一种中子能谱测量装置及邦纳球谱仪系统

摘要

本申请提供一种中子能谱测量装置及邦纳球谱仪系统，所述中子能谱测量装置采用了金刚石探测器作为热中子计数器，本发明利用金刚石探测器对热中子探测效率低、响应快的优势，可实现数据实时记录，且在强中子场中不存在探测器计数饱和问题，同时具有现有主动型邦纳球谱仪实时记录数据的功能和在高通量中子场下抗饱和功能的优势。同时，将金刚石灵敏单元和

说明书

技术领域

本发明属于中子测量技术领域，具体涉及一种中子能谱测量装置及邦纳球谱仪系统。

背景技术

托卡马克是一种磁约束核聚变装置，被认为是最可能实现人工受控核聚变的方式之一。以氘燃料运行的托卡马克装置周围存在中子辐射场，能量范围大致为0.0253eV-2.5MeV，能量跨越8个数量级，此外装置结构和材料复杂，并且在装置周围存在其他大量仪器和材料，使中子辐射场具有复杂的空间和能量分布，导致托卡马克周围中子能谱的测量变得复杂困难。

邦纳球谱仪系统由于具有能量覆盖极宽(可达10^-9MeV-20MeV)、较好的各向同性响应和操作简单等优点，可用于聚变装置周围中子能谱的测量。

邦纳球谱仪系统由包括裸球在内的多个直径不同的球中子探测器组成，每个球探测器由慢化球和位于中心的热中子计数器组成，对于20MeV以下中子能谱的测量多采用高密度聚乙烯材料作为慢化体，球的个数为10个左右，探测器直径一般在6.35cm到38.1cm之间，最大不超过45.72cm。裸球对热中子较为敏感，尺寸小的球形探测器对低能中子敏感，随着球尺寸的增加，中子敏感区域逐渐向能量高的方向移动，由若干个球探测器组成的邦纳球谱仪可以覆盖整个能区。使用一套邦纳球谱仪进行中子能谱测量，可以得到每个球探测器的计数，结合谱仪的响应函数矩阵，可以对数据进行分析和解谱，得到所测位置处中子场的能谱信息。

然而，大中型托卡马克在高参数运行下中子产额达10¹⁴s^-1，装置周围的中子注量率可达10⁸cm^-2s^-1以上，现有技术中的邦纳球谱仪在如此高通量中子能谱测量时存在不足，无法满足测量需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种中子能谱测量装置及邦纳球谱仪系统，以克服现有技术中邦纳球谱仪在高通量中子能谱测量时的不足，实现托卡马克周围高通量中子能谱在线测量。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种中子能谱测量装置，包括：

球形慢化体；

所述球形慢化体内开设有沟槽，所述沟槽底部位于所述球形慢化体的球心，所述沟槽的开口位于所述球形慢化体的球面上；

位于所述沟槽底部的金刚石探测器，所述金刚石探测器包括⁶LiF中子转换体和金刚石灵敏单元，所述金刚石灵敏单元和所述⁶LiF中子转换体相对设置，且存在间隙；

其中，所述⁶LiF中子转换体位于所述球形慢化体的球心位置，所述金刚石探测器的个数为1个。

优选地，金刚石灵敏单元和所述⁶LiF中子转换体之间为空气层。

优选地，所述空气层的厚度范围为2mm-5mm，包括端点值。

优选地，所述空气层的厚度为3mm。

优选地，所述金刚石灵敏单元和所述⁶LiF中子转换体之间的间隙为真空。

优选地，所述金刚石灵敏单元和所述⁶LiF中子转换体之间的间隙为二氧化碳层或氩气层。

优选地，⁶LiF膜厚度为1μm-5μm，⁶Li的丰度大于或等于90％。

优选地，所述金刚石探测器包括封装外壳、样品承载片、衬底和金刚石探测器接头；

所述封装外壳包括相对设置的两端，一端设置样品承载片，另一端设置衬底，所述样品承载片与所述衬底相对设置；

所述样品承载片朝向所述衬底的表面镀有⁶LiF；

所述衬底朝向所述样品承载片的表面设置所述金刚石灵敏单元；

所述金刚石探测器接头与所述金刚石灵敏单元相连，用于将所述金刚石灵敏单元的探测信号输出所述球形慢化体之外。

本发明还提供一种邦纳球谱仪系统，包括：

上面任意一项所述的中子能谱测量装置；

所述中子能量谱测量装置的个数为至少两个，且所述至少两个所述中子能量谱测量装置中的球形慢化体的直径均不相同。

优选地，所述中子能量谱测量装置的个数为5个～15个，包括端点值。

优选地，所述中子能量谱测量装置的个数为九个，九个所述球形慢化体的直径分别为6.35cm、7.62cm、8.89cm、10.16cm、12.7cm、15.24cm、20.32cm、25.4cm和30.48cm。

经由上述的技术方案可知，本发明提供的中子能谱测量装置，采用金刚石探测器作为热中子计数器，由于金刚石探测器本身具有较高的计数能力，从而能够在高通量中子环境中进行计数。同时，将金刚石灵敏单元和⁶LiF中子转换体之间设置间隙，从而能够将热中子和⁶Li反应得到的alpha和氚粒子分离开来，从而使得氚粒子计数更加准确。

也即，本发明利用金刚石探测器对热中子探测效率低、响应快的优势，可实现数据实时记录，且在强中子场中不存在探测器计数饱和问题，同时具有现有主动型邦纳球谱仪实时记录数据的功能和现有被动型在高通量中子场下抗饱和功能的优势。

另外，本发明中球形慢化体中仅仅设置一个金刚石探测器，使电子学和数据采集系统变得简单，更加便于操作，也使后续的数据处理简单方便。大大降低了邦纳球谱仪响应函数在计算和实验上标定的难度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的中子能谱测量装置的剖面结构示意图；

图2为本发明实施例提供的金刚石探测器表面镀5μm厚⁶LiF的5英寸邦纳球在3.1MeV单能中子场中的脉冲高度谱图；

图3为本发明实施例提供的使用MCNPX模拟的金刚石探测器对热中子的脉冲高度谱图；

图4为本发明实施例提供的3.5英寸邦纳球在EAST托卡马克高通量中子场中的脉冲高度谱图。

具体实施方式

正如背景技术部分所述，现有技术中邦纳球谱仪在高通量中子能谱测量时存在不足，无法满足测量需求。

现有技术中根据所使用热中子计数器的不同可以将邦纳球谱仪分为主动型和被动型两种。常用的主动型邦纳球谱仪热中子计数器为³He，BF₃正比计数器和⁶LiI闪烁体，对热中子探测效率高，多用于弱中子场(中子注量率<10⁵cm^-2s^-1)中子能谱测量，可以在线获取实验数据。典型的被动型邦纳球谱仪热中子计数器为金、镝、铟等活化箔，多用于强中子场中子能谱测量，只能得到一定测量时间内的累积计数。

发明人发现，由于大中型托卡马克在高参数运行下中子产额较高，装置周围的中子注量率较高，采用主动型邦纳球谱仪测量，虽然能够实现实时测量，但是主动型邦纳球谱仪测量时因计数饱和不能工作。

这时，原则上可以使用被动型邦纳球谱仪测量，但是由于实验期间实验大厅完全关闭，而托卡马克装置属于脉冲型中子发生装置，典型放电时间约为5s或者更长，每天有几十次放电，并且每次放电并不一定成功，被动型邦纳球谱仪只能得到累计计数，不能挑选满足放电条件的实验数据，造成操作不便。综上所述，所以现有的邦纳球谱仪系统难以满足测量的需要。

基于此，本发明提供一种中子能谱测量装置，包括：

球形慢化体；

所述球形慢化体内开设有沟槽，所述沟槽底部位于所述球形慢化体的球心，所述沟槽的开口位于所述球形慢化体的球面上；

位于所述沟槽底部的金刚石探测器，所述金刚石探测器包括⁶LiF中子转换体和金刚石灵敏单元，所述金刚石灵敏单元和所述⁶LiF中子转换体相对设置，且存在间隙；

其中，所述⁶LiF中子转换体位于所述球形慢化体的球心位置，所述金刚石探测器的个数为1个。

本发明提供的中子能谱测量装置，采用金刚石探测器作为热中子计数器，由于金刚石探测器本身具有较高的计数能力，从而能够在高通量中子环境中进行计数。同时，将金刚石灵敏单元和⁶LiF中子转换体之间设置间隙，从而能够将热中子和⁶Li反应得到的alpha和氚粒子分离开来，使得氚粒子计数更加准确。

也即，本发明利用金刚石探测器对热中子探测效率低、响应快的优势，可实现数据实时记录，且在强中子场中不存在探测器计数饱和问题，同时具有现有主动型邦纳球谱仪实时记录数据的功能和现有被动型在高通量中子场下抗饱和功能的优势。

另外，本发明中球形慢化体中仅仅设置一个金刚石探测器，使电子学和数据采集系统变得简单，更加便于操作，也使后续的数据处理简单方便。大大降低了邦纳球谱仪响应函数在计算和实验上标定的难度。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种中子能谱测量装置，请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种中子能谱测量装置剖面结构示意图，所述中子能谱测量装置包括：球形慢化体1；球形慢化体内开设有沟槽，沟槽底部位于球形慢化体的球心，沟槽的开口位于球形慢化体的球面上；位于沟槽底部的金刚石探测器，金刚石探测器包括⁶LiF中子转换体和金刚石灵敏单元6，金刚石灵敏单元6和⁶LiF中子转换体相对设置，且存在间隙；其中，⁶LiF中子转换体位于球形慢化体的球心位置，金刚石探测器的个数为1个。

本发明实施例中球形慢化体1由高密度聚乙烯制成。通过在球形慢化体1的内部开设一个沟槽，所述沟槽的槽底位于球形慢化体1的球心位置，开口侧位于球形慢化体1的球面上。也即如图1中所示，沟槽的长度方向沿球心的半径方向。

本实施例中不限定沟槽的形状，可选的，本实施例中沟槽的形状为圆柱孔，圆柱孔中设置有圆柱体2，圆柱体2也由高密度聚乙烯制成，用于封闭所述球形中子慢化体1的沟槽。

本发明实施例中不限定金刚石探测器的结构，具体的，金刚石探测器包括封装外壳3、样品承载片4、衬底5和金刚石探测器接头7；封装外壳3包括相对设置的两端，一端设置样品承载片4，另一端设置衬底5，样品承载片4与衬底5相对设置；样品承载片4朝向衬底5的表面镀有⁶LiF；衬底5朝向样品承载片4的表面设置金刚石灵敏单元6；金刚石探测器接头与金刚石灵敏单元相连，用于将金刚石灵敏单元的探测信号输出球形慢化体之外。

本实施例中不限定所述封装外壳的材质，由于铝材质对热中子场的影响较小，本实施例中所述封装外壳3为铝材质。其形状为空心圆柱形，圆柱形封装外壳3的一个底面完全开孔，如图1中的上底面。

上底面上设置有承载圆片4，圆片上镀有⁶LiF膜层样品，作为⁶LiF中子转换体；圆片搭载在圆柱形封装外壳3的底面上。圆片4镀有⁶LiF样品的表面朝向封装外壳3的内部，也即如图1中，⁶LiF样品朝下设置。本实施例中不限定⁶LiF膜层的厚度，可选为1μm-5μm；另外⁶Li的丰度不小于90％。

封装外壳3的另一端面开设小孔，并在封装外壳3的另一底面内侧放置圆形绝缘材料制成的衬底5，在衬底5上放置厚度为几百微米厚的单晶金刚石灵敏单元6。所述金刚石探测器还包括金刚石探测器接头，信号通过接头7连接外部放大器和采集系统得到探测器计数。

本发明实施例中在⁶LiF中子转换体与金刚石灵敏单元6之间设置间隙，需要说明的是，本发明实施例中不限定间隙内的材质，在本发明的一个实施例中，⁶LiF中子转换体与金刚石灵敏单元之间为空气层，用于分开热中子和⁶Li反应产生的alpha粒子和triton粒子(氚)。本实施例中空气层的厚度范围选择通过金刚石灵敏单元6和⁶LiF中子转换体的尺寸进行选择，本发明的一个实施例中，可选的，所述空气层的厚度范围为2mm-5mm，包括端点值，更为优选地，空气层的厚度为3mm。

在本发明的其他实施例中，⁶LiF中子转换体与金刚石灵敏单元之间的间隙还可以是真空或者其他材质，例如二氧化碳层或氩气层。其中，相对于采用空气层，⁶LiF中子转换体与金刚石灵敏单元之间的间隙采用真空，可以保护金刚石灵敏单元和⁶LiF中子转换体免受空气中氧气和水分的腐蚀。而采用二氧化碳或氩气也可以避免金刚石灵敏单元和⁶LiF中子转换体受空气中氧气和水分的腐蚀。同时，由于二氧化碳和氩气是常见的气体探测器工作气体，价格低廉，易得；triton和alpha粒子在二氧化碳和氩气中的射程明显不同，将triton粒子和alpha粒子进一步分离，可改善脉冲高度谱形。

请参见图2，图2为本发明实施例提供的金刚石探测器表面镀5μm厚⁶LiF的5英寸邦纳球在3.1MeV单能中子场中的脉冲高度谱图，其中，横坐标为能量，纵坐标为数量。图2所示的脉冲高度谱图的实验数据包括：金刚石灵敏单元和⁶LiF中子转换体之间并没有设置间隙。其中，experiment是实验测得的实验谱，triton是氚粒子贡献的脉冲高度谱，alpha是alpha粒子贡献的脉冲高度谱，crystal表示球中心处高能慢化中子与金刚石中碳核发生弹性散射贡献的脉冲高度谱，background表示伽马本底贡献的脉冲高度谱，以指数衰减形式表示；通过统计triton的计数来得到邦纳球谱仪的响应，可以看到triton在金刚石的响应谱主要为右端的一个峰和低能段的连续分布；并且低能段的分布中，triton和alpha重叠，所以难以准确得到triton贡献的计数，而且这个谱容易受电子学的稳定性，工作场所等条件的限制，使数据分析变的困难。

发明人通过验证，当在⁶LiF中子转换体与金刚石灵敏单元6之间设置间隙时，能够改善金刚石探测器的响应，使得数据大大简化。具体地，请参见图3和图4，其中，图3为本发明实施例提供的使用MCNPX模拟的金刚石探测器对热中子的脉冲高度谱图；其中，横坐标为能量，纵坐标为数量。图4为本发明实施例提供的3.5英寸邦纳球在EAST托卡马克高通量中子场中的脉冲高度谱图；其中，横坐标为能量，纵坐标为数量。

图3中脉冲高度谱图的模拟数据包括：⁶LiF转换体与金刚石敏感单元之间的间隙为3mm空气层，⁶LiF转换体半径为3.5mm，厚度为5μm；图4中脉冲高度谱图中，⁶LiF转换体与金刚石敏感单元之间的间隙为3mm空气层，⁶LiF转换体半径为3.5mm，厚度为3.8μm。其中，experiment是实验测得的实验谱，triton是氚粒子贡献的脉冲高度谱，alpha是alpha粒子贡献的脉冲高度谱。

对比图2、图3和图4，从图3的模拟结果和图4中的实际测量结果中可以看出，当增加了3mm空气层的设置后，triton和alpha两种粒子的响应可以分开，消除alpha粒子对triton计数的不利影响。

本发明提供的中子能谱测量装置，采用一个金刚石探测器进行测量，且在转换体和金刚石单晶灵敏单元之间加入空气层，从而得到能够实时获取探测器信号数据的主动型邦纳球谱仪。

本发明提供的中子能谱测量装置采用一个金刚石探测器进行测量的原理具体为：

中子场的中子入射到邦纳球谱仪上，经聚乙烯慢化体慢化的中子是一个连续能谱(热中子-2.5MeV左右，因为氘放电的托卡马克出射中子为2.5MeV左右)，而需要的是热中子对谱仪计数贡献的部分。实际上非热中子也会贡献计数，但是很低；非热中子部分贡献(在入射中子小于20MeV时)小于2％，影响很低，因此可以使用一个金刚石探测器的设计。

采用单个金刚石探测器设计相对于多个金刚石探测器计数器而言，可以降低成本；并且使电子学和数据采集系统变得简单，更加便于操作，也使后续的数据处理简单方便。大大降低了邦纳球响应函数在计算和实验上标定的难度。

本发明提供的中子能谱测量装置，采用金刚石探测器作为中子探测器，由于金刚石探测器本身具有较高的计数能力，从而能够在高通量中子环境中进行计数。同时，将金刚石灵敏单元和⁶LiF中子转换体之间设置间隙，从而能够将热中子和⁶Li反应得到的alpha和氚粒子分离开来，使得氚粒子计数更加准确。

也即，本发明利用金刚石探测器对热中子探测效率低、响应快的优势，可实现数据实时记录，且在强中子场中不存在探测器计数饱和问题，同时具有现有主动型邦纳球谱仪实时记录数据的功能和现有被动型在高通量中子场下抗饱和功能的优势。

另外，本发明中球形慢化体中仅仅设置一个金刚石探测器，使电子学和数据采集系统变得简单，更加便于操作，也使后续的数据处理简单方便。大大降低了邦纳球谱仪响应函数在计算和实验上标定的难度。

基于相同的发明构思，本发明提供一种新型邦纳球谱仪，该新型邦纳球谱仪包括至少两个上面实施例中所述的中子能谱测量装置，且所述至少两个中子能谱测量装置中的球形慢化体的半径均不相同。

需要说明的是，当邦纳球谱仪系统中包括的中子能量测量装置个数越少时，能量分辨率越差，因此，本发明实施例中可选的，一个邦纳球谱仪系统中可以包括5个～15个中子能量测量装置，包括端点值。更加可选的，中子能量谱测量装置的个数为九个，本实施例中可选的，九个所述球形慢化体的直径分别为6.35cm、7.62cm、8.89cm、10.16cm、12.7cm、15.24cm、20.32cm、25.4cm和30.48cm。

采用本发明实施例提供的邦纳球谱仪进行中子探测时，其过程包括：

选定在托卡马克装置周围的测量位置，然后将每个球探测器(也即本发明中所述的中子能谱测量装置)逐一放置到测量位置进行实验测量，得到每个球探测器的计数。

使用解谱软件，利用计算得到的响应函数矩阵和实验得到的每个球计数，反解得到测量位置的中子能谱。

以下为实施例，中子能谱测量步骤如下，

(1)使用蒙特卡洛程序MCNP、GEANT4等计算新型谱仪在10^-9MeV-20MeV中子能区的响应函数矩阵，采用平面源模型进行计算。直径为d的球探测器对能量为E_n的单能中子的响应R_d(E_n)可用下式表示：

其中，φ(E)为球中心处⁶LiF中子转换体附近慢化中子注量能量微分分布，E为慢化中子能量，E_max和E_min分别计算规定的慢化中子能谱能量上限和下限，S(E)为中子自屏蔽效应函数，N_6Li为⁶LiF样品中⁶Li原子总数，σ_n,t为中子与⁶Li标准反应截面，a_s是入射平面源面积，c是球中心处慢化中子与⁶LiF样品反应生成的氚粒子被金刚石晶体记录的份额。

(2)选定在EAST托卡马克装置实验大厅进行中子能谱测量，首先选定测量位置，然后选取一个球探测器与高压电源系统相连用于供电，与前置放大器和采集系统相连用于获取探测器计数，可通过远程控制采集系统，打开高压电源，检查所有系统运行良好后，工作人员撤出实验大厅。高压和低压供电系统可选择NDT14，快放大器可选择C2快电流放大器，采集系统选择DT5751数据采集卡。

(3)开始实验，打开采集系统采集数据，每个球探测器采集数据一天。

(4)然后将8个其他球探测器逐一放置到测量位置，按照上述步骤进行实验测量，得到每个球探测器的实验数据。

(5)处理实验数据，挑选出托卡马克正常放电的实验数据，得到经EAST中子产额监测器计数归一的每个球探测器的计数。

(6)将响应函数数据和9个球探测器数据输入到PTB MXD_FC32程序，进行解谱，得到测量位置的中子能谱。

本发明提供一种新型邦纳球谱仪系统包括上面实施例中所述的中子能谱测量装置，所述中子能谱测量装置采用了金刚石探测器作为计数器，由于金刚石探测器本身具有较高的计数能力，从而能够在高通量中子环境中进行计数。同时，将金刚石灵敏单元和⁶LiF中子转换体之间设置间隙，从而能够将热中子和⁶Li反应得到的alpha和氚粒子分离开来，使得氚粒子计数更加准确。

也即，本发明利用金刚石探测器对热中子探测效率低、响应快的优势，可实现数据实时记录，且在强中子场中不存在探测器计数饱和问题，同时具有现有主动型邦纳球谱仪实时记录数据的功能和现有被动型在高通量中子场下抗饱和功能的优势。

另外，本发明中球形慢化体中仅仅设置一个金刚石探测器，使电子学和数据采集系统变得简单，更加便于操作，也使后续的数据处理简单方便。大大降低了邦纳球谱仪响应函数在计算和实验上标定的难度。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。