方向－位置传感的快速中子检测器的制造方法

方向－位置传感的快速中子检测器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种方向－位置感测快速中子传感器系统。该系统包括一个或者多个声压张亚稳液体检测器(ATMFD)，用于确定入射中子辐射源的方向。该系统已经用于检测1Ci?Pu-Be中子辐射源的位置。ATMFD检测器在技术性能方面与方向性快速中子检测器组技术具有可比性，但是显著更经济、更小，并且几乎不受非中子背景辐射的干扰。ATMFD检测器能够用于定位隐藏的中子源，并且已经在盲测中这样做了。具体地说，ATMFD系统(具有6×10cm的截面积)在60秒内以68％的置信度，以11.2°的分辨率，提供来自距离为25m的8kg?Pu源的进入中子辐射的方向性信息。还利用两个ATMFD示范了位置和中子源图像感测。
【专利说明】方向一位置传感的快速中子检测器

【背景技术】
[0001] 尽管辐射感测科学和技术已经开发了一个多世纪，但是本【技术领域】内公认需要确 定进入辐射的方向，特别是对于中子辐射。特别是，对于当前不能有把握地离开安全距离快 速检测、识别以及定位特种核材料（SNM)，存在临界间隙。
[0002] 诸如铀和钚的元素自发地并且还导致裂变的发射中子。与S匪产生的诸如伽马射 线的其他形式的辐射不同，这些穿透中子发射具有裂变/可裂变材料的唯一特征，可以用 于从诸如Co/Cs、污染医疗废物或者含钾食品的其他辐射发射体中检测和识别SNM。
[0003] 本【技术领域】内需要改善了检测速度的定向中子检测。能够这样按要求测量的装置 应当也能够抑制背景辐射作用，并且考虑到识别SNM中子源本身的成分。


【发明内容】

[0004] 公开了一种用于确定入射中子辐射的方向的中子检测系统。该系统包括至少一个 微处理器和用于检测入射辐射的液体填注腔室。该腔室可以配置有多个检测换能器，用于 检测气泡在腔室中的位置。该腔室还可以配置有声换能器，用于在腔室内的液体中建立声 张力亚稳状态。检测换能器配置有腔室，使得检测换能器能够接收来自腔室中的气泡的信 号并且将该信号发送到微处理器做进一步处理。该检测信号足以使微处理器确定在腔室中 形成的气泡的位置和/或者形状。作为一种选择，传感器能够检测在气泡内爆或者崩溃时 产生的光信号。微处理器可以配置有用于确定气泡在腔室中的三维位置的算法。
[0005] 声换能器配置有腔室，以使声波进入腔室的液体中。声波必须足以在液体中产生 声亚稳状态，使得在暴露在入射中子福射中时产生气泡。响应来自微处理器，而在实施例中 来自放大器的信号，能够进入声亚稳状态。该系统还包括能够根据气泡信号识别入射中子 辐射源的方向的微处理器。
[0006] 在实施例中，用于识别入射中子辐射源的方向的微处理器能够确定气泡通过腔室 液体的轨迹，气泡的原点指出中子辐射源的方向。在变型实施例中，用于识别入射中子辐射 源的方向的微处理器能够确定气泡事件在腔室液体中的密度，密度梯度的较密部分位于中 子辐射源的方向上。
[0007] 在实施例中，权利要求1所述的中子检测系统是便于获得中子源在三维中的方向 的球体。在实施例中，中子检测系统包括至少两个半球形帽的筒状腔室，从而有助于获得三 维方向性信息。
[0008] 在实施例中，系统可以包括线性放大器，用于将声信号发送到声换能器，并且对于 腔室中的液体，该信号可以是正弦声波。
[0009] 通过在施加声波以在腔室的液体中产生张力，使得入射中子辐射导致在液体中形 成气泡，可以利用该系统确定入射辐射的方向。然后，利用将信号发送到微处理器的检测换 能器检测气泡，然后，该微处理器确定中子发射辐射源在该区域中的方向。为了有助于获 得方向性信息，可以采用多个系统或者检测腔室。从在腔室内的液体中形成的任何气泡检 测到的信号包括由气泡的崩溃发出的光信号，常常是细长形的气泡形状和离开辐射源的行 程，以及气泡崩溃产生的可听声音。
[0010] 所公开的系统对伽马光子接近完全或者完全不灵敏，并且还对背景宇宙辐射接近 完全或者完全不灵敏。该系统可以用于检测能量超过8级幅值的中子，并且不要求对包含 在腔室中的液体进行冷却或者加热。

【专利附图】

【附图说明】
[0011] 图1示出ATMFD检测器的一个实施例的示意图。
[0012] 图2示出来自示波器中的四个换能器的信号检测的曲线图；
[0013] 图3示出可以在二维极坐标系中计算从检测器的任何位置到检测器的壁的距离 的几何结构的图解说明。
[0014] 图4示出在相对于ATMFD的角度为0°并且距离为80cm、发射2X106n/sec的ICi Pu-Be同位素中子伽马射线源是理论数据和实验数据。
[0015] 图5示出作为检测到的中子数和获取时间的函数的ATMFD的角分辨率。
[0016] 图6示出角度为-21. 9°，距离为43cm的中子源的实验数据和理论数据。
[0017] 图7示出定义为张力水平低于3. 5bar的检测液的区域的检测液的区域灵敏体积。
[0018] 图8示出随着检测中子变化的方向性ATMFD系统的性能。
[0019] 图9示出对PZT施加的驱动功率的变化与谐振频率为18. 78kHz的腔室的灵敏体 积的空间特性之间关系的图解表示。
[0020] 图10示出在记录的中子检测事件总数相同的情况下，随着灵敏体积的半径的增 大，角分辨率迅速接近〇°的最大可能角分辨率。
[0021] 图11示出对于相同数量的源中子，升高的效率与ATMFD腔室中记录的检测事件的 数量之间的关系。
[0022] 图12示出采用两个ATMFD检测器的模拟二维检测的结果。
[0023] 图13示出采用两个ATMFD检测器的模拟二维检测的结果。
[0024] 图14是用于获取4 π方向性的两个筒状ATMFD单元的取向的示意图。
[0025] 图15是在4 π检测器中使用的球形ATMFD系统的原理图。
[0026] 图16示出4 π球形ATMFD中使用的4 π坐标系的三维图。

【具体实施方式】
[0027] 本说明书中采用如下缩略语：
[0028] ATMFD是声压张亚稳液体检测器。
[0029] S匪是特种核材料。
[0030] RTV是室温硫化。
[0031] MCNP是蒙特卡洛核粒子输运代码。
[0032] PZT是压电换能器。
[0033] C.L.指置信界限。
[0034] 公开了能够检测入射辐射的方向的中子检测系统。所公开的系统能够在安全距离 迅速并且可靠地检测和识别特种核材料（SNM)的有问题的数量。具体地说，可以检测自发 地并且还导致裂变低发射中子的诸如铀和钚的元素。与S匪产生的诸如伽马射线的其他形 式的辐射不同，这些穿透中子发射具有能够从诸如钴/铯、污染医疗废物或者含钾食物的 其他辐射发射体中检测到并且识别的裂变/可裂变材料的唯一特征。
[0035] 与公知的进程搜索装置相比，所公开的方向性辐射检测系统具有改善的检测速 度。它们提供了用于抑制背景辐射作用的最强大装置，并且本身能够用于识别SNM中子源 的成分。
[0036] 在一个实施例中，方向性中子检测系统是声张压稳液体检测器（ATMFD)。在该系 统中，在90%以上的内在效率情况下，所示的单个ATMFD能够检测超过8级能量振幅的中 子。特定实施例以对伽马光子或者非中子宇宙背景辐射接近完全不敏感或者完全不敏感的 情况下工作，并且能够用于提供关于快速中子发射源的位置的方向性信息。这是在比其他 公知检测系统显著降低成本的情况下实现的。
[0037] ATMFD系统利用声波对检测器腔室内的液体产生张力。适当的检测器腔室可以在 二维或者三维提供信号。只要如在此所述能够提供方向性信息，ATMFD腔室可以是任何适 当形状的。例如，如图1所示，腔室的端部可以是半球形的，而腔室的主体是圆柱形的。作 为一种选择，腔室可以是球形的。
[0038] 可以利用多个腔室提供关于入射中子辐射源的方向性信息。球形检测器也能够用 于获得二维息。
[0039] 在使用时，腔室液体可以处于或者接近室温。然而，只要检测器中频繁出现气泡足 以获得要求的方向性信息，可以采用任何温度。因此，还可以设想采用高于冰点而低压沸点 的温度。
[0040] 腔室液体中的压张亚稳状态的引入在液体中产生亚稳条件，在该液体中，当入射 的离化中子辐射进入液体时，能够形成瞬间气泡。相信液体中的张力模拟固相结构的伸缩。 随着结构的伸缩，拉断分子间键从而导致固相破裂而要求施加的能量降低。在模拟方式下， 可以相信，随着张力的升高，使液体分子之间的建断开要求的能量也降低，从而导致当适当 能量的辐射照射在液体中的核子上时形成气泡。对于快速中子，利用液体中的中子与原子 核子之间的弹性扩散相互作用提供该能量。可以认为，中子将能量沉积到液体原子的反冲 核子产生离化粒子，然后，可以认为，因为库伦力和核碰撞的相互作用，使能量沉积到液体 中。可以认为，反冲离子导致的能量沉积本身表现为沉积在几纳米上的热能量，导致气化阱 形成。可以认为，沉积该能量的范围取决于液体中的反冲离子的阻止本领。如果热能量沉 积足够高，从而导致足够尺寸的气化阱，则该气化阱将从纳米级增大到既可视又可以听到 的瞬间气泡。因此，可以认为，在声压张亚稳液体检测器中检测辐射的选择性灵敏性基于进 入液体的张力水平和由给定入射离化辐射直接或者间接产生的空间能量沉积的值的组合。
[0041] 方向性声压张亚稳液体检测器
[0042] 声压张亚稳液体检测器可以是能够可靠测量进入辐射的入射和方向的任何适当 尺寸和尺度的。例如，可以采用筒状管中约7〇mm的外径和150mm的长度并且壁厚约为3mm 的腔室。也可以采用较大或者较小的腔室。腔室的直接可以从约l〇mm到约5-10cm的范围 内，也可以采用更大的直径，并且例如，腔室的长度可以从约1〇_到约15cm，或者更大。实 际上，对于可以采用的腔室没有尺寸限制。腔室仅受满足能够在其内的液体中引入张力亚 稳状态并且能够根据入射中子辐射检测气泡形成的要求的限制。
[0043] 只要能够提供在此所述的方向性信息，ATMFD可以是任何适当形状。
[0044] 利用考虑到产生具有适当张力的液体的任何装置，可以将端部装接到筒状体。例 如，可以采用室温硫化（下面称为"RTV"）硅。然而，还可以采用熔融玻璃结构和陶瓷或者 金属结构。图1示出ATMFD的一个实施例的原理图。
[0045] 腔室可以由能够承受腔室中采用的真空并且在腔室中能够容纳声驻波和声压张 力液体的任何材料制成。这样一种材料是石英。利用位于液体填充腔室的对置端的空心石 英反射器，能够使谐振模式下的声能聚焦。尽管可以采用石英，但是只要不阻挡入射中子辐 射，可以采用具有足够强度和响应特性的任何材料来容纳声压张力液体。
[0046] 可以将产生声波，优选地驻波的装置装接到腔室，或者定位该装置，使得腔室液体 达到张力压稳状态。通过在外表面上设置一个或者多个声换能器使得通过腔室承载的声波 进入检测液中，这就能够实现。有诸如利用使（各）换能器使声波进入腔室的液体中并且 用于对声谐振腔室供能的方法，可以同心地固定在腔室的外部的环状压电陶瓷换能器的换 能器。可以利用线性放大器放大的正弦信号驱动换能器。可以在径向方向上极化该信号。 当谐振时，腔室的机械变形将产生约20kHz的声驻波，该声驻波包括振荡正压和负压（即， 亚真空或者低于〇)。当液体分子承受张力时，中子直接连锁撞击可能使瞬间气泡成核产生 可以监视的可检测信号时，该状态处于亚稳状态。
[0047] 在实施例中，检测器可以填充接近99. 9%纯度的丙酮（C3H60)。然而，可以采用能 够处于足够大张力下而根据入射中子辐射产生气泡的任何液体。在25°C下可以保持和使 用检测器腔室，并且可以将检测器腔室布置在500mm Hg以上的真空中。利用诸如安捷伦模 型33120A的波形发生器和诸如Piezo System, Inc.的模型EPA-104的线性放大器可以使 该腔室工作。利用任何传统装置都能够发现检测器的谐振频率。对于上面描述的检测器， 谐振频率约为18. 3kHz，并且对于约4. 5W的平均输入功率，采用的驱动电压约为96V。可以 利用诸如安捷伦模型54624A的数字存储示波器记录紧接在中子检测事件之后发生的强烈 释放存储的能量导致的冲击轨迹。
[0048] 可以利用换能器检测气泡的位置。例如，可以将4MHz响应压电换能器固定到谐振 腔室的外部，以记录气泡导致的冲击轨迹。只要换能器能够检测气泡事件，可以采用任何换 能器。例如，可以采用7mm的0D换能器。通过滤波器可以发送从压电换能器记录的电信号， 以消除声驱动主频率，从而隔离用于方向性确定的高频分量。例如，可以采用三阶巴特沃斯 高通滤波器。图2所示的示波器轨迹示出实际信号检测的例子。
[0049] 在具有四个换能器的实施例中，3个换能器互相成夹角地位于同一个XY平面上。 在Z轴上位移的情况下，布置第四换能器。利用以双曲线定位算法编程的微处理器可以测 量和分析冲击轨迹到达每个换能器的时差，以计算中子检测事件在检测器腔室中的精确三 维位置。
[0050] 利用两个统计算法可以可靠精确测量到达时差。第一统计算法基于测量冲击信号 的对称性或者非对称性。每个冲击信号都呈现不同的对称高频（约250kHz)正弦脉冲形 状。利用阈值非对称程度消除由机械噪声和电噪声二者产生的假阳性。第二算法基于两 个冲击信号之间的互相关。已经发现同样的检测事件（即，特定内爆泡沫）产生的冲击信 号产生相同的瞬间历史并且在每个换能器上呈现相同的电压时间图形。测量两个换能器 之间的互相关考虑到真实检测事件的变化以及精确测量两个换能器之间的到达时差。对于 约100 μ m的空间分辨率，可以利用数据获取系统的误差分析定位中子检测事件。利用基于 LabVIEW?的微处理器，近乎实时地（即，在毫秒范围内）执行示波器的受控操作、数据采 集以及信号处理和分析。利用采用GPIB接口的存储示波器，诸如National Instruments 的模型777158 - 01便于基于微处理器的数据收集。这种系统因为其局限性将数据采集限 制到约3Hz。然而，可以设想能够集成基于PCI的模拟数据获取系统的其他更强大系统，该 强大系统能够容易地将数据获取速率显著提高到近乎实时。
[0051] 确定进入辐射的方向性
[0052] 因为在最接近中子源的灵敏液体体积的区域中发生中子激发检测事件的概率升 高，所以在ATMFD系统中能够获得方向性信息。发生中子激发检测事件的概率是检测液中 的负压和中子通量的函数。由于筒状ATMFD谐振腔室构造的主要轴对称性，所以通过仅根 据中子通量对其进行处理，能够简化中子检测事件的概率。切断中子检测事件的概率与该 负压的相关性使得以基于平面（即，2 π)方式提供关于中子源的地址的方向性信息的量仅 取决于中子通量的振幅和能量。
[0053] 还可以设想球形ATMFD系统，该球形ATMFT系统在极化角和方位角方面呈现对称 性。这种系统的对称构造将切断中子检测事件的概率与负压的相关性，从而有助于产生方 向性信息（即，4 3〇。
[0054] 由于中子源的中子通量随着距离以及降能散射和吸收的程度的降低，所以最靠近 中子源的灵敏体积的侧自然具有相互作用位置的最高概率，并且因此，对于形成增加数量 的瞬间气泡具有最高概率。检测这些事件在检测器中的地址保证确定关于中子源的方向性 的信息。简化的ID模型示出ATMFD系统的功能，从而确定关于外部中子源的地址的信息， 并且将在下面的小节描述该简化ID模型。
[0055] 简化1D理论模型
[0056] ATMFD的灵敏体积中的中子通量是中子源与ATMFD之间的立体角和其检测液内的 中子的吸收和降能散射的函数。通过与检测器的对置侧处的通量进行比较，能够量化中子 源与ATMFD中的灵敏体积之间的立体角的作用。可以将ATMFD的灵敏体积表示为位于检测 器的中心的半径为r的筒状。然后，可以将这个灵敏体积分割为两半，一半面对中子源（')， 而另一半背对中子源（V 2)。假定在每个相应体积的中心呈现每个区域灵敏体积的平均通 量，则通过与每个相应体积内的中子通量进行比较，可以确定中子源的方向。
[0057]

【权利要求】
1. 一种用于确定入射中子辐射源的方向的中子检测系统，该中子检测系统包括微处理 器和含有液体的腔室，该腔室配置有：多个检测换能器，用于检测所述腔室中的气泡；以及 声换能器，用于在腔室内的液体中建立声张力亚稳状态；所述检测换能器配置有腔室，以接 收由所述腔室中的气泡获得的信号并且将该信号发送到微处理器，该信号足以使配置有算 法的所述微处理器确定所述气泡在所述腔室中的三维位置，以确定气泡在所述腔室中的位 置；声换能器配置有腔室，以使声波进入所述腔室的所述液体中，从而足以在所述液体中进 入声亚稳状态，从而在暴露在入射中子辐射中时足以使气泡成核，响应来自微处理器的信 号，进入声亚稳状态；以及处理器根据所述腔室中产生的气泡信号识别所述入射中子辐射 源的所述方向。
2. 根据权利要求1所述的中子检测系统，其中用于识别所述入射中子辐射源的所述方 向的所述微处理器确定所述气泡通过腔室液体的轨迹，所述气泡的原点在所述中子辐射源 的方向上。
3. 根据权利要求1所述的中子检测系统，其中用于识别所述入射中子辐射源的所述方 向的所述微处理器确定气泡事件在所述腔室液体中的密度，所述密度梯度的较密部分位于 所述中子辐射源的所述方向上。
4. 根据权利要求1所述的中子检测系统，其中所述腔室是球体并且所述方向是三维方 向。
5. 根据权利要求1所述的中子检测系统，其中所述系统包括至少两个腔室，并且所述 方向是三维方向。
6. 根据权利要求1所述的中子检测系统，还包括至少四个检测换能器。
7. 根据权利要求1所述的中子检测系统，其中所述装置对伽马光子灵敏。
8. 根据权利要求1所述的中子检测系统，其中所述装置对伽马光子和非中子宇宙背景 辐射灵敏。
9. 根据权利要求1所述的中子检测系统，还包括石英反射器。
10. 根据权利要求1所述的中子检测系统，其中至少一个声换能器是压电换能器。
11. 根据权利要求1所述的中子检测系统，其中至少一个声换能器是压电陶瓷换能器。
12. 根据权利要求1所述的中子检测系统，其中所述系统还包括线性放大器，用于将所 述声信号发送到所述声换能器。
13. 根据权利要求1所述的中子检测系统，其中所述系统还包括线性放大器，用于将所 述声信号发送到所述声换能器，对于所述腔室中的液体，所述信号是正弦声波。
14. 一种用于确定入射辐射方向的方法，该方法包括：获得权利要求1所述的中子检测 系统；施加声波，以使张力进入所述液体，使得入射中子辐射在所述液体中产生气泡；在所 述腔室内检测气泡；以及确定中子发射辐射源的所述方向。
15. 根据权利要求14所述的用于确定入射辐射的方向的方法，其中所述方法包括获得 一个系统。
16. 根据权利要求14所述的用于确定入射辐射的方向的方法，其中所述方法包括获得 多个系统。
17. 根据权利要求14所述的用于确定入射辐射的方向的方法，其中所述事件是气泡产 生的可听声音。
【文档编号】G01T5/00GK104094136SQ201280068801
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2012年12月13日 优先权日:2011年12月14日
【发明者】R·塔里雅克汗, B·阿卡姆博特 申请人:普度研究基金会