[发明专利]一种可同时测量低能和高能中子的探测器

说明书

本发明属于中子探测领域，具体涉及一种可同时测量低能和高能中子的探测器。解决现有中子探测器只能测量高能中子的缺点，利用新型CLYC闪烁体对低能中子的探测特性和良好的n‑γ甄别能力，提出新型夹层式中子探测器。采用CLYC晶体与具有n‑γ甄别能力的有机闪烁体作为探测介质，利用其发光时间不同，采用脉冲形状甄别的方法进行不同粒子甄别。可同时对低能中子和高能中子进行测量。同时具有可以剔除γ光子以及质子、电子的能力，具有小型化、结构简单等优点。

技术领域

本发明属于中子探测领域，具体涉及一种可同时测量低能和高能中子的探测器。

背景技术

随着我国航天技术尤其是载人航天技术的发展，迫切需要进行空间辐射环境的测量。空间辐射环境十分复杂，单就在近地轨道(LEO)，分布着包括质子、中子、电子、重离子以及X射线、γ射线等多种辐射粒子。在这些粒子中，中子大部分是由高能原初粒子与航天器自身材料的原子核发生相互作用，从而产生的次级中子。它们的能量范围从热中子到几GeV不等。在近地轨道，银河宇宙射线(GCRs)的影响较小，因此中子的能量绝大部分都在200MeV之下。中子的危害主要表现为：(1)中子对航天员的伤害程度甚至远超于对材料的损伤。由于中子不带电，对人体组织的穿透力很强，因此更容易造成人体内部组织或者细胞病变。国际空间站(ISS)类型的轨道，中子对航天员总剂量当量的贡献范围估计在30％～60％之间，其品质因子约为带电粒子的4～5倍；(2)中子是临近空间诱发电子器件发生单粒子效应最主要的因素，在器件材料中通过直接或间接的电离作用，形成额外电荷，导致单粒子效应、位移损伤等问题，从而直接影响到仪器的精度、寿命以及正常运行。

因此，空间中子探测无论是在载人航天的人员安全方面，还是在空间环境和资源的探索方面，包括空间物理、天文观测、生命探索等领域的研究，都具有极其重要的意义。

由衰减时间不同或探测粒子类型不同的闪烁体构成的夹层式探测器是一种较常见的主动探测器，例如NE102A+CsI(Tl)、NE115+NE102A、BC454+BGO等。上世纪九十年代，日本M.Takada等人研制了一种夹层闪烁体中子探测器，用于在复杂带电粒子场中分辨出中子，其能够探测出的中子能量在130MeV以下，参考文献M.Takada,S.Taniguchi,etal.Neutron spectrometry in a mixed field of neutrons and protons with aphoswich neutron detector.Nuclear Instruments and Methods in Physics ResearchA 465:498-511(2001)。

比较典型的一款结构如图1所示，中间阴影部分为具有n-γ甄别能力的液体闪烁体NE213(与现在的EJ-301相同)11，其发光较快，发光衰减时间为3.2ns；而周围将中间闪烁体“包裹”的塑料闪烁体NE115(与现在的EJ-240相同)12，其发光较慢，发光衰减时间为225ns；两种闪烁体的发光耦合进一个光电倍增管。该探测器在混合场试验的探测结果如图2所示，从图中可以清晰的区分出不同射线对应的区域：γ射线为A区域，其只有一个快成分；中子对应的是B、C区域，有一快一慢两个成分；质子对应的是D、E两部分。该种探测器巧妙地将两种不同发光的闪烁体设计成一个探测器，剔除了带电粒子的影响，大大节省的空间成本。其原理如图3a、3b及3c所示，中子或γ射线进入内层液闪时，利用其本身的n-γ甄别能力(发光衰减时间差异)将其区别。质子等带电粒子先是在外层闪烁体中作用，再进入内层闪烁体发生作用，由于闪烁体发光衰减时间的不同，质子的信号就形成了一个较高的峰和一个较长的拖尾，而中子或γ射线仅在外层闪烁体中作用时，脉冲形状与质子信号不同，这样就可以将带电粒子用反符合方法剔除掉。采用特殊的电子学电路，利用脉冲形状甄别的方法，可将中子、γ射线和带电粒子进行有效区分。通过内层液闪测得的中子脉冲幅度谱解谱，可以得到周围的中子能谱。

但是，该探测器有一个明显不足：其探测介质全为有机材料，仅对高能中子(能量大于0.1MeV的中子)灵敏，外层的闪烁体仅起反符合带电粒子等作用。不能适应空间中存在各种能量中子的需求，同时也不能对伽马射线进行有效探测。