中子位置探測裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于位置探測技術，具體涉及一種中子位置探測裝置。
【背景技術】
[0002] 通過中子譜儀系統獲取氫原子的信息，從而在原子和分子尺度上研宄物質的結構 和微觀運動規律，是凝聚態物理、化學、生命科學、材料科學等多學科領域中廣泛使用的技 術手段。中子位置靈敏探測器是中子譜儀系統的關鍵組成部分。目前普遍采用的基于 3He 氣體探測器的中子位置靈敏探測裝置規模較龐大、研發成本較高，且隨著3He氣體數量的減 少，其應用將進一步受到原材料及成本方面的制約。因此，亟需研發新的中子位置靈敏探測 方法和裝置，以替代基于 3He氣體探測器的探測機制。
[0003] 近年來，國際上正在積極研宄的新型中子位置靈敏探測器主要包括基于涂kiB的 GEM氣體探測器、基于半導體中子探測器陣列、基于含kiB或6Li的閃爍體等類型。基于閃爍 體的中子位置靈敏探測器與基于氣體探測器的中子位置靈敏探測器相比，具有更高的探測 效率，能夠實現更為緊湊的結構設計，縮小探測器的規模和成本；與基于半導體陣列的中子 位置靈敏探測器相比，則具有更低的γ射線靈敏度，且可在強中子輻射場下仍保持較穩定 的性能。
[0004] 目前，基于閃爍體的中子位置靈敏探測主要通過中子閃爍屏與CCD相機或波長轉 換光纖（Wavelength Shifting Fiber，WLSF)相結合的方式實現。其中，基于中子閃爍屏與 WLSF的探測機制能夠在較低的成本下實現較大的探測面積，對于位置分辨率的調節也更為 靈活。
[0005] 基于中子閃爍屏與WLSF的中子位置靈敏探測器利用含kiB或6Li等的中子轉換材 料與ZnS(Ag)閃爍體混合制成中子閃爍屏，并利用WLSF將中子與閃爍屏作用產生的閃爍光 信號轉換至易被光探測器件響應的波段，進而被光探測器件接收并轉化為可測量和記錄的 電信號。目前普遍采用光電倍增管作為光探測器件，其成本較高，體積和重量較大，對于設 計和實現較大的探測面積，及降低探測器的規模和成本是一個制約的因素。
【發明內容】
[0006] 針對現有技術中存在的缺陷，本發明提供一種中子位置探測裝置，尺寸小、重量 輕、結構簡單，具有較高的探測靈敏度；無需在高電壓下工作，降低了設計的難度。
[0007] 為達到以上目的，本發明采用的技術方案是：提供一種中子位置探測裝置，該裝置 包括中子閃爍屏、波長轉換光纖、光電轉換器件、數據采集系統、位置判定及圖像顯示系統， 其中：
[0008] 所述中子閃爍屏，用于吸收中子射線，并發出一定波長的閃爍光；
[0009] 所述波長轉換光纖，用于接收閃爍屏上發出的閃爍光，并將該閃爍光轉換成易被 光電轉換器件響應的波長，傳輸給光電轉換器件；
[0010] 所述光電轉換器件，用于接收波長轉換光纖發出的閃爍光，并將該閃爍光信號轉 化為可測量和記錄的電信號輸送給數據采集系統；
[0011] 所述數據采集系統，用于接收光電轉換器件傳輸的電信號，并將該電信號進行放 大和處理，然后轉化為數字信號傳輸給位置判定及圖像顯示系統；
[0012] 所述位置判定及圖像顯示系統，用于接收數據采集系統傳輸的數字信號，并根據 該數字信號確定中子的位置，生成和顯示中子位置的分布圖像。
[0013] 進一步，所述光電轉換器件采用硅光電倍增管。
[0014] 進一步，所述中子閃爍屏采用kiB或6Li與ZnS(Ag)閃爍體混合制成。
[0015] 進一步，所述中子閃爍屏采用兩塊，且兩塊所述中子閃爍屏平行放置。
[0016] 進一步，兩塊所述中子閃爍屏之間設有多個波長轉換光纖，多個波長轉換光纖分 別沿兩個相互垂直的方向平行布置。
[0017] 進一步，每根所述波長轉換光纖的兩端均與硅光電倍增管陣列連接，其中，每根或 每相鄰數根波長轉換光纖的末端與硅光電倍增管的一個靈敏單元連接。
[0018] 本發明的有益技術效果在于：采用硅光電倍增管陣列替代常規的光電倍增管作為 光電轉換器件，其尺寸更小、重量更輕，價格僅為位置靈敏光電倍增管的幾十分之一，且不 需要在高電壓下工作，有效降低了探測器的體積、重量、設計復雜度和成本；在性能方面，硅 光電倍增管能夠達到與光電倍增管相當的光電流增益，且其光譜響應曲線的峰值與波長轉 換光纖發光的波長（492nm)更為接近，相應的探測效率可以達到20%，而光電倍增管在該 波長處的光量子效率約為15%。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本發明中子位置探測裝置的結構框圖；
[0020] 圖2是本發明中子位置探測裝置的結構示意圖。
[0021] 圖中：
[0022] 1-中子閃爍屏 2-波長轉換光纖 3-光電轉換器件單元
【具體實施方式】
[0023] 下面結合附圖，對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細的描述。
[0024] 如圖1所示，是本發明中子位置靈敏探測裝置，該探測裝置包括ZnS(Ag)Z^B中子 閃爍屏、波長轉換光纖、光電轉換器件、數據采集系統（DAQ)、位置判定及圖像顯示系統。其 中，中子入射到ZnS (Ag)/kiB中子閃爍屏上，與kiB發生kiB (η, a ) 7Li反應，產生7Li和α粒 子。上述次級帶電粒子與ZnS(Ag)閃爍體作用，發出峰值波長為450nm的藍色熒光。該藍 色熒光被波長轉換光纖吸收，轉化為峰值波長為492nm，易被光電轉換器件接收的綠光，并 傳輸至光電轉換器件陣列的相應單元，光電轉換器件接收由波長轉換光纖發出的綠光，并 輸出模擬信號，該模擬信號經數據采集系統進行放大和處理，從而轉換為數字信號傳輸至 計算機，再通過計算機的中子位置判定及圖像顯示系統進行中子位置判定及圖像顯示，確 定中子的入射位置，并生成和顯示中子位置分布的圖像。
[0025] 其中，光電轉換器件采用硅光電倍增管（SiPM，Silicon Photomultiplier)陣列作 為光電轉換器件。相比位置靈敏光電倍增管，硅光電倍增管陣列的尺寸小、重量輕、結構簡 單，價格僅為前者的幾十分之一，且不需要在高電壓下工作，降低了設計的難度。在性能方 面，硅光電倍增管陣列能夠達到與光電倍增管相當的光電流增益，且其光譜響應曲線的峰 值與波長轉換光纖發光的波長（492nm)更為接近，相應的探測效率可以達到20%，而光電 倍增管在該波長處的光量子效率約為15%。因此，使用硅光電倍增管陣列替代光電倍增管， 在保持探測效率的同時，有效降低了探測器的體積、重量、設計復雜度和成本。
[0026] 如圖2所示，該探測裝置采用2塊平行放置的ZnS(Ag)Z^B中子閃爍屏1，在2塊 中子閃爍屏1之間設有多根波長轉換光纖2,多根波長轉換光纖2沿兩個相互垂直的方向 即X、Y方向分別平行排列。每根波長轉換光纖2的兩端均與硅光電倍增管陣列連接，每根 或每相鄰數根波長轉換光纖2的末端接入1個光電轉換器件單元3,本發明波長轉換光纖的 連接方式，不限于上述的連接方式，可根據對測量面積、收集效率等的具體需求而定。
[0027] 上述ZnS(Ag)/iqB中子閃爍屏采用一定比例的ZnS(Ag)和成 10!^混合制成。中子閃 爍屏靈敏區域尺寸為80mmX80mm，前、后兩塊中子閃爍屏的厚度分別為400 μπι和200 μπι。
[0028] X方向（即水平方向）、Υ方向（即為垂直方向）各采用32根波長轉換光纖，排列 間隔為1.5mm。波長轉換光纖的截面形狀為圓形，直徑為1mm，長度為lm。波長轉換光纖的 端面通過專門設計的接頭與光電轉換器件陣列進行連接。
[0029] 采用2個4 X 4陣列的光電轉換器件單元，其每個光電轉換器件單元的靈敏面積為 3mmX 3mm〇
[0030] 數據采集系統將光電轉換器件輸出的32路模擬信號進行放大和噪聲甄別，并轉 化為數字信號；再通過并行數據采集卡，將各路數字信號傳輸至計算機。
[0031] 由于中子閃爍屏發出的熒光可能會被同一方向上的多根波長轉換光纖吸收，采用 模式匹配方法進行中子位置的判定。如下表所示，以X方向為例，若相鄰4路波長轉換光纖 信號（對應的波長轉換光纖的空間位置分別記為χ η、χη+1、χη+2、χη+3，每路包含2根相鄰的波 長轉換光纖）的輸出情況與表中的任一模式相一致時，判定中子入射位置為χ η+1處。若X方 向的各路波長轉換光纖信號出現多組不同模式的匹配情況，則按照A、B、C、D類模式優先級 順次降低的原則進行選擇。
[0032] 根據探測到的大量中子的位置信息，得到中子的位置分布，并以圖像形式顯示。
[0033]
【主權項】
1. 一種中子位置探測裝置，其特征是：該裝置包括中子閃爍屏、波長轉換光纖、光電轉 換器件、數據采集系統、位置判定及圖像顯示系統，其中： 所述中子閃爍屏，用于吸收中子射線，并發出一定波長的閃爍光； 所述波長轉換光纖，用于接收閃爍屏上發出的閃爍光，并將該閃爍光轉換成易被光電 轉換器件響應的波長，傳輸給光電轉換器件； 所述光電轉換器件，用于接收波長轉換光纖發出的閃爍光，并將該閃爍光信號轉化為 可測量和記錄的電信號輸送給數據采集系統； 所述數據采集系統，用于接收光電轉換器件傳輸的電信號，并將該電信號進行放大和 處理，然后轉化為數字信號傳輸給位置判定及圖像顯示系統； 所述位置判定及圖像顯示系統，用于接收數據采集系統傳輸的數字信號，并根據該數 字信號確定中子的位置，生成和顯示中子位置的分布圖像。
2. 如權利要求1所述的中子位置探測裝置，其特征是：所述光電轉換器件采用硅光電 倍增管。
3. 如權利要求1所述的中子位置探測裝置，其特征是：所述中子閃爍屏采用、或6Li 與ZnS(Ag)閃爍體混合制成。
4. 如權利要求3所述的中子位置探測裝置，其特征是：所述中子閃爍屏采用兩塊，且兩 塊所述中子閃爍屏平行放置。
5. 如權利要求4所述的中子位置探測裝置，其特征是：兩塊所述中子閃爍屏之間設有 多個波長轉換光纖，多個波長轉換光纖分別沿兩個相互垂直的方向平行布置。
6. 如權利要求5所述的中子位置探測裝置，其特征是：每根所述波長轉換光纖的兩端 均與硅光電倍增管陣列連接，其中，每根或每相鄰數根波長轉換光纖的末端與硅光電倍增 管的一個靈敏單元連接。
【專利摘要】本發明涉及一種中子位置探測裝置，該裝置包括中子閃爍屏、波長轉換光纖、光電轉換器件、數據采集系統、位置判定及圖像顯示系統，其中：中子閃爍屏吸收入射的中子，發出峰值波長為450nm的藍光，該藍光被波長轉換光纖吸收，轉化為峰值波長為492nm、易被光電轉換器件接收的綠光，并將該綠光傳輸至光電轉換器件，光電轉換器件接收來自波長轉換光纖發送的光信號，并將該光信號轉換為電信號，輸送給數據采集系統，數據采集系統將電信號進行放大和處理后，轉換為數字信號傳輸給位置判定及圖像顯示系統，從而確定中子的入射位置，并生成和顯示中子位置分布的圖像。本發明的探測裝置，測量靈敏、尺寸小、重量輕、價格便宜；且不需要在高電壓下工作，降低了設計的難度。
【IPC分類】G01T3-06
【公開號】CN104597479
【申請號】CN201410840477
【發明人】劉陽, 劉哲, 郭廬陣
【申請人】中國原子能科學研究院
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2014年12月30日