核素识别方法、核素识别系统及光中子发射器

摘要

本发明公开了核素识别方法、核素识别系统及光中子发射器。光中子发射器包括：用于发射电子的脉冲电子加速器；以及用于接收脉冲电子加速器发射的电子，并将该电子转换成光中子的光中子转换靶，所述光中子转换靶的体积大致是100至8000立方厘米、100至2500立方厘米，或大致是785立方厘米。本发明可以提高核素识别的准确度，以及提供实用的、用于核素识别的光中子发射器、方法及系统，尤其是提高了识别诸如

说明书

技术领域

本发明涉及一种核素识别方法、核素识别系统及用于核素识别的光中子发射器，特别是用于识别诸如²³³U，²³⁵U和²³⁹Pu的易裂变核素的方法、系统及光中子发射器。

背景技术

在安检中，对于易裂变核素的检查是非常重要的。所谓易裂变核素，主要指的是²³³U，²³⁵U和²³⁹Pu等由热中子即可诱发裂变的核素。与之对应的，则是不易裂变核素，例如²³⁸U。如果铀材料中的²³⁵U丰度很高(例如超过90％)，那么它就可能是武器级的铀材料，反之，如果丰度很低(如天然的0.7％或更低)，则就是贫铀。

在实际工作中，了解一个铀材料是属于富集铀还是贫铀是很重要的，这涉及到了对该材料的处理方法，前者要严格管控，后者则可以在规则允许的范围内进行使用。因此，就需要对铀材料中的²³⁵U和²³⁸U的丰度形成认识。

由于铀的这两个同位素具有同样的原子序数(Z=92)，因此通过MeV能量的光子类方法是无法完成对它们的区分的(因为这个能量的光子只敏感于元素，而非核素)，必须考虑中子类方法。

中子类方法包含了许多细分技术，例如：

1、中子诱发瞬发伽马射线分析，和

2、中子诱发裂变。

在技术1中，利用²³⁵U和²³⁸U吸收中子后产生的特征γ射线能谱的不同来进行二者之间的分辨。这种技术的主要问题在于²³⁸U的热中子吸收截面较小，灵敏度差，因此难以使用热中子的辐射俘获反应。快中子的非弹散射反应虽然可以用，但是快中子源的产额和寿命通常都不够，因此难以进行实用。

在技术2中，利用²³⁵U的易裂变特性和裂变后的β缓发中子、光子，可以对²³⁵U的存在与否做出提示。但是这种方法的特异性不强，仅靠这些信号无法准确地确认就是²³⁵U核素。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种核素识别方法、核素识别系统及用于核素识别的光中子发射器，由此例如提高核素识别的准确度，以及提供实用的核素识别方法及系统。

根据本发明的一方面，本发明提供了一种用于核素识别的光中子发射器，光中子发射器包括：用于发射电子的脉冲电子加速器；以及用于接收脉冲电子加速器发射的电子，并将该电子转换成光中子的光中子转换靶。

根据本发明的一方面，所述光中子转换靶的体积大致是100至8000立方厘米、100至2500立方厘米，或大致是785立方厘米。

根据本发明的一方面，所述光中子转换靶是圆柱体，该圆柱体的直径和轴向长度的范围是5至20厘米、5至15厘米、8至12厘米、9至11厘米、9.5至10.5厘米、或大致是10厘米。

根据本发明的一方面，该圆柱体的直径和轴向长度大致相等。

根据本发明的一方面，所述光中子转换靶是正方体，该正方体的边长的范围是5至20厘米、5至15厘米、8至12厘米、9至11厘米、9.5至10.5厘米、或大致是10厘米。

根据本发明的一方面，所述光中子转换靶由重水或者铍形成。

根据本发明的一方面，本发明提供了一种核素识别方法，该方法包括如下步骤：将被检查的物体放置在光中子发射器与光中子探测器之间；由光中子发射器在预定时刻发射预定能量范围的光中子；

由光中子探测器检测分别经不同飞行时间到达光中子探测器的光中子数量，由此获得依飞行时间排列各个所述光中子数量的样品谱；以及根据上述样品谱中特定飞行时间范围的光中子数量是否低于预定值，确定物体所含的核素。

根据本发明的一方面，所述核素识别方法还包括：在不放置物体的情况下，由光中子发射器在预定时刻发射预定能量范围的光中子，由光中子探测器检测分别经不同飞行时间到达光中子探测器的光中子数量，由此获得依飞行时间排列各个所述光中子数量的标准谱；以及通过将样品谱与标准谱进行比较，确定样品谱中特定飞行时间范围的光中子数量是否低于预定值。

根据本发明的一方面，所述核素识别方法还包括：根据特定飞行时间范围的光中子数量与由光中子发射器发射的、对应特定飞行时间的光中子数量的比值，确定物体所含核素的重量。

根据本发明的一方面，光中子发射器在同一时刻发射预定能量范围的光中子。

根据本发明的一方面，所述预定能量范围是0.1至1000eV。

根据本发明的一方面，所述被检查的物体包含易裂变核素。

根据本发明的一方面，所述光中子发射器是上述的光中子发射器。

根据本发明的一方面，本发明提供了一种核素识别系统，该核素识别系统包括：光中子发射器，用于在预定时刻发射预定能量范围的光中子；光中子探测器，用于接收光中子发射器发射的光中子以获得各个时刻接收的光中子量；

光中子飞行时间计时器，用于记录光中子发射器发射的光中子从发射到被光中子探测器接收的飞行时间；以及数据处理单元，用于根据每一时刻光中子探测器接收到的光中子的数量以及飞行时间，形成依飞行时间排列各个所述光中子数量的光中子数量谱。

根据本发明的一方面，所述核素识别系统还包括：比较确定单元，用于将被检查物体放置在光中子发射器与光中子探测器之间时获得的光中子数量谱中、特定飞行时间范围的光中子数量与预定值进行比较，确定物体所含的核素。

根据本发明的一方面，所述比较确定单元通过将放置物体时的获得的光中子数量谱与没有放置物体时获得的光中子数量谱进行比较，确定放置物体时的光中子数量谱中特定飞行时间范围的光中子数量是否低于预定值。

根据本发明的一方面，所述光中子发射器是上述的光中子发射器。

本发明可以提高核素识别的准确度，以及提供实用的、用于核素识别的光中子发射器、方法及系统，尤其是提高了识别诸如²³³U，²³⁵U和²³⁹Pu的易裂变核素的准确度，以及提供了实用的、识别诸如²³³U，²³⁵U和²³⁹Pu的易裂变核素的光中子发射器、方法和系统。

附图说明

图1是根据本发明的核素识别方法的原理图；

图2是²³⁵U和²³⁸U的中子弹性散射曲线；

图3是根据本发明的核素识别系统的示意图；

图4是当²³⁵U和²³⁸U分别被检测时的时间飞行谱图；

图5是根据本发明的光中子转换靶的示意图；以及

图6是根据本发明的光中子转换靶的时间-能量分布图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1至4所示，根据本发明的核素识别系统包括：光中子发射器10、光中子探测器20、光中子飞行时间计时器以及数据处理单元。光中子发射器用于在预定时刻发射预定能量范围的光中子，光中子探测器用于接收光中子发射器发射的光中子以获得各个时刻接收的光中子量，光中子飞行时间计时器用于记录光中子发射器发射的光中子从发射到被光中子探测器20接收的飞行时间，数据处理单元用于根据每一时刻光中子探测器20接收到的光中子的数量以及飞行时间，形成依飞行时间排列各个所述光中子数量的光中子数量谱(参见图4)。核素识别系统还可以包括比较确定单元，用于将被检查物体放置在光中子发射器与光中子探测器之间时获得的光中子数量谱中、特定飞行时间范围的光中子数量与预定值进行比较，确定物体所含的核素。根据本发明的核素识别系统可以用来识别诸如²³³U，²³⁵U和²³⁹Pu的易裂变核素。

所述比较确定单元可以通过将放置物体时的获得的光中子数量谱与没有放置物体时获得的光中子数量谱进行比较，确定放置物体时的光中子数量谱中特定飞行时间范围的光中子数量是否低于预定值。此外，也可以采用其它方式确定预定值，例如根据理论数据和经验数据。

根据本发明的核素识别系统的工作原理如下：

1、中子共振

任何实物粒子都具有波粒二象性，中子自然也不例外。对于一个靶核(例如这里的²³⁵U和²³⁸U)而言，当中子能量不是很高的时候，波动性是其主要特性。由于核力具有短程和强力的特点，中子在进入靶核前后将具有很大的动能差异，反应在波动性上就是波长变化很大(前大后小)。一般而言，在核边界处发生了波长的巨大变化，必然导致中子进入核内的概率严重下降，表现为中子散射截面不大。但是，当中子的动能处在某些特殊值的时候，核内的中子波函数在核边界处的相位是π/2，此时核内中子波函数的幅值将和核外中子波函数的幅值相同，表现为中子的散射截面达到局部极大——这就是共振现象。

由前面的叙述可以看出，共振是入射中子能量达到某些特定值时，与原子核内众核子共同作用之后形成的。因此共振发生时的能量就与靶核是谁非常相关。简而言之，共振能量是与靶核核素完全相关的。如果我们能够知道某个核素的共振散射能量位置，就可以分析出这个核素是谁。图2给出了²³⁵U和²³⁸U的中子弹性散射曲线。可以看到，在0.28eV，1.13eV，2eV等处存在²³⁵U的共振散射，而在6.67eV，20.9eV等处存在²³⁸U的共振散射。

为了能够通过共振散射来分析²³⁵U和²³⁸U，就需要中子的能量范围满足图2中的要求，如0.1eV到1keV。利用这样的中子来穿透被检测的材料，分析透射中子的能量谱，就可以通过共振峰的位置来分辨核素了。但众所周知，直接测量中子的能量是很难的，对于0.1eV到1keV范围的中子，可以使用时间飞行技术(TOF)来分析其能量。

2、时间飞行技术(TOF)

如果中子的出发时刻是已知的，那么就可以利用中子的飞行时间来计算中子的能量。图3给了一个原理示意图。图中的中子源10是一个脉冲源，它于同一个时刻(如“中子出发时刻”)发出了若干中子，例如图中的中子1、2、3，由于速度的不同，这三个中子飞到探测器20时所用的时间也是不同的，在图3中，它们分别于t1、t2和t3时刻到达探测器20。由于中子源10与探测器20的距离(源探距离)是确定的L，因此根据t1～t3和L就可以计算出中子的速度，进而计算它的能量。如果在中子的飞行路径上增加了被检测物质30，且中子与该物质30中的核素发生了共振散射，那么处于共振散射能量位置处的中子被探测器20测量到的机会将会明显地减弱。在该能量所对应的飞行时间t时刻，被探测器20测量到的中子数量也相应会减少。通过分析探测器20在时间谱的何处出现了明显的中子减少，就可以反推出哪种能量的中子被共振散射了，进而知道核素是谁。图4给出了一个计算结果(假设入射中子的能谱是白谱)。

通过图4可以看出，²³⁵U和²³⁸U具有不同的透射特性，它们在时间谱上的共振衰减位置是完全不同的，据此就可以实现对它们的分辨。

为了得到图4这样的效果，中子源10的能量可在0.1eV到1keV的范围内。而且中子应该具有确定的出发时刻，只有这样才能开始飞行时间谱的测量。另外，由于共振发生的能量范围较窄，因此需要中子源的产额较大，以提高分析灵敏度。

下面描述根据本发明的核素识别方法，该核素识别方法可用于识别诸如²³³U，²³⁵U和²³⁹Pu的易裂变核素。

参见图1、3，首先，将被检查的物体30放置在光中子发射器10与光中子探测器20之间，由光中子发射器30在预定时刻发射预定能量范围的光中子。然后，由光中子探测器20检测分别经不同飞行时间到达光中子探测器20的光中子数量，由此获得如图4所示的依飞行时间排列各个所述光中子数量的样品谱。根据上述样品谱中特定飞行时间范围的光中子数量是否低于预定值，确定物体所含的核素。例如，在图4中，在特定飞行时间由于光中子被吸收而光中子数量减少，可以判断出物体所含的对应的核素。

根据本发明的方法，在不放置物体的情况下，由光中子发射器10在预定时刻发射预定能量范围的光中子，由光中子探测器20检测分别经不同飞行时间到达光中子探测器20的光中子数量，由此获得依飞行时间排列各个所述光中子数量的标准谱。以标准谱为基准，通过将样品谱与标准谱进行比较，确定样品谱中特定飞行时间范围的光中子数量是否低于预定值。

此外，例如，在图4中，在特定飞行时间由于光中子被吸收而光中子数量减少，可以根据光中子被吸收的程度或吸收百分比，确定物体中该核素的含量。即，根据特定飞行时间范围的光中子数量与由光中子发射器发射的、对应特定飞行时间的光中子数量的比值，确定物体所含核素的重量。

根据本发明的方法，光中子发射器在同一时刻发射预定能量范围的光中子。预定能量范围可以是对应于可能的被检测物质的特定范围，例如被检查的物体包含诸如²³³U，²³⁵U和²³⁹Pu的易裂变核素，预定能量范围可以是0.1至1000eV。该预定能量范围可以依特定的检测对象而变化。

下面描述根据本发明的光中子发射器，该光中子发射器可用于识别诸如²³³U，²³⁵U和²³⁹Pu的易裂变核素。

如图5所示，根据本发明的用于核素识别的光中子发射器10包括：用于发射电子的脉冲电子加速器11；以及用于接收脉冲电子加速器11发射的电子，并将该电子转换成光中子的光中子转换靶12。所述光中子转换靶的体积可以大致是100至8000立方厘米、100至2500立方厘米，或大致是785立方厘米。光中子转换靶12可以由重水或者铍形成。

如图5所示，光中子转换靶12可以是圆柱体，该圆柱体的直径和轴向长度的范围可以是5至20厘米、5至15厘米、8至12厘米、9至11厘米、9.5至10.5厘米、或大致是10厘米。该圆柱体的直径和轴向长度可以大致相等。

如图5所示，作为选择，光中子转换靶12是正方体，该正方体的边长的范围可以是5至20厘米、5至15厘米、8至12厘米、9至11厘米、9.5至10.5厘米、或大致是10厘米。

参见图1、5，光中子发射器10可以是脉冲源，中子由脉冲电子加速器11产生的X射线与光中子转换靶12来产生，由于电子加速器11工作在脉冲模式，则中子的产生也是脉冲模式的，这使得可以确定图3中的“中子出发时刻”。

光中子转换靶12的作用是使中子慢化，可以使用重水或者铍来构成。由于重水具有良好的中子慢化能力，因此可以在短时间内将光中子的能量从MeV量级降到keV～eV量级。这个“短时间”有利于通过时间飞行谱来反推中子的能量。直径10cm，高10cm的重水圆柱体是优选的中子靶方案。由于电子加速器11的剂量率可以很高，因此光中子的产额可以很大，这保证了分析速度。

一种可行的光中子靶或光中子转换靶12的设计如图5所示。在图中，电子E首先轰击电子靶15产生X射线，后者再与光中子转换靶12发生反应产生光中子，光中子在产生的同时就发生了慢化。这样，在离开光中子转换靶12时，中子将有不同的速度。

图6给出了探测器测量到的该光中子转换靶12发射的中子的“时间-能量”分布图。可以看出，探测器在不同的时间段，测量到了不同能量范围的中子。

对于识别诸如²³³U，²³⁵U和²³⁹Pu的易裂变核素，利用图5所示的光中子转换靶12能够产生能量范围和时间特性都较为合适的中子谱，这些中子在穿透被检测物时会发生共振衰减，通过探测器20在不同时间测量到的中子计数曲线，就可以分析是哪种核素导致了共振衰减，进而达到核素识别的目的。

对于中子探测器，本发明不限于特定的中子探测器，原则上，凡是具有低能中子俘获能力的核素，都有可能用来构成该探测器，如3He，10BF3等探测器。此外，本发明的核素识别方法、核素识别系统及用于核素识别的光中子发射器也可以用于识别其它的核素。