專利名稱：用于通過俘獲伽馬熱量測定的中子檢測的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于將伽馬射線閃爍體(scintillator)用于間接檢測來檢測中子輻射(優(yōu)選為熱(慢)中子)的裝置。
背景技術(shù)：
盡管有可用于中子檢測的廣泛多種方法和設(shè)備，在需要以最低成本具有最高效率的中子計(jì)數(shù)的多數(shù)應(yīng)用中仍然以常見3He管為主。然而預(yù)計(jì)3He短缺，使得需要替代物。
在現(xiàn)有技術(shù)中已知這樣的替代檢測器。Knoll的Radiation Detection and Measurement ,2000年第3版第506頁陳述了用來檢測中子的所有常見反應(yīng)是具有帶電粒子發(fā)射的反應(yīng)。更具體而言，用于檢測的可能反應(yīng)產(chǎn)物是反沖核(主要為質(zhì)子)、氚核、阿爾法粒子和裂變碎片(fission fragment)。然而在中子俘獲反應(yīng)之后的伽馬射線使用于一些專用檢測器中，但是這些應(yīng)用相對(duì)罕見。
已經(jīng)在Grodzins的US 7 525 101 B2中公開一種使用伽馬射線閃爍體的檢測器。 Grodzins公開一種包括夾在兩個(gè)光導(dǎo)之間的中子閃爍體的檢測器，該中子閃爍體對(duì)于傳入光學(xué)光子而言是不透明的，光導(dǎo)之一也作為伽馬射線閃爍體。這一檢測器也一般地利用在中子俘獲之后的重型帶電粒子發(fā)射。Grodzins確實(shí)提到6Li^Bj13Cd或者157Gd作為中子俘獲材料。
那些材料與SiS閃爍成分組合使用，其中帶電粒子失去能量，從而使ZnS材料閃爍而每kv能量損耗發(fā)射約50個(gè)光學(xué)光子，因此在每次中子俘獲之后產(chǎn)生數(shù)十萬的光學(xué)光量子。
因而，Grodzins公開的檢測器向中子閃爍體片的兩側(cè)發(fā)射光量子。檢測器本身然后測量光檢測在中子閃爍體片的兩側(cè)上的重合(coincidence)。這樣的重合測量被視為用于中子閃爍片中的中子俘獲的標(biāo)志。這一檢測器區(qū)分伽馬輻射，因?yàn)橘ゑR量子將僅在與另一光導(dǎo)在光學(xué)上分離的伽馬閃爍體中停止。
除了復(fù)雜的設(shè)置之外，Grodzins公開具有如下劣勢它不能區(qū)分中子事件與宇宙背景輻射以及其他如下高能帶電粒子輻射，該高能帶電粒子輻射可能引起中子吸收體材料內(nèi)的閃爍或者光導(dǎo)中的契倫科夫(Cerenkov)光，之后也引起向兩個(gè)光導(dǎo)中的光發(fā)射。
Grodzins公開的另一劣勢是在使用113Cd或者157Gd作為中子俘獲材料的情況下的無法令人滿意的中子-伽馬區(qū)分。在這一情況下，檢測器也對(duì)外部伽馬敏感。通過檢測中子閃爍體中的外部伽馬輻射而生成的脈沖不能區(qū)別于歸因于中子俘獲反應(yīng)產(chǎn)生的伽馬的脈沖。
Reeder在Physics Research A 340 (1994) 371 中的Nuclear Instruments and Methods提出一種由硅酸釓(GSO)制成的中子檢測器，該中子檢測器由與GSO重合作為全伽馬吸收分光計(jì)來操作的塑料閃爍體包圍。由于通過針對(duì)高能伽馬射線的大衰變長度來區(qū)別塑料閃爍體，所以提出的全吸收分光計(jì)將相當(dāng)無效率或者將需要大量塑料閃爍體。又一劣勢在于當(dāng)用合理數(shù)目的光電檢測器從塑料材料收集光時(shí)有困難。此外，大塑料層不僅緩和而且也吸收中子通量的一部分，因此減少中子檢測器效率。又一劣勢在于不能消除由于伽馬射線從中子檢測器中的外部源的康普頓散射、繼而為散射的伽馬與伽馬檢測器的互作用的背景。
Bell在US 6 011 266中公開另一種利用伽馬射線閃爍體的中子檢測器。Bell使用由對(duì)中子敏感的材料(優(yōu)選包括硼)包圍的伽馬射線閃爍體。中子俘獲反應(yīng)造成對(duì)中子敏感的材料裂變成阿爾法粒子和7Li離子，其中鋰離子的第一受激態(tài)經(jīng)由在478 keV發(fā)射閃爍檢測器然后檢測到的單個(gè)伽馬射線來衰變。同時(shí)，在Bell中公開的檢測器對(duì)入射輻射場產(chǎn)生的伽馬射線敏感，因?yàn)閷?duì)中子敏感的材料未充當(dāng)針對(duì)伽馬射線的屏蔽。
這樣的檢測器的劣勢之一在于在7Li的第一受激態(tài)衰變之后的單個(gè)伽馬射線落在其中存在許多其他伽馬射線的能量區(qū)域內(nèi)。因此有必要非常準(zhǔn)確地測量這一單個(gè)衰變以便實(shí)現(xiàn)至少合理的結(jié)果，因此大量增加技術(shù)復(fù)雜性和有關(guān)成本。另外，利用如Bell公開的檢測器即使并非不可能也難以區(qū)分帶電粒子輻射(例如宇宙起源的帶電粒子輻射)。
概括而言，如果同時(shí)考慮決定性參數(shù)(比如每體積的中子檢測效率、每成本的中子檢測效率、伽馬抑制因子、檢測器材料的簡單性和堅(jiān)固性以及可用性)，則已知的中子檢測器概念無一可與3He管競爭。發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的劣勢并且提供一種具有簡單設(shè)置并且中子檢測高度保密的高效中子檢測器。
這一問題由一種用于檢測中子輻射(優(yōu)選為熱中子)的裝置解決，該裝置包括具有高中子吸收能力的至少一個(gè)第一分段和具有低中子吸收能力的至少一個(gè)第二分段，第二分段包括伽馬射線閃爍體，伽馬射線閃爍體材料包括針對(duì)5 MeV能量的伽馬射線具有小于 10cm、優(yōu)選小于5cm的衰減長度的無機(jī)材料，以便針對(duì)第二分段內(nèi)的高能伽馬射線提供高伽馬射線停止能力。第一分段的材料選自于通過主要經(jīng)由伽馬輻射的中子俘獲來釋放第一分段中部署的能量的一組材料，并且第二分段以第一分段的大部分由第二分段覆蓋的方式包圍第一分段。該裝置還包括光學(xué)耦合到第二分段以便檢測第二分段中的光量的光檢測器和耦合到光檢測器的評(píng)估設(shè)備，所述設(shè)備能夠確定光檢測器針對(duì)一個(gè)閃爍事件檢測到的光量，該量有與通過第二分段中的伽馬輻射而部署的能量的已知關(guān)系。評(píng)估設(shè)備被配置成當(dāng)測量的總伽馬能量Esum在2，614 MeV以上時(shí)將檢測到的輻射分類為中子。評(píng)估設(shè)備還可以被配置成僅當(dāng)測量的總伽馬能量在預(yù)定閾值以下、優(yōu)選地還在10 MeV以下時(shí)將檢測到的輻射分類為中子。
第一分段優(yōu)選地包括鎘(Cd)、釤(Sm)、鏑(Dy)、銪(Eu)、釓(Gd)、銥(Ir)、銦(In) 或者汞(Hg)，第二分段優(yōu)選地包括鎢酸鉛(PW0)、鎢酸鈣(CaW04)、鍺酸鉍(BG0)、碘化鈉 (NaI),碘化銫(CsI)、氟化鋇(Barium Flouride) (BaF2)、氟化鉛(PbF2)、氟化鈰(CeF2)、氟化鈣(CaF2)或者閃爍玻璃材料。
在又一實(shí)施例中，第二分段以多于一半的球面(2 π )由第二分段覆蓋的方式包圍第一分段。
當(dāng)?shù)谝环侄伟ㄖ凶娱W爍體時(shí)是尤其優(yōu)選的，優(yōu)選以中子閃爍體具有充分伽馬俘獲橫截面以用充分效率測量上至至少100 keV、優(yōu)選上至至少500 keV的伽馬能量的方式選擇中子閃爍體。
當(dāng)評(píng)估設(shè)備被配置成在至少一個(gè)伽馬事件還由中子閃爍體測量時(shí)將檢測到的輻射分類為中子時(shí)也是有利的。當(dāng)?shù)谝环侄沃械臎]有信號(hào)具有預(yù)定閾值以上的測量能量時(shí)， 可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步改進(jìn)。通過測量閃爍體在第一分段中的厚度d (以cm為單位)、然后通過將所述厚度乘以閃爍體材料的以g/cm3為單位給定的密度并且乘以所述閃爍體中的最小電離粒子的以MeV/(g/cm2)為單位給定的能量損耗確定與所述閃爍體中的覆蓋距離d的最小電離粒子的能量沉積對(duì)應(yīng)的能量^lin (以MeV為單位)來確定這一閾值。然后將閾值設(shè)置在所述能量以下。
在又一實(shí)施例中，以伽馬射線和中子閃爍體的光均向相同光檢測器傳播的方式安裝光檢測器。優(yōu)選地，用于中子和伽馬射線閃爍體的材料選自于一組材料使得它們的發(fā)射光具有不同時(shí)序特性、例如發(fā)射具有不同衰變時(shí)間的光。然后可以用評(píng)估設(shè)備能夠區(qū)別相應(yīng)閃光體發(fā)射的具有不同特性的光與包括兩個(gè)閃爍體的光分量的單個(gè)光檢測器信號(hào)的方式配置評(píng)估設(shè)備。用于中子和伽馬射線閃爍體的材料還可以選自于一組材料使得它們具有相似發(fā)射波長和相似光折射率。另外，第一和第二分段可以共同布置于向共同光檢測器安裝的一個(gè)檢測器中，使得第二分段由第一分段分成至少兩個(gè)部分，第二分段的僅一個(gè)部分光學(xué)耦合到光檢測器。
如果第一分段的材料包括鎢酸鎘(CWO)并且第二分段的材料包括鎢酸鉛(PWO) 或者第一分段的材料包括基于硅酸釓(GSO)的材料并且第二分段的材料包括基于碘化鈉 (NaI)或者碘化銫(CsI)的閃爍體則是有優(yōu)勢的。
在又一實(shí)施例中，第二分段可以包括至少三個(gè)伽馬射線閃爍體，每個(gè)伽馬射線閃爍體耦合到光檢測器，使得可以區(qū)別來自不同伽馬閃爍體的信號(hào)。作為一個(gè)具體實(shí)施例，第一和第二分段共同布置于一個(gè)檢測器中，使得第二分段由第一分段至少分成三個(gè)部分，所有部分光學(xué)耦合到不同光檢測器，使得可以單獨(dú)評(píng)估來自部分的光。理想地，評(píng)估設(shè)備被配置成當(dāng)至少兩個(gè)伽馬射線閃爍體已經(jīng)檢測到由于在第一分段中的中子俘獲之后的伽馬互作用的信號(hào)時(shí)將檢測到的輻射分類為中子。
將理解如在前段中描述的第二分段的部分可以形成單個(gè)檢測器的若干或多或少完整部分，或者作為替代可以包括至少三個(gè)個(gè)別伽馬射線閃爍體，如上文描述的那樣共同評(píng)估這些閃爍體的信號(hào)。
一種替代是如下裝置，其中第一和第二分段共同布置于向共同光檢測器安裝的一個(gè)檢測器中，使得第二分段由第一分段分成兩個(gè)部分，兩個(gè)部分均光學(xué)耦合到光檢測器。當(dāng)?shù)诙侄斡傻谝环侄沃辽俜殖扇齻€(gè)部分、所有部分光學(xué)耦合到光檢測器時(shí)甚至是又一優(yōu)勢。
根據(jù)另一實(shí)施例，第一分段安裝于第二分段的外球面。
當(dāng)本發(fā)明的裝置包括第三分段、使得第一和第二分段由所述第三分段部分地共同包圍、所述第三分段包括閃爍體、所述閃爍體的發(fā)射光由光檢測器測量、其中光檢測器的輸出信號(hào)由裝置的共同評(píng)估設(shè)備評(píng)估時(shí)可以是又一優(yōu)勢。在一個(gè)具體實(shí)施例中，評(píng)估設(shè)備被配置成當(dāng)尚未在相同時(shí)幀內(nèi)從第三分段閃爍體檢測到具有在某一屏蔽閾值以上的能量的信號(hào)(防重合)時(shí)將檢測到的輻射分類為中子，在若干步驟中確定所述屏蔽閾值。首先測量閃爍體在第三分段中的厚度t(以cm為單位)，然后通過將所述厚度乘以閃爍體材料的以g/cm3為單位給定的密度并且乘以所述閃爍體中的最小電離粒子的以MeV/(g/cm2)為單位給定的能量損耗來確定與所述閃爍體中的覆蓋距離t的最小電離粒子的能量沉積對(duì)應(yīng)的能量Emin (以MeV為單位)，并且通過最終將屏蔽閾值設(shè)置在所述能量以下。
有可能將第三分段光學(xué)耦合到第二分段的光檢測器并且將評(píng)估設(shè)備配置成通過來自第二和第三分段的信號(hào)的信號(hào)性質(zhì)區(qū)別它們的信號(hào)。這可以通過將波長移動(dòng)器安裝于第三分段的閃爍體與光電檢測器之間來進(jìn)一步改進(jìn)。
用于第三分段中的閃爍體的材料可以優(yōu)選地選自于作為用于快中子的中子緩和器的包括具有低原子序數(shù)Z的成分(constituent)的一組材料。
本發(fā)明也包括一種用于使用如上文描述的本發(fā)明的裝置來檢測中子、優(yōu)選為熱中子的方法，其中作為第一步驟，在第一分段中俘獲中子，之后測量由于伽馬輻射的能量損耗而從第二分段發(fā)射的光，并且根據(jù)從裝置的第二分段發(fā)射的光確定在中子俘獲之后的伽馬輻射的總能量損耗。然后在測量的總能量損耗在2，614 MeV以上時(shí)將測量事件分類為中子俘獲。也有可能添加上閾值以便將測量事件分類為中子俘獲，其中要求測量的總能量損耗在預(yù)定閾值以下、優(yōu)選在10 MeV以下。
當(dāng)使用本發(fā)明的檢測器(該檢測器的第二分段包括至少三個(gè)伽馬射線閃爍體)時(shí)， 可以利用一種用于檢測中子、優(yōu)選為熱中子的方法，該方法包括以下步驟首先在第一分段中俘獲中子，然后測量由于伽馬輻射的能量損耗而從第二分段發(fā)射的光，因而根據(jù)從裝置的第二分段發(fā)射的光確定在中子俘獲之后的伽馬輻射的總能量損耗，并且最終在測量的總能量損耗在2，614MeV以上時(shí)并且當(dāng)還在伽馬閃爍體中的至少兩個(gè)中測量能量損耗時(shí)將事件分類為中子俘獲。
在本發(fā)明的裝置在它的第一分段中利用中子閃爍體的情況下，可以利用一種用于檢測中子、優(yōu)選為熱中子的方法，該方法包括以下步驟首先在第一分段中俘獲中子，然后測量由于伽馬輻射能量損耗而從第一分段發(fā)射的光，同時(shí)測量由于伽馬輻射能量損耗而從第二分段發(fā)射的光，并且根據(jù)從裝置的第二分段發(fā)射的光確定在中子俘獲之后的伽馬輻射的總能量損耗，并且當(dāng)在第二分段中測量的總能量損耗在2，614MeV以上時(shí)并且當(dāng)已經(jīng)同時(shí)在第一分段中檢測到能量損耗時(shí)將事件分類為中子俘獲?？梢酝ㄟ^根據(jù)從裝置的第一和第二分段兩者發(fā)射的光確定在中子俘獲之后的伽馬輻射的總能量損耗來改進(jìn)這一方法。
同樣，如果還要求在中子俘獲之后的伽馬輻射的總能量損耗在預(yù)定閾值以下、優(yōu)選在10 MeV以下則可能是有優(yōu)勢的。
當(dāng)要求第一分段中的測量能量損耗在預(yù)定閾值以下時(shí)可以實(shí)現(xiàn)又一改進(jìn)。通過利用以下步驟來確定該閾值測量閃爍體在第一分段中的厚度d (以cm為單位)、通過將所述厚度乘以閃爍體材料的以g/cm3為單位給定的密度并且乘以所述閃爍體中的最小電離粒子的以MeV/(g/cm2)為單位給定的能量損耗來確定與所述閃爍體中的覆蓋距離d的最小電離粒子的能量沉積對(duì)應(yīng)的能量^llin (以MeV為單位)并且最終將設(shè)置在閾值以下。當(dāng)在第二分段中觀測到能量損耗、但是未同時(shí)在第一分段中觀測到能量損耗時(shí)將事件分類為外部伽馬輻射并且因此未分類為中子俘獲時(shí)，針對(duì)不期望事件進(jìn)行進(jìn)一步區(qū)分是可能的。
當(dāng)使用如上文描述的第三——屏蔽——分段時(shí)，可以通過利用以下步驟來確定中子、優(yōu)選為熱中子再次在第一分段中俘獲中子，測量由于伽馬輻射能量損耗而從第二分段發(fā)射的光，根據(jù)從裝置的第二分段發(fā)射的光確定在中子俘獲之后的伽馬輻射的總能量損耗，并且當(dāng)測量的總能量損耗在2，614 MeV以上時(shí)并且當(dāng)尚未在相同時(shí)幀內(nèi)從第三分段閃爍體檢測到具有在某一屏蔽閾值以上的能量的信號(hào)(防重合)時(shí)將事件分類為中子俘獲。根據(jù)以下步驟確定所述屏蔽閾值首先測量閃爍體在第三分段中的厚度t (以cm為單位)，然后通過將所述厚度乘以閃爍體材料的以g/cm3為單位給定的密度并且乘以所述閃爍體中的最小電離粒子的以MeV/(g/cm2)為單位給定的能量損耗來確定與所述閃爍體中的覆蓋距離 t的最小電離粒子的能量沉積對(duì)應(yīng)的能量^llin(以MeV為單位)，并且通過最終將屏蔽閾值設(shè)置在所述能量以下。
當(dāng)根據(jù)從第二和第三分段兩者發(fā)射的光確定在中子俘獲之后的伽馬輻射的總能量損耗時(shí)，可以增加這樣的方法的效率。此外，僅當(dāng)在中子俘獲之后的伽馬輻射的總能量損耗在預(yù)定閾值以下、優(yōu)選在10 MeV以下時(shí)，可以將事件分類為中子俘獲。另一方面，當(dāng)在分段三中觀測到在屏蔽閾值以下的能量損耗、但是未在第二分段中觀測到能量損耗時(shí)，可以將事件分類為外部伽馬輻射、因此并非中子俘獲事件。
也公開一種用于使用本發(fā)明的裝置來檢測中子、優(yōu)選為熱中子的方法，該裝置具有包圍第三(屏蔽)分段，第一分段包括中子閃爍體，該方法利用以下步驟在第一分段中俘獲中子，測量由于伽馬輻射能量損耗而從第一分段發(fā)射的光，測量由于伽馬輻射能量損耗而從第二分段發(fā)射的光，并且根據(jù)從裝置的第二分段發(fā)射的光確定在中子俘獲之后的伽馬輻射的總能量損耗。根據(jù)該方法，當(dāng)在第二分段中測量的總能量損耗在2，614 MeV以上時(shí)并且當(dāng)已經(jīng)同時(shí)在第一分段中檢測到能量損耗時(shí)并且當(dāng)尚未在相同時(shí)幀內(nèi)從第三分段閃爍體檢測到具有在某一屏蔽閾值以上的能量的信號(hào)(防重合)時(shí)將事件分類為中子俘獲。根據(jù)以下步驟確定所述屏蔽閾值首先測量閃爍體在第三分段中的厚度t (以cm為單位)，然后通過將所述厚度乘以閃爍體材料的以g/cm3為單位給定的密度并且乘以所述閃爍體中的最小電離粒子的以MeV/(g/cm2)為單位給定的能量損耗來確定與所述閃爍體中的覆蓋距離 t的最小電離粒子的能量沉積對(duì)應(yīng)的能量^llin(以MeV為單位)，并且通過最終將屏蔽閾值設(shè)置在所述能量以下。
同樣，當(dāng)通過將在第一和第二分段中檢測到的能量損耗相加或者通過將在第二和第三分段中檢測到的能量損耗相加或者甚至通過將在第一、第二和第三分段中檢測到的能量損耗相加來確定在中子俘獲之后的伽馬輻射的總能量損耗時(shí)，可以改進(jìn)該方法的效率。
可以通過要求在中子俘獲之后的伽馬輻射的測量的總能量損耗在預(yù)定閾值以下、 優(yōu)選在IOMeV以下來改進(jìn)針對(duì)背景輻射的區(qū)分。
另一種區(qū)分背景輻射的方式是當(dāng)在分段二中或者在分段三中檢測到能量損耗、但是同時(shí)未在分段三中檢測到在屏蔽閾值以上的能量損耗并且未在分段一中檢測到能量損耗時(shí)將事件分類為外部伽馬輻射——而不是分類為中子俘獲事件。在該上下文中，不用說 “無能量損耗”代表在檢測限制以下的能量損耗。


與以下圖一起描述本發(fā)明的一些具體實(shí)施例。
圖1示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該實(shí)施例具有圓柱形閃爍體和在該閃爍體中間的中子吸收體層以及光檢測器，圖2示出了具有兩個(gè)中子俘獲層的相似設(shè)置，圖3示出了具有中子俘獲閃爍體的另一實(shí)施例，該閃爍體劃分閃爍體材料的兩個(gè)部分，圖4示出了具有包圍屏蔽檢測器的本發(fā)明的檢測器， 圖5示出了僅使用單個(gè)光檢測器的相似檢測器，并且圖6示出了從不同閃爍體材料發(fā)射的信號(hào)的各種衰變時(shí)間。
具體實(shí)施方式
圖1在它的下面部分中示出了經(jīng)過一個(gè)實(shí)施例的縱向切割。這里示出了檢測器 100及其主要分段中的三個(gè)分段?？梢钥匆姲惭b于光檢測器103 (優(yōu)選為光電倍增器管或者蓋爾(Geiger)模式雪崩光電二極管(G-APD)的陣列)上的伽馬閃爍體材料101。這一伽馬閃爍體材料沿著它的縱軸分成兩個(gè)部分，而中子俘獲材料102布置于伽馬閃爍體的兩個(gè)部分之間?？梢栽趫D的上部分中示出的經(jīng)過閃爍體材料的橫向切割中明顯看見中子俘獲材料102的位置。
以伽馬閃爍體材料的用于熱(慢)中子的中子俘獲橫截面低的方式選擇伽馬閃爍體材料、因此讓大多數(shù)中子穿過閃爍體材料而無中子俘獲。
位于檢測器中心的中子俘獲分段102是具有高中子俘獲橫截面(也就是具有高中子吸收能力)的材料片。這一分段102優(yōu)選為對(duì)于伽馬射線而言或多或少透明。
與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)已知的內(nèi)容不同，第一分段102的中子俘獲材料并非如下的材料，該材料一旦已經(jīng)俘獲中子就大量造成帶電粒子裂變或者發(fā)射，但是主要經(jīng)由伽馬射線發(fā)射來釋放它的激發(fā)能量。適當(dāng)材料例如是包含釓(Gd)、鎘(Cd)、銪(Eu)、釤(Sm)、鏑(Dy)、 銥(Ir)、汞(Hg)或者銦(In)的材料。由于每次中子俘獲根據(jù)俘獲核素(nuclide)而在核子中沉積了主要約為5至10 Mev的可觀量的激發(fā)能量，所以這大約是以能量范圍從幾keV上至一些MeV的多個(gè)伽馬量子的形式釋放的能量。與此對(duì)照，在現(xiàn)有技術(shù)的檢測器中使用的通常中子俘獲反應(yīng)主要通過裂變產(chǎn)物和/或帶電粒子的發(fā)射來造成能量釋放。那些過程也經(jīng)常伴隨有伽馬輻射，然而該伽馬輻射總計(jì)僅為全部能量釋放的較小部分。
本發(fā)明的裝置利用中子俘獲、之后為釋放具有在5至10 MeV之間某處的總能量的伽馬量子。因而，具有高效伽馬閃爍體的新穎檢測器概念允許測量發(fā)射的那些伽馬量子的大量部分，并且因此針對(duì)輻射背景(特別地針對(duì)由于多數(shù)放射性衰變的伽馬輻射)充分區(qū)分在中子俘獲之后的事件。
必須注意，很快發(fā)射在中子俘獲之后的伽馬級(jí)聯(lián)使得伽馬閃爍體101不能區(qū)分單個(gè)伽馬事件。因此，如這樣的伽馬閃爍體101合計(jì)所有伽馬能量，從而產(chǎn)生主要與沉積于閃爍體材料中的總能量Esim成比例的光量。閃爍體因此不能在相同時(shí)間窗中吸收的單個(gè)高能量伽馬與多種更低能量伽馬射線之間進(jìn)行區(qū)分。
伽馬閃爍體101因此被設(shè)計(jì)成作為一種熱量計(jì)來操作、因此合計(jì)在單個(gè)中子俘獲事件之后沉積的所有能量。以如下方式構(gòu)造和布置它，該方式以最小成本和最小檢測器體積最大化和能量Esim的在中子吸收體中的中子俘獲之后在閃爍材料中平均吸收的部分?？紤]根據(jù)所用具體反應(yīng)而事實(shí)上吸收了和能量Esim的僅一部分，在檢測器中定義適當(dāng)窗(換而言之為和能量門)是有利的。然后以充分確信度僅將具有在該窗內(nèi)的和能量Esim的事件標(biāo)識(shí)為中子俘獲。
評(píng)估從光檢測器103輸出的信號(hào)的評(píng)估設(shè)備(這里未示出)被設(shè)置成在和能量Esum 大于2，614 MeV時(shí)將事件定義為中子俘獲。對(duì)于這一條件用于下閾值，本發(fā)明利用如下事實(shí)自然放射性系之一產(chǎn)生的最高單個(gè)伽馬能量確切具有2，614 MeV，這是2tl8Tl中的伽馬衰變(是自然釷放射性系的部分)。
由于很不可能重合測量來自兩個(gè)源的兩個(gè)獨(dú)立伽馬射線，所以閾值2，614 MeV好到足以區(qū)分自然或者其他背景輻射。
值得注意的是，這樣的伽馬熱量計(jì)也是用于在檢測器以外產(chǎn)生的中子俘獲伽馬射線的高效檢測器。這可以改進(jìn)本發(fā)明的裝置用于檢測中子源的靈敏度。這歸因于如下事實(shí) 包圍中子源的所有材料在或多或少程度上俘獲中子，從而最終俘獲源產(chǎn)生的所有中子。在這些過程之后通常發(fā)射高能伽馬，其經(jīng)常具有適當(dāng)在3 MeV以上的能量。如果那些伽馬射線在裝置的分段二中沉積它們的能量的充分部分，則它們可以對(duì)本發(fā)明的檢測器中的中子信號(hào)有所貢獻(xiàn)。
為了在熱量計(jì)體制中操作伽馬閃爍體，以可以在伽馬閃爍體中停止在中子俘獲之后發(fā)射的伽馬射線的大部分的方式依賴于(in dependence from)閃爍體材料選擇閃爍體的大小是有利的。很適合的材料例如是鎢酸鉛(PW0或者HdWO4),因?yàn)橥ㄟ^針對(duì)感興趣的伽馬能量(包括最高伽馬能量)的顯著停止能力來區(qū)別這一材料。PWO的低光輸出(以每MeV 的光子為單位)對(duì)于這一應(yīng)用而言是可接受的，因?yàn)樗鼰o需卓越的分光性能。一個(gè)也重要的方面是這一材料容易低成本大量可用。
建議使用對(duì)于分段二而言具有約5至8厘米直徑的PWO閃爍體材料。與圖1和圖 2中所示設(shè)置組合，當(dāng)在中子俘獲材料(分段一)中產(chǎn)生具有在4 MeV以上的能量的伽馬射線時(shí)，這樣的檢測器能夠在所有情況的多于50%情況下吸收多于3 MeV的伽馬能量。
優(yōu)選以如下方式布置檢測器的第一(中子)和第二 (伽馬)分段伽馬射線閃爍體分段覆蓋中子俘獲第一分段的球面(2 π)的至少一半并且優(yōu)選或多或少地完整包圍所述第一分段，以便針對(duì)在第一分段中的中子俘獲之后發(fā)射的那些伽馬射線提供高檢測效率。
也可以建議在約10 MeV設(shè)置用于和能量Esum的又一上閾值。在中子俘獲之后發(fā)射的總能量通常未超過這一個(gè)值。然而具有在該閾值以上的能量標(biāo)志的信號(hào)尤其在檢測器相對(duì)大時(shí)可能在宇宙輻射(例如μ介子)穿過伽馬閃爍體之后出現(xiàn)。所述閾值區(qū)分和抑制那些事件。實(shí)際上應(yīng)當(dāng)以針對(duì)感興趣的場景優(yōu)化效果與背景之比的方式優(yōu)化用于分段二中的能量沉積的下和上閾值兩者。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，檢測器的第一分段102包括優(yōu)選對(duì)于閃爍體光子而言透明的中子閃爍體材料。
這一實(shí)施例還可以通過將信息用于進(jìn)一步評(píng)估來利用如下事實(shí)中子閃爍體如任何閃爍體那樣也在某一程度上吸收伽馬量子。為了這樣做，有必要區(qū)別在中子閃爍體中的伽馬吸收之后發(fā)射的光與在伽馬射線閃爍體中的伽馬吸收之后發(fā)射的光。如果以兩個(gè)閃爍體中的發(fā)射光的光衰變時(shí)間和/或頻率是不同的方式選擇閃爍材料，則可以容易用單個(gè)光電檢測器來完成該區(qū)別。
在圖6中示出了具有不同衰變時(shí)間的相應(yīng)信號(hào)的例子。脈沖608例如產(chǎn)生于向閃爍材料提供短衰變時(shí)間的伽馬射線閃爍體。當(dāng)從中子閃爍體發(fā)射的光的衰變時(shí)間如圖6中的虛線609所示大得多時(shí)，可以容易低通過數(shù)字信號(hào)處理或者通過在光檢測器的信號(hào)輸出上簡單地設(shè)置兩個(gè)時(shí)序窗618和619來區(qū)別那些信號(hào)。
有可能針對(duì)閃爍光在光學(xué)上分離中子和伽馬射線閃爍體。然而對(duì)于一些應(yīng)用，當(dāng)中子閃爍體的發(fā)射波長和中子閃爍體的折射率與伽馬閃爍體的對(duì)應(yīng)值相似時(shí)尤為優(yōu)選。在滿足那些條件的情況下，裝置的第一和第二分段(也就是中子閃爍體和伽馬閃爍體)在光學(xué)上作用相似并且可以接合成僅一塊閃爍體，因此使光檢測器103中的光檢測更容易和更高效。
通常通過使用光檢測器103收集和測量在伽馬射線閃爍體中產(chǎn)生的光并且評(píng)估來自光檢測器的測量信號(hào)來在伽馬射線閃爍體中測量和能量E·。單獨(dú)并且另外測量中子閃爍體中的伽馬射線釋放的能量4。如果中子閃爍體高效到足以吸收中子俘獲中釋放的伽馬能量的部分，則這允許通過要求用于檢測中子的更多條件來改進(jìn)中子標(biāo)識(shí)和背景抑制。
第一中子檢測標(biāo)準(zhǔn)一般是比2，614 Mev高的和能量ESUffl。
第二標(biāo)準(zhǔn)是在中子閃爍體中檢測的信號(hào)。原因在于在本發(fā)明的檢測器中的多數(shù)中子俘獲事件之后為伽馬級(jí)聯(lián)、即包括在500 keV以下或者甚至在100 keV以下的低能量伽馬射線的多種伽馬射線的發(fā)射，其在幾毫米厚度的閃爍體中以高概率互作用。中子閃爍體中的信號(hào)因此是中子俘獲事件的良好指標(biāo)。必須注意，用于中子俘獲事件的檢測器系統(tǒng)的效率未受這樣的附加標(biāo)準(zhǔn)很多影響，因?yàn)橹凶臃@發(fā)生于中子閃爍體內(nèi)，中子閃爍體本身是伽馬輻射源。這包括其中中子閃爍體具有高停止能力的低能量伽馬輻射。因此，中子閃爍體檢測到在第一分段內(nèi)的中子俘獲之后的至少一個(gè)伽馬事件存在高概率。
第三有用標(biāo)準(zhǔn)可以是在中子閃爍體中部署的對(duì)伽馬能量&的上限，以便抑制由于穿透宇宙輻射的背景。在幾毫米厚度的閃爍體中，由于中子俘獲的沉積多于1-2 Mev伽馬能量的概率相當(dāng)小。另一方面，穿透宇宙粒子可以在這樣的閃爍體中沉積可觀量的動(dòng)能。 穿透帶電粒子的最小能量沉積(以MeV為單位)由檢測器厚度(以厘米為單位給定)乘以閃爍體的密度(以克每立方厘米為單位給定)并且乘以對(duì)應(yīng)閃爍體材料中的所謂最小電離粒子(mips)的能量損耗(以MeV每克每平方厘米為單位給定)給定。后者對(duì)于所有常見材料而言大于1 MeV/(g/cm2)，這允許容易估計(jì)所述上限。使用0，5cm鎢酸鎘(CWO)閃爍體作為中子閃爍體例如針對(duì)穿越中子閃爍體的帶電粒子的能量沉積造成約0,5X7，8X1 Mev或者約3，9 MeV的下限。這一個(gè)值必須取作用于中子閃爍體中的中子俘獲信號(hào)的上限；更大信號(hào)有望由高能(宇宙)背景引起并且將必須加以拒絕。
值得提到的是當(dāng)?shù)诙?biāo)準(zhǔn)用于標(biāo)識(shí)中子俘獲事件時(shí)，在從分段二獲得信號(hào)時(shí)在分段一中的遺漏信號(hào)可以取作用于檢測分段二中的外部伽馬射線的標(biāo)志，因此并行使用本發(fā)明的檢測器作為用于外部伽馬射線的檢測器(或分光計(jì))。
可以通過查看整個(gè)閃爍體(也就是作為單個(gè)伽馬閃爍體的第一(中子)與第二 (伽馬)分段組合)、由此將伽馬射線閃爍體中部署的能量與中子閃爍體中部署的能量相加并且使用這一組合值作為和能量Esum來增加檢測器系統(tǒng)的效率。
在圖2中示出了另一實(shí)施例200。這里，伽馬射線閃爍體201分成由中子檢測器 202劃分的四個(gè)部分。閃爍體同樣安裝于光檢測器203上。
當(dāng)使用中子閃爍體材料作為中子檢測器時(shí)，尤其當(dāng)這一閃爍體材料具有與伽馬閃爍體材料的折射率相似的折射率時(shí)，其他實(shí)施例是可能的。
在圖3中示出了例子，其中伽馬閃爍體材料301由中子閃爍體312劃分成與縱軸垂直的兩個(gè)分段。
由于所有閃爍體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馬俘獲之后能夠穿過檢測器300的中心部分中的中子閃爍體材料312而無大損耗，使得它可以由光檢測器303檢測到。
在圖4中示出了本發(fā)明的又一實(shí)施例。在中心將看見如在第一實(shí)施例中描述的由俘獲中子的第一分段402、第二伽馬射線閃爍體分段401和光檢測器403構(gòu)成的裝置。這一檢測器可以可選地由材料406封裝。檢測器的整個(gè)閃爍體部分由也包括閃爍體材料404的第三分段400包圍。在這一閃爍體材料中生成的光由附加光檢測器405檢測。
這一外檢測器400優(yōu)選地作為針對(duì)背景輻射(例如宇宙輻射)的防重合屏蔽。當(dāng)?shù)谌侄?00利用具有相當(dāng)?shù)驮有驍?shù)的閃爍體材料時(shí)，它也可以同時(shí)作為用于快中子的緩和器，因此允許裝置也檢測快中子。在該上下文中必須提到也可以用檢測器的封裝材料406 作為中子緩和器的方式選擇這一材料，而這樣的材料選擇并不限于具有包圍第三分段400 的實(shí)施例而也可以與其他實(shí)施例組合使用。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，第三分段的外閃爍體材料404包括塑料閃爍體材料。這樣的材料容易可用并且易于操縱。
穿透帶電粒子在分段三的閃爍體中的最小能量沉積(以MeV為單位)由閃爍體厚度 (以厘米為單位給定)乘以閃爍體的密度(以克每立方厘米為單位給定)并且乘以對(duì)應(yīng)閃爍體材料中的最小電離粒子(mips)的能量損耗(以MeV每克每平方厘米為單位給定)給定。后者對(duì)于所有常見材料而言大于1 MeV/(g/cm2)并且對(duì)于所有光材料而言大于1，5 MeV/(g/ cm2)，這允許容易估計(jì)所述上限。例如，在第三(屏蔽)分段中使用2cm塑料(PVT)閃爍體例如將針對(duì)由于屏蔽分段中的穿透帶電粒子的信號(hào)造成約2X1X1，5 MeV或者約3 MeV的下限。那些信號(hào)將必須作為背景而加以拒絕。在這一情況下，用于外第三分段的防重合條件可以是尚未在第三分段中檢測到多于3 MeV的能量。
因而在具體例子中在裝置的外第三分段中檢測到的小于3 MeV的能量可能并非源于高能宇宙輻射，使得這樣的更低能量事件如果與第二分段中的伽馬射線重合檢測到則可能添加到和能量E·，因?yàn)樗赡茉从诘谝环侄蝺?nèi)的中子俘獲。然而如果這一信號(hào)實(shí)際上歸因于外部伽馬輻射，則和能量條件(E_>2614 keV)將拒絕對(duì)應(yīng)事件。
值得提到的是當(dāng)在第三分段中觀測到比穿透帶電粒子的最小能量沉積小的能量沉積而未同時(shí)在分段一或者二中觀測到信號(hào)時(shí)，這可以取作用于檢測分段三中的外部伽馬射線的標(biāo)志，因此并行使用屏蔽閃爍體作為用于(外部)伽馬射線的檢測器(或者分光計(jì))。
以相似方式，第三分段中小于穿透帶電粒子的最小能量沉積的能量沉積、伴隨有分段二中的信號(hào)而未同時(shí)在分段一中觀測到信號(hào)可以取作用于檢測如下外部伽馬的標(biāo)志， 該外部伽馬由于在第二散射動(dòng)作或者光吸收之前的康普頓散射而在分段二和三中均沉積能量。因此，分段二與三的組合可以作為用于外部伽馬射線的檢測器(或者分光計(jì))來操作， 而分段一的中子閃爍體允許區(qū)分中子俘獲事件。
在圖5中示出了所述屏蔽檢測器變體的又一改進(jìn)。伽馬射線閃爍體501和中子吸收檢測器502同樣安裝于光檢測器503上。伽馬射線閃爍體同樣可以由某些種封裝506包圍。
不同于其他實(shí)施例，光檢測器503的光敏表面跨越由伽馬射線檢測器501覆蓋的15直徑延伸。光檢測器503的這一外范圍光學(xué)耦合到包圍檢測器的第一和第二分段的圓形第三分段(同樣優(yōu)選為塑料閃爍體504)。
為了恰當(dāng)區(qū)分源于伽馬射線閃爍體501的信號(hào)與源于塑料閃爍體504的信號(hào)，可能添加波長移動(dòng)器507。這樣的波長移動(dòng)器優(yōu)選地吸收來自塑料閃爍體材料504的光，從而發(fā)射具有與從伽馬射線閃爍體501發(fā)射的波長相似的波長的光，使得它可以由相同光檢測器503恰當(dāng)測量。為了區(qū)分來自塑料閃爍體504的信號(hào)與伽馬射線閃爍體501的那些信號(hào)， 如果從波長移動(dòng)器507發(fā)射的光具有不同衰變時(shí)間、因此允許評(píng)估設(shè)備如上文描述的那樣清楚地在兩個(gè)信號(hào)源之間進(jìn)行區(qū)分則是有優(yōu)勢的。
分段二包括在用共同光電檢測器讀出的單個(gè)檢測器塊中布置的單個(gè)伽馬閃爍體材料并非必需的。在另一實(shí)施例中，伽馬熱量計(jì)由可以基于不同閃爍體材料并且由個(gè)別光電檢測器讀出的多個(gè)個(gè)別檢測器構(gòu)成。如果可以在熱量計(jì)中涉及到原先為另一目的(例如外部伽馬輻射的檢測和分光)設(shè)計(jì)的檢測器以便減少總開支，則這一實(shí)施例是有利的。
本發(fā)明的又一特征是有可能利用在中子俘獲第一分段中的中子俘獲之后發(fā)射的伽馬射線的高多重性。如果以第二分段(伽馬射線閃爍體)以其包括三個(gè)或者更多檢測器的方式設(shè)置，則也可能評(píng)估多重性。
如圖2中所示設(shè)置將允許將第二分段分成四個(gè)不同部分，因?yàn)橘ゑR射線閃爍體被劃分成四個(gè)部分。如果以可以區(qū)別四個(gè)伽馬射線閃爍體的光的方式(例如通過使用多陽極光電倍增器管(在圖2中未示出))劃分光檢測器，則也可以單獨(dú)評(píng)估它。因此除了測量和能量Esim之外，也有可能需要測量的伽馬事件的某一多重性。
考慮到檢測器的有限效率，要求第二分段的至少兩個(gè)部分(也就是如圖2中所示伽馬射線閃爍體的兩個(gè)不同部分)已經(jīng)檢測到伽馬事件已經(jīng)證實(shí)是有優(yōu)勢的。尤其是除了比2，614 MeV大的和能量條件Esim之外，這一多重性條件進(jìn)一步增加本發(fā)明的檢測器的準(zhǔn)確度。
概括上文，要求保護(hù)的本發(fā)明確實(shí)提供一種基于公知、廉價(jià)、現(xiàn)貨閃爍體材料和公知、廉價(jià)、現(xiàn)貨光電檢測器的低成本、易于設(shè)置的檢測器以及一種用于以可與現(xiàn)有技術(shù)的計(jì)數(shù)器相媲美的效率和準(zhǔn)確度評(píng)估發(fā)射的信號(hào)的方法。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測中子輻射、優(yōu)選為熱中子的裝置，包括具有高中子吸收能力的至少一個(gè)第一分段和具有低中子吸收能力的至少一個(gè)第二分段，所述第二分段包括伽馬射線閃爍體，所述伽馬射線閃爍體材料包括針對(duì)5 MeV能量的伽馬射線具有小于10 cm、優(yōu)選小于5 cm的衰減長度的無機(jī)材料以便針對(duì)所述第二分段內(nèi)的高能伽馬射線提供高伽馬射線停止能力，其中所述第一分段的材料選自于通過主要經(jīng)由伽馬輻射的中子俘獲來釋放所述第一分段中部署的能量的一組材料，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蓋的方式包圍所述第一分段，所述裝置還包括光學(xué)耦合到所述第二分段以便檢測所述第二分段中的光量的光檢測器，所述裝置還包括耦合到所述光檢測器的評(píng)估設(shè)備，所述設(shè)備能夠確定所述光檢測器針對(duì)一個(gè)閃爍事件檢測到的光量，該量有與通過所述第二分段中的伽馬輻射而部署的能量的已知關(guān)系，其中所述評(píng)估設(shè)備被配置成當(dāng)測量的總伽馬能量Esim在2，614 MeV以上時(shí)將檢測到的輻射分類為中子。
2.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的裝置，其中所述評(píng)估設(shè)備被配置成當(dāng)所述測量的總伽馬能量在預(yù)定閾值以下、優(yōu)選地在10 MeV以下時(shí)將檢測到的輻射分類為中子。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，所述第一分段包括鎘(Cd)、釤(Sm)、鏑(Dy)、銪(Eu)、 釓(Gd)、銥(Ir)、銦(In)或者汞(Hg)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中用于所述第二分段的材料選自于以下內(nèi)容的組 鎢酸鉛(PW0)、鎢酸鈣(CaW04)、鍺酸鉍(BG0)、碘化鈉(Nal)、碘化銫(Csl)、氟化鋇(BaF2)、 氟化鉛(PbF2)、氟化鈰(CeF2)、氟化鈣(CaF2)和閃爍玻璃材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第二分段以多于一半球面(2π )由所述第二分段覆蓋的方式包圍所述第一分段。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第一分段包括中子閃爍體。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的裝置，其中以所述中子閃爍體具有充分伽馬俘獲橫截面以用充分效率測量上至至少100 keV、優(yōu)選上至至少500 keV的伽馬能量的方式選擇所述中子閃爍體。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的裝置，其中所述評(píng)估設(shè)備被配置成當(dāng)至少一個(gè)伽馬事件還由所述中子閃爍體測量時(shí)將檢測到的輻射分類為中子。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的裝置，其中所述第一分段中沒有信號(hào)具有在預(yù)定閾值以上的測量能量，所述閾值根據(jù)以下步驟來確定-測量所述閃爍體在所述第一分段中的厚度d (以cm為單位)，-通過將所述厚度乘以所述閃爍體材料的以g/cm3為單位給定的密度并且乘以所述閃爍體中的最小電離粒子的以MeV/(g/cm2)為單位給定的能量損耗來確定與所述閃爍體中的覆蓋距離d的最小電離粒子的能量沉積對(duì)應(yīng)的能量^lin (以MeV為單位)，-將所述閾值設(shè)置在所述能量以下。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中以所述伽馬射線和所述中子閃爍體的光均向相同光檢測器傳播的方式安裝所述光檢測器。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的裝置，其中用于所述中子和所述伽馬射線閃爍體的材料選自于一組材料，使得它們的發(fā)射光具有不同時(shí)序特性，例如發(fā)射具有不同衰變時(shí)間的光。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的裝置，其中以所述評(píng)估設(shè)備能夠區(qū)別相應(yīng)閃爍體發(fā)射的具有不同特性的光與包括兩個(gè)閃爍體的光分量的單個(gè)光檢測器信號(hào)的方式設(shè)置所述評(píng)估設(shè)備。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的裝置，其中用于所述中子和伽馬射線閃爍體的材料選自于一組材料，使得它們具有相似的發(fā)射波長和相似的光折射率。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的裝置，其中所述第一和第二分段共同布置于向共同光檢測器安裝的一個(gè)檢測器中，使得所述第二分段由所述第一分段分成至少兩個(gè)部分，所述第二分段的僅一個(gè)部分光學(xué)耦合到所述光檢測器。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，所述第一分段的材料包括鎢酸鎘(CW0)，并且所述第二分段的材料包括鎢酸鉛(PW0)。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，所述第一分段的材料包括基于硅酸釓(GSO)的材料， 并且用于所述第二分段的材料包括基于碘化鈉(NaI)或者碘化銫(CsI)的閃爍體。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，所述第二分段包括至少三個(gè)伽馬射線閃爍體，每個(gè)伽馬射線閃爍體耦合到光檢測器，使得可以區(qū)別來自不同伽馬閃爍體的信號(hào)。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第一和第二分段共同布置于一個(gè)檢測器中， 使得所述第二分段由所述第一分段至少分成三個(gè)部分，所有部分光學(xué)耦合到不同光檢測器，使得可以單獨(dú)評(píng)估來自所述部分的光。
19.根據(jù)前述權(quán)利要求17和18之一所述的裝置，其中所述評(píng)估設(shè)備被配置成當(dāng)至少兩個(gè)伽馬射線閃爍體已經(jīng)檢測到由于在所述第一分段中的中子俘獲之后的伽馬互作用的信號(hào)時(shí)將檢測到的輻射分類為中子。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第一和第二分段共同布置于向共同光檢測器安裝的一個(gè)檢測器中，使得所述第二分段由所述第一分段分成兩個(gè)部分，兩個(gè)部分均光學(xué)耦合到所述光檢測器。
21.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的裝置，其中所述第二分段由所述第一分段至少分成三個(gè)部分，所有部分光學(xué)耦合到所述光檢測器。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第一分段安裝于所述第二分段的外球面。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第一和第二分段由第三分段部分地共同包圍，所述第三分段包括閃爍體，所述閃爍體的發(fā)射光由光檢測器測量，其中所述光檢測器的輸出信號(hào)由所述裝置的共同評(píng)估設(shè)備評(píng)估。
24.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的裝置，其中所述評(píng)估設(shè)備被配置成當(dāng)尚未在相同時(shí)幀內(nèi)從所述第三分段閃爍體檢測到具有在某一屏蔽閾值以上的能量的信號(hào)(防重合)時(shí)將檢測到的輻射分類為中子，所述屏蔽閾值根據(jù)以下步驟來確定-測量所述閃爍體在所述第三分段中的厚度t (以cm為單位)，-通過將所述厚度乘以所述閃爍體材料的以g/cm3為單位給定的密度并且乘以所述閃爍體中的最小電離粒子的以MeV/(g/cm2)為單位給定的能量損耗來確定與所述閃爍體中的覆蓋距離t的最小電離粒子的能量沉積對(duì)應(yīng)的能量^llin (以MeV為單位)，-將所述屏蔽閾值設(shè)置在所述能量以下。
25.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的裝置，其中所述第三分段光學(xué)耦合到所述第二分段的所述光檢測器，并且其中所述評(píng)估設(shè)備被配置成通過來自所述第二和第三分段的信號(hào)的信號(hào)性質(zhì)區(qū)別它們的信號(hào)。
26.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的裝置，其中波長移動(dòng)器安裝于所述第三分段的所述閃爍體與所述光電檢測器之間。
27.根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其中所述閃爍體選自于作為用于快中子的中子緩和器的包括具有低原子序數(shù)Z的成分的一組材料。
28.一種用于使用根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置來檢測中子、優(yōu)選為熱中子的方法，包括以下步驟-在第一分段中俘獲中子，-測量由于伽馬輻射能量損耗而從第二分段發(fā)射的光，-根據(jù)從所述裝置的所述第二分段發(fā)射的光確定在中子俘獲之后的所述伽馬輻射的總能量損耗，并且-當(dāng)測量的總能量損耗在2，614 MeV以上時(shí)將事件分類為中子俘獲。
29.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的方法，其中僅當(dāng)測量的總能量損耗在預(yù)定閾值以下、優(yōu)選在10 MeV以下時(shí)將事件分類為中子俘獲。
30.一種用于使用根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置來檢測中子、優(yōu)選為熱中子的方法，包括以下步驟-在第一分段中俘獲中子，-測量由于伽馬輻射能量損耗而從第二分段發(fā)射的光，-根據(jù)從所述裝置的所述第二分段發(fā)射的光確定在中子俘獲之后的所述伽馬輻射的總能量損耗，并且-當(dāng)測量的總能量損耗在2，614 MeV以上時(shí)并且當(dāng)在伽馬閃爍體中的至少兩個(gè)中測量到能量損耗時(shí)將事件分類為中子俘獲。
31.一種用于使用根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置來檢測中子、優(yōu)選為熱中子的方法，包括以下步驟-在第一分段中俘獲中子，-測量由于伽馬輻射能量損耗而從所述第一分段發(fā)射的光，-測量由于所述伽馬輻射能量損耗而從第二分段發(fā)射的光，-根據(jù)從所述裝置的所述第二分段發(fā)射的光確定在中子俘獲之后的所述伽馬輻射的總能量損耗，并且-當(dāng)在所述第二分段中測量的總能量損耗在2，614 MeV以上時(shí)并且當(dāng)已經(jīng)同時(shí)在所述第一分段中檢測到能量損耗時(shí)將事件分類為中子俘獲。
32.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的方法，其中根據(jù)從所述裝置的所述第一和第二分段兩者發(fā)射的光確定在中子俘獲之后的所述伽馬輻射的總能量損耗。
33.根據(jù)前述權(quán)利要求31和32所述的方法，其中在中子俘獲之后的所述伽馬輻射的總能量損耗在預(yù)定閾值以下、優(yōu)選在10 MeV以下。
34.根據(jù)前述權(quán)利要求31至33之一所述的方法，其中在所述第一分段中測量的能量損耗在預(yù)定閾值以下，所述閾值根據(jù)以下步驟來確定-測量所述閃爍體在所述第一分段中的厚度d (以cm為單位)，-通過將所述厚度乘以所述閃爍體材料的以g/cm3為單位給定的密度并且乘以所述閃爍體中的最小電離粒子的以MeV/(g/cm2)為單位給定的能量損耗來確定與所述閃爍體中的覆蓋距離d的最小電離粒子的能量沉積對(duì)應(yīng)的能量^lin (以MeV為單位)，-將所述閾值設(shè)置在所述能量以下。
35.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其中當(dāng)在所述第二分段中觀測到能量損耗、但是未同時(shí)在所述第一分段中觀測到能量損耗時(shí)將事件分類為外部伽馬輻射。
36.一種用于使用根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置來檢測中子、優(yōu)選為熱中子的方法，包括以下步驟-在第一分段中俘獲中子，-測量由于伽馬輻射能量損耗而從第二分段發(fā)射的光，-根據(jù)從所述裝置的所述第二分段發(fā)射的光確定在中子俘獲之后的所述伽馬輻射的總能量損耗，-當(dāng)測量的總能量損耗在2，614 MeV以上時(shí)并且當(dāng)尚未在相同時(shí)幀內(nèi)從第三分段閃爍體檢測到具有在某一屏蔽閾值以上的能量的信號(hào)(防重合)時(shí)將事件分類為中子俘獲，所述屏蔽閾值根據(jù)以下步驟來確定-測量所述閃爍體在所述第三分段中的厚度t (以cm為單位)，-通過將所述厚度乘以所述閃爍體材料的以g/cm3為單位給定的密度并且乘以所述閃爍體中的最小電離粒子的以MeV/(g/cm2)為單位給定的能量損耗來確定與所述閃爍體中的覆蓋距離t的最小電離粒子的能量沉積對(duì)應(yīng)的能量^llin (以MeV為單位)，-將所述屏蔽閾值設(shè)置在所述能量以下。
37.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的方法，其中根據(jù)從所述第二和第三分段兩者發(fā)射的光確定在中子俘獲之后的所述伽馬輻射的總能量損耗。
38.根據(jù)前述權(quán)利要求36和37所述的方法，其中僅當(dāng)在中子俘獲之后的所述伽馬輻射的總能量損耗在預(yù)定閾值以下、優(yōu)選在10 MeV以下時(shí)將事件分類為中子俘獲。
39.根據(jù)權(quán)利要求36所述的方法，其中如果在分段三中觀測到在所述屏蔽閾值以下的能量損耗，但是未在所述第二分段中觀測到能量損耗，則將事件分類為外部伽馬輻射。
40.一種用于使用根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置來檢測中子、優(yōu)選為熱中子的方法，第一分段包括中子閃爍體，還包括以下步驟-在所述第一分段中俘獲中子，-測量由于伽馬輻射能量損耗而從所述第一分段發(fā)射的光，-測量由于所述伽馬輻射能量損耗而從第二分段發(fā)射的光，-根據(jù)從所述裝置的所述第二分段發(fā)射的光確定在中子俘獲之后的所述伽馬輻射的總能量損耗，并且-當(dāng)在所述第二分段中測量的總能量損耗在2，614 MeV以上時(shí)、當(dāng)已經(jīng)同時(shí)在所述第一分段中檢測到能量損耗時(shí)并且當(dāng)尚未在相同時(shí)幀內(nèi)從第三分段閃爍體檢測到具有在某一屏蔽閾值以上的能量的信號(hào)(防重合)時(shí)將事件分類為中子俘獲，所述屏蔽閾值根據(jù)以下步驟來確定-測量所述閃爍體在所述第三分段中的厚度t (以cm為單位)，-通過將所述厚度乘以所述閃爍體材料的以g/cm3為單位給定的密度并且乘以所述閃爍體中的最小電離粒子的以MeV/(g/cm2)為單位給定的能量損耗來確定與所述閃爍體中的覆蓋距離t的最小電離粒子的能量沉積對(duì)應(yīng)的能量^llin (以MeV為單位)，-將所述屏蔽閾值設(shè)置在所述能量以下。
41.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的方法，其中通過將在所述第一和第二分段中檢測到的能量損耗相加來確定在中子俘獲之后的所述伽馬輻射的總能量損耗。
42.根據(jù)權(quán)利要求40所述的方法，其中通過將在所述第二中和所述第三分段中檢測到的能量損耗相加來確定在中子俘獲之后的所述伽馬輻射的總能量損耗。
43.根據(jù)權(quán)利要求40所述的方法，其中通過將在所述第一、第二和第三分段中檢測到的能量損耗相加來確定在中子俘獲之后的所述伽馬輻射的總能量損耗。
44.根據(jù)前述權(quán)利要求40至43之一所述的方法，其中在中子俘獲之后的所述伽馬輻射的所述測量的總能量損耗在預(yù)定閾值以下、優(yōu)選在10 MeV以下。
45.根據(jù)權(quán)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檢測到能量損耗，但是同時(shí)未在分段三中檢測到在所述屏蔽閾值以上的能量損耗并且未在分段一中檢測到能量損耗，則將事件分類為外部伽馬輻射。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于檢測中子輻射、優(yōu)選為熱中子的裝置，該裝置包括具有高中子吸收能力的至少一個(gè)第一分段(102)和具有低中子吸收能力的至少一個(gè)第二分段(101)，第二分段包括伽馬射線閃爍體，伽馬射線閃爍體材料包括針對(duì)5MeV能量的伽馬射線具有小于10cm、優(yōu)選小于5cm的衰減長度的無機(jī)材料，以便針對(duì)第二分段內(nèi)的高能伽馬射線提供高伽馬射線停止能力，其中第一分段的材料選自于通過主要經(jīng)由伽馬輻射的中子俘獲來釋放第一分段中部署的能量的一組材料，并且其中第二分段以第一分段的大部分由第二分段覆蓋的方式包圍第一分段，該裝置還包括光學(xué)耦合到第二分段以便檢測第二分段中的光量的光檢測器(103)，該裝置還包括耦合到光檢測器的評(píng)估設(shè)備，該設(shè)備能夠確定光檢測器針對(duì)一個(gè)閃爍事件檢測到的光量，該量有與通過第二分段中的伽馬輻射部署的能量的已知關(guān)系，其中評(píng)估設(shè)備被配置成當(dāng)測量的總伽馬能量E(sum)在2,614MeV以上時(shí)將檢測到的輻射分類為中子。
文檔編號(hào)G01T3/06GK102498417SQ200980161650
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2009年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月27日
發(fā)明者C.M.赫爾巴赫, G.保施, J.施泰因 申請(qǐng)人:前視紅外放射有限責(zé)任公司