专利名称：通过伽马屏蔽增加中子通量的制作方法
技术领域：
这里公开的实施例总体涉及高能量辐射检测。具体地，这里公开的实施例涉及中子信号与伽马信号的分离。具体地，已经发现用于使伽马射线停止的一些材料还可以增加到达检测器的中子通量。
背景技术：
中子通量典型地通过中子与中子围绕物之间的相互作用的结果来测量。例如，中子可以与将要检测的物质相互作用，并因此产生可测量的结果。检测器可以用于检测这种结果，所述结果例如可以包括由吸收反应、激活过程和弹性散射反应产生的高能量和电离辐射。这里所使用的“高能量辐射”表示中子、X射线、伽马射线、α粒子和β粒子的辐射。高能量辐射的检测器可以包括例如离子室、正比计数器、盖革-弥勒计数器和闪烁计数器。图1显示了一种示例性现有技术的检测器，所述检测器可以用于通过检测从靶标反射回来的热中子来测量氢含量。如图所示，用于中子检测的基本系统10包括靶室13、 离子室14、和电子仪器(没有独立显示)。快中子12由中子源11产生。这些快中子12与氢核H在靶室13中相互作用，直到所述快中子的速度通过公知为中子慢化的过程被减小到靶标的平均热速度。具体地，中子慢化包括从快中子到靶核的碰撞和能量转移，其中在所述碰撞和能量转移之后，快中子的速度降低到慢中子的速度。热(慢)中子然后从靶室13散射到离子室14。在图1所示的通常使用的中子探测器的实例中，离子室14可以填充有可以与热化中子相互作用以产生离子的气体(例如，He-3)。当He-3原子吸收(俘获)热化中子时，核反应发生，并且最终产物为正电离氚(H-3)原子和质子。正电离H-3原子和质子移动通过气体，从而在所述原子和质子的尾流中拉电子，并因此产生相等数量的正离子和电子。当横跨离子室14中的电极40、45施加电势时，正离子被扫掠到带负电荷电极，而电子被扫掠到带正电荷电极，从而产生与转移的离子的数量成正比的电流。转移的离子的数量取决于所述离子形成的速率，并因此取决于中子通量。因此，通过离子室测量的离子电流可以用于获得中子通量的大�。鲋凶油康拇笮】梢杂糜谌范ò胁闹械那獾牧�。然而，在这些过程中生成的离子电流非常小(大约10_12安培)，这使得难以准确地确定中子通量。另外，各种电子部件、电缆等中的温度和湿度变化可能会进一步降低测量的精度。在野外条件下，情况甚至更加糟糕，野外条件通常包括温度和湿度非常大的变化。虽然现有技术的高能量辐射检测器能够提供令人满意的测量，但是仍然需要可以提供高能量辐射的更加可靠并且精确的测量的检测器。
发明内容
—方面，这里公开的实施例涉及一种具有检测器和与检测器相邻的中子源组件的分析器，其中中子源组件具有中子源和屏蔽源保持器。另一方面，这里公开的实施例涉及一种用于测量中子信号的方法，所述中子信号
4包括在检测器系统中检测本底，所述方法包括以下步骤将包括慢化材料的靶标放置在检测器系统内；为检测器系统测量总信号；以及为检测器系统确定中子信号。本发明的其它方面和优点将从以下说明和所附权利要求变得清楚呈现。
图1显示了传统的中子检测系统的示意图；图2显示了传统的湿度分析器的剖视图；图3显示了根据本发明的实施例的湿度分析器的剖视图；图4显示了根据本发明的湿度分析器的另一个实施例的剖视图；图5A和5B分别显示了根据本发明的实施例的中子源组件的剖视图和立体图；图6为在根据本发明的实施例的湿度分析器中检测的信号和本底的量的曲线图；图7为在根据本发明的实施例的检测器系统中检测的中子信号的量的曲线图。
具体实施例方式本发明的实施例总体涉及用于测量高能量辐射的检测器系统，并且具体地涉及用于增加和测量中子通量的检测器系统。这里使用的中子通量表示在一个时期通过一个区域的中子的量。用于测量中子通量的检测器系统可以依赖于中子慢化，即，使快中子达到热平衡的过程。具体地，当从中子源生成中子时，中子被释放有高动能，这里被称作为“快中子”。 根据能量守恒定律，快中子的高动能可以通过与慢化材料碰撞并将能量转移到所述慢化材料而降低(被慢化)。在将能量转移到慢化材料时，快中子移动的速度降低，从而将碰撞后的中子命名为慢中子。由于中子动能与中子温度之间的关系，在快中子慢化之后，慢中子也可以被称为热中子。进一步地，使用具有低原子序数的慢化材料可以允许更加有效的能量转移。例如， 快中子与氢核的碰撞可能会导致快中子中的能量的大量减�。佣越峡斓乃俾噬煽杉觳獬龅穆凶樱渲兴銮夂司哂谢旧侠嗨朴谥凶拥脑又柿�。因此，检测器系统可以使用含氢的慢化材料(例如，水)用于中子慢化和检测。慢化材料的另外的实例包括石墨、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯及其它塑料、酒精、油及其它有机材料、焦炭、铁颗粒、烃物质及其它具有低原子序数、高散射横截面和低吸收横截面的材料。如这里所使用的，含氢材料表示一种慢化材料的类型。然而，不用考虑靶材，这里公开的实施例都允许中子通量的增加的测量，同时还提供伽马屏蔽。这种检测过程同样可以用于湿度分析。例如，根据本公开的实施例可以使用从中子慢化检测到的慢中子的量(即，中子通量)与诸如水的含氢物质之间的数学相关来提供关于存在的氢核的量，并因此提供用于分析关于存在的湿度的量的方法。图2显示具有环形(圆环形)检测器14的传统的湿度分析器10，且中子源11设置在检测器14内。如图所示，中子源11生成快中子12和伽马射线Y。例如，通常使用的中子源，镅-铍(AmBe)，可以与发射快中子一起发射大约4. 43MeV γ。例如，其它中子源可以包括镅-锂(AmLi)、镭-铍(RaBe)或钚-铍(PuBe)。其它工业中子源包括为直接作用静电加速器(离子枪)的中子发生器。在中子发生器中，被加速到大约SOkeV的氘核(deutron) 可以撞击氘核靶或氚靶，所述撞击可以产生中子。与同位素源相比，这些源可以更加有动力，但是更加昂贵，且比Am/Be的寿命短。因此，在不能通过同位素源获得所需的高中子通量的情况下，通�？梢允褂弥凶臃⑸鳌４送猓凶臃⑸髂芄辉诼龀迥Ｊ较虏僮�。从中子源11发射的快中子12的一部分将散射到靶室13中，所述靶室可以填充有含氢物质(例如，水)。快中子12在靶室13中与氢核碰撞。具有与中子的质量类似的质量的氢核在快中子的减速并最终使快中子通过环境达到热平衡(中子慢化)中非常有效。 由于与氢核的相互作用，快中子失去动能并且变成慢(热)中子。例如，在与氢核相互作用时，热中子可以具有等于室温下的热运动能05meV)的平均能量。热中子然后可以类似于气体扩散而扩散，并且热中子中的一些可以返回到检测器14以作为中子通量被测量。检测器14为填充有气体的离子室，所述气体具有可以俘获热中子并且在中子俘获之后进行核反应的核。这种核包括硼(B-10，例如，BF3)、锂(Li-6)、氦(He-3)、铀-233、 铀-235和钚-239。在这些核中，He-3气体的优点在于具有大的热中子横截面(5330靶恩)， 因此通常用在离子室中。虽然B-IO (在BF3与中子反应中使用)具有比He-3低的热中子横截面(3840靶恩)，但是BF3由于其可用性通常也可以在离子室中使用。然而，本领域的普通技术人员将认识到本发明的实施例不受限于此。事实上，本发明的实施例可以使用能够进行可以通过感兴趣的高能量辐射产生离子的离子转移的任何气体或其它介质。检测器14对热中子最敏感，而对快中子12和伽马射线γ却不敏感。然而，因为由于扩散只有少数中子回到检测器，因此检测到的热中子通量较低。相对较高的伽马检测的结果被称为伽马本底，所述伽马本底可以有助于总本底噪声，即，检测器信号与氢的存在没有关系。本底噪声典型地在填充有BF3的检测器中比在填充有He-3的检测器中高。可以通过横跨离子室中的一对电极施加电势在离子室检测器中测量中子通量。例如，在填充有He-3的检测器中，两个电极可以平行定位于检测器中，以便当电势施加在电极之间时测量在He-3气体中流动的电流。He-3气体典型地用作绝缘体，因此，在两个电极之间不能检测到电流(除了小的泄漏电流之外)。然而，当He-3原子吸收(俘获)热中子时，将发生如下核反应
IHe + > — IH + Ip(1)该核反应产生氚(H-3)原子和质子。He-3和H_3分别为氦和氢的同位素。该反应还释放大约764keV的能量(即，Q值=764keV)，因此氚和质子以高动能产生。氚和质子以高速移动通过气体，从而在其尾流中拉电子以产生相等数量的正离子和电子。正离子和电子用作气体中的电荷载流子，所述气体另外为绝缘体。如果横跨离子室检测器中的一对电极施加电压，则在电极之间的空间中产生电场。离子响应于该电场移动，且正离子和电子在相反的方向被拉向相对的电极。离子最终在电极处被中和，从而产生与转移到电极的正离子的数量成正比的离子电流。可以测量这种离子电流。进一步地，转移到电极的正离子的数量又与热中子通量成比例。因此，从电极测量的离子电流可以用于获得通过离子室的热中子通量的大小。存在于离子室中的正离子和电子还可以碰撞然后重组以形成中性原子。这种重组与传输到电极的离子和电子对抗，并因此减小可测量的离子电流的大小。在没有施加横跨离子室的电压的情况下，没有离子传输，并且正离子和电子将最终重组。当横跨电极施加电压时，正离子被拉向带负电荷的电极，而电子被拉向带正电荷的电极，从而减小重组的概率。如果横跨电极施加的电压太�。蛘胱雍偷缱映虻缂郝贫佣贾赂嗟闹刈�。当电压足够高以将电子和离子云拉开并使得重组没有意义时，“平稳期(plateau)”(也被称为“离子平稳期”或“第一平稳期”)开始形成。当电压足够高以将电子加速到高到足以在碰撞时电离气体原子(二次电离)的能量时，平稳期结束。该过程被公知为“比例状态 (proportional regime) ”，并且可以用在正比计数器中。然而，离子室检测器通常不会表现出比例状态，并且在平稳期工作，且电流与电压无关，这是因为一次电离在不需要重组的情况下可以被集中。有利地，本公开的发明人通过使用屏蔽材料(具体地，屏蔽源保持器)已经发现在中子源与检测器之间，检测器可以被从伽马射线屏蔽(因此减少伽马本底)，并且中子通量可以增强。例如，与抑制伽马本底一起，由铅(Pb)和钨(W)制成的屏蔽源保持器也可以将与中子有关的信号(中子通量)分别增加20%和40%。发明人理论认为中子信号的增加可以与源保持器的屏蔽材料的中子散射特性有关。参照钨作为中子检测器中的源保持器的示例性屏蔽材料，钨可以用作抵抗伽马辐射的屏蔽装置和散射快中子的方法，其中所述快中子将以其它方式错过撞击靶材。具体地，图3显示了根据本发明的实施例的湿度分析器10的剖视图，其中所述湿度分析器10具有环形(圆环形)检测器14，使得在检测器14的中心处具有孔。中子源11 被屏蔽源保持器15部分包围并定位在检测器14的中心。屏蔽源保持器15由诸如钨的屏蔽材料制成。如图所示，源保持器15包围中子源11的除了面对靶标13的侧部的所有侧部， 使得屏蔽源保持器15位于中子源11与检测器14之间。中子源11发射快中子12a、12b。具体地，在直接朝向靶标13的方向上从中子源11 发射快中子12a。快中子12b初始在远离靶标13的方向上从中子源11发射并进入到屏蔽源保持器15的屏蔽材料中。基于屏蔽源保持器15的屏蔽材料的中子散射特性，可以增加快中子12b朝向靶标13重新定向的可能性。虽然屏蔽源保持器15不影响初始被引导朝向靶标13的快中子12a，但是屏蔽源保持器15启动中子散射的另一种机构，这可能会增加撞击靶标13的快中子12b的量，并因此增加能够进行中子慢化的快中子12a、12b的总数量。图4显示了根据本发明的湿度分析器的另一个实施例的剖视图。图4的湿度分析器10具有离子室检测器14和与检测器14相邻的中子源11。中子源11具有包围中子源 11的屏蔽源保持器15，其可以一起被称为中子源组件20。中子源组件20插入检测器14的中心(因此将中子源11定位在检测器14的中心)并通过源操作组件16被保持在适当的位置。离子室检测器14被离子室罩17遮盖，所述离子室罩还用于支撑源操作组件16。湿度分析器10被引导到靶标13，使得中子源11最靠近靶标13。如图所示，靶标13可以包括一种或多种材料13a和13b。图5A和5B中示出了示例性中子源组件20的部件的近视立体图和剖视图。具体地，图5A显示了剖视图，而图5B显示了具有被屏蔽源保持器15包围的中子源11的中子源组件20的立体图。屏蔽源保持器15由诸如钨的伽马屏蔽材料制成。在所示的实施例中， 屏蔽源保持器15为圆柱形形状，并且具有第一端部沈、与第一端部沈相对的第二端部27 和大致周围侧壁观。操作容纳部25形成在第一端部沈中，而中子源容纳部M与操作容纳部25相对形成在第二端部27中。中子源容纳部M被构造成容纳中子源11，而操作容纳部 25被构造成容纳源操作组件(图4中所示)。
屏蔽源保持器的其他尺寸和形状可以用于屏蔽中子源与检测器。例如，屏蔽源保持器可以成形为环形、矩形框架或可以至少部分地包围中子源的任何其它形状。进一步地， 屏蔽源保持器15可以具有一致的厚度或不一致的厚度。例如，如图5A和5B所示，屏蔽源保持器15具有不一致的厚度t，其中厚度t从中子源容纳部M到屏蔽源保持器15的外表面被测量。具体地，屏蔽源保持器15的第一端部沈具有比侧壁观的厚度大的厚度。可选地，屏蔽源保持器15的其它实施例可以具有基本上一致的厚度。再次参照图5A和5B，中子源11被封装在不锈钢封壳(capsule)四中，所述封壳具有顶侧^a、大致圆周侧29b和与顶侧29a相对的底侧^c。在其它实施例中，封壳可以由不同于不锈钢的诸如钨、铅等的材料制成。弹性垫圈21可以在封壳四与屏蔽源保持器15 之间定位在封壳四的顶侧^a。簧环22可以定位在封壳四的底侧29c处以将中子源11 保持在适当的位置。顶侧29a和底侧29c在图5A和5B中相对于其位置被标注；然而，顶侧和底侧根据检测器的方向可以在检测器内的各个位置处。压配合罩23可以放置在中子源容纳部M内以遮盖中子源11和簧环22。本领域的普通技术人员将认识到屏蔽源保持器部件可以根据中子源和检测器的尺寸和形状而变化。例如，根据本发明形成的屏蔽源保持器可以具有将屏蔽材料定位在中子源与检测器之间的各种形状和尺寸。此外，屏蔽源保持器的一些实施例可以具有另外的部件、较少的部件或不同于图5A和5B中所述的示例性部件的结构，所述部件可以用于将屏蔽源保持器定位在中子源与检测器之间。本发明的发明人通过测试已经发现根据本发明的实施例的屏蔽源保持器根据上述理论发挥作用。具体地，发明人实施实验，其中使用各种靶材料、填充有气体的离子室和屏蔽材料对检测器系统产生检测器读取结果，并不使用靶材或屏蔽材料控制检测器系统。 实验表明使用根据本公发明的屏蔽源保持器的检测器系统具有低本底(与伽马屏蔽)以及增强的中子信号。如这里限定的中子信号是通过从总信号读取结果中减去本底的量而确定的最终信号。在使用由聚四氟乙烯制成的靶材的示例性控制试验中，产生没有氢、零中子信号的塑料，从而显示了从靶材内的氢产生中子信号。因为从没有靶标的检测器系统产生的信号也产生零中子信号，因此没有氢的靶材产生相当于没有靶标的中子信号的中子信号。 由没有氢的材料制成的靶标这里被称为“空白靶标”。以下参照图6，示出了对于具有填充有He-3的离子室和由聚乙烯制成的靶标的湿度分析器的检测器读取结果(以电流的形式产生)。与靶标没有关系的检测器读取结果被认为是本底，而从聚乙烯靶标的存在获得的检测器读取结果被认为是总信号。使用由钨制成的屏蔽源保持器获取一个读取结果；使用由铅制成的屏蔽源保持器获取一个读取结果； 而不使用屏蔽源保持器获取另一个读取结果。如图所示，由铅、尤其是钨制成的屏蔽源保持器抑制本底，并且同时增加总信号。在根据本发明的实施例中的本底减少量和中子信号增强量被进一步分析并与传统的检测器系统进行比较。显示本底减少的数据显示在以下的表1中，而显示中子信号增强的数据显示在图7和以下的表2中。具体地，如表1所示，在具有填充有He-3的离子室的检测器系统和具有填充有BF3 的离子室的检测器系统中显示来自伽马辐射的本底量，其中每一个检测器系统都在具有钨屏蔽源保持器、具有铅屏蔽源保持器和没有屏蔽源保持器的情况下被测试。
表 权利要求
1.一种分析器，包括 检测器；和与所述检测器相邻的中子源组件，所述中子源组件包括 中子源；和屏蔽源保持器。
2.根据权利要求1所述的分析器，还包括靶标，所述靶标包括选自以下材料的材料 水、石墨、酒精、油、焦炭、铁颗粒、烃、聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯。
3.根据权利要求1所述的分析器，其中，所述屏蔽源保持器包含铅。
4.根据权利要求1所述的分析器，其中，所述屏蔽源保持器包含钨。
5.根据权利要求1所述的分析器，其中，所述检测器包括离子室，所述离子室填充有选自He-3和BF3的气体。
6.根据权利要求1所述的分析器，其中，所述屏蔽源保持器包括第一端部、与所述第一端部相对的第二端部和大致圆周侧壁。
7.根据权利要求6所述的分析器，其中，所述屏蔽源保持器包括形成在所述第一端部中的操作容纳部和形成在所述第二端部中的与所述操作容纳部相对的中子源容纳部，其中所述中子源容纳部被构造成容纳所述中子源，而所述操作容纳部被构造成容纳源操作组件。
8.根据权利要求7所述的分析器，还包括压配合罩，所述压配合罩设置在所述中子源容纳部内。
9.根据权利要求1所述的分析器，其中，所述中子源被封装在不锈钢封壳中。
10.根据权利要求9所述的分析器，其中，所述中子源组件还包括弹性垫圈，所述弹性垫圈设置在所述封壳的顶侧与所述屏蔽源保持器之间。
11.根据权利要求9所述的分析器，其中，簧环设置在所述封壳的底侧。
12.根据权利要求1所述的分析器，其中，所述屏蔽源保持器部分地包围所述中子源， 使得所述屏蔽源保持器位于所述中子源与所述检测器之间。
13.一种用于测量中子信号的方法，所述方法包括以下步骤 检测检测器系统中的本底；将靶标放置在所述检测器系统内； 为所述检测器系统测量总信号；以及为所述检测器系统确定中子信号。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，确定所述中子信号的步骤包括从由所述检测器系统测量的总信号中减去由所述检测器系统检测到的所述本底。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述检测器系统包括 检测器；和与所述检测器相邻的中子源组件，所述中子源组件包括 中子源；和屏蔽源保持器。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述屏蔽源保持器包括选自铅和钨的材料。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述检测器包括离子室，所述离子室填充有选自He-3和BF3的气体。
18.根据权利要求13所述的方法，其中，所述靶标选自以下材料水、石墨、酒精、油、焦炭、铁颗粒、烃、聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯。
19.根据权利要求13所述的方法，其中，在所述检测器系统中检测本底的步骤包括 将空白靶标设置在所述检测器系统中。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括以下步骤 除去所述空白靶标。
21.根据权利要求15所述的方法，还包括以下步骤为没有所述屏蔽源保持器的检测器系统测量中子信号，该步骤包括以下步骤 检测所述检测器系统中的本底，其中所述屏蔽源保持器被除去； 将靶标放置在所述检测器系统内；对所述检测器系统测量总信号，所述检测器系统内具有所述靶标；以及为所述检测器系统确定所述中子信号，其中，所述确定步骤包括从由所述检测器系统测量的所述总信号中减去由所述检测器系统检测到的所述本底。
全文摘要
本发明公开一种具有检测器和与检测器相邻的中子源组件的分析器，其中中子源组件具有中子源和屏蔽源保持器。
文档编号G01T3/00GK102374999SQ201110223620
公开日2012年3月14日 申请日期2011年8月5日 优先权日2010年8月6日
发明者亚历克斯·库利克, 亚历山大·约瑟夫·叶辛, 尼古拉·巴图林, 迈克尔·G·布罗索 申请人:思姆菲舍尔科技公司
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