中子位置探测装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于位置探测技术，具体涉及一种中子位置探测装置。
【背景技术】
[0002] 通过中子谱仪系统获取氢原子的信息，从而在原子和分子尺度上研宄物质的结构 和微观运动规律，是凝聚态物理、化学、生命科学、材料科学等多学科领域中广泛使用的技 术手段。中子位置灵敏探测器是中子谱仪系统的关键组成部分。目前普遍采用的基于 3He 气体探测器的中子位置灵敏探测装置规模较庞大、研发成本较高，且随着3He气体数量的减 少，其应用将进一步受到原材料及成本方面的制约。因此，亟需研发新的中子位置灵敏探测 方法和装置，以替代基于 3He气体探测器的探测机制。
[0003] 近年来，国际上正在积极研宄的新型中子位置灵敏探测器主要包括基于涂kiB的 GEM气体探测器、基于半导体中子探测器阵列、基于含kiB或6Li的闪烁体等类型。基于闪烁 体的中子位置灵敏探测器与基于气体探测器的中子位置灵敏探测器相比，具有更高的探测 效率，能够实现更为紧凑的结构设计，缩小探测器的规模和成本；与基于半导体阵列的中子 位置灵敏探测器相比，则具有更低的γ射线灵敏度，且可在强中子辐射场下仍保持较稳定 的性能。
[0004] 目前，基于闪烁体的中子位置灵敏探测主要通过中子闪烁屏与CCD相机或波长转 换光纤（Wavelength Shifting Fiber，WLSF)相结合的方式实现。其中，基于中子闪烁屏与 WLSF的探测机制能够在较低的成本下实现较大的探测面积，对于位置分辨率的调节也更为 灵活。
[0005] 基于中子闪烁屏与WLSF的中子位置灵敏探测器利用含kiB或6Li等的中子转换材 料与ZnS(Ag)闪烁体混合制成中子闪烁屏，并利用WLSF将中子与闪烁屏作用产生的闪烁光 信号转换至易被光探测器件响应的波段，进而被光探测器件接收并转化为可测量和记录的 电信号。目前普遍采用光电倍增管作为光探测器件，其成本较高，体积和重量较大，对于设 计和实现较大的探测面积，及降低探测器的规模和成本是一个制约的因素。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种中子位置探测装置，尺寸小、重量 轻、结构简单，具有较高的探测灵敏度；无需在高电压下工作，降低了设计的难度。
[0007] 为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：提供一种中子位置探测装置，该装置 包括中子闪烁屏、波长转换光纤、光电转换器件、数据采集系统、位置判定及图像显示系统， 其中：
[0008] 所述中子闪烁屏，用于吸收中子射线，并发出一定波长的闪烁光；
[0009] 所述波长转换光纤，用于接收闪烁屏上发出的闪烁光，并将该闪烁光转换成易被 光电转换器件响应的波长，传输给光电转换器件；
[0010] 所述光电转换器件，用于接收波长转换光纤发出的闪烁光，并将该闪烁光信号转 化为可测量和记录的电信号输送给数据采集系统；
[0011] 所述数据采集系统，用于接收光电转换器件传输的电信号，并将该电信号进行放 大和处理，然后转化为数字信号传输给位置判定及图像显示系统；
[0012] 所述位置判定及图像显示系统，用于接收数据采集系统传输的数字信号，并根据 该数字信号确定中子的位置，生成和显示中子位置的分布图像。
[0013] 进一步，所述光电转换器件采用硅光电倍增管。
[0014] 进一步，所述中子闪烁屏采用kiB或6Li与ZnS(Ag)闪烁体混合制成。
[0015] 进一步，所述中子闪烁屏采用两块，且两块所述中子闪烁屏平行放置。
[0016] 进一步，两块所述中子闪烁屏之间设有多个波长转换光纤，多个波长转换光纤分 别沿两个相互垂直的方向平行布置。
[0017] 进一步，每根所述波长转换光纤的两端均与硅光电倍增管阵列连接，其中，每根或 每相邻数根波长转换光纤的末端与硅光电倍增管的一个灵敏单元连接。
[0018] 本发明的有益技术效果在于：采用硅光电倍增管阵列替代常规的光电倍增管作为 光电转换器件，其尺寸更小、重量更轻，价格仅为位置灵敏光电倍增管的几十分之一，且不 需要在高电压下工作，有效降低了探测器的体积、重量、设计复杂度和成本；在性能方面，硅 光电倍增管能够达到与光电倍增管相当的光电流增益，且其光谱响应曲线的峰值与波长转 换光纤发光的波长（492nm)更为接近，相应的探测效率可以达到20%，而光电倍增管在该 波长处的光量子效率约为15%。
【附图说明】
[0019] 图1是本发明中子位置探测装置的结构框图；
[0020] 图2是本发明中子位置探测装置的结构示意图。
[0021] 图中：
[0022] 1-中子闪烁屏 2-波长转换光纤 3-光电转换器件单元
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细的描述。
[0024] 如图1所示，是本发明中子位置灵敏探测装置，该探测装置包括ZnS(Ag)Z^B中子 闪烁屏、波长转换光纤、光电转换器件、数据采集系统（DAQ)、位置判定及图像显示系统。其 中，中子入射到ZnS (Ag)/kiB中子闪烁屏上，与kiB发生kiB (η, a ) 7Li反应，产生7Li和α粒 子。上述次级带电粒子与ZnS(Ag)闪烁体作用，发出峰值波长为450nm的蓝色荧光。该蓝 色荧光被波长转换光纤吸收，转化为峰值波长为492nm，易被光电转换器件接收的绿光，并 传输至光电转换器件阵列的相应单元，光电转换器件接收由波长转换光纤发出的绿光，并 输出模拟信号，该模拟信号经数据采集系统进行放大和处理，从而转换为数字信号传输至 计算机，再通过计算机的中子位置判定及图像显示系统进行中子位置判定及图像显示，确 定中子的入射位置，并生成和显示中子位置分布的图像。
[0025] 其中，光电转换器件采用硅光电倍增管（SiPM，Silicon Photomultiplier)阵列作 为光电转换器件。相比位置灵敏光电倍增管，硅光电倍增管阵列的尺寸小、重量轻、结构简 单，价格仅为前者的几十分之一，且不需要在高电压下工作，降低了设计的难度。在性能方 面，硅光电倍增管阵列能够达到与光电倍增管相当的光电流增益，且其光谱响应曲线的峰 值与波长转换光纤发光的波长（492nm)更为接近，相应的探测效率可以达到20%，而光电 倍增管在该波长处的光量子效率约为15%。因此，使用硅光电倍增管阵列替代光电倍增管， 在保持探测效率的同时，有效降低了探测器的体积、重量、设计复杂度和成本。
[0026] 如图2所示，该探测装置采用2块平行放置的ZnS(Ag)Z^B中子闪烁屏1，在2块 中子闪烁屏1之间设有多根波长转换光纤2,多根波长转换光纤2沿两个相互垂直的方向 即X、Y方向分别平行排列。每根波长转换光纤2的两端均与硅光电倍增管阵列连接，每根 或每相邻数根波长转换光纤2的末端接入1个光电转换器件单元3,本发明波长转换光纤的 连接方式，不限于上述的连接方式，可根据对测量面积、收集效率等的具体需求而定。
[0027] 上述ZnS(Ag)/iqB中子闪烁屏采用一定比例的ZnS(Ag)和成 10!^混合制成。中子闪 烁屏灵敏区域尺寸为80mmX80mm，前、后两块中子闪烁屏的厚度分别为400 μπι和200 μπι。
[0028] X方向（即水平方向）、Υ方向（即为垂直方向）各采用32根波长转换光纤，排列 间隔为1.5mm。波长转换光纤的截面形状为圆形，直径为1mm，长度为lm。波长转换光纤的 端面通过专门设计的接头与光电转换器件阵列进行连接。
[0029] 采用2个4 X 4阵列的光电转换器件单元，其每个光电转换器件单元的灵敏面积为 3mmX 3mm〇
[0030] 数据采集系统将光电转换器件输出的32路模拟信号进行放大和噪声甄别，并转 化为数字信号；再通过并行数据采集卡，将各路数字信号传输至计算机。
[0031] 由于中子闪烁屏发出的荧光可能会被同一方向上的多根波长转换光纤吸收，采用 模式匹配方法进行中子位置的判定。如下表所示，以X方向为例，若相邻4路波长转换光纤 信号（对应的波长转换光纤的空间位置分别记为χ η、χη+1、χη+2、χη+3，每路包含2根相邻的波 长转换光纤）的输出情况与表中的任一模式相一致时，判定中子入射位置为χ η+1处。若X方 向的各路波长转换光纤信号出现多组不同模式的匹配情况，则按照A、B、C、D类模式优先级 顺次降低的原则进行选择。
[0032] 根据探测到的大量中子的位置信息，得到中子的位置分布，并以图像形式显示。
[0033]
【主权项】
1. 一种中子位置探测装置，其特征是：该装置包括中子闪烁屏、波长转换光纤、光电转 换器件、数据采集系统、位置判定及图像显示系统，其中： 所述中子闪烁屏，用于吸收中子射线，并发出一定波长的闪烁光； 所述波长转换光纤，用于接收闪烁屏上发出的闪烁光，并将该闪烁光转换成易被光电 转换器件响应的波长，传输给光电转换器件； 所述光电转换器件，用于接收波长转换光纤发出的闪烁光，并将该闪烁光信号转化为 可测量和记录的电信号输送给数据采集系统； 所述数据采集系统，用于接收光电转换器件传输的电信号，并将该电信号进行放大和 处理，然后转化为数字信号传输给位置判定及图像显示系统； 所述位置判定及图像显示系统，用于接收数据采集系统传输的数字信号，并根据该数 字信号确定中子的位置，生成和显示中子位置的分布图像。
2. 如权利要求1所述的中子位置探测装置，其特征是：所述光电转换器件采用硅光电 倍增管。
3. 如权利要求1所述的中子位置探测装置，其特征是：所述中子闪烁屏采用、或6Li 与ZnS(Ag)闪烁体混合制成。
4. 如权利要求3所述的中子位置探测装置，其特征是：所述中子闪烁屏采用两块，且两 块所述中子闪烁屏平行放置。
5. 如权利要求4所述的中子位置探测装置，其特征是：两块所述中子闪烁屏之间设有 多个波长转换光纤，多个波长转换光纤分别沿两个相互垂直的方向平行布置。
6. 如权利要求5所述的中子位置探测装置，其特征是：每根所述波长转换光纤的两端 均与硅光电倍增管阵列连接，其中，每根或每相邻数根波长转换光纤的末端与硅光电倍增 管的一个灵敏单元连接。
【专利摘要】本发明涉及一种中子位置探测装置，该装置包括中子闪烁屏、波长转换光纤、光电转换器件、数据采集系统、位置判定及图像显示系统，其中：中子闪烁屏吸收入射的中子，发出峰值波长为450nm的蓝光，该蓝光被波长转换光纤吸收，转化为峰值波长为492nm、易被光电转换器件接收的绿光，并将该绿光传输至光电转换器件，光电转换器件接收来自波长转换光纤发送的光信号，并将该光信号转换为电信号，输送给数据采集系统，数据采集系统将电信号进行放大和处理后，转换为数字信号传输给位置判定及图像显示系统，从而确定中子的入射位置，并生成和显示中子位置分布的图像。本发明的探测装置，测量灵敏、尺寸小、重量轻、价格便宜；且不需要在高电压下工作，降低了设计的难度。
【IPC分类】G01T3-06
【公开号】CN104597479
【申请号】CN201410840477
【发明人】刘阳, 刘哲, 郭庐阵
【申请人】中国原子能科学研究院
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2014年12月30日