一種數(shù)字化中子譜儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于放射性輻射測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種數(shù)字化中子譜儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 盡管自上世紀(jì)五、六十年代以來(lái)，國(guó)際發(fā)達(dá)國(guó)家便已開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)中子能譜測(cè)量技術(shù) 的研究，但由于工作場(chǎng)所輻射場(chǎng)的復(fù)雜性和環(huán)境條件的限制，成熟實(shí)用的譜儀類(lèi)型并不多。
[0003] 目前現(xiàn)場(chǎng)中子譜儀最多為多球譜儀，又稱(chēng)邦納球譜儀，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量研究報(bào) 道。由一系列不同半徑的聚乙烯球和位于球心的球形 3He或BF3E比計(jì)數(shù)器組成，聚乙烯球 的半徑分別為2. 5英寸、3英寸、3. 5英寸、4英寸、5英寸、6英寸、8英寸、10英寸和12英寸， 可測(cè)中子能量范圍為熱中子_20MeV。多球譜儀主要不足在于：1.多球譜儀利用少道解譜機(jī) 制，其IMeV以上快中子能區(qū)范圍內(nèi)中子能量分辨率較差；2.測(cè)量過(guò)程繁瑣，需要測(cè)量人員 在測(cè)量位置依次擺放不同尺寸的聚乙烯球探測(cè)器，測(cè)量某一位置的中子能譜往往需要一天 或者幾天時(shí)間；3.多球譜儀只能通過(guò)簡(jiǎn)單卡下閾的方式扣除Y事件，而中子輻射場(chǎng)往往伴 隨著大量的Y事件，多球譜儀無(wú)法區(qū)分堆積Y事件，無(wú)法給出甄別光子能譜信息。
[0004] 關(guān)于中子多球譜儀的文獻(xiàn)參考如下：
[0005] Bonnerspherespectrometers-acriticalreview,NuclearInstrumentsand MethodsinPhysicsResearchA476(2002)12-20；
[0006] NeutronSpectrometryinMixedFields:Multisphere Spectrometers,RadiationProtectionDosimetryVol. 107,Nos1-3,pp. 37-72(2003)；
[0007] 基于反沖質(zhì)子方法的中子譜儀目前唯一商售的是北約軍方組織研發(fā)的R0SPEC譜 儀，其由三個(gè)小尺寸計(jì)數(shù)器（2cm半徑），分別充latm，4atm，10atm氫氣和一個(gè)大體積計(jì)數(shù) 器（直徑6英寸）充0. 5Mpa的氬甲烷氣體。這種探測(cè)器組合可以使R0SPEC譜儀系統(tǒng)覆 蓋能量范圍從50keV~4. 5MeV。這些探測(cè)器組合安裝在一個(gè)可以緩慢連續(xù)旋轉(zhuǎn)的盤(pán)子上。 盤(pán)子的旋轉(zhuǎn)通過(guò)旋轉(zhuǎn)電機(jī)完成。旋轉(zhuǎn)盤(pán)子下面是大量的集成電路板，包括主放，4塊獨(dú)立的 ADCs，低壓電源和一個(gè)微型電腦。電腦控制信號(hào)的處理及采集，將數(shù)據(jù)先存放到緩存之中， 然后從緩存通過(guò)一個(gè)旋轉(zhuǎn)的RS422接口連接到電腦中。數(shù)據(jù)獲取電腦可以在譜儀探測(cè)端 附近，也可以在lkm以外。該譜儀優(yōu)點(diǎn)是非常便捷，四個(gè)探測(cè)器同時(shí)測(cè)量。缺點(diǎn)也非常明 顯，主要問(wèn)題是：1.測(cè)量中子能量范圍50keV~4. 5MeV，無(wú)法覆蓋地面核設(shè)施場(chǎng)所熱能~ 20MeV能區(qū)范圍；2.四個(gè)探測(cè)器之間存在中子相互散射的難題，而單能點(diǎn)響應(yīng)函數(shù)確定是 按單個(gè)探測(cè)器確定，無(wú)法考慮探測(cè)器之間的相互散射問(wèn)題；3.無(wú)法確定探測(cè)器的有效中心 位置，Rospec譜儀最佳測(cè)量條件是在均勻輻射場(chǎng)中，無(wú)法給出某一測(cè)量位置的中子能譜信 息。4.Rospec譜儀也只能通過(guò)簡(jiǎn)單卡下閾的方式扣除y事件，無(wú)法區(qū)分堆積y事件，無(wú)法 給出甄別光子能譜信息；
[0008] 關(guān)于Rospec中子譜儀的文獻(xiàn)參考如下：
[0009] NeutronSpectrometryinMixedFie1ds:ProportionalCounter Spectrometers,RadiationProtectionDosimetryVol. 107,Nos1-3,pp. 73-93(2003)；
[0010] Rospec-ASimpleReliableHighResolutionNeutron Spectrometer，RadiationProtectionDosimetryVol. 70,No.l_4pp. 273-278. 〇

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明提供一種數(shù)字化中子譜儀，中子能量測(cè)量范 圍寬；可以確定探測(cè)器測(cè)量有效中心位置；減少探測(cè)器相互散射影響；具有良好的中子、光 子實(shí)時(shí)甄別能力。
[0012] 為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：提供一種數(shù)字化中子譜儀，包括探測(cè) 器單元、機(jī)械控制單元、數(shù)字采集單元以及甄別單元，其特征是：所述探測(cè)器單元用于探測(cè) 待測(cè)輻射場(chǎng)的中子信息；所述機(jī)械控制單元用于控制探測(cè)器單元的旋轉(zhuǎn)和升降；所述數(shù)字 采集單元用于將探測(cè)器單元產(chǎn)生的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；甄別單元用于對(duì)探測(cè)器單元 的脈沖形狀進(jìn)行分析，實(shí)時(shí)判斷是中子脈沖信號(hào)還是Y射線脈沖信號(hào)。
[0013] 進(jìn)一步，所述中子譜儀還包括多道分析單元，該多道分析單元用于提取脈沖信號(hào) 的最大幅值信息，再通過(guò)實(shí)時(shí)處理模塊設(shè)計(jì)算法，建立脈沖幅度譜。
[0014] 進(jìn)一步，所述中子譜儀還包括解譜單元，所述解譜單元通過(guò)建立探測(cè)器單元響應(yīng) 矩陣函數(shù)，利用最大熵、多次迭代算法進(jìn)行多道解譜計(jì)算，將中子脈沖幅度譜反卷積為中子 能譜。
[0015] 進(jìn)一步，所述中子譜儀還包括核電子學(xué)單元，該核電子學(xué)單元用于給所述探測(cè)器 單元提供低壓電源、高壓電源和脈沖放大成形。
[0016] 進(jìn)一步，所述探測(cè)器單元包括充氣式探測(cè)器和液體閃爍探測(cè)器，所述充氣式探測(cè) 器包括BF3計(jì)數(shù)器和含氫計(jì)數(shù)器，所述BF3計(jì)數(shù)器包括裸露的BF3計(jì)數(shù)器和包隔的BF3計(jì)數(shù) 器。
[0017] 進(jìn)一步，所述機(jī)械控制單元包括旋轉(zhuǎn)和升降的圓盤(pán)，所述充氣式探測(cè)器和液體閃 爍探測(cè)器均勻布置在該圓盤(pán)上，且充氣式探測(cè)器和液體閃爍探測(cè)器的有效中心位于同一高 度。
[0018] 進(jìn)一步，所述數(shù)字采集單元包括數(shù)據(jù)采集卡，該數(shù)據(jù)采集卡用于采集和記錄復(fù)雜 環(huán)境中各種調(diào)制形式的中頻和射頻信號(hào)，并將獲取的原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到磁盤(pán)陣列中，通過(guò)高 速內(nèi)部總線提交給CPU高速處理器，完成信號(hào)高速處理及分析。
[0019] 本發(fā)明的有益技術(shù)效果在于：
[0020] 1)中子能量測(cè)量范圍寬，熱能~20MeV;
[0021] 2)可以有效確定測(cè)量有效中心位置，中心位置不確定度U= 0. 01%(k= 2);
[0022] 3)有效減少探測(cè)器相互散射影響，探測(cè)器相互散射造成的散射中子本底〈3% ;
[0023] 4)具有良好的中子、光子實(shí)時(shí)甄別能力的現(xiàn)場(chǎng)中子譜儀，可以在中子、y混合場(chǎng) 中實(shí)時(shí)分別給出中子、y能譜信息，中子、y甄別因子>1. 5 ;
[0024] 5)測(cè)量完成后可實(shí)時(shí)給出中子、y能譜信息；
[0025] 6)IMeV以上中子能區(qū)范圍中子能量分辨率好于5%。
【附圖說(shuō)明】
[0026] 圖1是本發(fā)明數(shù)字化中子譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖2是本發(fā)明中子譜儀機(jī)械系統(tǒng)單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖3是采用數(shù)字甄別算法甄別241Am_Be源甄別譜；
[0029] 圖4是本發(fā)明241Am-Be中子源測(cè)量中子能譜。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
[0031] 如圖1所示，本發(fā)明的數(shù)字化中子譜儀包括6個(gè)探測(cè)器單元、機(jī)械控制單元、核電 子學(xué)單元、數(shù)字采集單元、甄別單元、多道分析單元、解譜單元。
[0032] 以下分別介紹相關(guān)單元所起功能和作用。
[0033] 1)探測(cè)器單元
[0034] 探測(cè)器單元采用6個(gè)探測(cè)器，包括5個(gè)充氣式探測(cè)器和1個(gè)液體閃爍探測(cè)器。5個(gè) 充氣式探測(cè)器，其中兩個(gè)是bf3計(jì)數(shù)器，另外三個(gè)是含氫計(jì)數(shù)器。
[0035] 根據(jù)、〇!，a)7Li反應(yīng)，充氣式數(shù)器無(wú)法給出中子能譜信息。其中一個(gè)8?3探 測(cè)器是裸露的，另一個(gè)包鎘，這樣對(duì)中子能量在（0.025-0. 5)eV的中子提供計(jì)數(shù)。3個(gè)不同 氣壓的含氫計(jì)數(shù)器分別記錄（50-250)keV，（200-650)keV以及（0. 5-1. 5)MeV的中子信號(hào)。 這些探測(cè)器利用反沖質(zhì)子機(jī)制探測(cè)中子。液體閃爍探測(cè)器型號(hào)是BC501A，用來(lái)記錄IMeV以 上能區(qū)的中子信號(hào)。
[0036] 本發(fā)明BF3探測(cè)器型號(hào)是CENTR0NIC公司的5EB70/13E，靈敏區(qū)直徑13mm，靈敏區(qū) 有效長(zhǎng)度50mm，BF6體壓強(qiáng)70cmHg。采用這種規(guī)格主要是考慮核工業(yè)場(chǎng)所中子能譜基本 都是裂變中子慢化譜，熱中子注量率高，所以需選用熱中子探測(cè)器為中子注量響應(yīng)低的探 測(cè)器，減少譜儀死時(shí)間。裸露的BF3計(jì)數(shù)器，具體型號(hào)是CENTR0NIC公司的，另一個(gè)包0. 5mm 厚的鎘。利用鎘對(duì)熱中子具有〇. 5eV的切割中子效應(yīng)，吸收能量在0. 5eV以下的中子。裸 露BF3計(jì)數(shù)器：熱中子+熱上中子；包鎘BF3計(jì)數(shù)器：熱上中子；裸露BF3計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)-包鎘 BF3計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)=熱中子計(jì)數(shù)；從而獲得0. 5eV以下能區(qū)中子計(jì)數(shù)。
[0037] 3個(gè)不同氣壓的含氫計(jì)數(shù)器分別記錄50keV_l. 5MeV能區(qū)的中子信號(hào)。含氫正比 計(jì)數(shù)器利用反沖質(zhì)子機(jī)制探測(cè)中子。含氫正比計(jì)數(shù)器氣壓越高，可沉積反沖質(zhì)子能量越大， 但是低能質(zhì)子會(huì)和Y射線、電子學(xué)噪聲混合從而無(wú)法區(qū)分，因此含氫正比計(jì)數(shù)器氣壓選擇 對(duì)于可測(cè)中子能量范圍有直接關(guān)系。第一個(gè)含氫正比計(jì)數(shù)器參數(shù)如下：氣壓latm，球形靈 敏區(qū)直徑40mm，測(cè)量中子能量范圍50keV-250keV;第二個(gè)含氫正比計(jì)數(shù)器參數(shù)如下：氣壓 3atm，球形靈敏區(qū)直徑40mm，測(cè)量中子能量范圍200keV-600keV;第三個(gè)含氫正比計(jì)數(shù)器參 數(shù)如下：氣壓l〇atm，球形靈敏區(qū)直徑40mm，測(cè)量中子能量范圍500keV-l. 5MeV。
[0038] 液體閃爍探測(cè)器型號(hào)是圣戈班公司BC501A，晶體尺寸如下：〇5. 08cmX5. 08cm。 利用反沖質(zhì)子機(jī)制測(cè)量快中子，用來(lái)記錄IMeV以上能區(qū)的中子信號(hào)和y信號(hào)。由于有 機(jī)閃爍體具有良好的中子、Y甄別能力，從而使該