探测器、被动式中子源成像系统及方法

本公开涉及核，具体涉及一种探测器、被动式中子源成像系统及方法。

背景技术：

1、中子放射性材料的管理是国家安全的重要需求，中子源定位成像技术在打击核走私、特殊复合放射性物质运输监管等场景有重要应用。然而被动式中子源成像在物理过程和技术手段上都具有很大难度。其中，在物理过程上的难点主要有：(1)中子的探测与被动成像过程充满挑战，热中子和快中子的作用规律差别巨大，热中子能量低更容易沉积在探测器内，但难以对放射源进行准确定位，而快中子难以阻挡，穿透能力强，阻挡屏蔽厚，探测装置笨重尺寸较大。(2)中子与物质作用的机制也十分复杂，中子可与物质发生弹性散射、非弹性散射、俘获反应、各种放出带电粒子的反应及多粒子反应等，且在这些过程中产生复杂的次级粒子，产生许多次级能量。这也导致了中子作用点和沉积位置的空间分布复杂，对探测器的设计提出了挑战。

技术实现思路

1、(一)要解决的技术问题

2、为解决现有技术中所存在的上述技术问题至少之一，本公开提供了一种综合性能最优、能在最大程度上充分利用入射中子事件的信息且能够实现便携化的探测器、被动式中子源成像系统及方法。

3、(二)技术方案

4、本公开的一个方面提供了一种探测器，应用于被动式中子源成像，其中，包括多个探测单元模块，用于接收入射中子事件，其中，多个探测单元模块中的每个探测单元模块包括多个闪烁晶体单元，多个闪烁晶体单元相互排列分布构成三维阵列结构，其中，多个闪烁晶体单元包括n个吸收体单元和m个慢化体单元。n个吸收体单元用于在中子入射时发生吸收反应，实现入射中子能量的沉积；m个慢化体单元与吸收体单元相互排列分布，用于在中子入射时发生慢化反应，实现入射中子能量的沉积；其中，通过对n个吸收体单元中每个吸收体单元的中子沉积能量进行积分，以及对m个慢化体单元中每个慢化体单元的中子沉积能量进行积分，获取多个闪烁晶体单元的沉积能量总值，以用于确定每个探测单元模块的中子沉积能量分布，从而实现对中子源在4π范围内定位成像。

5、根据本公开的实施例，其中，n个吸收体单元中的每个吸收体单元的中子吸收截面比m个慢化体单元中的每个慢化体单元的中子吸收截面高；m个慢化体单元中的每个慢化体单元的中子散射截面比n个吸收体单元中的每个吸收体单元的中子散射截面高。其中，n≥3，和/或m≥3，且n，m为正整数。

6、根据本公开的实施例，三维阵列结构满足：入射热中子能够被靠近入射方向的吸收体直接吸收而不丢失信号；入射快中子能够在经过慢化体慢化后被吸收体吸收而不至于逃逸；其中，对于不同能量的中子，入射三维阵列结构之后的作用位置深度不同且有着不同的能量和计数分布，实现不同方向入射的4π全景探测，在不同位置发生反应的入射中子与相应的慢化体单元或吸收体单元反应，确保中子沉积能量分布与入射中子方向信息正相关。

7、根据本公开的实施例，n个吸收体单元的总体积为a；m个慢化体单元的总体积为b，三维阵列结构的总体积为c，且c≥a+b；其中，a和b满足：k＝b/a，且1/9≤k≤9；或者a、b和c满足：r＝a/c，s＝b/c，且0.1≤r＜1，0.1≤s＜1。

8、根据本公开的实施例，多个闪烁晶体单元中的每个闪烁晶体单元为长柱体结构，每个闪烁晶体单元的长柱体结构的高度h与其长度l或宽度d之间满足：h≥3l，和/或h≥3d。

9、根据本公开的实施例，多个探测单元模块相互排列布设构成三维阵列结构；其中，多个探测单元模块中存在至少两个探测单元模块在空间位置上的多个闪烁晶体单元的排列朝向不同。

10、本公开的另一方面提供了一种被动式中子源成像系统，其中，包括上述探测器、多个光电转换器、能量探测模块和分布重建模块。多个光电转换器与探测器的多个闪烁晶体单元中的每个闪烁晶体单元相耦合，以实现单通道读出每个闪烁晶体单元内的入射中子的沉积能量和中子数目；能量探测模块利用每个光电转换器对每个闪烁晶体单元入射中子的沉积能量进行积分，获取单个闪烁晶体单元一段时间内的沉积能量总值，并对中子入射后其能量通道响应数量进行筛选，从而确定探测器中的中子沉积能量分布和中子数分布；分布重建模块用于根据中子沉积能量分布和中子数分布，重建得到入射中子放射源的分布信息，以实现被动式中子源成像。

11、根据本公开的实施例，多个闪烁晶体单元中的每个闪烁晶体单元与多个光电转换器中的一个光电转换器相互耦合；和/或多个闪烁晶体单元中的至少两个闪烁晶体单元与多个光电转换器中的一个光电转换器相互耦合。

12、本公开的又一个方面提供了一种被动式中子源成像方法，应用于上述的被动式中子源成像系统，其中，包括：单通道读出上述探测器的多个闪烁晶体单元中的每个闪烁晶体单元内的入射中子的沉积能量和中子数目；对每个闪烁晶体单元入射中子的沉积能量进行积分，获取单个闪烁晶体单元一段时间内的沉积能量总值，并对中子入射后其能量通道响应数量进行筛选，从而确定探测器中的中子沉积能量分布和中子数分布；根据中子沉积能量分布和中子数分布，重建得到入射中子放射源的分布信息，以实现被动式中子源成像。

13、根据本公开的实施例，在根据中子沉积能量分布和中子数分布，重建入射中子放射源的分布信息中，包括：根据探测器中多个探测单元模块的每个探测单元模块中的中子沉积能量分布e和中子数分布y，以及预设总体系统能量传输矩阵p和总体系统计数传输矩阵q，重建中子源空间中的入射中子放射源的分布信息x，其中，满足：

14、

15、根据本公开的实施例，在对每个闪烁晶体单元入射中子的沉积能量进行积分，获取单个闪烁晶体单元一段时间内的沉积能量总值，并对中子入射后其能量通道响应数量进行筛选，剔除沉积能量通道响应数量小于3个的入射中子事件。

16、(三)有益效果

17、本公开提供了一种探测器、被动式中子源成像系统及方法。其中，该探测器可应用于被动式中子源成像，相对于传统的中子计数式等成像方案，本公开借助于上述探测器的独特成像物理结构设计和能量积分的方式，不仅对中子射线有较高的探测效率，还可以拥有较广的中子能量探测范围，其所能生成的能量分布信息能够增强入射中子射线携带的相关方向信息，且在4π立体角视野可探测到中子射线，实现了便捷地在4π空间中对放射源的准确定位，同时也实现了对中子探测成像功能的小型化、集成化和便携化。

技术特征：

1.一种探测器，应用于被动式中子源成像，其中，包括多个探测单元模块，用于接收入射中子事件，其中，多个探测单元模块中的每个探测单元模块包括：

2.根据权利要求1所述的探测器，其中，所述n个吸收体单元中的每个吸收体单元的中子吸收截面比所述m个慢化体单元中的每个慢化体单元的中子吸收截面高；所述m个慢化体单元中的每个慢化体单元的中子散射截面比所述n个吸收体单元中的每个吸收体单元的中子散射截面高；其中，n≥3，和/或m≥3，且n，m为正整数。

3.根据权利要求1所述的探测器，其中，所述三维阵列结构满足：

4.根据权利要求1所述的探测器，其中，

5.根据权利要求1所述的探测器，其中，

6.根据权利要求1所述的探测器，其中，

7.一种被动式中子源成像系统，其中，包括：

8.根据权利要求7所述的被动式中子源成像系统，其中，

9.一种被动式中子源成像方法，应用于权利要求7或8中所述的被动式中子源成像系统，其中，包括：

10.根据权利要求9所述的被动式中子源成像方法，其中，在所述根据所述中子沉积能量分布和中子数分布，重建入射中子放射源的分布信息中，包括：

技术总结
本公开提供了一种探测器、被动式中子源成像系统及方法。其中，该探测器可应用于被动式中子源成像，包括多个探测单元模块，每个探测单元模块包括多个闪烁晶体单元，其中多个闪烁晶体单元包括N个吸收体单元和M个慢化体单元。通过对N个吸收体单元中每个吸收体单元的中子沉积能量进行积分，以及对M个慢化体单元中每个慢化体单元的中子沉积能量进行积分，获取多个闪烁晶体单元的沉积能量总值，以用于确定每个探测单元模块的中子沉积能量分布，从而实现对中子源在4π范围内定位成像，不仅对中子射线有较高的探测效率，还可以拥有较广的中子能量探测范围，实现了便捷地在4π空间中对放射源的准确定位。

技术研发人员：马天予,吕振雷,刘亚强,刘凛康,胡一凡
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8