[发明专利]检测与鉴别裂变材料的方法与装置

说明书

本发明涉及一种检测与鉴别裂变材料的方法与装置，在此方法中，裂变材料发射的中子辐射的强度用中子探测器加以测量。

裂变材料(例如钚、铀和钍)可被用于裂变反应，此时原子的重核分裂为两个或更多的部分，这通常在用中子轰击原子核时发生。一般地，裂变发生时常伴随着中子或γ射线发射。由于裂变反应包含有巨大的能量，不正确地使用裂变材料可导致对周围环境的惊人破坏，因此裂变材料的非控制及非法的散布是极端危险的。裂变材料从一个国家到另一个国家的非法运输通常是装在大型集装箱中进行的。少量的裂变材料很容易藏匿在集装箱中。这样的集装箱通常用肉眼检查，而在这种情况下，很难检查出少量裂变材料。

为了自动地检查集装箱并检测藏匿于其中的物体，业已发展了利用直线粒子加速器(如电子加速器)产生韧致辐射的方法来调查集装箱里面的物品，并进一步使靶相对于靶的检查器件移动以形成集装箱内含物体的像。

本发明的目的是消除现有技术的某些缺点，实现适用于检测和鉴别裂变物质(如钚、铀和钍)的方法和装置，该方法和装置利用了直线粒子加速器产生的韧致辐射和该韧致辐射产生的、来自裂变材料的缓发中子发射。本发明基本的新特征从所附的专利权利要求书中可明显看出。

按照本发明，为了检测和鉴别裂变材料，使用了运行于7-10MeV的高能韧致辐射源；由此所产生的辐射射向被检查的靶，如运输的集装箱。当韧致辐射轰击裂变材料时，在辐射与材料之间发生光子与原子核的相互反应，随后发生中子发射。在光子与原子核相互反应时发生光中子反应和光裂变反应，其特征是瞬发中子发射。在每一相互反应的瞬发中子发射中，光中子反应发射一个中子，光裂变反应发射2.5个中子。光裂变反应的进一步结果是产生放射性裂变碎片，其中部分碎片所包含的β衰变能可超过原子核中的中子结合能。该β衰变能进一步导致缓发中子发射。发射缓发中子的裂变碎片称为先驱物。裂变材料具有最低的带中子发射的光核反应阈能。光核反应和光裂变反应的反应截面对于裂变材料而言是很大的，例如对于E＝8MeV的能量，其值分别为大约100和300mb(毫靶恩)。

按照本发明，对从裂变材料发射并穿过韧致辐射区的缓发中子发射用至少一个中子探测器加以检测。按照本发明，所用的中子探测器最好是例如充³He或¹⁰B的中子探测器，或对中子灵敏的闪烁探测器。中子探测器最好借助于准直器被安置在阴影位置，故韧致辐射对探测器的初级辐射基本上可被阻挡住。中子探测器特别被用来检测缓发中子，这是因为缓发中子是仅为裂变材料所固有的。缓发中子的产额约为瞬发中子的1％，但由于暴露时间要长得多且中子本底很低，探测的灵敏度是足够高的。

按照本发明，所用的直线粒子加速器最好运行于脉冲模式。于是可使韧致辐射脉冲的频率范围在，例如，50-500Hz，而韧致辐射的脉冲宽度约为1.5μs。那么两个相继脉冲之间的间隔为2.000-20.000μs。若不考虑为了阻挡韧致辐射而把中子探测器安装在准直器的阴影区，则在加速器屏蔽室上散射的韧致辐射脉冲将在中子探测器中产生电离。其结果是宽度约10μs的高幅度脉冲出现在检测系统的输出中。在高幅度脉冲期间，中子的探测是不可能的，因此本发明使用了时间选择单元。该时间选择单元可闭锁检测系统的运行，并在韧致辐射脉冲结束后重新打开时间窗口。时间窗口的宽度在150-200μs的范围内。

按照本发明，被检查材料(如运输集装箱)的整个体积用韧致辐射加以辐照。若检测到缓发中子通量的实质性变化，则该变化相应的材料位置被加以确定。在材料的整个体积被辐照之后，材料被送回到相应于中子变化的位置。在该位置上用韧致辐射再次辐照一段长时间(30-60s)以鉴别有问题的材料。为进行裂变材料的鉴别，韧致辐射先被中断，然后测量缓发中子通量至少一分钟。

下面对本发明进行更详细的解释，为此引用如下附图：

图1所示为本发明的一个优选实施例的局部侧视横截面。

图2为与图1实施例相连的中子检测系统时间选择单元运行框图。

图3借助于时域坐标说明图2时间选择单元的运行原理。