一种温控流体中子谱仪及其测量方法、分析处理系统与流程

本发明涉及中子能谱测量领域，具体涉及一种温控流体中子谱仪及其测量方法、分析处理系统。

背景技术：

为了保障辐射工作人员、公众和慰问者及探视人员的健康，监测核设施的正常运行，需要对核设施以及环境中的中子通量以及中子能谱(中子通量率随能量的分布)进行测量。

现在测量中子能谱多采用多球中子谱仪即bonner球，它是将中子探测器搭配不同厚度的聚乙烯慢化球壳，依次测量。但其主要针对20mev以内能区的中子，对20mev以上高能中子则测量灵敏度较低，且系统复杂，测量费时，安装、转移不便。目前测量中子能谱也采用单球中子谱仪，相比bonner球虽结构上更简单但其测量范围小，为覆盖较大的测量范围则需要复杂分布大量中子探测器，而多个单球中子谱仪(多球探测器)的多个探测系统之间在测量时存在相互干扰，且使用不便捷。还有传统的瞬发γ中子谱仪也能测量中子能谱，但由于解谱方程数量不足、依靠遗传算法等解谱造成高能区符合度差。

技术实现要素：

本发明提供一种温控流体中子谱仪及其测量方法、分析处理系统，解决的技术问题在于：常规多球中子谱仪无法检测20mev以上中子，多球探测器中多个探测系统相互干扰且使用不便捷，以及瞬发γ中子谱仪由于解谱方程数量不足、依靠遗传算法等造成高能区符合度差。

为解决上述技术问题，本发明提供一种温控流体中子谱仪，包括底座、固定在所述底座上的流体室和探测器，还包括与所述流体室连通的流体池；所述流体室内填充有流体，固设有加热元件；所述流体室外包围所述探测器，所述流体室与所述探测器之间还设有隔热层。

本发明提供的一种温控流体中子谱仪，包括填充有流体的流体室，被所述流体室包围的探测器，对流体进行加热的加热元件，对探测器进行隔热的隔热层，加热时供流体排出的流体池等，从而实现了通过控制温度改变流体室内流体密度，提高了对10mev以上中子的灵敏度，实现0-1000mev热中子的能谱测量；使用同一个探测器测量，不存在多测量器间相互干扰的问题，且降低了系统的复杂性，使用更便捷，还能够防止中子辐照对人体造成伤害；同时采温控方式改变流体密度，可快速组成一系列连续的不同密度的慢化层流体，为解谱提供足够数量的测量值。

在进一步的实施方案中，所述探测器为中子探测器或γ射线探测器；所述中子探测器或γ射线探测器为气体探测器、闪烁探测器或半导体探测器。

本方案将探测器限定为中子探测器或γ射线探测器，便于获得流体室内流体的温度和热中子计数或瞬发γ计数。且在测量时只采用一个探测器，不存在多测量器间相互干扰的问题。

在进一步的实施方案中，所述隔热层固设于所述流体室外，包围所述探测器，可将流体的热量隔绝，以免影响探测器的稳定，带来误差问题；

所述加热元件为电加热管，而电加热管具有加热快、发热均匀、温度易掌控的优点，便于对流体进行快速均匀加热。

所述流体为气体或液体或气液混合物，可根据测试需求而自行选择流体的成分，包括形态、配比等，适用范围广。

所述流体室由内外两层球形结构制成，流体则填充在这两层结构中，球形结构使得流体受热更均匀、扩散更流畅，减少测试的其他不稳定因素。

本发明还提供一种温控流体中子谱仪的测量方法，可应用于上述一种温控流体中子谱仪，包括：

根据探测器在不同温度区间测量的待测中子场的热中子计数或瞬发γ计数，计算热中子计数率或γ特征峰计数率并将其编译为对应的响应矩阵；

根据模拟的中子能谱响应函数或瞬发γ响应函数与所述热中子计数率或γ特征峰计数率，生成对应的解析方程；

根据所述解析方程求得所述待测中子场的中子能谱。

本发明提供的一种温控流体中子谱仪的测量方法，可用于上述的温控流体中子谱仪(或其他温控流体中子谱仪)，基于探测器提供的足够数量的测量值，采用函数模拟方法构建响应矩阵及特征方程求取中子能谱，保证了测量的精准性和稳定性，解决了解谱时高能区符合度差的问题。

在进一步的实施方案中，所述模拟所述中子能谱响应函数或瞬发γ响应函数的具体过程为：

将中子能量区间划分为j个能群，将流体温度区间划分为m个区间，m＝j；利用函数模拟方法模拟j个能群ej、m个温度区间tm内中子与流体反应产生的热中子计数，记做中子能谱响应函数此时在m个温度区间tm内的热中子计数率可表示为：φj为所求的中子注量率，然后将编译为m个1行j列的响应矩阵；

或者，将流体温度区间划分为m个区间，使m＝j/i，i为流体的核素种类数，利用所述函数模拟方法模拟j个能群ej、m个温度区间tm内中子对流体内i种核素产生的瞬发γ射线计数率，记做瞬发γ响应函数i个特征峰计数率可表示为：φj为所求的中子注量率，然后将编译为m个i行j列的响应矩阵。

本方案基于中子能量和流体温度，用函数模拟方法模拟针对中子探测器或γ射线探测器的中子能谱响应函数或瞬发γ响应函数，并编译为对应的相应矩阵，便于后期计算。

在进一步的实施方案中，所述根据探测器在不同温度区间测量的待测中子场的热中子计数或瞬发γ计数，计算热中子计数率或γ特征峰计数率并将其编译为对应的响应矩阵，具体包括：

加热流体，利用中子探测器测量在m个温度区间tm时流体室内产生的热中子计数得到热中子实际计数率然后将编译为m个1行j列的实际计数率矩阵；

或者，使用γ射线探测器测量在m个温度区间tm时流体室内产生的瞬发γ计数得到i个特征峰实际计数率然后将编译为m个i行1列的实际计数率矩阵。

本方案将的中子探测器或γ射线探测器实际测量的热中子计数或瞬发γ计数用矩阵的方式编译，便于后期计算。

在进一步的实施方案中，所述根据模拟的中子能谱响应函数或瞬发γ响应函数与所述热中子计数率或γ特征峰计数率，生成对应的解析方程，具体包括：

结合所述中子能谱响应函数与所述热中子实际计数率可得到m＝j个方程；或者，结合瞬发γ响应函数与所述i个特征峰实际计数率可得到m×i＝j个方程。

进一步地，根据编译的m个1行j列的响应矩阵，具体为：

根据编译为的m个i行j列的响应矩阵，具体为：

根据编译为的m个i行1列的实际计数率矩阵，具体为：

进一步地，所述根据所述解析方程求得所述待测中子场的中子能谱，具体包括：

1)将中子能谱的计算公式：

离散化得：

其中，e表征中子能量，de为e的微分；

2)当探测器为中子探测器时，将公式(1)带入公式(5)可得公式(6)：

当探测器为γ射线探测器时，将公式(2)、(3)带入公式(5)可得公式(7)：

其中，

3)根据公式(6)或公式(7)求得中子注量率φj，再将中子注量率φj转化为中子能谱。

本方案直接提供了中子能谱的计算公式，带入模拟的中子能谱响应函数或瞬发γ响应函数和计数值矩阵和测得的热中子计数或瞬发γ计数的计数率矩阵，便可求得中子能谱的表达矩阵，而根据该矩阵采用自动化软件便可直接输出中子能谱，从而实现了最终的中子能谱的输出。

本发明还提供一种温控流体中子谱仪的分析处理系统，可作用于上述一种温控流体中子谱仪，包括顺序连接的信号收集单元、数据处理单元和显示单元；

所述信号收集单元用于连接温控流体中子谱仪的探测器，以获取所述探测器测量的热中子计数或瞬发γ计数和流体温度；

所述数据处理单元用于对采集的所述中子计数或瞬发γ计数和流体温度执行上述一种温控流体中子谱仪的测量方法，获得对应的中子能谱；

所述显示单元用于显示所述中子能谱。

本发明提供的一种温控流体中子谱仪的分析处理系统，可用于上述的温控流体中子谱仪(或其他温控流体中子谱仪)，采用信号采集单元获取探测器的中子计数或瞬发γ计数和流体温度，进一步输入到数据处理单元，而数据处理单元按照预设的测量方法(可采用上述一种温控流体中子谱仪的测量方法或其他测量方法)进行处理，获取对应的中子能谱，然后用显示单元显示，实现了在一系统中进行信号采集、数据处理、结果显示等工作，从而保证了测量一致性，避免出现现有采用多个信号采集系统与数据处理系统所导致的误差问题。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的一种温控流体中子谱仪的正面竖直剖面图；

图2为本发明实施例1提供的图1中底座的结构示意图；

图3为本发明实施例1提供的图1中探测器的结构示意图；

图4为本发明实施例1提供的图1中加热管的结构示意图；

图5为本发明实施例1提供的图1中流体室的正面竖直剖面图；

图6为本发明实施例1提供的图1中隔热层的正面竖直剖面图；

图7为本发明实施例1提供的图1中流体池的正面竖直剖面图；

图8为本发明实施例2提供的一种温控流体中子谱仪的测量方法的步骤流程图；

图9为本发明实施例3提供的一种温控流体中子谱仪的分析处理系统的模块结构图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

说明书附图中的附图标记包括：底座1、软管2、流体池3、电缆4、探测器5、隔热层6、加热元件7、流体8、流体室9、分析处理系统10、流体管道11、信号收集单元101、数据处理单元102、显示单元103。

实施例1

已知中子与其他物质中的不同核素会发生俘获(n，γ)和非弹性散射反应(n，n'γ)，穿过物质的中子会慢化成为热中子，同时在极短的时间内(小于10-13s)发射出特征γ射线。对热中子进行探测可以通过热中子的能量和强度信息获得待测中子场的能谱信息，或对特征γ射线的能量和强度进行探测，如果物质的材料和结构已知，利用特征γ射线的能量和强度信息也可获得待测中子场的能谱信息。

基于上述中子的特性，本发明提供的一种温控流体中子谱仪，至少包括底座、固定在所述底座上的流体室和探测器，还包括与所述流体室连通的流体池；所述流体室内填充有流体，固设有加热元件；所述流体室外包围所述探测器，所述流体室与所述探测器之间还设有隔热层。

具体地，所述探测器为中子探测器或γ射线探测器，便于获得流体室内流体的温度和热中子计数或瞬发γ计数。且在测量时只采用一个探测器，不存在多测量器间相互干扰的问题。具体地，所述中子探测器或γ射线探测器为气体探测器、闪烁探测器或半导体探测器，可对流体的热中子计数或瞬发γ计数进行良好的检测。

所述隔热层固设于所述流体室外，包围所述探测器，可将流体的热量隔绝，以免影响探测器的稳定，带来误差问题；

所述加热元件优选为电加热管，而电加热管具有加热快、发热均匀、温度易掌控的优点，便于对流体进行快速均匀加热；

所述流体为气体或液体或气液混合物，可根据测试需求而自行选择流体的成分，包括形态、配比等，适用范围广；

所述流体室优选由内外两层球形结构制成，流体则填充在这两层结构中，球形结构使得流体受热更均匀、扩散更流畅，减少测试的其他不稳定因素。

作为一种优选的实施方式，如图1所示，本发明实施例提供的一种温控流体中子谱仪，包括底座1、软管2、流体池3、电缆4、探测器5、隔热层6(采用玻纤、石棉等材料)、加热管7(加热元件)、流体8、流体室9。探测器5通过电缆4连接分析处理系统10。流体室9采用内外两层球形结构(不锈钢)，流体8为水、植物油、酒等液体按比例参入的n2、co2、nh4、so2等气体的气液混合物。

底座1支撑流体室9和探测器5(中子探测器或γ射线探测器)，内部设置流体管道11连接流体室9和软管2，软管2连接流体池3(如液体池、气囊等)，隔热层6固定在流体室9外、包围探测器5，加热管7固定于流体室9内，加热流体室9内的流体8，流体8膨胀后部分通过底座1和软管2进入流体池3，流体室9内流体8的密度降低，外部中子照射流体8，探测器5分别获得多组计数，通过电缆4传输给分析处理系统10。

为了更清楚地展现图1的具体结构，本实施例还提供了图2-图7。其中，图2-图4分别是图1中底座1、探测器5、加热管7的立体图，图5-图7分别是图1中流体室9、隔热层6、流体池3的剖面图。

还需说明的是，加热管7为电加热管，在实际应用时，为电加热管适配电源是必须的(本实施例虽未特别示出电源，但电源容易设置)。

整体上，本发明实施例提供的一种温控流体中子谱仪，包括填充有流体8的流体室9，被流体室9包围的探测器5，对流体8进行加热的加热管7，对探测器5进行隔热的隔热层6，加热时供流体8排出的流体池3等，从而实现了通过控制温度改变流体室9内流体8的密度，提高了对10mev以上中子的灵敏度，实现0-1000mev热中子的能谱测量；使用同一个中子探测器5或γ射线探测器5测量，不存在多测量器间相互干扰的问题，且降低了系统的复杂性，使用更便捷，还能够防止中子辐照对人体造成伤害；同时采温控方式改变流体8的密度，可快速组成一系列连续的不同密度的慢化层流体，为解谱提供足够数量的测量值。

实施例2

参见图8，本实施例提供一种温控流体中子谱仪的测量方法，可应用于实施例1所述的一种温控流体中子谱仪，包括步骤：

s1.根据探测器5在不同温度区间测量的待测中子场的热中子计数或瞬发γ计数，计算热中子计数率或γ特征峰计数率并将其编译为对应的响应矩阵。

该步骤s1具体包括：

加热流体8，利用中子探测器5测量在m个温度区间tm时流体室9内产生的热中子计数得到热中子实际计数率然后将编译为m个1行j列的实际计数率矩阵；

或者，使用γ射线探测器5测量在m个温度区间tm时流体室9内产生的瞬发γ计数得到i个特征峰实际计数率然后将编译为m个i行1列的实际计数率矩阵。

本实施例将的中子探测器或γ射线探测器实际测量的热中子计数或瞬发γ计数用矩阵的方式编译，便于后期计算。

s2.根据模拟的中子能谱响应函数或瞬发γ响应函数与所述热中子计数率或γ特征峰计数率，生成对应的解析方程。

在该步骤s2中，模拟所述中子能谱响应函数或瞬发γ响应函数的具体过程为：

若探测器5采用中子探测器，则将中子能量区间划分为j个能群，将流体温度区间划分为m个区间，m＝j(中子能量e和流体温度t都通过探测器5直接获得)；利用函数模拟方法(蒙特卡洛方法)模拟j个能群ej、m个温度区间tm内中子与流体8反应产生的热中子计数，记做中子能谱响应函数此时在m个温度区间tm内的热中子计数率可表示为：φj为所求的中子注量率，然后将编译为m个1行j列的响应矩阵；

或者，探测器5采用γ射线探测器，则将流体温度区间划分为m个区间，使m＝j/i，i为流体8的核素种类数，利用所述函数模拟方法模拟j个能群ej、m个温度区间tm内中子对流体8内i种核素产生的瞬发γ射线计数率，记做瞬发γ响应函数i个特征峰计数率可表示为：φj为所求的中子注量率，然后将编译为m个i行j列的响应矩阵。

在此基础上，该步骤s2具体包括：

结合所述中子能谱响应函数与所述热中子实际计数率可得到m＝j个方程；或者，结合瞬发γ响应函数与所述i个特征峰实际计数率可得到m×i＝j个方程。

进一步地，根据编译的m个1行j列的响应矩阵，具体为：

根据编译为的m个i行j列的响应矩阵，具体为：

根据编译为的m个i行1列的实际计数率矩阵，具体为：

本实施例基于中子能量和流体温度，用函数模拟方法模拟针对中子探测器或γ射线探测器的中子能谱响应函数或瞬发γ响应函数，并编译为对应的相应矩阵，便于后期计算。

s3.根据所述解析方程求得所述待测中子场的中子能谱。

进一步地，所述步骤s3具体包括：

1)将中子能谱的计算公式：

离散化得：

其中，e表征中子能量(通过探测器5获得)，de为e的微分；

2)当探测器为中子探测器时，将公式(1)带入公式(5)可得公式(6)：

当探测器为γ射线探测器时，将公式(2)、(3)带入公式(5)可得公式(7)：

其中，

3)根据公式(6)或公式(7)求得中子注量率φj(单纯的公式计算，本实施例未作过多说明)，再将中子注量率φj转化为中子能谱(现有技术可以实现，本实施例不再赘述)。

本实施例直接提供了中子能谱的计算公式，带入模拟的中子能谱响应函数或瞬发γ响应函数和计数值矩阵和测得的热中子计数或瞬发γ计数的计数率矩阵，便可求得中子能谱的表达矩阵，而根据该矩阵采用自动化软件便可直接输出中子能谱，从而实现了最终的中子能谱的输出。

整体上，本发明实施例2提供的一种温控流体中子谱仪的测量方法，可应用于实施例1的温控流体中子谱仪(或其他温控流体中子谱仪)，基于探测器5提供的足够数量的测量值，采用函数模拟方法构建响应矩阵及特征方程求取中子能谱，保证了测量的精准性和稳定性，解决了解谱时高能区符合度差的问题。

实施例3

本发明实施例3还提供一种温控流体中子谱仪的分析处理系统10，可作用于实施例1所述的一种温控流体中子谱仪，如图9所示，包括顺序连接的信号收集单元101、数据处理单元102和显示单元103。

所述信号收集单元101用于连接温控流体中子谱仪的探测器5，以获取所述探测器5测量的热中子计数或瞬发γ计数和流体温度。所述信号收集单元101可采用数据传输线，连接在探测器5的信号输出端和数据处理单元302的信号输入端之间；或者，采用无线网络通讯模块，和探测器5的无线网络通讯模块进行交互，可获取对应的脉冲信号。

所述数据处理单元102用于对采集的所述热中子计数或瞬发γ计数和流体温度执行实施例2所述的一种温控流体中子谱仪的测量方法，获得对应的中子能谱。所述数据处理单元102多为mcu处理器，而具体的计算可通过搭载在该mcu处理器上的软件实现，更具体是通过软件编写计算程式(上述实施例2所述的测量方法)，从而在一获取到信号收集单元101的脉冲信号后直接计算得到对应的中子能谱。

所述显示单元103用于显示所述中子能谱，采用显示器便能实现。

在实际的应用中，所述分析处理系统10多集成在一台电脑中，而针对每个单元设置一个单独的设备或只集成两个单元在一个设备中，设备之间进行信息交互，这也是一种实施方式，也在本发明的保护范围内。

整体上，本发明实施例3提供的一种温控流体中子谱仪的分析处理系统10，可用于实施例1所述的温控流体中子谱仪(或其他温控流体中子谱仪)，采用信号采集单元101获取探测器5的热中子计数或瞬发γ计数和流体温度，进一步输入到数据处理单元102，而数据处理单元102按照预设的测量方法(可采用实施例2所述的测量方法或其他测量方法)进行处理，获取对应的中子能谱，然后用显示单元103显示，实现了在一系统中进行信号采集、数据处理、结果显示等工作，从而保证了测量一致性，避免出现现有采用多个信号采集系统与数据处理系统所导致的误差问题。

以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。