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      雙層摻釓阻性板探測器及其探測中子的方法

      文檔序號:6177203閱讀:359來源:國知局
      專利名稱:雙層摻釓阻性板探測器及其探測中子的方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及氣體探測器,尤其涉及一種雙層摻釓阻性板探測器及其探測中子的方法。
      背景技術(shù)
      阻性板探測器是一種用于探測高能粒子的氣體探測器,現(xiàn)有技術(shù)中的阻性板探測器直接利用高體電阻率的絕緣阻性板加載工作高壓來形成工作電場,當(dāng)外部入射粒子照射或穿越阻性板探測器,將電離阻性板探測器內(nèi)部某區(qū)域的工作氣體而產(chǎn)生電離粒子;電離粒子在由加載到石墨電極的外部工作高壓形成的強電場作用下,進而發(fā)生雪崩放大和流光放大,產(chǎn)生雪崩信號或流光信號。阻性板探測器的結(jié)構(gòu)如圖1所示,兩塊阻性板I平行放置,分別在所述兩塊阻性板I的外表面涂覆一層均勻的石墨電極2作為供電的陰極和陽極,在石墨電極2的外層通過一層的絕緣材料3和與印刷電路板信號電極4相連。外部入射粒子電離該結(jié)構(gòu)阻性板探測器內(nèi)某區(qū)域的工作氣體后,電離粒子進而發(fā)生雪崩放大和流光放大,產(chǎn)生雪崩信號或流光信號后,在該阻性板的陰陽電極相應(yīng)區(qū)域表面會同時導(dǎo)致電場的變化,這些感應(yīng)電荷少部分被阻性板介質(zhì)吸收掉,其余大部分在經(jīng)過該絕緣材料3,將在印刷電路板讀數(shù)電極4上感應(yīng)出相應(yīng)信號,以此獲知入射粒子的擊中位置、感應(yīng)電荷以及時間響應(yīng)等特性。與高能帶電粒子和高能光子不同,中子不會與探測器介質(zhì)發(fā)生以庫侖作用為媒介的電磁相互作用、電離或激發(fā)介質(zhì)原子;亦不會與介質(zhì)發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓散射等,所以,中子不易被直接探測,一般是通過與探測器介質(zhì)的原子核發(fā)生的核散射或核反應(yīng)來實現(xiàn)對中子的探測。常見的熱中子探測器一般為位置精度很高的成像用探測器,不但有效探測面積小,而且價格昂貴,不利于監(jiān)測大面積有中子輻射的背景場。

      發(fā)明內(nèi)容
      本發(fā)明的一個目的在于提供一種易于大規(guī)模生產(chǎn)的大面積、低成本的雙層摻釓阻性板探測器,以使能夠從多粒子源中分辨出熱中子,根據(jù)本發(fā)明的雙層摻釓阻性板探測器包括:兩個并聯(lián)的第一探測器和第二探測器,其中所述第一探測器和所述第二探測器分別包括兩塊相向而對的阻性板、一側(cè)分別與所述兩塊阻性板的外側(cè)相連的兩塊石墨電極、以及分別通過一絕緣膜與所述兩塊石墨電極的另一側(cè)相連的兩塊讀數(shù)電極,所述兩塊阻性板的至少其中之一為摻釓阻性板;其中所述第一探測器和所述第二探測器相鄰的讀數(shù)電極為一公用的讀數(shù)電極,且位于所述第一探測器外側(cè)的讀數(shù)電極和位于所述第二探測器外側(cè)的讀數(shù)電極都為由多個矩陣單元構(gòu)成的矩陣電極;所述第一探測器的工作電壓和所述第二探測器的工作電壓具有一定的電壓差。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例,在所述雙層摻釓阻性板中,分別與所述公用的讀數(shù)電極相鄰的所述第一探測器的石墨電極和所述第二探測器的石墨電極加載相同的電壓,所述第一探測器的另一石墨電極和所述第二探測器的另一石墨電極加載不同的電壓。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例,所述加載在所述第一探測器的另一石墨電極上的電壓和加載在所述第二探測器的另一石墨電極上的電壓之間的電壓差為500 -1OOOV0本發(fā)明還提供一種采用上述雙層摻釓阻性板探測器探測熱中子的方法,所述方法為:分別對所述第一探測器和所述第二探測器加載不同的工作電壓;當(dāng)外部入射粒子與所述雙層摻釓阻性探測器發(fā)生反應(yīng)時,判斷位于所述第一探測器和所述第二探測器的任意一相對應(yīng)位置處的矩陣單元所輸出的信號幅度譜是否一致,是則在所述該矩陣單元位置處的所述外部入射粒子為伽馬光子或者其它粒子,否則在所述該矩陣單元位置處的所述外部入射粒子為熱中子。由上述技術(shù)方案可知,本發(fā)明的實施例通過采用雙層摻釓阻性板制作成的探測器,從而能從多粒子源中分辨出熱中子,具有以下有益效果:1、所述摻釓阻性板材料為碳氫物質(zhì),為很好的中子慢化體,并且對Y光子不敏感,能夠很好地甄別出熱中子;2、所述采用摻釓阻性板構(gòu)成探測器的幾何結(jié)構(gòu)簡單,尺寸范圍很寬,可制作面積很大的探測器,相比于其他探測器,本發(fā)明的探測器造價低廉,而且易于大規(guī)模生產(chǎn),可以制作大面積、低成本的墻式探測器,來實現(xiàn)對環(huán)境中子本底的監(jiān)測。3、可以采用兩層探測器結(jié)構(gòu)的形式,分別對兩層探測器加載不同的工作電壓來分辨外部帶電粒子是否為熱中子,并可進一步通過采用塊狀矩陣電極的讀數(shù)電極而更清楚地分辨熱中子的位置。通過以下參照附圖對優(yōu)選實施例的說明,本發(fā)明的上述以及其它目的、特征和優(yōu)點將更加明顯。


      圖1為現(xiàn)有技術(shù)中阻性板探測器的結(jié)構(gòu)示意圖;圖2為本發(fā)明采用摻釓阻性板探測中子源和伽馬光子源的信號幅度譜。圖3是本發(fā)明采用摻釓阻性板探測中子源和伽馬光子源的信號幅度譜峰位中心值隨工作電壓的變化曲線圖;圖4是本發(fā)明一種摻釓阻性板的結(jié)構(gòu)示意圖;圖5是本發(fā)明一種實施例摻釓阻性板探測器的結(jié)構(gòu)示意圖;圖6是圖5所示的單層摻釓阻性板探測器的一種矩陣結(jié)構(gòu)石墨電極的示意圖;圖7是圖5所示的單層摻釓阻性板探測器的一種矩陣結(jié)構(gòu)讀數(shù)電極的示意圖;圖8是本發(fā)明另一種實施例雙層摻釓阻性板探測器的結(jié)構(gòu)示意圖;圖9是圖8所示的雙層摻釓阻性板探測器的一種矩陣結(jié)構(gòu)讀數(shù)電極的示意圖。
      具體實施例方式下面將詳細描述本發(fā)明的具體實施例。應(yīng)當(dāng)注意,這里描述的實施例只用于舉例說明,并不用于限制本發(fā)明。在詳細描述本發(fā)明之前,這里以識別中子源和伽馬光子源為例,先說明一下本發(fā)明的摻釓阻性板探測器從不同粒子中甄別出熱中子的原理。在阻性板探測器工作區(qū)域加載不同工作電壓,會在阻性板探測器局部范圍內(nèi)形成不同的電場,而釓原子與熱中子反應(yīng)的多粒子效應(yīng)在不同的電場中的雪崩、流光放大程度不一樣,探測到的信號幅度也不一樣,因此摻釓阻性板探測器在不同工作高壓時,接受中子源和伽馬光子源的輻照,其探測到的幅度譜不同,如圖2所示。在不同工作高壓條件下,摻釓阻性板探測器探測到的伽馬光子的幅度譜是比較穩(wěn)定的,而探測到的中子源的幅度譜則隨探測器工作高壓的提高而逐漸增大。將上述幅度譜進行高斯擬合,獲取其幅度譜峰位中心值數(shù)據(jù),其隨著不同工作高壓的變化趨勢如圖3所示。很明顯的看到當(dāng)阻性板探測器的工作高壓達到額定工作條件時,繼續(xù)增大工作高壓,其探測到的伽馬光子的的幅度譜基本不再變化,但探測到的中子源的幅度譜始終呈增大趨勢。由此可以簡單的選擇不同的工作高壓,同時探測中子源和伽馬光子放射源,比較其幅度譜峰位的差異,即可實現(xiàn)對中子源和伽馬光子源的甄別。因此,本發(fā)明提供一種阻性板探測器,該探測器采用摻釓阻性板,對該探測器工作區(qū)域加載不同的工作電壓,使熱中子與釓反應(yīng),根據(jù)從該探測器讀數(shù)電極感應(yīng)到信號幅度譜的差異,從外部入射粒子中分辨出熱中子。在說明本發(fā)明阻性板探測器之前,結(jié)合圖4所示的摻釓阻性板的結(jié)構(gòu),先描述一下?lián)结徸栊园宓闹谱鞴に?。如圖4所示,摻釓阻性板分為三層,一層是摻釓?fù)繉用婕?1,一層是普通面紙43,在普通面紙43和摻釓?fù)繉用婕?1之間是一層內(nèi)芯材料42。具體地,摻釓?fù)繉用婕?1通過下列步驟來制作:將氧化釓粉末混合在膠液中,通過凹版印刷技術(shù)將其轉(zhuǎn)移到面紙上,干燥后完成摻釓?fù)繉拥挠≈疲粚⑸鲜鲇∷⒘藫结復(fù)繉拥拿婕堖M行三聚氰胺膠液的浸膠,使其表面再涂覆一層三聚氰胺膠液,經(jīng)過干燥烘箱干燥并半固化,成為摻釓?fù)繉用婕?1。摻釓?fù)繉拥暮穸瓤梢酝ㄟ^改變膠液的濃度、印刷次數(shù)、凹版印刷機的刮刀與面紙的間距等方法進行調(diào)節(jié)。涂層厚度將影響吸收層對中子的探測效率。具體地,面紙43采用裝飾板專用鈦白裝飾紙,浸潰三聚氰胺樹脂,經(jīng)過干燥烘箱干燥并固化,成為面紙43。具體地,內(nèi)芯材料42采用電工絕緣浸潰紙浸潰酚醛樹脂,經(jīng)過干燥烘箱進行干燥并半固化,成為內(nèi)芯材料42。上述各層制作完畢之后,然后按照圖4所示的方法將摻釓?fù)繉用婕?1、內(nèi)芯材料42、面紙43依次疊放后,用電鍍拋光不銹鋼模板44經(jīng)高溫高壓壓制成復(fù)合層壓板,為摻釓阻性板。在壓制材料和壓制鋼板之間,可以加入脫模劑45,由此可提高阻性板的表面光潔度。這里須說明的是摻釓?fù)繉用婕?1、內(nèi)芯材料42、面紙43的干燥固化情況將會影響阻性板體電阻率,調(diào)節(jié)其在干燥烘箱內(nèi)的干燥時間,可完成對阻性板材料體電阻率的控制。并且在上述高溫高壓一體成型壓制過程中,通過調(diào)整溫度、壓力、壓制時間,將會調(diào)節(jié)阻性板材料的體電阻率等性能。
      采用上述摻釓阻性板制作的探測器,根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施例,其具體結(jié)構(gòu)如圖5所示,主要包括兩塊阻性板、兩個石墨電極以及兩個讀數(shù)電極。其中兩塊阻性板51相向而對,其中一塊阻性板上涂有摻釓?fù)繉?6,兩層阻性板中間可以通過墊片形成氣隙55 ;通過兩個石墨層52分別給兩塊阻性板51加載工作電壓,其中一個石墨電極加載高電位的電壓,另一塊石墨電極加載低電位的電壓(高電位的石墨電極也稱為陽極石墨電極,低電位的石墨電極也稱為陰極石墨電極);兩塊讀數(shù)電極54分別通過絕緣膜53與石墨層52進行絕緣,與陽極石墨電極相鄰的讀數(shù)電極為陽極讀數(shù)電極,與陰極石墨電極相鄰的讀數(shù)電極為陰極讀數(shù)電極,陰極讀數(shù)電極一般為完整的接地銅膜電極。所述兩個石墨電極所加載高電位和低電位的工作電壓,其高電位和低電位的壓差需要滿足使探測器能夠工作在流光模式下的條件,依據(jù)所采用的阻性板材料體電阻率的不同,其工作高壓有所不同,優(yōu)選地,此摻釓阻性板探測器的工作高壓在7000v以上。優(yōu)選地,上述結(jié)構(gòu)中的探測器中的兩塊阻性板都可以采用摻釓阻性板,以使更加提聞探測器的性能。所述探測器在有一定能量的粒子(帶電粒子、伽馬光子)照射或穿越時,將電離阻性板探測器內(nèi)部某區(qū)域的工作氣體而產(chǎn)生電離粒子;電離粒子在由加載到石墨電極的外部工作高壓形成的強電場作用下,進而發(fā)生雪崩放大和流光放大,產(chǎn)生雪崩信號或流光信號。當(dāng)熱中子束流57入射輻照摻釓阻性板探測器的某個工作區(qū)域時,熱中子會與該工作區(qū)域內(nèi)摻釓?fù)繉又械尼徳影l(fā)生瞬發(fā)核反應(yīng),產(chǎn)生俄歇電子、Y射線、X射線、內(nèi)轉(zhuǎn)換電子等次級粒子。這些次級粒子同樣在該探測器內(nèi)部會電離工作氣體產(chǎn)生正負離子對,在強電場作用下,進而發(fā)生雪崩放大或流光放大,形成雪崩信號或流光信號。一個中子被釓俘獲發(fā)生瞬發(fā)核反應(yīng)的效果,相當(dāng)于多個帶電粒子或多個伽馬光子同時入射同一位置的效果。當(dāng)阻性板探測器工作于穩(wěn)定狀態(tài),在非中子束流照射時,其探測器內(nèi)產(chǎn)生的流光信號大小將于入射粒子無關(guān),其讀數(shù)電極感應(yīng)到的信號幅度譜將不隨工作高壓的變化而變化。而當(dāng)熱中子入射時,將與探測器內(nèi)部的摻釓?fù)繉影l(fā)生中子俘獲,發(fā)生瞬發(fā)核反應(yīng),產(chǎn)生多個次級粒子,由于多粒子效應(yīng),其在探測器讀數(shù)電極上感應(yīng)的信號幅度將隨工作高壓的不同而有所差異。通過改變石墨電極所加載的工作電壓,觀察讀數(shù)電極感應(yīng)出的信號58,如果隨著工作電壓的增大,感應(yīng)信號的幅度譜比較穩(wěn)定,則該外部粒子源不是熱中子,反之如果隨著工作電壓的增大,讀出信號的幅度譜也逐漸增大,則該外部粒子源為熱中子源。上述采用探測器分辨熱中子的方法中,需要不斷改變探測器的工作電壓,而探測器的工作電壓是通過兩個石墨電極加載的,為了更加清楚地分辨出熱中子流的位置,根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例,將陽極石墨電極劃分為塊狀矩陣型的電極,不同的矩陣單元加載不同的電壓,以此實現(xiàn)在同一個探測器局部區(qū)域內(nèi)加載不同的工作電壓,從而在不同區(qū)域形成不同的電場。如圖6所示,陽極石墨電極分為交叉相鄰的多個A類石墨電極61和多個B類石墨電極62,A類石墨電極61和B類石墨電極62的數(shù)量依所要求位置的精度而定,位置精度要求越高,其數(shù)量越多。A類石墨電極和B類石墨電極分別通過A類高壓電纜63和B類高壓電纜64加載電壓,其所加載的電壓不同,為了易于觀察信號幅度譜的變化,優(yōu)選地,A類石墨電極和B類石墨電極加載電壓具有500-1000V的電壓差。相應(yīng)地,讀數(shù)電極也需要為塊狀矩陣形狀,具體結(jié)構(gòu)如圖7所示,讀數(shù)電極也分為多個A類讀數(shù)電極71和多個B類讀數(shù)電極72,分別與A類石墨電極61和多個B類石墨電極62的位置 對應(yīng),A類讀數(shù)電極71對應(yīng)A類石墨電極61加載高壓形成電場產(chǎn)生的信號類讀數(shù)電極71對應(yīng)B類石墨電極62加載高壓形成電場產(chǎn)生的信號。這里通過A類信號電纜73和B類信號電纜74來輸出多個A類讀數(shù)電極71和多個B類讀數(shù)電極72的信號,通過比較相鄰位置的A類讀數(shù)電極和B類讀數(shù)電極輸出的信號幅度譜來判別入射粒子是否為熱中子。當(dāng)然這里可以以相鄰位置的4個矩陣單元組合為一個探測小單元,如圖7所示中的a、b、c、d矩陣單元組合為一個探測單元。a、d矩陣單元對應(yīng)的電場不同于b、c矩陣單元的電場,于是可以通過他們對相同放射源探測幅度譜的異同來分辨放射源是否有熱中子成分。根據(jù)本發(fā)明的另一個具體實施例,可以采用兩層探測器結(jié)構(gòu)的形式,分別對兩層探測器加載不同的工作電壓來分辨外部帶電粒子是否為熱中子,具體結(jié)構(gòu)如8所示,將兩個探測器并列放置,其中左側(cè)的探測器為第一探測器,右側(cè)的探測器為第二探測器,第一探測器和第二探測器都采用圖5所示的結(jié)構(gòu),其中第一探測器和第二探測器公用一個讀數(shù)電極87,一般來說,公用讀數(shù)電極為接地電極,可以采用與阻性板相同大小的整塊銅片。兩層探測器通過石墨電極所加載的工作電壓不相同,這里在本發(fā)明中,不一定要求兩層探測器每個石墨電極所加載的電壓都不相同,可依據(jù)具體的高壓插件具有不同的加載方式,比如說,可以采用同一個高壓插件對兩層探測器低電位的石墨電極加載同樣的低電位電壓,只要滿足兩層探測器所加載的工作電壓具有一定的電位差即可,優(yōu)選地,具有500-1000V的壓差。這里注意的是,兩層探測器中的四個阻性板81可以都為摻釓阻性板,也可以是每個探測器中的任意一個阻性板用摻釓阻性板代替,具體依情況而定。為了更清楚地分辨出熱中子流的位置,第一探測器和第二探測器的位于兩側(cè)的另一個讀數(shù)電極采用塊狀矩陣電極,如圖9所示,每個矩陣單元91都通過不同的信號電纜92引出信號,這樣比較兩層探測器同一位置處矩陣單元的幅度譜(分別位于兩側(cè)的對應(yīng)相同的公共讀數(shù)電極位置的矩陣讀數(shù)電極單元),如果發(fā)現(xiàn)某個矩陣單元輸出的幅度譜不一致,則表明此矩陣單元位置處為熱中子源,反之,則不然。雖然已參照幾個典型實施例描述了本發(fā)明,但應(yīng)當(dāng)理解,所用的術(shù)語是說明和示例性、而非限制性的術(shù)語。由于本發(fā)明能夠以多種形式具體實施而不脫離發(fā)明的精神或?qū)嵸|(zhì),所以應(yīng)當(dāng)理解,上述實施例不限于任何前述的細節(jié),而應(yīng)在隨附權(quán)利要求所限定的精神和范圍內(nèi)廣泛地解釋,因此落入權(quán)利要求或其等效范圍內(nèi)的全部變化和改型都應(yīng)為隨附權(quán)利要求所涵蓋。
      權(quán)利要求
      1.一種雙層摻釓阻性板探測器,其特征在于,包括: 兩個并聯(lián)的第一探測器和第二探測器,其中所述第一探測器和所述第二探測器分別包括兩塊相向而對的阻性板、一側(cè)分別與所述兩塊阻性板的外側(cè)相連的兩塊石墨電極、以及分別通過一絕緣膜與所述兩塊石墨電極的另一側(cè)相連的兩塊讀數(shù)電極,所述兩塊阻性板的至少其中之一為摻釓阻性板; 其中所述第一探測器和所述第二探測器相鄰的讀數(shù)電極為一公用的讀數(shù)電極,且位于所述第一探測器外側(cè)的讀數(shù)電極和位于所述第二探測器外側(cè)的讀數(shù)電極都為由多個矩陣單元構(gòu)成的矩陣電極; 所述第一探測器的工作電壓和所述第二探測器的工作電壓具有一定的電壓差。
      2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測器,其特征在于,分別與所述公用的讀數(shù)電極相鄰的所述第一探測器的石墨電極和所述第二探測器的石墨電極加載相同的電壓,所述第一探測器的另一石墨電極和所述第二探測器的另一石墨電極加載不同的電壓。
      3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的探測器,其特征在于,所述加載在所述第一探測器的另一石墨電極上的電壓和加載在所述第二探測器的另一石墨電極上的電壓之間的電壓差為500 -1OOOVo
      4.一種采用如權(quán)利要求1-3任一項所述的雙層摻釓阻性板探測器探測熱中子的方法,其特征在于,所述方法為: 分別對所述第一探測器和所述第二探測器加載不同的工作電壓; 當(dāng)外部入射粒子與所述雙層摻釓阻性探測器發(fā)生反應(yīng)時,判斷位于所述第一探測器和所述第二探測器的任意一相對應(yīng)位置處的矩陣單元所輸出的信號幅度譜是否一致,是則在所述該矩陣單元位置處的所述外部入射粒子為伽馬光子或者其它粒子,否則在所述該矩陣單元位置處的所述外部入射粒子為熱中子。
      全文摘要
      本發(fā)明公開了一種雙層摻釓阻性板探測器及其探測中子的方法,通過兩層探測器結(jié)構(gòu)的形式,分別對兩層探測器加載不同的工作電壓來分辨外部帶電粒子是否為熱中子,并且兩層探測器的位于兩側(cè)的讀數(shù)電極采用塊狀矩陣電極,從而可清楚分辨熱中子流的位置。
      文檔編號G01T3/00GK103091702SQ20131000960
      公開日2013年5月8日 申請日期2009年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月28日
      發(fā)明者錢森, 王貽芳, 張家文 申請人:中國科學(xué)院高能物理研究所
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