專利名稱：一種光纖耦合有機(jī)閃爍纖維脈沖中子探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及輻射探測(cè)裝置，具體涉及一種適于脈沖中子時(shí)間譜(裂變、聚 變)測(cè)量以及絕對(duì)強(qiáng)度測(cè)量的探測(cè)器。
背景技術(shù)：
脈沖中子輻射場(chǎng)是由脈沖中子、Y及電磁脈沖等組成的混合輻射場(chǎng)，具有 強(qiáng)度大、動(dòng)態(tài)范圍寬、時(shí)間快等特點(diǎn)，脈沖中子時(shí)間譜測(cè)量除要求探測(cè)器滿足 脈沖探測(cè)的基本要求外存在以下幾方面的突出難點(diǎn)
1、 空間距離限制，由于中子能量有一定的分布，不同能量中子到達(dá)測(cè)點(diǎn) 位置的時(shí)間存在一定的彌散，與距離成正比，因此對(duì)脈沖中子時(shí)間譜測(cè)量需要 在距源較近的位置進(jìn)行，需要快時(shí)間相應(yīng)；
2、 Y干擾，探測(cè)器對(duì)中子響應(yīng)的同時(shí)對(duì)Y也有響應(yīng)，這會(huì)給中子信號(hào)探測(cè) 帶來(lái)一定的干擾，常用飛行時(shí)間法可以將中子、Y射線在時(shí)間上分離，避免Y對(duì) 中子脈沖信號(hào)的影響，但當(dāng)探測(cè)器離源較近、脈沖寬度較寬的時(shí)，飛行時(shí)間法 無(wú)法使用。抑制rP擾的一個(gè)有效途徑是設(shè)計(jì)具有本征高n/Y (靈敏度比值) 能力的中子探測(cè)器，通過(guò)設(shè)計(jì)探測(cè)器中子靈敏度高于伽馬的靈敏度，使探測(cè)器 工作輸出的信號(hào)電流主要來(lái)自探測(cè)器對(duì)中子的響應(yīng)，伽馬貢獻(xiàn)只占很小的比
3、 散射本底，由于中子、伽馬具有較強(qiáng)的穿透能力，難以屏蔽吸收，而 中子時(shí)間譜要求在離源很近的位置進(jìn)行探測(cè)，在有限的空間內(nèi)很難進(jìn)行理想的 準(zhǔn)直和屏蔽。
閃爍探測(cè)器是輻射探測(cè)領(lǐng)域較為常見(jiàn)的一類探測(cè)器，其可工作在電流模 式，通過(guò)配備不同增益光電轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)靈敏度調(diào)節(jié)跨8個(gè)量級(jí)，比較適合脈 沖輻射場(chǎng)探測(cè)，但普通的閃爍探測(cè)器并不適合脈沖中子測(cè)量，因?yàn)槠鋵?duì)伽馬的 響應(yīng)靈敏度強(qiáng)于對(duì)中子的響應(yīng)。
閃爍薄膜中子探測(cè)器、有機(jī)閃爍纖維陣列中子探測(cè)器是用于脈沖中子測(cè)量 的閃爍型探測(cè)器，其通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使探測(cè)器具有了抑制伽馬干擾的能力，但由于光電轉(zhuǎn)換器被安置在閃爍體附近收集閃爍體發(fā)光，為降低光電轉(zhuǎn)換器對(duì)散射 中子、伽馬響應(yīng)帶來(lái)的干擾，實(shí)驗(yàn)中需要進(jìn)行嚴(yán)格的準(zhǔn)直和屏蔽，而中子時(shí)間 譜測(cè)量要求在近測(cè)點(diǎn)位置測(cè)量，距離的限制使準(zhǔn)直和屏蔽難以達(dá)到要求，此類 探測(cè)器難以滿足時(shí)間譜測(cè)量要求。
通過(guò)以上敘述可知，研制具有強(qiáng)抗電磁干擾能力、高n/Y靈敏度比值、 低屏蔽要求、快時(shí)間響應(yīng)的電流型中子探測(cè)器是實(shí)現(xiàn)脈沖中子時(shí)間譜測(cè)量的重 要內(nèi)容。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種光纖耦合有機(jī)閃爍纖維脈沖中子探測(cè)器，其解決 了現(xiàn)有脈沖中子探測(cè)器無(wú)法同時(shí)滿足快時(shí)間響應(yīng)、高n/Y靈敏度比值、強(qiáng)抗 電磁千擾能力以及低低屏蔽要求的技術(shù)問(wèn)題。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案為
一種光纖耦合有機(jī)閃爍纖維脈沖中子探測(cè)器，包括探頭1和光電轉(zhuǎn)換器3， 所述探頭1包括金屬外殼4以及位于外殼4中心位置的輻射靈敏單元，所述外 殼4上沿束流入射方向設(shè)置有探頭入射窗7和探頭出射窗8，其特征在于所
述脈沖中子探測(cè)器還包括用于連接探頭1和光電轉(zhuǎn)換器3的傳光束2;所述輻
射靈敏單元為單層平行排列的有機(jī)閃爍纖維5構(gòu)成的有機(jī)閃爍纖維線陣ll，所 述有機(jī)閃爍纖維線陣11垂直于束流入射方向放置且固定于金屬外殼4的內(nèi)側(cè) 壁上；所述傳光束2由多根集束成纜的石英光纖6構(gòu)成，所述石英光纖6與有 機(jī)閃爍纖維5 —對(duì)一耦合；所述傳光束2尾端出光面對(duì)準(zhǔn)光電轉(zhuǎn)換器3的入射 窗。
上述外殼4還包括設(shè)置在探頭入射窗7后側(cè)的前清掃磁鐵12以及設(shè)置在 探頭出射窗8前部的后清掃磁鐵13。
上述石英光纖6與有機(jī)閃爍纖維5通過(guò)毛細(xì)管9套接耦合。
上述傳光束2尾端出光面呈蜂窩狀，其與光電轉(zhuǎn)換器3入射窗直接對(duì)接， 且與光電轉(zhuǎn)換器3入射窗的間距為1 5cm。
上述傳光束2尾端出光面與光電轉(zhuǎn)換器3入射窗之間設(shè)置有衰減片。
上述入射窗7及出射窗8均為厚度小于2,的鋁片。
上述有機(jī)閃爍纖維5為纖芯加包層結(jié)構(gòu)，其直徑小于lmm;所述石英光纖
56與有機(jī)閃爍纖維5直徑相同；所述石英光纖6為一種耐輻照多模光纖；所述
石英光纖6長(zhǎng)度小于10m，帶寬大于lGHz。 上述光電轉(zhuǎn)換器3外部設(shè)置有屏蔽腔14。 上述光電轉(zhuǎn)換器3為快響應(yīng)的光電管或光電倍增管。 上述傳光束2外部套有不銹鋼波紋管10。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
1、 本發(fā)明采用直徑較細(xì)的有機(jī)閃爍纖維單層平行排列成的有機(jī)閃爍纖維 線陣作為中子探測(cè)輻射轉(zhuǎn)換材料(輻射靈敏單元)，利用有機(jī)閃爍纖維對(duì)側(cè)面 垂直入射中子靈敏度響應(yīng)強(qiáng)于伽馬靈敏度的特性，使探測(cè)器具有高n/Y靈敏 度比值(中子/伽馬靈敏度比值)，因而具有抗伽馬干擾的能力。
2、 本發(fā)明將多根有機(jī)閃爍纖維平行排列形成一個(gè)平面(單層)組成輻射 探測(cè)靈敏單元，在不降低n/Y靈敏度比值的前提下提高了探測(cè)器的探測(cè)效率。
3、 本發(fā)明將石英光纖與有機(jī)閃爍纖維采取毛細(xì)管套接的方式直接耦合， 在不影響有機(jī)閃爍纖維正常工作的前提下保證了耦合效率和接頭強(qiáng)度。
4、 本發(fā)明在光纖束與光電轉(zhuǎn)換器耦合端采用發(fā)散的獨(dú)特設(shè)計(jì)，使光纖束 出射光能基本均勻的照射到光電轉(zhuǎn)換器陰極上，有效避免了光電轉(zhuǎn)換器的局部 飽和。
5、 本發(fā)明在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采取了將閃爍體與光電轉(zhuǎn)換器分離，由光纖束收 集并傳輸閃爍體發(fā)光的設(shè)計(jì)，使探頭可以靈活安置在離源很近的位置，無(wú)需很 強(qiáng)的屏蔽；而光電轉(zhuǎn)換器放置在其它容易屏蔽的屏蔽腔內(nèi)，其間由輻射相對(duì)不 靈敏的光纖束導(dǎo)光，準(zhǔn)直和屏蔽困難大為降低，解決了光電轉(zhuǎn)換器直照干擾問(wèn) 題。
6、 本發(fā)明探測(cè)器工作在電流模式，具有納秒級(jí)時(shí)間響應(yīng)、較強(qiáng)的抗干擾 能力、較低的屏蔽要求。本發(fā)明可采用多套該探測(cè)器配備不同增益的光電轉(zhuǎn)換 器，中子靈敏度在10—21 10—130，2間8個(gè)量級(jí)可調(diào)，很好地滿足了脈沖中子時(shí) 間譜測(cè)量的需求。本發(fā)明如果使用快響應(yīng)的有機(jī)閃爍纖維、快響應(yīng)光電轉(zhuǎn)換器 及高帶寬傳光束，探測(cè)器響應(yīng)可達(dá)亞納秒量級(jí)。


圖1為中子和伽馬分別與有機(jī)閃爍纖維作用沉積能量過(guò)程示意圖;
6圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明石英光纖與有機(jī)閃爍纖維套接耦合示意圖； 圖4為本發(fā)明探頭封裝示意圖5為本發(fā)明光纖束尾端出光面的發(fā)散結(jié)構(gòu)示意附圖標(biāo)記如下l-探頭，2-傳光束，3-光電轉(zhuǎn)換器，4-外殼，5-有機(jī)閃爍 纖維，6-石英光纖，7-探頭入射窗，8-探頭出射窗，9-毛細(xì)管，10-固定法蘭， l卜有機(jī)閃爍纖維線陣，12-前清掃磁鐵，13-后清掃磁鐵，14-屏蔽腔，15-光 纖涂覆層。
具體實(shí)施例方式
有機(jī)閃爍纖維對(duì)側(cè)面入射的中子、伽馬響應(yīng)示意圖如圖l所示，有機(jī)閃爍 纖維對(duì)中子、伽馬的響應(yīng)機(jī)理不同。在MeV級(jí)的中子能區(qū)，閃爍體對(duì)中子的響 應(yīng)主要來(lái)自對(duì)中子與氫核作用產(chǎn)生的反沖質(zhì)子的響應(yīng)，對(duì)伽馬的響應(yīng)是通過(guò)伽 馬與物質(zhì)發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)產(chǎn)生的次級(jí)電子的響應(yīng)，在 MeV級(jí)能量范圍康普頓效應(yīng)占主導(dǎo)。對(duì)于直徑較細(xì)的有機(jī)閃爍纖維，反沖質(zhì)子 在纖維內(nèi)沉積大部分能量，而次級(jí)電子由于穿出纖維表面在纖維內(nèi)部沉積較少 的能量，根據(jù)理論模擬得到有機(jī)閃爍纖維的中子靈敏度大于伽馬靈敏度，并且 發(fā)現(xiàn)纖維越細(xì)n/Y靈敏度比值越大，可用于脈沖中子探測(cè)。
本發(fā)明光纖耦合有機(jī)閃爍纖維脈沖中子探測(cè)器的結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖2和圖4，包 括探頭1、光電轉(zhuǎn)換器3以及用于連接探頭1和光電轉(zhuǎn)換器3的傳光束2，探 頭1包括金屬外殼4以及位于外殼4中心位置的輻射靈敏單元，金屬外殼4用 于保護(hù)探測(cè)靈敏單元、避光處理和電磁屏蔽；外殼4上沿束流入射方向設(shè)置有 探頭入射窗7和探頭出射窗8，束流經(jīng)探頭入射窗照射到有機(jī)閃爍纖維上，為 降低窗材料對(duì)束流的散射，探頭入射窗7及探頭出射窗8均采用厚度小于2mm 的鋁片制成；為了消除通道內(nèi)部次級(jí)電子打到有機(jī)閃爍纖維上對(duì)探測(cè)造成影 響，在探頭入射窗7后側(cè)設(shè)計(jì)有前清掃磁鐵12，在探頭出射窗8前部設(shè)計(jì)有后 清掃磁鐵13，分別由對(duì)稱放置的兩塊強(qiáng)磁性永磁鐵組成；輻射靈敏單元為直徑 小于1毫米的有機(jī)閃爍纖維5單層平行密排構(gòu)成的有機(jī)閃爍纖維線陣11，有機(jī) 閃爍纖維5具有光纖典型的纖芯加包層結(jié)構(gòu)，直徑最好小于0.5毫米；有機(jī)閃 爍纖維線陣11垂直于束流入射方向放置且固定于金屬外殼4的內(nèi)側(cè)壁上；傳光束2由多根集束成纜的耐輻照的石英光纖6構(gòu)成，傳光束2長(zhǎng)度小于10米， 帶寬大于lGHz，其主要功能是收集并傳輸有機(jī)閃爍纖維5的發(fā)光；為保護(hù)光纖 不受損壞，傳光束2外部套有不銹鋼波紋管加以保護(hù)；石英光纖6與有機(jī)閃爍 纖維5直徑相同，石英光纖6與有機(jī)閃爍纖維5通過(guò)毛細(xì)管9 一對(duì)一套接耦合； 參見(jiàn)圖5，為避免光纖束出射光局部照射光電轉(zhuǎn)換器陰極，進(jìn)而影響最大線性 電流，傳光束2尾端出光面呈蜂窩狀的發(fā)散結(jié)構(gòu)，且與光電轉(zhuǎn)換器3的入射窗 直接對(duì)接，同時(shí)光纖束尾端端面與光電轉(zhuǎn)換器入射窗之間應(yīng)有1 5cm的間距， 位置固定；另外，可在傳光束2尾端出光面與光電轉(zhuǎn)換器3入射窗之間設(shè)置衰 減片，通過(guò)控制光收集效率調(diào)節(jié)探測(cè)器靈敏度。由于應(yīng)用中還需要考慮避光和 電磁屏蔽，所以光電轉(zhuǎn)換器3也被封裝在屏蔽腔14內(nèi)，其間填充有絕緣物質(zhì)。 光電轉(zhuǎn)換器3具體可采用光電管或光電倍增管，其將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)并放 大輸出。
有機(jī)閃爍纖維5平行排列在同一平面上，并適當(dāng)涂膠加以固定。由于接頭 部分的毛細(xì)管9直徑較有機(jī)閃爍纖維略粗，有機(jī)閃爍纖維5平行排列時(shí)在毛細(xì) 管接頭附近采取上下兩層的松散排列，不涂膠，采用兩片金屬片上下緊壓固定， 毛細(xì)管9之后的石英光纖6逐步集中成一束后，套入波紋管，端頭附近采用套 管接頭固定。在探頭靈敏單元與傳光束2連接部分設(shè)計(jì)了金屬固定法蘭10，用 來(lái)固定有機(jī)閃爍纖維線陣11的位置，以及與傳光束的金屬波紋管連接。
圖3為石英光纖6與有機(jī)閃爍纖維5連接示意圖。為保證連接質(zhì)量和接頭 強(qiáng)度，同時(shí)盡可能避免對(duì)有機(jī)閃爍纖維5的影響，采取了毛細(xì)管9套接的光纖 接續(xù)方式。在接續(xù)過(guò)程中，所有端面均先進(jìn)行了拋光處理，石英光纖6端頭附 近的光纖涂敷層15被剝除。將有機(jī)閃爍纖維5與石英光纖6分別從毛細(xì)管9 兩端插入毛細(xì)管9內(nèi)對(duì)接，石英光纖6的端頭還可涂些許的光學(xué)耦合劑以增強(qiáng) 耦合質(zhì)量。在有機(jī)閃爍纖維5的一端打入一束參考光，在石英光纖6尾端放置 光功率計(jì)測(cè)量參考光經(jīng)過(guò)有機(jī)閃爍纖維5、接頭和石英光纖6后的光強(qiáng)，調(diào)節(jié) 有機(jī)閃爍纖維與光纖在毛細(xì)管內(nèi)的相對(duì)位置以使光功率計(jì)讀數(shù)最大，表示光在 接頭部分的衰減最小，光纖耦合質(zhì)量最好，此時(shí)在毛細(xì)管9兩端涂上快速凝固 膠固定有機(jī)閃爍纖維5、石英光纖6和毛細(xì)管9的相對(duì)位置。
本發(fā)明工作原理為束流由探頭入射窗入射照射到有機(jī)閃爍纖維上，有機(jī)閃爍纖維受輻照后發(fā)射熒光， 一部分光由于全反射被約束在光纖內(nèi)向兩端傳 播，當(dāng)熒光經(jīng)光纖傳輸至光電轉(zhuǎn)換器后，由光電轉(zhuǎn)換器將光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出， 實(shí)現(xiàn)輻射探測(cè)。
權(quán)利要求
1、一種光纖耦合有機(jī)閃爍纖維脈沖中子探測(cè)器，包括探頭(1)和光電轉(zhuǎn)換器(3)，所述探頭(1)包括金屬外殼(4)以及位于外殼(4)中心位置的輻射靈敏單元，所述外殼(4)上沿束流入射方向設(shè)置有探頭入射窗(7)和探頭出射窗(8)，其特征在于所述脈沖中子探測(cè)器還包括用于連接探頭(1)和光電轉(zhuǎn)換器(3)的傳光束(2)；所述輻射靈敏單元為單層平行排列的有機(jī)閃爍纖維(5)構(gòu)成的有機(jī)閃爍纖維線陣(11)，所述有機(jī)閃爍纖維線陣(11)垂直于束流入射方向放置且固定于金屬外殼(4)的內(nèi)側(cè)壁上；所述傳光束(2)由多根集束成纜的石英光纖(6)構(gòu)成，所述石英光纖(6)與有機(jī)閃爍纖維(5)一對(duì)一耦合；所述傳光束(2)尾端出光面對(duì)準(zhǔn)光電轉(zhuǎn)換器(3)的入射窗。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖耦合有機(jī)閃爍纖維脈沖中子探測(cè)器，其特 征在于所述外殼(4)還包括設(shè)置在探頭入射窗(7)后側(cè)的前清掃磁鐵(12) 以及設(shè)置在探頭出射窗(8)前部的后清掃磁鐵(13)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光纖耦合有機(jī)閃爍纖維脈沖中子探測(cè)器， 其特征在于所述石英光纖(6)與有機(jī)閃爍纖維(5)通過(guò)毛細(xì)管(9)套接
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光纖耦合有機(jī)閃爍纖維脈沖中子探測(cè)器，其特 征在于所述傳光束(2)尾端出光面呈蜂窩狀，其與光電轉(zhuǎn)換器(3)入射窗 直接對(duì)接，且與光電轉(zhuǎn)換器(3)入射窗的間距為1 5cm。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的光纖耦合有機(jī)閃爍纖維脈沖中子探測(cè)器，其特 征在于所述傳光束(2)尾端出光面與光電轉(zhuǎn)換器(3)入射窗之間設(shè)置有衰 減片。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的光纖耦合有機(jī)閃爍纖維脈沖中子探測(cè)器，其特 征在于所述入射窗(7)及出射窗(8)均為厚度小于2腿的鋁片。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的光纖耦合有機(jī)閃爍纖維脈沖中子探測(cè)器，其特 征在于所述有機(jī)閃爍纖維(5)為纖芯加包層結(jié)構(gòu)，其直徑小于lmm;所述石 英光纖(6)與有機(jī)閃爍纖維(5)直徑相同；所述石英光纖(6)為一種耐輻 照多模光纖；所述石英光纖(6)長(zhǎng)度小于10m，帶寬大于lGHz。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的光纖耦合有機(jī)閃爍纖維脈沖中子探測(cè)器，其特征在于所述光電轉(zhuǎn)換器(3)外部設(shè)置有屏蔽腔(14)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的光纖耦合有機(jī)閃爍纖維脈沖中子探測(cè)器，其特征在于所述光電轉(zhuǎn)換器(3)為快響應(yīng)的光電管或光電倍增管。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的光纖耦合有機(jī)閃爍纖維脈沖中子探測(cè)器，其特征在于所述傳光束(2)外部套有不銹鋼波紋管(10)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光纖耦合有機(jī)閃爍纖維脈沖中子探測(cè)器，包括探頭和光電轉(zhuǎn)換器，探頭包括金屬外殼以及位于外殼中心位置的輻射靈敏單元，外殼上沿束流入射方向設(shè)置有探頭入射窗和探頭出射窗，它還包括用于連接探頭和光電轉(zhuǎn)換器的傳光束；輻射靈敏單元為單層平行排列的有機(jī)閃爍纖維構(gòu)成的有機(jī)閃爍纖維線陣，有機(jī)閃爍纖維線陣垂直于束流入射方向放置且固定于金屬外殼的內(nèi)側(cè)壁上；傳光束由多根集束成纜的石英光纖構(gòu)成，石英光纖與有機(jī)閃爍纖維一對(duì)一耦合；傳光束尾端出光面對(duì)準(zhǔn)光電轉(zhuǎn)換器的入射窗。解決了現(xiàn)有脈沖中子探測(cè)器無(wú)法同時(shí)滿足快時(shí)間響應(yīng)、高n/γ靈敏度比值、強(qiáng)抗電磁干擾能力以及低低屏蔽要求的技術(shù)問(wèn)題。具有高n/γ靈敏度比值以及強(qiáng)抗伽馬干擾的能力。
文檔編號(hào)G01T3/06GK101556331SQ200910022330
公開(kāi)日2009年10月14日 申請(qǐng)日期2009年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月5日
發(fā)明者張忠兵, 歐陽(yáng)曉平, 程淑英, 亮 陳 申請(qǐng)人:西北核技術(shù)研究所