專利名稱：快中子探測方法、物質識別方法及中子探測器的制作方法
技術領域：
本發明總的涉及利用X射線和中子進行安全檢測的領域，更具體地涉及伴有X射 線的快中子探測方法、利用光中子識別物質的方法、同時利用X射線和光中子識別物質的 方法、以及中子探測器。
背景技術：
隨著經濟和社會的發展，安全檢測技術的應用范圍越來越廣，如地鐵站、機場、銀 行、商場等，幾乎隨處可見。安全檢測技術有很多種，其中利用加速器產生的光中子進行安 全檢測技術是一種已經得到了部分研究的技術，已經有人在利用光中子進行元素分析方面 做了深入的工作一這種方法利用高能電子加速器產生的X射線轟擊包括重水、鈹等在內 具有低光中子反應閾值的靶材來產生光中子，產生的光中子與被檢測的物體中的某些核素 發生反應，即可放出具有特征性的Y射線，通過分析Y射線的能譜構成，就能夠對被檢測 物體的元素構成進行判斷，從而達到物質識別的目的。這種方法具有能夠識別元素種類的 特別優點，不過它在成像質量方面效果較差，在與X射線圖像相融合方面具有一定的不足。因此出現了另外一種方案，利用X射線和光中子的具有不同衰減特性的透射信息 來進行成像，同時能夠得到X射線成像和中子透射成像兩幅圖像，通過對X射線衰減信息和 中子衰減信息的融合，可以提高對被檢測物體的識別能力。但是這種方案還處在原理階段， 要使之能夠實現，必須解決一個問題如何在χ射線的強脈沖下實現對光中子的測量？因 為光中子是伴隨X射線產生的，雖然光中子轉換靶起到一定的X射線屏蔽作用，但是進入中 子探測器的X射線仍然是非常多，一般可以認為超過4個量級。盡管中子探測器可以選擇對 中子敏感的探測器，但由于X射線的數量過分地多，無論該探測器對X射線多么地不靈敏， 一般情況仍是X射線在中子探測器中形成了巨大的信號，顯著超過了中子探測器在其中形 成的信號，這實際使得中子透射信息的獲取無法完成。本發明就是要解決這個問題。
發明內容
本發明的目的之一是提供一種快中子探測方法，該方法通過排除X射線對快中子 測量的干擾，能夠探測伴有X射線的快中子，從而能提高關于快中子的信息的準確性。本發明的目的之二是提供利用光中子識別物質的方法，該方法能排除伴隨光中子 的X射線的干擾，因此能提高識別物質的能力。本發明的目的之三是提供同時利用X射線和光中子識別物質的方法，以進一步提 高識別物質的能力。本發明的目的之四是提供能夠檢測伴有X射線的快中子的中子探測器，該中子探 測器能夠排除X射線對快中子測量的干擾，從而提高關于快中子的信息的準確性。本發明的第一目的通過下列方案得以實現一種快中子探測方法，用于探測伴有 X射線的快中子，該方法包括步驟使所述快中子通過中子慢化體以吸收X射線和將快中子 慢化為熱中子；和用熱中子探測器探測熱中子以獲得關于快中子的信息。X射線在中子慢化體中經過數次碰撞之后就會被該慢化體吸收，而快中子則可以通過該慢化體并被慢化為 熱中子，由于X射線已不存在，這樣探測熱中子就不會受到X射線的干擾，從而能夠提高關 于快中子的信息的準確性。作為本發明快中子探測方法的一個優選實施例，快中子在進入中子慢化體之前先 經過熱中子屏蔽體以屏蔽存在于環境中的散射熱中子。本發明的第二目的通過下列方案得以實現一種利用光中子識別物質的方法，包 括步驟用X射線轟擊光中子轉換靶以產生光中子；引導所述光中子透射被檢測物體；和用 中子探測器探測穿過所述被檢測物體的光中子；并且還包括先引導穿過所述被檢測物體 的光中子進入中子慢化體以吸收伴隨所述光中子的X射線和將所述光中子慢化為熱中子； 和再由所述中子探測器中的熱中子探測器探測所述熱中子以獲得識別所述物質的中子透 射衰減信息。本發明的第三目的通過下列方案得以實現一種同時利用X射線和光中子識別物 質的方法，包括步驟提供χ射線；引導第一部分χ射線直接透射被檢測物體，并用χ射線探 測器探測穿過所述被檢測物體的X射線以獲得所述X射線的透射衰減信息；引導第二部分 X射線轟擊光中子轉換靶以產生用于透射被檢測物體的光中子，并用中子探測器探測通過 所述被檢測物體的光中子以獲得光中子的透射衰減信息；結合所述光中子的透射衰減信息 和所述X射線的透射衰減信息以識別所述被檢測物體的物質；該方法還包括先引導穿過所 述被檢測物體的光中子進入中子慢化體以吸收伴隨所述光中子的X射線和將所述光中子 慢化為熱中子；和再由所述中子探測器中的熱中子探測器探測所述熱中子以獲得所述光中 子的透射衰減信息。由于過中子慢化體吸收了伴隨光中子的X射線，從而排除了 X射線對中 子測量的干擾，因此能夠提高中子透射衰減信息的準確性。另外，同時利用衰減特性不同的 X射線和光中子來檢測物體，以同時得到兩種不同的透射衰減信息，由此提高了對檢測物體 的識別能力。本發明的第四目的通過下列方案得以實現一種中子探測器，包括中子慢化體， 其適于吸收通過其中的X射線，并將所述快中子慢化為熱中子；和熱中子探測器，其適于探 測所述熱中子以獲得關于中子的信息。該中子探測器通過能吸收X射線而允許快中子通過 并將該快中子慢化為熱中子的中子慢化體，能夠排除X射線的干擾，從而提高了測量中子 信息的準確性。作為本發明中子探測器的一個優選實施例，中子探測器還包括熱中子屏蔽體，其 適于屏蔽存在于環境中的散射熱中子。通過閱讀下列的詳細描述及參考附圖，本發明的其他目的和優點將變得很明顯。
圖1為產生光中子的示意圖；圖2為光中子的測量時序；圖3為根據本發明的同時利用X射線和光中子識別物質的方法的示意圖；圖4為根據本發明的中子探測器的一個實施例的示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，已知快中子產生方式之一就是首先由電子加速器提供的電子束轟 擊電子靶11產生X射線，再用X射線轟擊光中子轉換靶12以產生光中子。一般用到 的光中子靶材都是具有低光中子閾值的核素，例如9Be和2H,因此，鈹靶和重水靶通常作 用中子轉換體，其中，鈹靶的反應類型可以用下式表示Y+9Be — 8Be+n,閾值1. 67MeV (1)其中，Y代表光子，η代表中子，中子的能量由光子的能量與反應閾值的差值決定。重 水靶的反應類型則可以用下式表示Y +2H — +η,閾值2. 223MeV(2)由上 述反應式(1)和(2)可知，光中子是伴隨X射線產生的，一般認為光中子的產生時刻與X射 線的產生時刻是相同的。由于這種光中子的能量在幾百keV到幾個MeV之間(具體由加速器的能量決定)， 因此屬于快中子。盡管光中子轉換靶對X射線起到一定的屏蔽作用，但是仍有大量的X射線 伴隨光中子。如果用中子探測器直接探測這種光中子，大量的X射線也會進入中子探測器。 由于光中子和X射線是同時產生的，而電子加速器又是在脈沖狀態下工作，脈寬為μ S的量 級，因此光中子和X射線會在很短的(通常小于ly s)時間內從光中子轉換靶同時飛到中 子探測器，即中子探測器在測量中子的同時也會測量到X射線。由于進入中子探測器的X 射線的數量非常多，一般會超出4個量級，因此無論中子探測器對X射線多么不靈敏，X射 線仍會在中子探測器中形成巨大的信號，并且這種信號顯著超過中子在中子探測器中形成 的信號，從而對光中子的測量造成嚴重干擾，導致中子探測器無法獲取關于光中子的信息。已知X射線和光中子在物質中具有不同特性· X射線經過數次碰撞之后，就會被 物質吸收，其在物質中的存活時間僅在ns的量級解決了 X射線對光中子測量的干擾； 光 中子在物質中一般要經過大量的碰撞才會被物質吸收。根據物質材料的不同，光中子的碰 撞次數可以從幾十次到幾千次不等，從時間上看可以從幾個μ S到幾十ms不等。由這兩種 射線不同的行為特性可知如果設置合適的中子慢化結構，讓中子在該慢化體中進行減速。 由于將光中子由快中子減速為熱中子通常需要大于幾個μ s的時間，因此當光中子被慢化 為熱中子時，X射線脈沖已經不存在了，此時用熱中子靈敏的探測器對慢化后的光中子進行 測量，就可以得到關于光中子的信息，而不會受到X射線的干擾。作為本發明快中子探測方法的一個實施例，首先使光中子進入由聚乙烯制成的中 子慢化體以吸收X射線并將光中子慢化為熱中子，再用熱中子探測器測量熱中子，從而獲 得光中子的相關信息。其中，熱中子探測器是常規的，因此在此不作詳細敘述。熱中子探測 器的面積較大，能夠形成吸收熱中子的足夠大的立體角。在其它的實施例中，中子慢化體也 可由石墨、其它烯聚合物或其它含氫材料的聚合物制成；熱中子探測器則可以采用"lB^Li 等其它中子吸收核素。圖2顯示了光中子的測量時序。從圖2中可以看到X射線脈沖1在中子慢化體中 的持續時間tx，一般為4 μ S，在這個時間段內光中子是無法進行測量的。在tx之后還有一 個td的時間，這個時間是用于光中子探測器從X射線脈沖的影響中恢復回來的時間，這個 時間一般在幾十μ s，如45 μ S。在td之后，由于已經沒有了 X射線的影響，此時就是光中子 的測量時間，圖中給出的tn就是熱中子的測量時間，一般在1000 μ S，由此可見，熱中子的測 量延遲時間應大于X射線在慢化體中的持續時間。這里給出的tx，td，tn等都是典型時間， 實際工作中可以根據探測器的情況來進行微調。這樣，在一個脈沖周期T內，通過中子慢化體延遲光中子的測量以避開X射線，同時將光中子慢化為熱中子再測量熱中子的方法，獲 得光中子的相關信息。在下一個脈沖開始后，重復上述步驟，這樣就能連續地獲得光中子的 相關信息。作為本發明快中子探測方法的一個更優選的實施例，光中子在進入中子慢化體之 前，先經過熱中子屏蔽體以屏蔽存在于環境中的散射熱中子。這樣，就能避免環境中的熱中 子對中子測量的干擾。熱中子屏蔽體也是常規的，因此在此不作詳細敘述。根據上述的快中子探測方法，本發明提供了利用光中子識別物質的方法。作為該 方法的一個優選實施例，先用X射線轟擊含光中子轉換靶以產生光中子；再用中子準直器 引導光中子透射被檢測物體；然后引導穿過被檢測物體的光中子進入中子慢化體以使伴隨 光中子的X射線在中子慢化體中被吸收掉，同時光中子在中子慢化體中被慢化為熱中子； 最后由熱中子探測器測量熱中子以獲得光中子在被檢測物體中的透射衰減信息，從而通過 此透射衰減信息達到識別被檢測物體所含物質的目的。作為利用光中子識別物質的方法的一個更加優選的實施例，在穿過被檢測物體的 光中子進入中子慢化體之前，先經過熱中子屏蔽體以屏蔽存在于環境中的散射熱中子，以 避免散射熱中子對中子測量的干擾。根據上述的快中子探測方法，本發明還提供了同時利用X射線和光中子識別物質 的方法。圖3顯示了同時利用X射線和光中子兩種透射信息識別物質的方法的示意圖。由 于光中子反應可以將無用的X射線轉換為光中子，因此，利用一個電子加速器就能夠同時 獲得兩種射線。如果采用兩種探測器來分別探測X射線和光中子，利用兩種射線在物體中 的不同衰減特性，可以提高對被檢測物體的識別能力。在圖2中，電子轟擊電子靶11產生X 射線，第一部分X射線在經過X射線準直器32之后穿過被檢測物體，并被X射線探測器測 量，得到X射線衰減信息；在電子靶11的前面，放置了一個光中子轉換靶12，使第二部分X 射線在此轉換為光中子，光中子經過中子準直器31之后穿透被檢測物體33 ；穿過被檢測物 體33的光中子先進入中子探測器34中的熱中子屏蔽體以屏蔽環境中的散射熱中子；然后 光中子進入中子探測器34中的中子慢化體中以使伴隨光中子的X射線消失，并使光中子慢 化為熱中子；該熱中子最后到達中子探測器34中的熱中子探測器，由此，熱中子探測器獲 得了光中子在被檢測物體中的透射衰減信息。需要注明的是，中子慢化體完全包圍熱中子 探測器，因此在吸收X射線和慢化光中子的同時，中子慢化體也對環境中散射的熱中子起 到屏蔽的作用。通過結合X射線和光中子衰減信息，可以實現對被檢測物體的識別。下面 的公式(3)反映了如何將兩種衰減信息結合在一起來進行物質識別的一種方式。
權利要求
1.一種快中子探測方法，用于探測伴有X射線的快中子，其特征在于，該方法包括步驟使所述快中子通過中子慢化體以吸收所述X射線和將所述快中子慢化為熱中子；和 用熱中子探測器探測所述熱中子以獲得關于所述快中子的信息。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述快中子在進入所述中子慢化體之前 先經過熱中子屏蔽體以屏蔽存在于環境中的散射熱中子。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述中子慢化體由含氫材料的聚合物制成。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述中子慢化體由烯聚合物制成。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述中子慢化體由石墨制成。
6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述熱中子探測器選用下列組中的中子 吸收核素3He，1QB，6Li。
7.根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述熱中子探測器的面積形成足夠吸收 熱中子的立體角。
8.一種利用光中子識別物質的方法，包括步驟 用X射線轟擊光中子轉換靶以產生光中子； 引導所述光中子透射被檢測物體；和用中子探測器探測穿過所述被檢測物體的光中子； 其特征在于先引導穿過所述被檢測物體的光中子進入中子慢化體以吸收伴隨所述光中子的X射 線和將所述光中子慢化為熱中子；和再由所述中子探測器中的熱中子探測器探測所述熱中子以獲得識別所述物質的中子 透射衰減信息。
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于所述光中子在通過所述中子慢化體之前 先經過熱中子屏蔽體以屏蔽存在于環境中的散射熱中子。
10.根據權利要求8或9所述的方法，其特征在于所述光中子由中子準直器引導透射 所述被檢測物體。
11.一種同時利用X射線和光中子識別物質的方法，包括步驟 提供X射線；引導第一部分X射線直接透射被檢測物體，并用X射線探測器探測穿過所述被檢測物 體的X射線以獲得所述X射線的透射衰減信息；引導第二部分X射線轟擊光中子轉換靶以產生用于透射被檢測物體的光中子，并用中 子探測器探測通過所述被檢測物體的光中子以獲得光中子的透射衰減信息；結合所述光中子的透射衰減信息和所述X射線的透射衰減信息以識別所述被檢測物 體的物質；其特征在于先引導穿過所述被檢測物體的光中子進入中子慢化體以吸收伴隨所述光中子的X射 線和將所述光中子慢化為熱中子；和再由所述中子探測器中的熱中子探測器探測所述熱中子以獲得所述光中子的透射衰減信息。
12.根據權利要求11所述的方法，其特征在于所述光中子在通過所述中子慢化體之 前先經過熱中子屏蔽體以屏蔽存在于環境中的散射熱中子。
13.根據權利要求11或12所述的方法，其特征在于所述光中子由中子準直器引導透 射所述被檢測物體。
14.根據權利要求11或12所述的方法，其特征在于所述第一部分X射線由X射線準 直器弓I導透射所述被檢測物體。
15.根據權利要求11或12所述的方法，其特征在于所述光中子轉換靶的核素為i3Be 或2H。
16.根據權利要求11或12所述的方法，其特征在于所述X射線由X射線發生器產生， 所述X射線發生器包括電子加束器。
17.一種中子探測器，包括中子慢化體，其適于吸收通過其中的X射線，并將快中子慢化為熱中子；和熱中子探測器，其適于探測所述熱中子以獲得關于所述快中子的信息。
18.根據權利要求17所述的中子探測器，其特征在于還包括熱中子屏蔽體，其適于屏 蔽存在于環境中的散射熱中子。
19.根據權利要求17或18所述的中子探測器，其特征在于所述中子慢化體包圍所述 熱中子探測器。
20.根據權利要求17或18所述的中子探測器，其特征在于所述中子慢化體也適于屏 蔽存在于環境中的散射熱中子。
全文摘要
本發明公開了一種快中子探測方法，用于探測伴有X射線的快中子，該方法包括步驟使所述快中子通過中子慢化體以吸收所述X射線和將所述快中子慢化為熱中子；和用熱中子探測器探測所述熱中子以獲得關于所述快中子的信息。本發明還公開了一種利用光中子識別物質的方法、一種同時利用X射線和光中子識別物質的方法、以及一種中子探測器。其中，中子探測器包括中子慢化體，其適于吸收通過其中的X射線，并將快中子慢化為熱中子；和熱中子探測器，其適于探測所述熱中子以獲得關于所述快中子的信息。本發明通過設置中子慢化體能夠排除X射線對快中子測量的干擾，從而提高了中子測量的準確性。并通過同時獲得X射線和中子的兩種不同的衰減信息，提高了對檢測物體的識別能力。
文檔編號G01N23/06GK102109607SQ20091024435
公開日2011年6月29日 申請日期2009年12月29日 優先權日2009年12月29日
發明者吳彬, 張勤儉, 李元景, 李鐵柱, 楊祎罡 申請人:同方威視技術股份有限公司, 清華大學