專利名稱：一種光纖耦合有機閃爍纖維脈沖中子探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及輻射探測裝置，具體涉及一種適于脈沖中子時間譜(裂變、聚 變)測量以及絕對強度測量的探測器。
背景技術(shù)：
脈沖中子輻射場是由脈沖中子、Y及電磁脈沖等組成的混合輻射場，具有 強度大、動態(tài)范圍寬、時間快等特點，脈沖中子時間譜測量除要求探測器滿足 脈沖探測的基本要求外存在以下幾方面的突出難點
1、 空間距離限制，由于中子能量有一定的分布，不同能量中子到達測點 位置的時間存在一定的彌散，與距離成正比，因此對脈沖中子時間譜測量需要 在距源較近的位置進行，需要快時間相應(yīng)；
2、 Y干擾，探測器對中子響應(yīng)的同時對Y也有響應(yīng)，這會給中子信號探測 帶來一定的干擾，常用飛行時間法可以將中子、Y射線在時間上分離，避免Y對 中子脈沖信號的影響，但當(dāng)探測器離源較近、脈沖寬度較寬的時，飛行時間法 無法使用。抑制rP擾的一個有效途徑是設(shè)計具有本征高n/Y (靈敏度比值) 能力的中子探測器，通過設(shè)計探測器中子靈敏度高于伽馬的靈敏度，使探測器 工作輸出的信號電流主要來自探測器對中子的響應(yīng)，伽馬貢獻只占很小的比
3、 散射本底，由于中子、伽馬具有較強的穿透能力，難以屏蔽吸收，而 中子時間譜要求在離源很近的位置進行探測，在有限的空間內(nèi)很難進行理想的 準(zhǔn)直和屏蔽。
閃爍探測器是輻射探測領(lǐng)域較為常見的一類探測器，其可工作在電流模 式，通過配備不同增益光電轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)靈敏度調(diào)節(jié)跨8個量級，比較適合脈 沖輻射場探測，但普通的閃爍探測器并不適合脈沖中子測量，因為其對伽馬的 響應(yīng)靈敏度強于對中子的響應(yīng)。
閃爍薄膜中子探測器、有機閃爍纖維陣列中子探測器是用于脈沖中子測量 的閃爍型探測器，其通過結(jié)構(gòu)設(shè)計使探測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)換器對散射 中子、伽馬響應(yīng)帶來的干擾，實驗中需要進行嚴格的準(zhǔn)直和屏蔽，而中子時間 譜測量要求在近測點位置測量，距離的限制使準(zhǔn)直和屏蔽難以達到要求，此類 探測器難以滿足時間譜測量要求。
通過以上敘述可知，研制具有強抗電磁干擾能力、高n/Y靈敏度比值、 低屏蔽要求、快時間響應(yīng)的電流型中子探測器是實現(xiàn)脈沖中子時間譜測量的重 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閃爍纖維脈沖中子探測器，其解決 了現(xiàn)有脈沖中子探測器無法同時滿足快時間響應(yīng)、高n/Y靈敏度比值、強抗 電磁千擾能力以及低低屏蔽要求的技術(shù)問題。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案為
一種光纖耦合有機閃爍纖維脈沖中子探測器，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閃爍纖維5構(gòu)成的有機閃爍纖維線陣ll，所 述有機閃爍纖維線陣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 機閃爍纖維5 —對一耦合；所述傳光束2尾端出光面對準(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與有機閃爍纖維5通過毛細管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)點是
1、 本發(fā)明采用直徑較細的有機閃爍纖維單層平行排列成的有機閃爍纖維 線陣作為中子探測輻射轉(zhuǎn)換材料(輻射靈敏單元)，利用有機閃爍纖維對側(cè)面 垂直入射中子靈敏度響應(yīng)強于伽馬靈敏度的特性，使探測器具有高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)明將多根有機閃爍纖維平行排列形成一個平面(單層)組成輻射 探測靈敏單元，在不降低n/Y靈敏度比值的前提下提高了探測器的探測效率。
3、 本發(fā)明將石英光纖與有機閃爍纖維采取毛細管套接的方式直接耦合， 在不影響有機閃爍纖維正常工作的前提下保證了耦合效率和接頭強度。
4、 本發(fā)明在光纖束與光電轉(zhuǎn)換器耦合端采用發(fā)散的獨特設(shè)計，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，使探頭可以靈活安置在離源很近的位置，無需很 強的屏蔽；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 題。
6、 本發(fā)明探測器工作在電流模式，具有納秒級時間響應(yīng)、較強的抗干擾 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個量級可調(diào)，很好地滿足了脈沖中子時 間譜測量的需求。本發(fā)明如果使用快響應(yīng)的有機閃爍纖維、快響應(yīng)光電轉(zhuǎn)換器 及高帶寬傳光束，探測器響應(yīng)可達亞納秒量級。


圖1為中子和伽馬分別與有機閃爍纖維作用沉積能量過程示意圖;
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-有機閃爍 纖維，6-石英光纖，7-探頭入射窗，8-探頭出射窗，9-毛細管，10-固定法蘭， l卜有機閃爍纖維線陣，12-前清掃磁鐵，13-后清掃磁鐵，14-屏蔽腔，15-光 纖涂覆層。
具體實施例方式
有機閃爍纖維對側(cè)面入射的中子、伽馬響應(yīng)示意圖如圖l所示，有機閃爍 纖維對中子、伽馬的響應(yīng)機理不同。在MeV級的中子能區(qū)，閃爍體對中子的響 應(yīng)主要來自對中子與氫核作用產(chǎn)生的反沖質(zhì)子的響應(yīng)，對伽馬的響應(yīng)是通過伽 馬與物質(zhì)發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)產(chǎn)生的次級電子的響應(yīng)，在 MeV級能量范圍康普頓效應(yīng)占主導(dǎo)。對于直徑較細的有機閃爍纖維，反沖質(zhì)子 在纖維內(nèi)沉積大部分能量，而次級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n/Y靈敏度比值越大，可用于脈沖中子探測。
本發(fā)明光纖耦合有機閃爍纖維脈沖中子探測器的結(jié)構(gòu)參見圖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 于保護探測靈敏單元、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閃爍纖維上，為 降低窗材料對束流的散射，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)部次級電子打到有機閃爍纖維上對探測造成影 響，在探頭入射窗7后側(cè)設(shè)計有前清掃磁鐵12，在探頭出射窗8前部設(shè)計有后 清掃磁鐵13，分別由對稱放置的兩塊強磁性永磁鐵組成；輻射靈敏單元為直徑 小于1毫米的有機閃爍纖維5單層平行密排構(gòu)成的有機閃爍纖維線陣11，有機 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長度小于10米， 帶寬大于lGHz，其主要功能是收集并傳輸有機閃爍纖維5的發(fā)光；為保護光纖 不受損壞，傳光束2外部套有不銹鋼波紋管加以保護；石英光纖6與有機閃爍 纖維5直徑相同，石英光纖6與有機閃爍纖維5通過毛細管9 一對一套接耦合； 參見圖5，為避免光纖束出射光局部照射光電轉(zhuǎn)換器陰極，進而影響最大線性 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 直接對接，同時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，通過控制光收集效率調(diào)節(jié)探測器靈敏度。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，其將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⒎?大輸出。
有機閃爍纖維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 部分的毛細管9直徑較有機閃爍纖維略粗，有機閃爍纖維5平行排列時在毛細 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)計了金屬固定法蘭10，用 來固定有機閃爍纖維線陣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與有機閃爍纖維5連接示意圖。為保證連接質(zhì)量和接頭 強度，同時盡可能避免對有機閃爍纖維5的影響，采取了毛細管9套接的光纖 接續(xù)方式。在接續(xù)過程中，所有端面均先進行了拋光處理，石英光纖6端頭附 近的光纖涂敷層15被剝除。將有機閃爍纖維5與石英光纖6分別從毛細管9 兩端插入毛細管9內(nèi)對接，石英光纖6的端頭還可涂些許的光學(xué)耦合劑以增強 耦合質(zhì)量。在有機閃爍纖維5的一端打入一束參考光，在石英光纖6尾端放置 光功率計測量參考光經(jīng)過有機閃爍纖維5、接頭和石英光纖6后的光強，調(diào)節(jié) 有機閃爍纖維與光纖在毛細管內(nèi)的相對位置以使光功率計讀數(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，此時在毛細管9兩端涂上快速凝固 膠固定有機閃爍纖維5、石英光纖6和毛細管9的相對位置。
本發(fā)明工作原理為束流由探頭入射窗入射照射到有機閃爍纖維上，有機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)換成電信號輸出， 實現(xiàn)輻射探測。
權(quán)利要求
1、一種光纖耦合有機閃爍纖維脈沖中子探測器，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閃爍纖維(5)構(gòu)成的有機閃爍纖維線陣(11)，所述有機閃爍纖維線陣(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)與有機閃爍纖維(5)一對一耦合；所述傳光束(2)尾端出光面對準(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閃爍纖維脈沖中子探測器，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閃爍纖維脈沖中子探測器， 其特征在于所述石英光纖(6)與有機閃爍纖維(5)通過毛細管(9)套接
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光纖耦合有機閃爍纖維脈沖中子探測器，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閃爍纖維脈沖中子探測器，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閃爍纖維脈沖中子探測器，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閃爍纖維脈沖中子探測器，其特 征在于所述有機閃爍纖維(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閃爍纖維脈沖中子探測器，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閃爍纖維脈沖中子探測器，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閃爍纖維脈沖中子探測器，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閃爍纖維脈沖中子探測器，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閃爍纖維構(gòu)成的有機閃爍纖維線陣，有機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，石英光纖與有機閃爍纖維一對一耦合；傳光束尾端出光面對準(zhǔn)光電轉(zhuǎn)換器的入射窗。解決了現(xiàn)有脈沖中子探測器無法同時滿足快時間響應(yīng)、高n/γ靈敏度比值、強抗電磁干擾能力以及低低屏蔽要求的技術(shù)問題。具有高n/γ靈敏度比值以及強抗伽馬干擾的能力。
文檔編號G01T3/06GK101556331SQ200910022330
公開日2009年10月14日 申請日期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, 歐陽曉平, 程淑英, 亮 陳 申請人:西北核技術(shù)研究所