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CN102565846B - 蜂窝型热中子探测器 - Google Patents

蜂窝型热中子探测器 Download PDF

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CN102565846B CN201110454387.4A CN201110454387A CN102565846B CN 102565846 B CN102565846 B CN 102565846B CN 201110454387 A CN201110454387 A CN 201110454387A CN 102565846 B CN102565846 B CN 102565846B
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张勤俭
周合军
王永强
刘毅
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Tsinghua University
Nuctech Co Ltd
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Abstract

本发明提供了一种蜂窝型热中子探测器，其包括：蜂窝结构，所述蜂窝结构由一个或多个中空正六棱柱形的蜂窝单元构成，其中每个所述蜂窝单元的管壁内侧涂覆有中子吸收材料。由于采用了对中子敏感的蜂窝结构，使得本发明无需利用紧缺核素3He也可进行热中子检测，有效降低了热中子探测器的制造成本，而且本发明还具有减小或消除了中子检测死区等特点。

Description

蜂窝型热中子探测器
技术领域
本发明一般性地涉及核技术应用，特别是中子散射和安全检测技术。更具体地，本发明涉及热中子探测器。
背景技术
在传统的针对核材料的安全检测技术中，利用3He正比计数器进行热中子检测是一种常规技术。但是，由于3He气体的缺乏，用于中子散射和安全检测的热中子探测器在使用成本方面出现了很大的问题。为了解决所谓“3He供应危机”问题，本领域技术人员正在研究新型的热中子探测器来取代传统的3He正比计数器。
如本领域中已知的，热中子测量要基于某些特定的核反应进行。能够用来进行热中子测量的核反应通常应该具备如下两个基本特点：
· 核反应截面大，以便有高的热中子吸收效率P1；
· 有高能带电粒子产生，且高能带电粒子产生概率P2要大，因为只有这样的高能带电粒子才能在后续过程中发生有效电离、形成可用信号。
对于最终的探测效率P而言，还应该考虑带电粒子进入探测器的信号形成体积并形成信号的概率P3。最终，探测效率P可由下式确定：
其中，热中子吸收效率P1和高能带电粒子产生概率P2由探测器所用核素的种类决定，带电粒子进入探测器的信号形成体积并形成信号的概率P3则由探测器的设计特点决定。具有较大P1和P2的核素一般是3He、6Li、10B、155Gd和157Gd。考虑到核素截面和实际可用性问题，10B，155Gd和157Gd是本领域当前较为关心的热点核素。如何将这些核素进行有效的利用，设计合理的探测器结构来取代传统的3He正比计数器是本领域关心的重点问题。为此，现有技术提供了涂硼稻草管中子探测器、多栅探测器等具有不同结构的探测器。
发明内容
本发明的一个目的旨在提供一种无需利用紧缺核素3He进行热中子检测的新的技术方案，以便降低制造成本。
本发明的一个进一步的目的是要使得本发明的技术方案相对于现有技术而言具有减小或消除了中子检测死区、加工工艺简单和/或γ灵敏度低等特点。
具体地，本发明提供了一种热中子探测器，其包括：蜂窝结构，所述蜂窝结构由一个或多个中空正六棱柱形的蜂窝单元构成，其中每个所述蜂窝单元的管壁内侧涂覆有中子吸收材料。
优选地，每个所述蜂窝单元的管壁电学接地；沿每个所述蜂窝单元的中心轴线设置有阳极丝；而且在每个所述蜂窝单元的腔室内充有正比工作气体。
优选地，所述热中子探测器还包括：包围在所述蜂窝结构径向外侧的支撑框架；以及具有中央开孔的第一模板和第二模板，所述第一模板和所述第二模板分别邻接或邻近所述蜂窝结构的两端固定于所述支撑框架。
优选地，所述蜂窝结构经由多组沿其包络圆周线方向均匀分布的弹簧连接到所述支撑框架，以保持所述蜂窝结构的空间稳定性，其中每组弹簧由至少两个沿所述支撑框架的纵向轴线方向彼此间隔开的弹簧组成。
优选地，所述中央开孔由一个正六边形孔或多个相互邻接贯通的正六边形孔构成，沿每个所述蜂窝单元的中心轴线延伸的阳极丝经过所述第一模板和所述第二模板的所述中央开孔的对应正六边形孔的中心连接到相对于所述第一模板和所述第二模板固定的电连接装置上。
优选地，所述正比工作气体的压力范围为0.1～10大气压。
优选地，所述蜂窝单元的管壁由铝、铜或不锈钢制成。
优选地，涂覆在所述蜂窝单元的管壁内侧的中子吸收材料的厚度范围为0.1μm～4μm。
优选地，所述中子吸收材料为含硼材料或含钆材料。
优选地，每个所述蜂窝单元的长度为10cm～100cm，边长为2mm～5mm。
在本发明的这种热中子探测器中，由于采用了对中子敏感的蜂窝结构，使得本发明无需利用紧缺核素3He也可进行热中子检测，有效降低了热中子探测器的制造成本。进一步地，由于正六棱柱形的蜂窝单元能够无缝地排列在一起构成完整的蜂窝结构，使得本发明相对于现有技术而言具有减小或消除了中子检测死区等特点。
根据下文结合附图对本发明优选实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将会参照附图并以示例性而非限制性方式对本发明的优选实施例进行详细描述，附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应理解的是，这些附图未必是按实际比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一个优选实施例的蜂窝型热中子探测器的示意性透视图；
图2是图1所示蜂窝型热中子探测器中一个蜂窝单元的示意性透视图；
图3是图2所示蜂窝单元的示意性端视图；
图4是图2所示蜂窝单元的示意性侧视图；
图5示意性地示出了入射中子射向图1所示蜂窝型热中子探测器中的蜂窝结构时，中子与附着在管壁上的10B发生(n,α)反应的过程；
图6是图5中区域A的示意性局部放大图；
图7示意性地示出了根据本发明一个优选实施例的蜂窝结构支撑固定方式。
具体实施方式
图1是根据本发明一个优选实施例的蜂窝型热中子探测器100的示意性透视图。热中子探测器100包括有蜂窝结构10，该蜂窝结构由一个或多个（例如2个、3个、4个、6个、8个、16个或更多个）中空正六棱柱形的蜂窝单元11排列而成。
图2示出了一个单独的蜂窝单元11。蜂窝单元11的长度可以在实际应用中根据需要来具体选择。如图3－图4所示，蜂窝单元11的长度L的典型值可为10cm～100cm，边长W的典型值可为2mm～5mm。
蜂窝单元11的管壁12可由适当的金属例如一定厚度的铝箔、铜箔或不锈钢箔构成。在本发明的一个优选实施例中，蜂窝单元11的管壁12由铝箔构成。对于用作蜂窝单元管壁的铝箔而言，其厚度应在满足结构刚度的前提下尽可能的薄以便降低γ灵敏度，例如，典型厚度范围可为25μm～100μm。
在每个蜂窝单元11的管壁12内侧涂覆有中子吸收材料（或称中子敏感材料）14。在图5－图6所示的实施例中，铝箔基材13构成了蜂窝单元的管壁12；一定厚度的中子吸收材料14（在该例中为含硼材料）附着在铝箔基材13上。中子吸收材料14的厚度T不能太小也不能太大，0.5μm～2μm是一个优选的厚度范围。在图5所示的以含硼材料中的10B为中子敏感核素的实施例中，当热中子射向蜂窝结构10时，入射中子与附着在管壁12上的10B发生(n, α)反应；反应得到的α粒子或7Li将有可能穿透含硼材料进入各个蜂窝单元11的充有正比工作气体的内部腔室，其中正比工作气体例如可为Ar90%+CO210%气体，其压力应设定的足够大以便将进入气体的α粒子或7Li核能量全部吸收。正比工作气体的气压范围可为0.1～10大气压，典型地可为0.5～2个大气压。除了含硼材料之外，在本发明的其他实施例中，也可采用含钆材料（例如钆箔或者Gd2O3膜）来作为中子吸收材料。
沿每个蜂窝单元11的中心轴线设置有一根阳极丝15。工作时，这些阳极丝皆被施加正直流高压，这与施加在管壁12上的地电位共同在蜂窝单元11内部形成了放射状电场。施加在阳极丝上的正直流高压被选择成使得在每根阳极丝15周围的局部空间形成足以发生雪崩效应的强电场，从而使探测器处于正比工作模式。如本领域技术人员容易理解的，施加在阳极丝上的具体电压大小应由蜂窝单元11的边长W以及所充正比工作气体的类型和气压大小来共同确定。
根据本发明的一个优选实施例，在制备蜂窝结构10时，首先可通过例如电子束蒸发、磁控溅射等工艺来获得涂覆有中子吸收材料14的金属箔，例如涂覆有B4C的铝箔；然后，将涂覆有中子吸收材料14的金属箔通过蜂窝成形工艺制备为整体式的包括一个或多个蜂窝单元11的蜂窝结构10。利用各种箔材或片材形成蜂窝状构造的成形工艺在现有成形技术中是非常成熟的，也是本领域技术人员容易实施的，本文对其不予赘述。
在制备了对中子敏感的蜂窝结构10之后，考虑到管壁12（例如铝箔）的厚度较小，本发明特别地提供了模板以及支撑框架来加强整个中子探测器100的刚度。如图7所示，第一模板21、第二模板22及支撑框架23为整个蜂窝结构10提供了刚性支撑和保护。具体地，支撑框架23包围在蜂窝结构10的径向外侧；具有中央开孔的第一模板21和第二模板22分别邻接或邻近蜂窝结构10的两端固定到支撑框架23上。第一模板21和第二模板22的中央开孔均由一个正六边形孔或多个相互邻接贯通的正六边形孔构成。优选地，构成中央开孔的正六边形孔的数量与蜂窝结构所含蜂窝单元的数量相同，而且构成中央开孔的每个正六边形孔与相应蜂窝单元的中心轴线同心。每个蜂窝单元的阳极丝15经过第一模板21和第二模板22的中央开孔的对应正六边形孔的中心连接到相对于第一模板21和第二模板22固定的电连接装置（图中未示出）上。所述电连接装置例如是可操作地连接到外部直流高压电源的电连接端子或电连接栅格，其是本领域技术人员公知且容易实施的，对其没有必要赘述。因此，可认为穿过蜂窝单元11的阳极丝15连接在两个模板的对应正六边形孔的中心处。
在本发明的一个优选实施例中，蜂窝结构10整体上由多组沿其包络圆周线方向均匀分布的弹簧24连接到支撑框架23，以保持蜂窝结构10的空间稳定性。优选地，每组弹簧可由至少两个沿支撑框架23的纵向轴线方向彼此间隔开的弹簧组成。每个蜂窝单元11的管壁本身处于地电位，起到阴极的作用。具体地，管壁12可通过弹簧14与支撑框架23连接后电学接地。
探测器100的电路部分（如具体接地方法、前放电路、外部直流高压电源等）以及充排气装置、密封装置等与例如涂硼稻草管中子探测器或传统单丝正比室中的情况类似，均是本领域技术人员公知且易于实施的，在此也不再一一赘述。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽地示出和描述了多个示例性的优选实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本申请公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (8)

1.一种热中子探测器，包括：
蜂窝结构，所述蜂窝结构由一个或多个中空正六棱柱形的蜂窝单元构成，其中，
每个所述蜂窝单元的管壁内侧涂覆有中子吸收材料，
每个所述蜂窝单元的管壁电学接地；
沿每个所述蜂窝单元的中心轴线设置有阳极丝；以及
在每个所述蜂窝单元的腔室内充有正比工作气体，
其特征在于还包括：
包围在所述蜂窝结构径向外侧的支撑框架；以及
具有中央开孔的第一模板和第二模板，所述第一模板和所述第二模板分别邻接或邻近所述蜂窝结构的两端固定于所述支撑框架。
2.根据权利要求1所述的热中子探测器，其特征在于，
所述蜂窝结构经由多组沿其包络圆周线方向均匀分布的弹簧连接到所述支撑框架，以保持所述蜂窝结构的空间稳定性，其中每组弹簧由至少两个沿所述支撑框架的纵向轴线方向彼此间隔开的弹簧组成。
3.根据权利要求1所述的热中子探测器，其特征在于：
所述中央开孔由一个正六边形孔或多个相互邻接贯通的正六边形孔构成，沿每个所述蜂窝单元的中心轴线延伸的阳极丝经过所述第一模板和所述第二模板的所述中央开孔的对应正六边形孔的中心连接到相对于所述第一模板和所述第二模板固定的电连接装置上。
4.根据权利要求1所述的热中子探测器，其特征在于，
所述正比工作气体的压力范围为0.1～10大气压。
5.根据权利要求1所述的热中子探测器，其特征在于，
所述蜂窝单元的管壁由铝、铜或不锈钢制成。
6.根据权利要求1所述的热中子探测器，其特征在于，
涂覆在所述蜂窝单元的管壁内侧的中子吸收材料的厚度范围为0.1μm～4μm。
7.根据权利要求1所述的热中子探测器，其特征在于，
所述中子吸收材料为含硼材料或含钆材料。
8.根据权利要求1所述的热中子探测器，其特征在于，
每个所述蜂窝单元的长度为10cm～100cm，边长为2mm～5mm。
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