有源中子谱仪的制作方法

本发明涉及有源中子谱仪，即，基于用于测量从热能(小于1ev)到高能(大于100mev)的中子场的能谱的有源探测器的仪器。

通常用于中子剂量学方面的仪器(称为中子监测器)能够提供用于辐射防护目的的单一量的测量值，其称为周围剂量当量h*(10)。该参数通过入射场能谱的数学积分乘以合适的转换系数而得出，转换系数又取决于能量。由于不能提供谱信息，中子监测器被设计为利用其能量响应来对所述转换系数中的趋势进行近似，并且提供h*(10)的加权平均估值。然而，该估值不会提供关于所讨论的中子场或产生其的源的谱特征的任何指示。此外，所实现的近似值的本质强烈取决于入射场本身的能量。

相比之下，谱仪能够测量中子场的整体能量分布，并因此以可能的最详细且有用的方式表征存在于测量点中的中子场。

测量谱使得可以识别所讨论的场和源的类型，并且提供更精确的h*(l0)估值。此外，其提供得到所关注的其他可能的辐射防护参数以及量化各种场组分的相对贡献的可能性。

其被证明在存在控制、验证和现场监测需求的所有情况中，例如在核工业、进行放射治疗的医院、肿瘤强子治疗中心、研究中心以及检验机构或检验所中都具有大的操作实用性。

目前用于测量中子场的系统(特别是bonner球)由一组探测器(通常为6至12个)组成，所述一组探测器允许仅在每个测量点的多次暴露的下游测量所关注的场的谱和操作参数。

这意味着需要长的设置和暴露时间、测量期间技术人员的高干预率以及不可能进行连续的实时监测。

此外，这些系统采用单个中子传感器，尽管所述单个中子传感器非常灵敏，但仍需要高的电压极化，并且有时造成与其中包含的气体(氦-3)的可获得性和成本相关联的主要问题。

还存在一种已知的中子谱仪，其由通过氢化材料(通常为聚乙烯)制成的单个球形慢化剂(moderator)构成，其中通过在商业半导体探测器上沉积氟化锂-6的薄层而制造的31个热中子探测器沿三个笛卡儿坐标轴分布在不同深度处。

放置在慢化结构内部的由铅制成的球形壳被设计成确保系统对能量高于20mev的中子的良好响应，并且球形壳进而包围最后的热中子传感器。

该仪器显示出在严格意义上特别是在整体尺寸(直径为25cm至30cm的球)和重量(超过10kg)方面使其无法“便携”的主要的应用限制。此外，所采用的球形几何形状特别是内部球形铅壳的存在带来大的构造复杂性。

因此，本发明的技术任务是提供使得能够超越现有技术的局限性的有源中子谱仪。

在该技术任务的范围内，本发明的一个目的是提供能够在每个测量点的单次暴露的下游测量所关注的场的能谱和操作参数的有源中子谱仪。

本发明的另一个目的是提供能够进行连续实时监测的有源中子谱仪。

本发明的另一个目的是提供能够在所关注的整个能谱上获得各向同性响应和优化的灵敏度的有源中子谱仪。

本发明的另一个目的是提供可以用可容易得到的低成本材料制造的有源中子谱仪。

本发明的又一个目的是提供轻质并且特别是便携的有源中子谱仪。

根据本发明，通过提供这样的有源中子谱仪来实现技术任务以及这些目的和其他目的，所述有源中子谱仪的特征在于，其包括具有中心和外表面的氢化材料的多面体慢化剂主体、第一系列热中子探测器、第二系列热中子探测器以及第三系列热中子探测器，所述外表面包括平面和界定多面体慢化剂主体的第一正交主轴、第二正交主轴和第三正交主轴的成对的顶点，所述第一系列热中子探测器容置在沿所述第一主轴布置并且通向所述成对的顶点中的一对顶点的通道中，所述第二系列热中子探测器容置在沿所述第二主轴布置并且通向所述成对的顶点中的一对顶点的通道中，所述第三系列热中子探测器容置在沿所述第三主轴布置并且通向所述成对的顶点中的一对顶点的通道中，所述多面体慢化剂主体还具有用于可能的高原子序数的嵌件的容置的在从所述中心到所述平面的中心的方向上延伸并且通向所述平面的通道。

根据本发明的有源中子谱仪可以应用于核电站、核材料储存场所、医院放射治疗和/或强子治疗中心、研究中心以及检验机构或检验所中的辐射监测、辐射防护。

所述谱仪优选地包括容置在所述慢化剂主体中的高原子序数材料的嵌件。

高原子序数材料的所述嵌件优选地定位在所述慢化剂主体的外表面上。

各系列热中子探测器优选地相对于慢化剂主体的中心对称地分布。

各系列热中子探测器优选地从慢化剂主体的中心向外表面以逐渐减小的距离分布。

所述第一系列热中子探测器、所述第二系列热中子探测器和所述第三系列热中子探测器优选地具有布置在距慢化剂的中心相同距离处的相似探测器。

所述慢化剂主体优选为八面体的。

所述热中子探测器优选地成组地定位在容置在所述通道中的氢化材料的嵌件中。

高原子序数材料的所述嵌件优选地定位在所述多面体慢化剂主体的平面的中心处。

所述慢化剂主体优选由聚乙烯制成。

高原子序数材料的所述嵌件优选由铅制成。

所述慢化剂主体优选地被电磁屏蔽物覆盖。

本发明还公开了处理有源中子谱仪的响应的方法，其特征在于：通过处理位于距慢化剂主体的中心相同距离处的所有热中子探测器的读数的总和来得出中子场的能谱；以及通过沿所有主轴的相同半轴定位的所有热中子探测器的读数的加权总和来评估中子场的入射方向的分布。

慢化剂主体的几何配置基于慢化材料的分布与热中子探测器的内部分布之间的关系分析来选择。

出乎意料地发现从物理和操作两个角度来看，慢化剂主体的多面体几何形状使得系统的性能能够得到改善。实际上，慢化剂主体的新的多面体几何形状使得可以：大大降低谱仪的总重量，因此使其不仅可运输而且还便携；在平均均匀性和最大偏差两个方面改善响应的各向同性；改善mev附近的能谱区域的灵敏度，从操作的角度来看是有用的；简化机械构造并降低制造成本。

本发明的其他有利方面来源于高原子序数材料的改进的分布。实际上，文献仅仅呈现了放置在慢化结构内部的球形壳的使用，目的是在大于20mev的中子能量下获得良好的各向同性响应。这些壳的制造以及制造能够容置它们的慢化结构的必要性使仪器的设计和制造大大地复杂化。相比之下，根据本发明，提供了由高原子序数材料制成的表面嵌件，所述表面嵌件延伸至适当的深度并且根据不同的方向分布，以便在保持系统的响应的各向同性的同时确保对超过20mev的能量的足够响应。高原子序数材料的嵌件的这种布置还使得可以大大简化热中子探测器的分布，因为不再存在将一个或更多个热中子探测器嵌入壳内的必要性以及由此相关的机械复杂性。

此外，慢化剂主体可以被配置成容纳高原子序数材料的嵌件，但是对于其中设想仅低能量中子场的应用，在慢化剂主体中不需要安装高原子序数材料的嵌件，并且在这样的情况下，可以用氢化材料的嵌件替代高原子序数材料的嵌件。

由于高原子序数材料的嵌件的表面定位在慢化剂主体上，因此其也可以稍后安装。从通过附图中的非限制性实例例示的根据本发明的有源中子谱仪的一个优选但非排他性实施方案的描述中本发明的另外的特征和优点将变得更加明显，其中：

图1示出了谱仪的分解图；

图2示出了谱仪的沿包括慢化剂主体的三个正交主轴中的两个的平面的截面图；

图3示出了谱仪的沿包括慢化剂主体的与图2例示的两个主轴正交的第三主轴的平面的截面图；

图4示出了谱仪中探测器的布局；以及

图5示出了谱仪对根据两个方向入射的中子场的相对响应，从而给出与各向同性条件相关的最大偏差。

参照上述附图，它们示出了有源中子谱仪，其整体由附图标记1表示。

谱仪1包括氢化材料的多面体慢化剂主体2(优选为如例示的八面体)以及多个热中子探测器3a1、3a2、3a3、3a4、3a5、3a6、3b1、3b2、3b3、3b4、3b5、3b6、4a1、4a2、4a3、4a4、4a5、4a6、4b1、4b2、4b3、4b4、4b5、4b6、5a1、5a2、5a3、5a4、5a5、5a6、5b1、5b2、5b3、5b4、5b5、5b6。

根据已知文献，热中子探测器优选由与热中子的平面转换器(未示出)接触的已知类型的半导体传感器构成，所述热中子优选包含同位素borum-10和/或锂-6。

慢化剂主体2优选由聚乙烯制成。

多面体慢化剂主体2具有中心o以及彼此正交的第一主轴x1、x2，第二主轴y1、y2和第三主轴z1、z2。

第一系列热中子探测器3a1、3a2、3a3、3a4、3a5、3a6、3b1、3b2、3b3、3b4、3b5、3b6沿第一主轴x1、x2布置。

第一系列的热中子探测器相对于慢化剂主体2的中心o对称地分布，因此，第一组探测器3a1、3a2、3a3、3a4、3a5、3a6沿轴x1、x2中的半轴x1分布，第二组探测器3b1、3b2、3b3、3b4、3b5、3b6沿轴x1、x2中的另一半轴x2分布。

因此，两个半轴x1、x2上的相似探测器在距慢化剂主体2的中心o相同的距离处，如探测器3a1和3b1、探测器3a2和3b2、探测器3a3和3b3、探测器3a4和3b4、探测器3a5和3b5以及探测器3a6和3b6。

第一系列的热中子探测器从慢化剂主体2的中心o向外表面以逐渐减小的距离分布，因此，沿半轴x1，探测器3a1与3a2之间的距离不小于探测器3a2、3a3之间的距离，探测器3a2、3a3之间的距离不小于探测器3a3、3a4之间的距离，等等。这同样适用于沿半轴x2定位的探测器。

第二系列热中子探测器4a1、4a2、4a3、4a4、4a5、4a6、4b1、4b2、4b3、4b4、4b5、4b6沿第二主轴y1、y2布置。

第二系列的热中子探测器相对于慢化剂主体2的中心o对称地分布，因此，第一组探测器4a1、4a2、4a3、4a4、4a5、4a6沿轴y1、y2中的半轴y1分布，第二组探测器4b1、4b2、4b3、4b4、4b5、4b6沿轴y1、y2中的另一半轴y2分布。

因此，两个半轴y1、y2上的相似探测器在距慢化剂主体2的中心o相同的距离处，如探测器4a1和4b1、探测器4a2和4b2、探测器4a3和4b3、探测器4a4和4b4、探测器4a5和4b5以及探测器4a6和4b6。

第二系列的热中子探测器从慢化剂主体2的中心o向外表面以逐渐减小的距离分布，因此，沿半轴y1，探测器4a1与4a2之间的距离不小于探测器4a2、4a3之间的距离，探测器4a2、4a3之间的距离不小于探测器4a3、4a4之间的距离，等等。这同样适用于沿半轴y2定位的探测器。

第三系列热中子探测器5a1、5a2、5a3、5a4、5a5、5a6、5b1、5b2、5b3、5b4、5b5、5b6沿第三主轴z1、z2布置。

第三系列的热中子探测器相对于慢化剂主体2的中心o对称地分布，因此，第一组探测器5a1、5a2、5a3、5a4、5a5、5a6沿轴z1、z2中的半轴z1分布，第二组探测器5b1、5b2、5b3、5b4、5b5、5b6沿轴z1、z2中的另一半轴z2分布。

因此，两个半轴z1、z2上的相似探测器在距慢化剂主体2的中心o相同的距离处，如探测器5a1和5b1、探测器5a2和5b2、探测器5a3和5b3、探测器5a4和5b4、探测器5a5和5b5以及探测器5a6和5b6。

第三系列的热中子探测器从慢化剂主体2的中心o向外表面以逐渐减小的距离分布，因此，沿半轴z1，探测器5a1与5a2之间的距离不小于探测器5a2、5a3之间的距离，探测器5a2、5a3之间的距离不小于探测器5a3、5a4之间的距离，等等。这同样适用于沿半轴z2定位的探测器。

第一系列热中子探测器、第二系列热中子探测器和第三系列热中子探测器具有布置在距慢化剂主体2的中心o相同距离处的相似探测器。

因此，例如，探测器3a1、3b1、4a1、4b1、5a1、5b1布置在距慢化剂主体2的中心o相同的距离处，探测器3a2、3b2、4a2、4b2、5a2、5b2，探测器3a3、3b3、4a3、4b3、5a3、5b3，探测器3a4、3b4、4a4、4b4、5a4、5b4，探测器3a5、3b5、4a5、4b5、5a5、5b5，以及探测器3a6、3b6、4a6、4b6、5a6、5b6也是如此。

慢化剂主体2包括通道6x1、6x2、6y1、6y2、6z1、6z2，所述通道6x1、6x2、6y1、6y2、6z1、6z2沿主轴x1、x2、y1、y2、z1、z2延伸并且通向慢化剂主体2的外表面以便容置热中子探测器。

热中子探测器成组地定位在容置在通道6x1、6x2、6y1、6y2、6z1、6z2中的氢化材料的嵌件7x1、7x2、7y1、7y2、7z1、7z2中。

氢化材料的嵌件7x1、7x2、7y1、7y2、7z1、7z2也优选由聚乙烯制成。

此外，氢化材料的嵌件7x1、7x2、7y1、7y2、7z1、7z2优选为圆柱形形状，并且容置它们的通道6x1、6x2、6y1、6y2、6z1、6z2具有配合的形状。

因此，谱仪1的构造使得通道6x1、6x2、6y1、6y2、6z1、6z2能够容易进入以便在检查和/或维护阶段期间将嵌件7x1、7x2、7y1、7y2、7z1、7z2引入到慢化剂主体2中/从慢化剂主体2引出的程度。

用于管理和控制热中子探测器的电子设备用壳体(未示出)设置在嵌件7x1、7x2、7y1、7y2、7z1、7z2内部。

在慢化剂主体2中容置有高原子序数材料的嵌件81、82、83、84、85、86、87、88，高原子序数材料的所述嵌件81、82、83、84、85、86、87、88优选由铅，或者由铜、钨等制成。

高原子序数的嵌件81、82、83、84、85、86、87、88优选具有圆柱形形状。

高原子序数材料的嵌件81、82、83、84、85、86、87、88定位在慢化剂主体2的外表面上，特别地，各自在慢化剂主体2的相应平面的中心处。

慢化剂主体2包括形状与高原子序数的嵌件81、82、83、84、85、86、87、88的形状配合的通道91、92、93、94、95、96、97、98，所述通道91、92、93、94、95、96、97、98在从慢化剂主体2的中心o到平面的中心的方向上延伸并且通向慢化剂主体2的平面，以便容置高原子序数的嵌件81、82、83、84、85、86、87、88。

因此，谱仪1的构造使得通道91、92、93、94、95、96、97、98能够容易进入以便根据需要将高原子序数的嵌件81、82、83、84、85、86、87、88引入到慢化剂主体2中以测量高能量中子谱的程度。

高原子序数的表面嵌件81、82、83、84、85、86、87、88的使用通过简单的易于制造的结构确保各向同性并且改善系统对大于20mev的能量的响应。

此外，谱仪1对高能量的响应可以简单地通过改变形成高原子序数的嵌件81、82、83、84、85、86、87、88的材料来改变。

慢化剂主体2被电磁屏蔽物覆盖，所述电磁屏蔽物屏蔽热中子探测器免受外部电磁场影响。

电磁屏蔽物由施加以覆盖慢化剂主体2的平面的金属板101、102、103、104、105、106、107、108形成。

相比之下，在慢化剂主体2的顶点处施加有盖111、112、113、114、115、116以封闭容置热中子探测器的通道6x1、6x2、6y1、6y2、6z1、6z2。

板101、102、103、104、105、106、107、108和盖111、112、113、114、115、116优选由铝制成。

在谱仪1的外部上还设置有用于管理和控制系统的电子设备用壳体(未示出)以及用于供应使谱仪1运行所需的电力的供电单元用壳体(未示出)。

所例示的有源谱仪1详细地设想了对于慢化剂主体2的每个半轴定位在以下径向深度处的36个热中子探测器：19mm、55mm、75mm、95mm、110mm和120mm。这种布置(其在一定范围内是可修改的)使得可以获得热中子探测器对入射中子能量的响应的足够依赖性(其中足够意指例如确保能量响应的渐进但显著的多样化的程度)。

如可以观察到的，热中子探测器的分布沿慢化剂主体2的6个半轴以类似的形式重现。

热中子探测器的读数以两种不同的方式进行处理：

a)通过将位于距慢化剂主体2的中心相同径向距离处的热中子探测器的读数相加，从而限定贡献系统的6个能量响应函数的6组探测器；该径向总和增加并且确保系统整体响应的各向同性。

b)通过将沿慢化剂主体2的相同半轴定位的热中子探测器的读数适当地相加，以形成6组探测器，通过该6组探测器来评估束的入射方向的分布。

因此，构思并实施的多面体几何形状使得可以优化响应的各向同性，提高定位在一定深度处的探测器的响应，并且具有整体轻质的系统。

高原子序数的嵌件具有改善系统在大于20mev的能量下的响应的功能。它们的布置目的在于确保在高能量下的响应的各向同性，而尺寸特别是长度由响应的优化产生(在20mev以上足够，在20mev以下不衰减)。

在图5中示出了关于根据两个方向入射的中子场的如按照步骤a)通过将探测器的响应相加而计算的系统的响应对单能中子的6个函数，它们给出来自各向同性条件的最大偏差。从图5中可以观察到系统响应的各向同性以及能谱再建所需的模块化。

中子谱的再建最终通过软件反卷积算法实现，所述软件反卷积算法通过实施系统的6个响应函数，实时处理步骤a)中指示的6组探测器的读数，并提取入射场的谱。另外的软件例程分析步骤b)中指示的6组探测器的读数，以便再建场的原始方向的分布。

谱仪1的多面体结构以及响应的各向同性确保其不需要另外的支撑体并且可以容易地放置在表面上并根据不同取向使用，并且其减小的重量使其能够用作便携仪器，如简单的监测器。

本发明提供了具有许多优点的有源中子谱仪：多个探测器根据可以以模块化方式容易地实施的配置而分布；其重量允许可携带性；场的测量可以在单次暴露下进行；监测可以随时间连续进行，潜在地还可以通过使用例如电池组在不提供干线供电的点中进行；技术人员在测量期间的干预大大减少，并且从远程位置也是可能的；由于实施实时处理有用运行信息(谱和剂量特性)的反卷积算法，因此无需对测量期间收集的数据进行后处理。

如此设想的中子谱仪可以有许多修改和变型，全部都落入本发明构思的范围内，此外，全部详细内容均可以由技术上等效的要素替代。

根据需要和技术状态，所使用的材料以及尺寸实际上可以是任意的。