一检测器可以可选地由材料406封装。检测器的整个闪烁体部分由也包括闪烁体材料404的第三分段400包围。在这一闪烁体材料中生成的光由附加光检测器405检测。
这一外检测器400优选地作为针对背景辐射(例如宇宙辐射)的防重合屏蔽。当第三分段400利用具有相当低原子序数的闪烁体材料时，它也可以同时作为用于快中子的缓和器，因此允许装置也检测快中子。在该上下文中必须提到也可以用检测器的封装材料406 作为中子缓和器的方式选择这一材料，而这样的材料选择并不限于具有包围第三分段400 的实施例而也可以与其他实施例组合使用。
在一个优选实施例中，第三分段的外闪烁体材料404包括塑料闪烁体材料。这样的材料容易可用并且易于操纵。
穿透带电粒子在分段三的闪烁体中的最小能量沉积(以MeV为单位)由闪烁体厚度 (以厘米为单位给定)乘以闪烁体的密度(以克每立方厘米为单位给定)并且乘以对应闪烁体材料中的最小电离粒子(mips)的能量损耗(以MeV每克每平方厘米为单位给定)给定。后者对于所有常见材料而言大于1 MeV/(g/cm2)并且对于所有光材料而言大于1，5 MeV/(g/ cm2)，这允许容易估计所述上限。例如，在第三(屏蔽)分段中使用2cm塑料(PVT)闪烁体例如将针对由于屏蔽分段中的穿透带电粒子的信号造成约2X1X1，5 MeV或者约3 MeV的下限。那些信号将必须作为背景而加以拒绝。在这一情况下，用于外第三分段的防重合条件可以是尚未在第三分段中检测到多于3 MeV的能量。
因而在具体例子中在装置的外第三分段中检测到的小于3 MeV的能量可能并非源于高能宇宙辐射，使得这样的更低能量事件如果与第二分段中的伽马射线重合检测到则可能添加到和能量E·，因为它可能源于第一分段内的中子俘获。然而如果这一信号实际上归因于外部伽马辐射，则和能量条件(E_>2614 keV)将拒绝对应事件。
值得提到的是当在第三分段中观测到比穿透带电粒子的最小能量沉积小的能量沉积而未同时在分段一或者二中观测到信号时，这可以取作用于检测分段三中的外部伽马射线的标志，因此并行使用屏蔽闪烁体作为用于(外部)伽马射线的检测器(或者分光计)。
以相似方式，第三分段中小于穿透带电粒子的最小能量沉积的能量沉积、伴随有分段二中的信号而未同时在分段一中观测到信号可以取作用于检测如下外部伽马的标志， 该外部伽马由于在第二散射动作或者光吸收之前的康普顿散射而在分段二和三中均沉积能量。因此，分段二与三的组合可以作为用于外部伽马射线的检测器(或者分光计)来操作， 而分段一的中子闪烁体允许区分中子俘获事件。
在图5中示出了所述屏蔽检测器变体的又一改进。伽马射线闪烁体501和中子吸收检测器502同样安装于光检测器503上。伽马射线闪烁体同样可以由某些种封装506包围。
不同于其他实施例，光检测器503的光敏表面跨越由伽马射线检测器501覆盖的15直径延伸。光检测器503的这一外范围光学耦合到包围检测器的第一和第二分段的圆形第三分段(同样优选为塑料闪烁体504)。
为了恰当区分源于伽马射线闪烁体501的信号与源于塑料闪烁体504的信号，可能添加波长移动器507。这样的波长移动器优选地吸收来自塑料闪烁体材料504的光，从而发射具有与从伽马射线闪烁体501发射的波长相似的波长的光，使得它可以由相同光检测器503恰当测量。为了区分来自塑料闪烁体504的信号与伽马射线闪烁体501的那些信号， 如果从波长移动器507发射的光具有不同衰变时间、因此允许评估设备如上文描述的那样清楚地在两个信号源之间进行区分则是有优势的。
分段二包括在用共同光电检测器读出的单个检测器块中布置的单个伽马闪烁体材料并非必需的。在另一实施例中，伽马热量计由可以基于不同闪烁体材料并且由个别光电检测器读出的多个个别检测器构成。如果可以在热量计中涉及到原先为另一目的(例如外部伽马辐射的检测和分光)设计的检测器以便减少总开支，则这一实施例是有利的。
本发明的又一特征是有可能利用在中子俘获第一分段中的中子俘获之后发射的伽马射线的高多重性。如果以第二分段(伽马射线闪烁体)以其包括三个或者更多检测器的方式设置，则也可能评估多重性。
如图2中所示设置将允许将第二分段分成四个不同部分，因为伽马射线闪烁体被划分成四个部分。如果以可以区别四个伽马射线闪烁体的光的方式(例如通过使用多阳极光电倍增器管(在图2中未示出))划分光检测器，则也可以单独评估它。因此除了测量和能量Esim之外，也有可能需要测量的伽马事件的某一多重性。
考虑到检测器的有限效率，要求第二分段的至少两个部分(也就是如图2中所示伽马射线闪烁体的两个不同部分)已经检测到伽马事件已经证实是有优势的。尤其是除了比2，614 MeV大的和能量条件Esim之外，这一多重性条件进一步增加本发明的检测器的准确度。
概括上文，要求保护的本发明确实提供一种基于公知、廉价、现货闪烁体材料和公知、廉价、现货光电检测器的低成本、易于设置的检测器以及一种用于以可与现有技术的计数器相媲美的效率和准确度评估发射的信号的方法。
权利要求
1.一种用于检测中子辐射、优选为热中子的装置，包括具有高中子吸收能力的至少一个第一分段和具有低中子吸收能力的至少一个第二分段，所述第二分段包括伽马射线闪烁体，所述伽马射线闪烁体材料包括针对5 MeV能量的伽马射线具有小于10 cm、优选小于5 cm的衰减长度的无机材料以便针对所述第二分段内的高能伽马射线提供高伽马射线停止能力，其中所述第一分段的材料选自于通过主要经由伽马辐射的中子俘获来释放所述第一分段中部署的能量的一组材料，并且其中所述第二分段以所述第一分段的大部分由所述第二部分覆盖的方式包围所述第一分段，所述装置还包括光学耦合到所述第二分段以便检测所述第二分段中的光量的光检测器，所述装置还包括耦合到所述光检测器的评估设备，所述设备能够确定所述光检测器针对一个闪烁事件检测到的光量，该量有与通过所述第二分段中的伽马辐射而部署的能量的已知关系，其中所述评估设备被配置成当测量的总伽马能量Esim在2，614 MeV以上时将检测到的辐射分类为中子。
2.根据前述权利要求所述的装置，其中所述评估设备被配置成当所述测量的总伽马能量在预定阈值以下、优选地在10 MeV以下时将检测到的辐射分类为中子。
3.根据权利要求1所述的装置，所述第一分段包括镉(Cd)、钐(Sm)、镝(Dy)、铕(Eu)、 钆(Gd)、铱(Ir)、铟(In)或者汞(Hg)。
4.根据权利要求1所述的装置，其中用于所述第二分段的材料选自于以下内容的组 钨酸铅(PW0)、钨酸钙(CaW04)、锗酸铋(BG0)、碘化钠(Nal)、碘化铯(Csl)、氟化钡(BaF2)、 氟化铅(PbF2)、氟化铈(CeF2)、氟化钙(CaF2)和闪烁玻璃材料。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二分段以多于一半球面(2π )由所述第二分段覆盖的方式包围所述第一分段。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一分段包括中子闪烁体。
7.根据前述权利要求所述的装置，其中以所述中子闪烁体具有充分伽马俘获横截面以用充分效率测量上至至少100 keV、优选上至至少500 keV的伽马能量的方式选择所述中子闪烁体。
8.根据前述权利要求所述的装置，其中所述评估设备被配置成当至少一个伽马事件还由所述中子闪烁体测量时将检测到的辐射分类为中子。
9.根据前述权利要求所述的装置，其中所述第一分段中没有信号具有在预定阈值以上的测量能量，所述阈值根据以下步骤来确定-测量所述闪烁体在所述第一分段中的厚度d (以cm为单位)，-通过将所述厚度乘以所述闪烁体材料的以g/cm3为单位给定的密度并且乘以所述闪烁体中的最小电离粒子的以MeV/(g/cm2)为单位给定的能量损耗来确定与所述闪烁体中的覆盖距离d的最小电离粒子的能量沉积对应的能量^lin (以MeV为单位)，-将所述阈值设置在所述能量以下。
10.根据权利要求8所述的装置，其中以所述伽马射线和所述中子闪烁体的光均向相同光检测器传播的方式安装所述光检测器。
11.根据前述权利要求所述的装置，其中用于所述中子和所述伽马射线闪烁体的材料选自于一组材料，使得它们的发射光具有不同时序特性，例如发射具有不同衰变时间的光。
12.根据前述权利要求所述的装置，其中以所述评估设备能够区别相应闪烁体发射的具有不同特性的光与包括两个闪烁体的光分量的单个光检测器信号的方式设置所述评估设备。
13.根据前述权利要求所述的装置，其中用于所述中子和伽马射线闪烁体的材料选自于一组材料，使得它们具有相似的发射波长和相似的光折射率。
14.根据前述权利要求所述的装置，其中所述第一和第二分段共同布置于向共同光检测器安装的一个检测器中，使得所述第二分段由所述第一分段分成至少两个部分，所述第二分段的仅一个部分光学耦合到所述光检测器。
15.根据权利要求13所述的装置，所述第一分段的材料包括钨酸镉(CW0)，并且所述第二分段的材料包括钨酸铅(PW0)。
16.根据权利要求13所述的装置，所述第一分段的材料包括基于硅酸钆(GSO)的材料， 并且用于所述第二分段的材料包括基于碘化钠(NaI)或者碘化铯(CsI)的闪烁体。
17.根据权利要求1所述的装置，所述第二分段包括至少三个伽马射线闪烁体，每个伽马射线闪烁体耦合到光检测器，使得可以区别来自不同伽马闪烁体的信号。
18.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一和第二分段共同布置于一个检测器中， 使得所述第二分段由所述第一分段至少分成三个部分，所有部分光学耦合到不同光检测器，使得可以单独评估来自所述部分的光。
19.根据前述权利要求17和18之一所述的装置，其中所述评估设备被配置成当至少两个伽马射线闪烁体已经检测到由于在所述第一分段中的中子俘获之后的伽马互作用的信号时将检测到的辐射分类为中子。
20.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一和第二分段共同布置于向共同光检测器安装的一个检测器中，使得所述第二分段由所述第一分段分成两个部分，两个部分均光学耦合到所述光检测器。
21.根据前述权利要求所述的装置，其中所述第二分段由所述第一分段至少分成三个部分，所有部分光学耦合到所述光检测器。
22.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一分段安装于所述第二分段的外球面。
23.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一和第二分段由第三分段部分地共同包围，所述第三分段包括闪烁体，所述闪烁体的发射光由光检测器测量，其中所述光检测器的输出信号由所述装置的共同评估设备评估。
24.根据前述权利要求所述的装置，其中所述评估设备被配置成当尚未在相同时帧内从所述第三分段闪烁体检测到具有在某一屏蔽阈值以上的能量的信号(防重合)时将检测到的辐射分类为中子，所述屏蔽阈值根据以下步骤来确定-测量所述闪烁体在所述第三分段中的厚度t (以cm为单位)，-通过将所述厚度乘以所述闪烁体材料的以g/cm3为单位给定的密度并且乘以所述闪烁体中的最小电离粒子的以MeV/(g/cm2)为单位给定的能量损耗来确定与所述闪烁体中的覆盖距离t的最小电离粒子的能量沉积对应的能量^llin (以MeV为单位)，-将所述屏蔽阈值设置在所述能量以下。
25.根据前述权利要求所述的装置，其中所述第三分段光学耦合到所述第二分段的所述光检测器，并且其中所述评估设备被配置成通过来自所述第二和第三分段的信号的信号性质区别它们的信号。
26.根据前述权利要求所述的装置，其中波长移动器安装于所述第三分段的所述闪烁体与所述光电检测器之间。
27.根据权利要求23所述的装置，其中所述闪烁体选自于作为用于快中子的中子缓和器的包括具有低原子序数Z的成分的一组材料。
28.一种用于使用根据权利要求1所述的装置来检测中子、优选为热中子的方法，包括以下步骤-在第一分段中俘获中子，-测量由于伽马辐射能量损耗而从第二分段发射的光，-根据从所述装置的所述第二分段发射的光确定在中子俘获之后的所述伽马辐射的总能量损耗，并且-当测量的总能量损耗在2，614 MeV以上时将事件分类为中子俘获。
29.根据前述权利要求所述的方法，其中仅当测量的总能量损耗在预定阈值以下、优选在10 MeV以下时将事件分类为中子俘获。
30.一种用于使用根据权利要求17所述的装置来检测中子、优选为热中子的方法，包括以下步骤-在第一分段中俘获中子，-测量由于伽马辐射能量损耗而从第二分段发射的光，-根据从所述装置的所述第二分段发射的光确定在中子俘获之后的所述伽马辐射的总能量损耗，并且-当测量的总能量损耗在2，614 MeV以上时并且当在伽马闪烁体中的至少两个中测量到能量损耗时将事件分类为中子俘获。
31.一种用于使用根据权利要求6所述的装置来检测中子、优选为热中子的方法，包括以下步骤-在第一分段中俘获中子，-测量由于伽马辐射能量损耗而从所述第一分段发射的光，-测量由于所述伽马辐射能量损耗而从第二分段发射的光，-根据从所述装置的所述第二分段发射的光确定在中子俘获之后的所述伽马辐射的总能量损耗，并且-当在所述第二分段中测量的总能量损耗在2，614 MeV以上时并且当已经同时在所述第一分段中检测到能量损耗时将事件分类为中子俘获。
32.根据前述权利要求所述的方法，其中根据从所述装置的所述第一和第二分段两者发射的光确定在中子俘获之后的所述伽马辐射的总能量损耗。
33.根据前述权利要求31和32所述的方法，其中在中子俘获之后的所述伽马辐射的总能量损耗在预定阈值以下、优选在10 MeV以下。
34.根据前述权利要求31至33之一所述的方法，其中在所述第一分段中测量的能量损耗在预定阈值以下，所述阈值根据以下步骤来确定-测量所述闪烁体在所述第一分段中的厚度d (以cm为单位)，-通过将所述厚度乘以所述闪烁体材料的以g/cm3为单位给定的密度并且乘以所述闪烁体中的最小电离粒子的以MeV/(g/cm2)为单位给定的能量损耗来确定与所述闪烁体中的覆盖距离d的最小电离粒子的能量沉积对应的能量^lin (以MeV为单位)，-将所述阈值设置在所述能量以下。
35.根据权利要求31所述的方法，其中当在所述第二分段中观测到能量损耗、但是未同时在所述第一分段中观测到能量损耗时将事件分类为外部伽马辐射。
36.一种用于使用根据权利要求23所述的装置来检测中子、优选为热中子的方法，包括以下步骤-在第一分段中俘获中子，-测量由于伽马辐射能量损耗而从第二分段发射的光，-根据从所述装置的所述第二分段发射的光确定在中子俘获之后的所述伽马辐射的总能量损耗，-当测量的总能量损耗在2，614 MeV以上时并且当尚未在相同时帧内从第三分段闪烁体检测到具有在某一屏蔽阈值以上的能量的信号(防重合)时将事件分类为中子俘获，所述屏蔽阈值根据以下步骤来确定-测量所述闪烁体在所述第三分段中的厚度t (以cm为单位)，-通过将所述厚度乘以所述闪烁体材料的以g/cm3为单位给定的密度并且乘以所述闪烁体中的最小电离粒子的以MeV/(g/cm2)为单位给定的能量损耗来确定与所述闪烁体中的覆盖距离t的最小电离粒子的能量沉积对应的能量^llin (以MeV为单位)，-将所述屏蔽阈值设置在所述能量以下。
37.根据前述权利要求所述的方法，其中根据从所述第二和第三分段两者发射的光确定在中子俘获之后的所述伽马辐射的总能量损耗。
38.根据前述权利要求36和37所述的方法，其中仅当在中子俘获之后的所述伽马辐射的总能量损耗在预定阈值以下、优选在10 MeV以下时将事件分类为中子俘获。
39.根据权利要求36所述的方法，其中如果在分段三中观测到在所述屏蔽阈值以下的能量损耗，但是未在所述第二分段中观测到能量损耗，则将事件分类为外部伽马辐射。
40.一种用于使用根据权利要求23所述的装置来检测中子、优选为热中子的方法，第一分段包括中子闪烁体，还包括以下步骤-在所述第一分段中俘获中子，-测量由于伽马辐射能量损耗而从所述第一分段发射的光，-测量由于所述伽马辐射能量损耗而从第二分段发射的光，-根据从所述装置的所述第二分段发射的光确定在中子俘获之后的所述伽马辐射的总能量损耗，并且-当在所述第二分段中测量的总能量损耗在2，614 MeV以上时、当已经同时在所述第一分段中检测到能量损耗时并且当尚未在相同时帧内从第三分段闪烁体检测到具有在某一屏蔽阈值以上的能量的信号(防重合)时将事件分类为中子俘获，所述屏蔽阈值根据以下步骤来确定-测量所述闪烁体在所述第三分段中的厚度t (以cm为单位)，-通过将所述厚度乘以所述闪烁体材料的以g/cm3为单位给定的密度并且乘以所述闪烁体中的最小电离粒子的以MeV/(g/cm2)为单位给定的能量损耗来确定与所述闪烁体中的覆盖距离t的最小电离粒子的能量沉积对应的能量^llin (以MeV为单位)，-将所述屏蔽阈值设置在所述能量以下。
41.根据前述权利要求所述的方法，其中通过将在所述第一和第二分段中检测到的能量损耗相加来确定在中子俘获之后的所述伽马辐射的总能量损耗。
42.根据权利要求40所述的方法，其中通过将在所述第二中和所述第三分段中检测到的能量损耗相加来确定在中子俘获之后的所述伽马辐射的总能量损耗。
43.根据权利要求40所述的方法，其中通过将在所述第一、第二和第三分段中检测到的能量损耗相加来确定在中子俘获之后的所述伽马辐射的总能量损耗。
44.根据前述权利要求40至43之一所述的方法，其中在中子俘获之后的所述伽马辐射的所述测量的总能量损耗在预定阈值以下、优选在10 MeV以下。
45.根据权利要求40所述的方法，其中如果在分段二中或者在分段三中检测到能量损耗，但是同时未在分段三中检测到在所述屏蔽阈值以上的能量损耗并且未在分段一中检测到能量损耗，则将事件分类为外部伽马辐射。
全文摘要
本发明涉及一种用于检测中子辐射、优选为热中子的装置，该装置包括具有高中子吸收能力的至少一个第一分段(102)和具有低中子吸收能力的至少一个第二分段(101)，第二分段包括伽马射线闪烁体，伽马射线闪烁体材料包括针对5MeV能量的伽马射线具有小于10cm、优选小于5cm的衰减长度的无机材料，以便针对第二分段内的高能伽马射线提供高伽马射线停止能力，其中第一分段的材料选自于通过主要经由伽马辐射的中子俘获来释放第一分段中部署的能量的一组材料，并且其中第二分段以第一分段的大部分由第二分段覆盖的方式包围第一分段，该装置还包括光学耦合到第二分段以便检测第二分段中的光量的光检测器(103)，该装置还包括耦合到光检测器的评估设备，该设备能够确定光检测器针对一个闪烁事件检测到的光量，该量有与通过第二分段中的伽马辐射部署的能量的已知关系，其中评估设备被配置成当测量的总伽马能量E(sum)在2,614MeV以上时将检测到的辐射分类为中子。
文档编号G01T3/06GK102498417SQ200980161650
公开日2012年6月13日 申请日期2009年7月27日 优先权日2009年7月27日
发明者C.M.赫尔巴赫, G.保施, J.施泰因 申请人:前视红外放射有限责任公司