專(zhuān)利名稱(chēng)：中子和γ射線監(jiān)測(cè)器的制作方法
中子和Y射線監(jiān)測(cè)器
背景技術(shù)：
隨著恐怖主義的增長(zhǎng)，對(duì)于大規(guī)模殺傷性的放射性武器的有效探測(cè)器 或例如使用高原子量元素的用于屏蔽它們福射形式進(jìn)行探測(cè)的材料，存 在著日益增長(zhǎng)的需求。特別關(guān)注的三種武器是所謂的"臟彈"、鈾基原子
彈和钚基原子彈。例如，臟彈包含^i欠射性材料包裹的化學(xué)炸藥，放射 性材料在爆炸時(shí)擴(kuò)散，污染周?chē)?。能夠通過(guò)由臟彈發(fā)出的放射線、y和韌 致輻射這些最普遍的特征來(lái)探測(cè)臟彈。原則上能夠通過(guò)235u或238u的y 射線的鮮明特征來(lái)識(shí)別基于鈾的原子彈。來(lái)自武器級(jí)235u的輻射通量較
低，因此需要極好的效率和優(yōu)良的能量分辨率將235u和238u的特征y射 線與背景y射線和無(wú)害來(lái)源區(qū)別開(kāi)來(lái)。通過(guò)中子發(fā)射能夠探測(cè)钚基原子 彈。中子發(fā)射器是非常稀少的，因此高出中子背景水平數(shù)倍的中子源探 測(cè)可以作為存在钚的初步證據(jù)。
對(duì)于y射線和中子的探測(cè)從它們的發(fā)現(xiàn)追溯起來(lái)具有很長(zhǎng)的歷史。有 大量可以獲得的主題書(shū)籍和專(zhuān)論，例如，1999年由Wiley Press出版的 Glenn RKnoll的"Radiation Detection and Measurement"第三版，全書(shū)在此 被引入結(jié)合作為參考。直到最近，輻射探測(cè)器都還幾乎專(zhuān)門(mén)用于良性的 商業(yè)或研究應(yīng)用中。自從20世紀(jì)40年代后期，Nal (TI) —種最廣泛 使用的無(wú)機(jī)閃爍體問(wèn)世之后，已經(jīng)可以獲得具有良好效率和能量分辨率 的y射線設(shè)備?，F(xiàn)在有一些無(wú)機(jī)和有機(jī)閃爍體，以及一些半導(dǎo)體探測(cè)器， 例如高純度鍺，可以買(mǎi)到它們用于配置為適于各種應(yīng)用對(duì)高、低能量的y 射線探測(cè)。能夠通過(guò)例如光電倍增管、光電二極管和電荷耦合設(shè)備(CCD ) 等探測(cè)來(lái)自這些閃爍體的光。但是，這些探測(cè)器無(wú)法探測(cè)由足夠多的鉛、 鎢等高Z材料屏蔽的y射線源。在20世紀(jì)60年底初，也已經(jīng)能夠獲得 商業(yè)化的中子探測(cè)器。這些體積相當(dāng)龐大的探測(cè)熱中子的設(shè)備典型地用充有BF3或3He的比例氣體計(jì)數(shù)器來(lái)探測(cè)。典型地能夠用探測(cè)當(dāng)活躍的 中子與氫核彈性碰撞時(shí)產(chǎn)生的高度電離的質(zhì)子的可塑體和液體閃爍體來(lái) 測(cè)量高能中子。同樣也可以通過(guò)用含氫材料熱化或緩和中子的速度，并 用有效的熱中子探測(cè)器來(lái)探測(cè)所產(chǎn)生的熱中子，以判斷快速中子的存在。 含有鋰或蹦的可塑體或液體閃爍體是釆用此方法的探測(cè)器的例子。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)有的商業(yè)化輻射探測(cè)器仍然是基于40多年前發(fā)展起來(lái)的中子和y 探測(cè)技術(shù)。進(jìn)步之處在于已經(jīng)幾乎完全電子封裝和基于計(jì)算機(jī)對(duì)信息進(jìn) 行分析?？色@得的探測(cè)器技術(shù)仍然不滿(mǎn)足成本效益的習(xí)慣，國(guó)家安全需 要對(duì)放射性武器的探測(cè)，包括選擇性、效率、便攜性和對(duì)三種主要類(lèi)型 的放射性武器的探測(cè)。
在本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例中， 一種裝置包括新型的中子探測(cè)器，便于探 測(cè)例如钚等的中子發(fā)射源；y射線探測(cè)器，便于探測(cè)鈾等的y射線源。
通過(guò)使用本發(fā)明的裝置，能夠選擇性地探測(cè)滲透的中子輻射和y射線， 并進(jìn)行辨別。該裝置可以包括笫一光導(dǎo)，第二光導(dǎo)，以及夾在第一和第 二光導(dǎo)之間的對(duì)于入射的光子不透明的中子閃爍體板。該第一光導(dǎo)能夠 光學(xué)耦合到第一光學(xué)探測(cè)器，該第二光導(dǎo)能夠光學(xué)耦合道第二光學(xué)探測(cè) 器。該第二光導(dǎo)可以包含y射線閃爍體材料。
該光導(dǎo)能夠使快速中子熱化，使得它們被該中子閃爍體捕獲，產(chǎn)生可 見(jiàn)光。該熱化光導(dǎo)可以包含熱化快速中子的含氫材iH"。例如，光導(dǎo)可以 包含至少?gòu)乃⒂袡C(jī)溶劑、礦物油和有機(jī)聚合物中選擇的至少一種材料。
該中子閃爍體可以包含熱中子捕獲同位素成分和一旦該捕獲同位素 暴露于熱中子中就閃爍的閃爍體成分。該捕獲同位素的例子包括61^、1(^、 113Cd和157Gd。該中子閃爍體成分的例子包括6LiF和ZnS。
該y射線閃爍體可以包含選自例如可塑體或液體閃爍體的含氫材料， 或例如Nal(Tl)、 CsI(Tl)、 BGO、 BaF2、 LSO和CdW04的無(wú)機(jī)閃爍體的 材料。該裝置可以進(jìn)一步包括指示來(lái)自該第一光學(xué)探測(cè)器和該第二光學(xué)探 測(cè)器的信號(hào)同時(shí)發(fā)生的處理器。如果該處理器指示來(lái)自該第一光學(xué)探測(cè) 器和該第二光學(xué)探測(cè)器的信號(hào)同時(shí)發(fā)生，則該設(shè)備將所探測(cè)的輻射劃歸
為中子。如果該處理器指示來(lái)自該第二光學(xué)探測(cè)器的信號(hào)，而不是一個(gè) 同時(shí)來(lái)自該第一光學(xué)探測(cè)器的信號(hào)，就能夠探測(cè)到Y(jié)射線。
該裝置可以進(jìn)一步包括連接到該處理器的顯示器，用于顯示輻射探測(cè) 結(jié)果。
該裝置能夠適于手持。
該裝置可以進(jìn)一步包括多個(gè)插在多個(gè)光導(dǎo)板之間的中子閃爍體板。


本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)勢(shì)通過(guò)下面在用相似參考標(biāo)號(hào) 表示各個(gè)不同視圖中的相同部分的附圖中表示的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的更 詳細(xì)說(shuō)明會(huì)變得更清楚。這些附圖不必按比例繪制，而是把重點(diǎn)放在說(shuō) 明本發(fā)明的原則上。
圖1是本發(fā)明設(shè)備的一種實(shí)施例的示意圖。
圖2是本發(fā)明設(shè)備的另一種實(shí)施例的示意圖。 圖3是本發(fā)明設(shè)備的又一種實(shí)施例的示意圖。 圖4是本發(fā)明設(shè)備的再一種實(shí)施例的示意圖。 圖5是本發(fā)明設(shè)備的又一種實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面是對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的說(shuō)明。
圖1表示裝備用于探測(cè)Y射線和中子的選擇性探測(cè)裝置100。在第一 光導(dǎo)102和第二光導(dǎo)106之間夾有對(duì)引入的光子不透明的中子閃爍休板 110。該第二光導(dǎo)106包括Y射線閃爍體材料107。光學(xué)探測(cè)器104直接 地或者如圖1所示通過(guò)光纖103耦合到該第一光導(dǎo)102。設(shè)置光學(xué)探測(cè)器104以探測(cè)來(lái)自中子閃爍體板110并由光導(dǎo)102引導(dǎo)的閃爍。光學(xué)探測(cè)器 108耦合到光導(dǎo)106。類(lèi)似于光學(xué)探測(cè)器104，光學(xué)探測(cè)器108可以直接 地或者如圖1所示通過(guò)光纖103耦合到該笫二光導(dǎo)106。裝置100可以選 擇性地用減速劑116覆蓋，該減速劑可以是一種進(jìn)一步提升快速中子熱 化的材料。
可以將探測(cè)器104和108耦合到能夠提供數(shù)據(jù)的獲取、控制和輸出 的處理器112?？梢杂蔑@示器114實(shí)現(xiàn)輸出。
在裝置100的操作中，如果該裝置暴露在中子輻射中，中子閃爍體 板110產(chǎn)生光子，通過(guò)光導(dǎo)102和106傳播到第一光學(xué)探測(cè)器104和第 二光學(xué)探測(cè)器108，因此，處理器112指示來(lái)自該第一光學(xué)探測(cè)器和該第 二光學(xué)探測(cè)器信號(hào)的同時(shí)發(fā)生。由此，如果處理器112指示來(lái)自光學(xué)探 測(cè)器104和光學(xué)探測(cè)器108的信號(hào)同時(shí)發(fā)生，就將被探測(cè)的輻射劃歸為 中子。當(dāng)裝置IOO暴露在Y輻射中時(shí)，在光導(dǎo)105中的y射線閃爍體材料 107能夠產(chǎn)生和在板IIO中來(lái)自中子相互作用的相同大小的光通量。因?yàn)?中子閃爍體板110對(duì)于引入的光子實(shí)際上是不透明的(在典型的閃爍體 板中的光衰減為70倍的因子)，響應(yīng)于y輻射產(chǎn)生的光子將僅僅通過(guò)光 導(dǎo)106傳播，并將由第二光學(xué)探測(cè)器108而不是由第一光學(xué)探測(cè)器104 來(lái)探測(cè)。處理器112將不會(huì)指示來(lái)自第一光學(xué)探測(cè)器和第二光學(xué)探測(cè)器 信號(hào)的同時(shí)發(fā)生。由此，如果處理器112指示來(lái)自光學(xué)探測(cè)器108而不 是來(lái)自光學(xué)探測(cè)器104的信號(hào)，則將被探測(cè)的輻射劃歸為y射線。
在一些實(shí)施例中，當(dāng)裝置100暴露在y輻射中時(shí)，在閃爍體板110 中將存在一些在光導(dǎo)102和含有閃爍體材料的光導(dǎo)106中都引起閃爍光 的相互作用。與來(lái)自中子相互作用的響應(yīng)相比，中子閃爍體板110對(duì)y 射線的響應(yīng)時(shí)非常微弱的，并且其很容易被區(qū)分，正如在美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng) No.10/861332，現(xiàn)已在美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)20050023479種公開(kāi)的內(nèi)容中 所述。
因此，在一種實(shí)施例中，裝置100可以同時(shí)獨(dú)立地對(duì)中子和Y射線 進(jìn)行計(jì)數(shù)。例如，在大于108: 1的水平上能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)Y射線和中子的區(qū)能夠很容易從本領(lǐng)域公知的用于手持輻射探測(cè)儀器的電子控制器，
例如，在商業(yè)化的X射線熒光單元(Xli、 Niton、 LLC、 Billerica、 Massachusetts)中的獲取、控制和顯示系統(tǒng)，改裝得到處理器112。典型 地，裝置100是適于手持的，例如，所有部件能夠包含在一個(gè)具有總重 量小于大約2.5kg或更典型地小于大約1.5kg的單獨(dú)的緊湊單元中。
中子閃爍體no高效地阻止熱中子并產(chǎn)生從閃爍體板的兩面發(fā)射的 光子。正如在此所使用的，熱中子是具有kT級(jí)動(dòng)能的中子，其中k是玻 耳茲曼常數(shù)，T是周?chē)h(huán)境的開(kāi)氏溫度；快速中子是具有大于kT動(dòng)能的 中子，典型地要大出很多，例如，在數(shù)千至數(shù)百萬(wàn)電子伏的范圍內(nèi)。典 型地，中子閃爍體110的材料能夠具有探測(cè)熱中子的優(yōu)良效率和用于探 測(cè)X射線或Y射線的很小效率。這樣的材料包含耦合到閃爍成分的熱中 子捕獲同位素， 一旦將該捕獲同位素暴露在熱中子中該閃爍成分就會(huì)閃 爍。該捕獲同位素可以是本領(lǐng)域公知的任一熱中子捕獲同位素，例如ti、 1GB、 113Cd、 157Gd，等，通常為ti或WB，或者更典型地為ti。該閃爍 成分可以是本領(lǐng)域公知的響應(yīng)于捕獲同位素捕獲熱中子的反應(yīng)產(chǎn)物耳閃 爍的任何成分。例如，該閃爍成分可以是ZnS。該中子閃爍體110的材料 可以是捕獲同位素何閃爍成分的任意組合，例如，包含與ZnS組合的6Li、 1GB、 113Cd、 157Gd中的至少一種的混合物。典型地，該中子閃爍體是SLiF 和ZnS的組合物。例如，在多種實(shí)施例中，中子閃爍體110是商業(yè)可得 的由LiF和ZnS的混合物制成大約0.5mm厚的屏幕材料(Applied Scintillation Technologies, Harlow、英國(guó))。鋰是富含同位素6Li的，橫截 面為940靶恩用來(lái)捕獲熱中子并立刻分解成氦核4He和氖核3H的同位素， 釋^L的總能量為4.78兆電子伏。高能的o^立子和氤核在ZnS中失去能量， 從而引起它閃爍，當(dāng)a粒子和氚核停止移動(dòng)的時(shí)候每兆伏能量損失發(fā)射大 約5萬(wàn)個(gè)光子。因此，每個(gè)被捕獲的中子產(chǎn)生數(shù)十萬(wàn)個(gè)光子的可能性很 高。
優(yōu)選地，光導(dǎo)102和閃爍體-光導(dǎo)106可以用含氫材料制成，熱化 快速中子使得該裝置成為緊湊、有效率的快速中子探測(cè)器。
可以添加任選的用熱化快中在的材料制成的中子減速劑116，以進(jìn)一步增加探測(cè)快速中子的效率。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)知道許多適當(dāng)?shù)臏p速 劑材料而且能選擇減速劑材料、厚度和位置，以使中子探測(cè)效率達(dá)到最
大值，同時(shí)將探測(cè)Y射線的效率的任何損失降到最低。例如，典型的中 子減速劑是含氫的材料，例如，水、有機(jī)溶劑(醇、醚(例如，二乙醚、 四氫呋喃)、酮(例如，丙酮、丁酮)、烷(例如，己烷、癸烷)、乙腈、 N，N'-二甲基曱酰胺、二甲基亞砜、苯、甲苯、二曱苯等)、油和臘(例如， 礦物油、石蠟等)、有機(jī)聚合物(例如，聚鏈烷(例如，聚乙烯、聚丙稀 等)、聚酯、聚亞乙烯基(例如，聚氯乙稀)、聚丙烯酸脂(例如，聚曱 基丙烯酸甲脂)、聚苯乙烯、聚烷基硅氧烷(例如，聚二曱基硅氧烷)等)、 水或有機(jī)溶劑與有機(jī)聚合物的組合物或凝膠(例如，明膠、聚丙烯酸、 透明質(zhì)酸的水凝膠，等)和許多這樣的本領(lǐng)域已知的其他的減速劑。
例如，在一些實(shí)施例中，減速劑116可以是用有機(jī)聚合物，例如高 密度聚乙烯制成的，而且能夠被放在裝置100之上以便緩和(熱化)進(jìn) 來(lái)的快速中子，以致它們能被中子閃爍體110有效捕獲。在其他的實(shí)施 例中，減速劑116可以是保持厚度適當(dāng)?shù)囊粚痈采w裝置100的液體減速 劑(例如，水、有機(jī)溶劑、水凝膠等)的容器。在各種不同的實(shí)施例中， 中子減速劑中的氫核在211同位素方面可以是富集的，即，減速劑中H的 分?jǐn)?shù)在天然富集水平以上。在一些實(shí)施例中，至少大約50%,更典型地 至少大約90%,或優(yōu)先在中子減速劑中至少大約95%的氫核是211同位 素。
除了向光學(xué)探測(cè)器104和108引導(dǎo)閃爍光子以外，光導(dǎo)102和106 還能任選地充當(dāng)快速中子的減速體或熱化體，因此使它們減速轉(zhuǎn)化成熱 能，使得它們能夠被中子閃爍體110有效地捕獲。因此，光導(dǎo)102和106 可以包括上述的能滿(mǎn)足透明度判斷的任何中子減速劑，例如，典型的含 氫材料，例如水、有機(jī)溶劑、透明的有機(jī)聚合物(例如，聚丙烯酸樹(shù)脂、 聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚烷基硅氧烷)、水或有機(jī)溶劑與聚合物、礦物油 的組合物或凝膠，等。通常，光導(dǎo)102和106的材料可以是固體，例如， 有機(jī)聚合物，通常是聚丙稀酸酯，例如，在一些實(shí)施例中，是聚曱基丙 烯酸甲酯。在各種不同的實(shí)施例中，在光導(dǎo)102和106的材料中，氬核在211同位素方面可以是富集的，即，減速劑中2H的分?jǐn)?shù)在天然富集水
平以上。在一些實(shí)施例中，至少大約50%,更典型地至少大約90%，或 優(yōu)先在中子減速劑中至少大約95 %的氫核是2H同位素。
光導(dǎo)106可以包含任何本領(lǐng)域公知的各種y射線閃爍材料107。這樣 的材料例如包括用鉈摻雜的碘化鈉(Na(Tl))、用鉈摻雜的碘化銫 (CsI(Tl))、鍺酸鉍(BGO )、氟化鋇(BaF2 )、用銫摻雜的硅酸镥(LSO(Ce))、 鴒酸鎘(CWO)、用鈰摻雜的釔鋁鈣鈦礦(YAP(Ce))、用鈰摻雜的硅酸 釓(GSO)等等。例如，(Na(Tl))可以是快速中子、有效和廉價(jià)的，但 是可能是吸濕的并且通常對(duì)潮氣是密封的。例如BaF2、 BGO或LSO之 類(lèi)不吸濕的晶體也可以使用。這樣的材料通常是為高效率地探測(cè)來(lái)自臟 彈的y射線而選擇的；例如，來(lái)自(往往作為臟彈的輻射威脅引用的)137Cs 的662keVy射線在能產(chǎn)生大約10000個(gè)可探測(cè)的光子的2.5cm ( —英寸) 厚的lso晶體中能有超過(guò)80%的吸收效率。通常，y射線閃爍體包含 Na(Tl)、 CsI(Tl)、 BGO、 BaF2、 LSO或CdW04之一，或者更典型地是BGO、 BaF2、 LSO。在一些實(shí)施例中，Y射線閃爍體是BaF2，而在其他的實(shí)施例 中，y射線閃爍體是LSO。
光導(dǎo)106可以是例如可塑體閃爍體或液體閃爍體的含氫閃爍體。含 氫閃爍體具有單色y射線的極低能量分辨率，因此不適于識(shí)別Y射線源， 但是它們非常適于并且廣泛用于對(duì)存在電離輻射的報(bào)警并提供該輻射劑 量，即輻射量強(qiáng)度的準(zhǔn)確測(cè)量。
Y射線閃爍材料107和光導(dǎo)106能夠?qū)τ谌魏伍W爍事件產(chǎn)生的光波都 是透明的。正如在此使用的那樣，術(shù)語(yǔ)"透明的"和"透明度，，指的是在光(例 如，閃爍光)的材料中每單位路徑長(zhǎng)度的透射率。典型地，對(duì)閃爍光透 明的材料的閃爍透射率為每米材料至少大約90%， 一般為大約95%，更 典型地大約98%。典型地，#皮透射的閃爍在從大約400納米(nm)到大 約600nm的范圍中，通常從大約350nm到大約600nm,或更典型地為從 大約300nm到大約600nm。因此，在一些實(shí)施例中，透明材料(例如， 光導(dǎo)、y射線閃爍體等等)在大約350nm至大約600nm之間的閃爍透射 率為大約95%/米，或更典型地透射在大約300nm至大約600nm之間的閃爍的大約98%。
如上所述，中子閃爍體板110對(duì)于y射線閃爍材料107產(chǎn)生的光子 基本上是不透明的，由此阻擋了這樣的光子被探測(cè)器104探測(cè)到。
在各種不同的實(shí)施例中，中子閃爍體板110和光導(dǎo)102以及106各 自的折射指數(shù)可能在同一范圍內(nèi)，例如，介于大約1.4至大約2.4之間， 或者更典型地介于大約1.5至大約1.8之間，而且通常為了使在閃爍體110 和光導(dǎo)102和106之間的界面的反射最少，可能被選定為兩者類(lèi)似。
本發(fā)明設(shè)備的一種可選擇實(shí)施例是如圖2所示的裝置200。裝置200 包括多個(gè)中子閃爍體板(作為一種非限制性的例子，如圖所示兩個(gè)中子 閃爍體210a至210b)，其插入到多個(gè)光導(dǎo)板(作為非限制性的例子，如 圖所示，三個(gè)光導(dǎo)板202a、 202b和202c)。類(lèi)似于圖1中所示的裝置100 的光導(dǎo)106，光導(dǎo)206包括Y射線閃爍材料207。光導(dǎo)202a和202b光學(xué) 耦合到光學(xué)探測(cè)器204a和204b,而光導(dǎo)206光學(xué)耦合到光學(xué)探測(cè)器208。 將光導(dǎo)202a、 202b和206b耦合到探測(cè)器204a、 204b和208的裝置可以 任選地包括光纖203。
探測(cè)器204和208能夠耦合到處理器212(在此示出的疊加有其操作 的邏輯配置，下文中有說(shuō)明)，該處理器212能夠提供數(shù)據(jù)的獲取、控制 和輸出。輸出能夠由顯示器214實(shí)現(xiàn)。中子閃爍體板210a和210b對(duì)于 由y射線閃爍材料207產(chǎn)生的光子基本上是不透明的，由此阻擋了探測(cè) 器204探測(cè)這樣的光子。
以下是在裝置200的操作過(guò)程中釆用的處理器212的邏輯。
如果中子撞擊中子閃爍體板210a，則該事件產(chǎn)生的光子通過(guò)光導(dǎo) 202a和202b傳播，并由探測(cè)器204a和204b探測(cè)。來(lái)自探測(cè)器204a和 204b的信號(hào)傳播到"中子探測(cè)器"部分252，該部分使顯示驅(qū)動(dòng)器270產(chǎn) 生要在顯示器214上顯示的指示探測(cè)到中子的信號(hào)。
如果中子撞擊中子閃爍體板210b，則該事件產(chǎn)生的光子通過(guò)光導(dǎo) 202b和206傳播，并由探測(cè)器204b和208探測(cè)。將由同時(shí)發(fā)生計(jì)數(shù)器 254探測(cè)來(lái)自探測(cè)器204b和208的信號(hào)存在。同時(shí)發(fā)生計(jì)數(shù)器254將打開(kāi)"正常關(guān)閉"門(mén)256，并關(guān)閉"正常打開(kāi)，，門(mén)258。來(lái)自"正常關(guān)閉"門(mén)"6 傳播的信號(hào)會(huì)傳播到"中子探測(cè)器"部分252,這部分將使顯示器驅(qū)動(dòng)器 270產(chǎn)生要在顯示器214上顯示的探測(cè)到中子的信號(hào)。
如果Y射線在光導(dǎo)206中撞擊閃爍材料207，則只有探測(cè)器208會(huì)產(chǎn) 生信號(hào)，信號(hào)會(huì)通過(guò)"正常打開(kāi)"門(mén)258傳播到'V探測(cè)器"部分260,在沒(méi) 有來(lái)自"中子探測(cè)器，，部分252的信號(hào)的情況下，260部分會(huì)使顯示器驅(qū)動(dòng) 器270產(chǎn)生要在顯示器214上顯示的指示探測(cè)到y(tǒng)射線的信號(hào)。
圖3中所示的裝置400是本發(fā)明裝置的一種可選擇實(shí)施例。裝置400 包括多個(gè)中子閃爍體板(作為非限制性的例子，示出了三個(gè)中子閃爍體， 410a至410c)，它們插入多個(gè)光導(dǎo)板(作為非限制性的例子，示出了四 個(gè)光導(dǎo)板，402a、 402b、 406a和406b )中。光導(dǎo)406a和406b包括y射 線閃爍材料407。在裝置400中，光導(dǎo)402a和402b與光導(dǎo)406a和406b 相互交替(interleaf )。中子閃爍體板410a至410d對(duì)于由y射線閃爍材料 407產(chǎn)生的光子基本上是不透明的，由此阻擋探測(cè)器404探測(cè)這樣的光子。
在圖3中所示的裝置400實(shí)施例中，光導(dǎo)402a和402b光學(xué)耦合到 光學(xué)探測(cè)器404,而光導(dǎo)406a和406b光學(xué)耦合到光學(xué)探測(cè)器408。用于 光學(xué)耦合的裝置可以包括可選的光纖403。如果存在來(lái)自光學(xué)探測(cè)器408 的信號(hào)，而沒(méi)有來(lái)自光學(xué)探測(cè)器404的信號(hào)，處理器412探測(cè)Y射線。 如果存在在預(yù)定水平之上的來(lái)自光學(xué)探測(cè)器408和光學(xué)探測(cè)器404同時(shí) 的信號(hào)，處理器412^1測(cè)中子。
在圖4中所示的裝置500是本發(fā)明裝置的一種可選擇實(shí)施例。裝置 500包括多個(gè)中子閃爍體板(作為非限制性的例子，示出了兩個(gè)中子閃爍 體，510a和510b )，它們插入多個(gè)光導(dǎo)板(作為非限制性的例子，示出 了四個(gè)光導(dǎo)板，502a、 502b、 506a和506b )中。光導(dǎo)506a和506b包括 Y射線閃爍材料507。在裝置500中，光導(dǎo)502a和502b與光導(dǎo)506a和 506b相互交替。中子閃爍體板510a至510d對(duì)于y射線閃爍材料507產(chǎn) 生的光子基本上是不透明的。
在圖4所示的裝置500的實(shí)施例中，光導(dǎo)502a和502b通過(guò)光導(dǎo)520光學(xué)耦合到光學(xué)探測(cè)器504,而光導(dǎo)506a和506b通過(guò)光導(dǎo)522光學(xué)耦合 到光學(xué)探測(cè)器508。不透明的部件526阻止來(lái)自光導(dǎo)502a和502b的光子 進(jìn)入光導(dǎo)522。類(lèi)似的，不透明的部件524阻止來(lái)自光導(dǎo)506a和506b的 光子進(jìn)入光導(dǎo)520。在一種實(shí)施例中，不透明部件520和524可以是光導(dǎo) 502a、 502b、 506a和506b上的反射涂層。
如果存在來(lái)自光學(xué)探測(cè)器508的信號(hào)，但是沒(méi)有來(lái)自光學(xué)探測(cè)器504 的信號(hào)，則處理器512探測(cè)y射線。如果存在在預(yù)定水平之上的來(lái)自光 學(xué)探測(cè)器508和光學(xué)探測(cè)器504的信號(hào)，則處理器探測(cè)中子。可以由顯 示器514實(shí)現(xiàn)輸出。
如上所述，在將來(lái)自y射線源的假報(bào)警減到最少的同時(shí)，對(duì)于探測(cè) 中子源，例如，钚來(lái)說(shuō)，優(yōu)先于Y射線而選擇中子可能是必要的。例如， 一個(gè)現(xiàn)行的安全標(biāo)準(zhǔn)需要能在2米距離探測(cè)出0.455公斤(l磅)钚的中 子探測(cè)器。0.455公斤(1磅)的钚每秒發(fā)出大約20000個(gè)快速中子。在 2米處，每秒越過(guò)每平方厘米探測(cè)器的中子最多有0.04個(gè)。如果本發(fā)明 的裝置能夠獲得的探測(cè)中子的效率為50%，則計(jì)數(shù)率僅僅為0.02/秒/cm2。 如果用于探測(cè)y射線的效率為10—3,則來(lái)自適度來(lái)源的20Y射線/秒/cm2 將給出與來(lái)自0.455公斤(l磅)钚的中子相同的信號(hào)，并且觸發(fā)報(bào)警。 即使是強(qiáng)y射線源，探測(cè)y射線的效率僅僅為2xl0^的本發(fā)明裝置通常 也不會(huì)被誤導(dǎo)。事實(shí)上，除非y射線源本身存在嚴(yán)重?fù)p害健康的危險(xiǎn)， 否則本發(fā)明的裝置通常將不會(huì)按與中子/钚安全標(biāo)準(zhǔn)相同的標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)y射 線源。
本發(fā)明的裝置與傳統(tǒng)的3He探測(cè)器相比還具有其他實(shí)際優(yōu)點(diǎn)。除非 4皮厚厚的中子減速劑，例如在許多市售儀器中所使用的那樣，用5cm厚 的高密度聚乙烯覆蓋物包圍著，否則市售的SHe探測(cè)器通常只有大約10 %的中子探測(cè)效率。所公開(kāi)的中子探測(cè)器由于具有光導(dǎo)提供的內(nèi)在的中 子減速，能夠在沒(méi)有高密度聚乙烯覆蓋物的情況下有大約40%的效率。 此外，如果有必要實(shí)現(xiàn)充分減速的3He探測(cè)器的效率，所公開(kāi)的中子探 測(cè)器能夠使用薄得多的減速劑(例如，聚乙烯)以獲得充分的減速。因 此，在此公開(kāi)的探測(cè)器能夠比相同效率的市售^e探測(cè)器輕得多，這對(duì)于使裝置適于手持使用是至關(guān)重要的。
同時(shí)，本發(fā)明的裝置能夠非常堅(jiān)固并且可以沒(méi)有運(yùn)輸限制。3He探測(cè) 器包含壓力通常在大約2到4個(gè)大氣壓的同位素^e。在許多情況下，運(yùn) 輸條件要求用專(zhuān)用程序來(lái)運(yùn)輸這樣的探測(cè)器。
同時(shí)，市售的31^探測(cè)器局限于從+ l(TC到+ 50°。的操作溫度范圍， 而且在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，探測(cè)器仍然能夠受到溫度變化的影響。本發(fā)明 的裝置能夠在至少大約-10。C到大約5(TC范圍內(nèi)對(duì)溫度變化是不敏感 的。
另 一優(yōu)勢(shì)在于所公開(kāi)的尺寸大到足以滿(mǎn)足國(guó)家安全需要的探測(cè)器比 市售的效率相當(dāng)?shù)?He探測(cè)器便宜，因?yàn)榭杀鹊牟牧?，例如中子閃爍體 板的成本比傳統(tǒng)探測(cè)器中的3He的成本相比通常要便宜得多。
圖5表示根據(jù)本發(fā)明的中子探測(cè)方案中一個(gè)方面所構(gòu)成的中子探測(cè) 器裝置550的示意形式，該探測(cè)器能夠以109: 1的水平拒絕Y射線，也 就是說(shuō)，對(duì)于每109的Y射線有小于1的y射線會(huì)進(jìn)入裝置550。裝置550 包^fe層疊在第一光導(dǎo)560a和第二光導(dǎo)560b之間的中子閃爍體555。第一 和第二光導(dǎo)560a和560b可以由任何適當(dāng)材料或在所關(guān)注波長(zhǎng)上基本上 光學(xué)透明的材料組合制成。在一種具體執(zhí)行中，第一和第二光導(dǎo)560a和 560b包含氫材料(例如水、有機(jī)溶劑、礦物油或有機(jī)聚合物)以熱化從 中通過(guò)的快速中子，以便于在閃爍體555內(nèi)捕獲這些中子。盡管將中子 閃爍體555和光導(dǎo)560a和560b表示為具有大致平面的形狀，但是裝置 550并不僅限與此，而是可以按照包括圓柱體布置的可選擇形狀構(gòu)成，其 中在圓柱體布置情況下，中子閃爍體和波導(dǎo)形成為同軸的圓柱殼層。第 一和第二光導(dǎo)560a和560b分別光學(xué)耦合到第一和第二光學(xué)探測(cè)器580a 和580b?？梢允褂霉饫w575a和575b,或者作為替代可以利用塊狀(bulk) 光學(xué)部件實(shí)現(xiàn)每個(gè)波導(dǎo)和相應(yīng)探測(cè)器的光學(xué)耦合。將光學(xué)探測(cè)器580a和 580b配置為分開(kāi)和獨(dú)立的，使得第一光學(xué)探測(cè)器580a探測(cè)從第一光導(dǎo) 560a而不是從第二光導(dǎo)560b發(fā)出的光，第二光學(xué)探測(cè)器580b探測(cè)從第 二光導(dǎo)560b而不是從第一光導(dǎo)560a發(fā)出的光。將第一和第二光學(xué)探測(cè) 器580a和580b產(chǎn)生(對(duì)于其上所接收光的響應(yīng))的信號(hào)傳送到處理器585,處理器585包括用于確定所接收的信號(hào)在時(shí)間上是否同時(shí)發(fā)生的電 路或邏輯。
如上所述，中子閃爍體555可以由捕獲同位素(例如6LiF)和閃爍 體(例如ZnS )成分的組合物制成。為了提供對(duì)于y射線和其他輻射形式 的辨別，中子閃爍體555應(yīng)當(dāng)由對(duì)于這樣的非中子輻射基本上不敏感(即， 不發(fā)射響應(yīng)其上入射的光)的材料制成。在使用中，在中子閃爍體555 內(nèi)捕獲中子造成發(fā)光。如箭頭570a和570b所示，在朝著第一光導(dǎo)560a 的第一方向和朝著第二光導(dǎo)560b的第二方向中均發(fā)光。在與圖5實(shí)施例 有關(guān)的說(shuō)明中使用的術(shù)語(yǔ)"方向"，是指所發(fā)射的光的傳播部分相對(duì)于中 子閃爍體555沿著;f黃向于閃爍體和光導(dǎo)確定的平面的軸，這樣該第一和 第二方向就是相反的。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到所發(fā)射的光的一部分也會(huì)具有平行于 這些平面?zhèn)鞑サ牟糠帧?br> 由中子閃爍體產(chǎn)生并向第一光導(dǎo)570a發(fā)射的光的至少一部分會(huì)由此 被捕獲，并沿著第一光導(dǎo)570a的長(zhǎng)度方向向第一光學(xué)探測(cè)器580a傳送。 類(lèi)似地，由中子閃爍體產(chǎn)生并向第二光導(dǎo)570b發(fā)射的光的至少一部分會(huì) 由此纟皮捕獲，并沿著第二光導(dǎo)570b的長(zhǎng)度方向向第二光學(xué)探測(cè)器580b 傳送。由此，在中子閃爍體555中的中子捕獲事件將產(chǎn)生光，光^R引向 第一和第二光學(xué)探測(cè)器580a和580b。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，因?yàn)橹凶娱W爍體555 沒(méi)有神皮設(shè)計(jì)為光學(xué)透明的，因此將削弱從中傳播的光，通常被光導(dǎo)中的 一個(gè)捕獲(并由相應(yīng)的光學(xué)探測(cè)器探測(cè))的光強(qiáng)會(huì)比由另一個(gè)光導(dǎo)捕獲 的要大。例如，如果在靠近中子閃爍體555和第一光導(dǎo)560a之間的界面 處捕獲中子，由于通過(guò)中子閃爍體555傳送一個(gè)較長(zhǎng)的距離到第二光導(dǎo) 5Mb引起增大的削弱作用，因此由第一光導(dǎo)560a捕獲并傳播到第一光學(xué) 探測(cè)器580a的光強(qiáng)會(huì)明顯大于由第二光導(dǎo)560b捕獲并傳播到第二光學(xué) 探測(cè)器5801)的光強(qiáng)。但是，即使信號(hào)強(qiáng)度是不相同的，中子捕獲事件仍 然會(huì)導(dǎo)致光學(xué)探測(cè)器580a和580b產(chǎn)生時(shí)間同時(shí)發(fā)生信號(hào)。
處理器585連續(xù)地或周期性地從第一和第二光學(xué)探測(cè)器580a和580b 獲取信號(hào)并檢查所獲取的信號(hào)是否在時(shí)間上同時(shí)發(fā)生。如果其確定存在 時(shí)間同時(shí)發(fā)生，則該處理器585記錄一個(gè)中子探測(cè)事件并給計(jì)數(shù)器增數(shù)或執(zhí)行一個(gè)等同操作。相反地，如果處理器585確定從光學(xué)探測(cè)器之一
接收的信號(hào)沒(méi)有伴隨有來(lái)自另 一 光學(xué)探測(cè)器的時(shí)間上同時(shí)發(fā)生的信號(hào)
(這可能是由探測(cè)器噪聲或雜散光源造成的)，則處理器585忽視該信號(hào)， 并不記錄中子探測(cè)事件。
在圖5實(shí)施例的變型中，中子探測(cè)器裝置可以利用從兩個(gè)光導(dǎo)570a 和570b接收光的單個(gè)的光電倍增管(PMT)或其他光學(xué)探測(cè)器裝置構(gòu)成。 可以通過(guò)向PMT產(chǎn)生的信號(hào)提供閾值來(lái)實(shí)現(xiàn)在中子捕獲和其它事件(例 如，Y射線入射)引起的閃爍之間進(jìn)行區(qū)分。對(duì)于中子捕獲事件，極有可 能向兩個(gè)光導(dǎo)發(fā)射光子，并且所發(fā)射的光子將加到通常為幾個(gè)納秒的 PMT的時(shí)間窗口中。與此相對(duì)照，由Y射線相互作用產(chǎn)生的光子^^及有可 能會(huì)只向光導(dǎo)中的一個(gè)發(fā)射，由此在PMT上產(chǎn)生較弱的信號(hào)。已經(jīng)觀測(cè) 到這一技術(shù)能夠在108: 1的水平上拒絕Y射線。
技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離由所附權(quán)利要求書(shū)限定的本發(fā)明范圍的情 況下，可以在形式和具體細(xì)節(jié)上進(jìn)行各種變化。
權(quán)利要求
1、一種用于選擇性輻射探測(cè)的裝置，包括與第一光學(xué)探測(cè)器光學(xué)耦合的第一光導(dǎo)；與第二光學(xué)探測(cè)器光學(xué)耦合的第二光導(dǎo)，所述第二光導(dǎo)包括γ射線閃爍體材料；和對(duì)于入射光子不透明的中子閃爍體板，所述中子閃爍體板夾在所述第一和第二光導(dǎo)之間。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光導(dǎo)熱化快速中子，使得 它們被所述中子閃爍體捕獲，產(chǎn)生光。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述光導(dǎo)包括熱化快速中子的 含氫材料。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中所述光導(dǎo)包括從水、有機(jī)溶劑、 礦物油和有機(jī)聚合物中選擇的至少 一種材料。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述中子閃爍體包括熱中子捕 獲同位素成分和在所述捕獲同位素暴露于熱中子時(shí)就閃爍的閃爍體成分。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述Y射線閃爍體包括可塑體閃 爍體或液體閃爍體。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述捕獲同位素從61^、 1()B、 113Cd 和"7Gd中選擇。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述中子閃爍體包括6LiF和ZnS。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述Y射線閃爍體包括從Na(Tl)、 CsI(Tl)、 BGO、 BaF2、 LSO和CdW04中選擇的材料。
10、 根據(jù)權(quán)利要求r所述的裝置，進(jìn)一步包括指示來(lái)自所述第一光學(xué) 探測(cè)器和所述第二光學(xué)探測(cè)器的信號(hào)同時(shí)發(fā)生的處理器。
11、根據(jù)權(quán)利要求i所述的裝置，其中如果所述處理器指示來(lái)自所述 第一光學(xué)探測(cè)器和所述第二光學(xué)探測(cè)器的信號(hào)同時(shí)發(fā)生，則將所探測(cè)到的輻射劃歸為中子。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中如果所述處理器指示信號(hào)來(lái)自 所述第二光學(xué)探測(cè)器而不是所述第 一光學(xué)探測(cè)器，則將所探測(cè)到的輻射劃歸為Y射線。
13、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，同時(shí)獨(dú)立地計(jì)數(shù)中子和y射線。
14、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包括耦合到處理器的顯示器， 用于顯示輻射探測(cè)結(jié)果。
15、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述裝置適于手持。
16、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中多個(gè)中子閃爍體板與多個(gè)光導(dǎo) 板相互交替。
17、 根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，進(jìn)一步包括多個(gè)光學(xué)耦合到所述 光導(dǎo)板的光學(xué)探測(cè)器。
18、 一種用于選擇性探測(cè)輻射的方法，包括以下步驟 將裝置暴露于輻射，所述裝置包括與第 一光學(xué)探測(cè)器光學(xué)耦合的第 一光導(dǎo)；與第二光學(xué)探測(cè)器光學(xué)耦合的第二光導(dǎo)，所述第二光導(dǎo)包括Y射 線閃爍體材料；和對(duì)于入射光子不透明的中子閃爍體板，所述中子閃爍體板夾在所 述第一和第二光導(dǎo)之間；和探測(cè)來(lái)自所述第 一和第二光學(xué)探測(cè)器的信號(hào)的同時(shí)發(fā)生。
19、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中如果探測(cè)到來(lái)自所述第一光 學(xué)探測(cè)器和所述第二光學(xué)探測(cè)器的信號(hào)同時(shí)發(fā)生，就將所述探測(cè)到的輻射 劃歸為中子。
20、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中如果探測(cè)到來(lái)自所述笫二光 學(xué)探測(cè)器的信號(hào)，但是沒(méi)有探測(cè)到來(lái)自所述第一光學(xué)探測(cè)器的信號(hào)，則將 所探測(cè)到的輻射劃歸為Y射線。
21、根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述光導(dǎo)熱化快速中子，使得它們被產(chǎn)生光的所述中子閃爍體捕獲。
22、 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述光導(dǎo)包括熱化快速中子 的含氫材料。
23、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，進(jìn)一步包括在耦合到處理器的顯 示器上顯示輻射探測(cè)結(jié)果。
24、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述裝置適于手持。
25、 一種中子探測(cè)器裝置，包括響應(yīng)于中子的捕獲，在第一和第二方向上發(fā)光的中子閃爍體，所述 中子閃爍體由對(duì)于Y輻射基本上不敏感的材料制造；安置用于接收由所述中子閃爍體在所述第一方向發(fā)出的光的第一光導(dǎo)；安置用于接收由所述中子閃爍體在所述第二方向發(fā)出的光的第二光導(dǎo)；分別光學(xué)耦合到所述第一和第二光導(dǎo)的第一和第二探測(cè)器，所述第 一和第二探測(cè)器中的每一個(gè)設(shè)置為探測(cè)由與其耦合的所述光導(dǎo)接收的光 并響應(yīng)地產(chǎn)生4言號(hào)；和處理器，接收由所述第一和第二探測(cè)器產(chǎn)生的信號(hào)，所示處理器設(shè) 置為確定所述信號(hào)是否在時(shí)間上同時(shí)發(fā)生。
26、 根據(jù)權(quán)利要求25所述的裝置，其中所述中子閃爍體和第一及第 二光導(dǎo)通常是平的，并且所述中子閃爍體插在所述第一和第二光導(dǎo)之間。
27、 根據(jù)權(quán)利要求26所述的裝置，其中所述第一和第二方向是橫向 于由所述中子閃爍體和所述第一及第二光導(dǎo)確定的平面的發(fā)射方向，所述 第一和第二方向相反。
28、 根據(jù)權(quán)利要求25的裝置，其中所述第一和第二光導(dǎo)包括熱化快 速中子的含氫材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于選擇性輻射探測(cè)的裝置，包括便于探測(cè)例如钚等中子發(fā)射源的中子探測(cè)器(104、108)，便于探測(cè)例如鈾等γ射線源的γ射線探測(cè)器(108)。該裝置包括光學(xué)耦合到第一光學(xué)探測(cè)器(104)的第一光導(dǎo)(102)；光學(xué)耦合到第二光學(xué)探測(cè)器(108)的第二光導(dǎo)(106)，對(duì)于入射光子不透明的中子閃爍體板(110)，所述中子閃爍體板夾在第一和第二光導(dǎo)之間。該第二光導(dǎo)包括γ射線閃爍體材料(107)。
文檔編號(hào)G01T3/06GK101443679SQ200780017328
公開(kāi)日2009年5月27日 申請(qǐng)日期2007年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月26日
發(fā)明者李·格羅津斯 申請(qǐng)人:塞莫尼根分析技術(shù)有限責(zé)任公司