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一种基于氘氘 中子发生器的热中子分析探雷装置

阅读：779发布：2020-05-12

专利汇可以提供一种基于氘氘中子发生器的热中子分析探雷装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于氘氘中子发生器的热中子分析探雷装置。该装置包括低能中子吸收体、铅屏蔽体、伽马探测器、源强监测探测器、中子反射体、中子发生器和中子慢化体。低能中子吸收体、铅屏蔽体和伽马探测器依次按照从外到内的顺序进行包裹，共同构成一个下端靠近且上端远离中子发生器的探测单元；中子发生器位于装置的中心，中子反射体包裹在中子发生器的侧面，中子慢化体紧贴在中子发生器的正下方，四个探测单元均匀且对称地分布在中子发生器的侧面的四个方向；源强监测探测器从顶上嵌入到反射体的内部。该装置采用氘氘中子发生器作为中子源，采用LaBr3（Ce）探测器作为伽马探测器，通过氮元素含量异常检测可实现对地雷目标的快速探测和准确识别。，下面是一种基于氘氘中子发生器的热中子分析探雷装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于氘氘中子发生器的热中子分析探雷装置，其特征在于：所述的探雷装置包括低能中子吸收体（1）、铅屏蔽体（2）、伽马探测器（3）、源强监测探测器（5）、中子反射体（6）、中子发生器（7）和中子慢化体（9）；
所述的中子发生器（7）为圆柱体，位于整个装置的中心，中子发生器控制机箱（11）与中子发生器（7）通过电缆连接，中子发生器控制机箱（11）为中子发生器（7）提供加速高压和离子源电压，中子发生器控制机箱（11）与PC终端（14）通过网线连接，由PC终端（14）的控制软件对中子发生器控制机箱（11）进行参数调控；所述的中子慢化体（9）为圆盘形状，紧贴在中子发生器（7）的正下方；所述的中子反射体（6）为空心圆筒，紧密包裹在中子发生器（7）和中子慢化体（9）的外侧；所述的源强监测探测器（5）为圆柱体，从上至下插入中子反射体（6）的内部，源强监测探测器供电模块（4）为源强监测探测器（5）提供高压，源强监测探测器（5）测得的脉冲信号经源强监测探测器信号获取与处理模块（10）分析后转变为数字信号，传送至PC终端（14）；
所述的铅屏蔽体（2）为底面封闭的空心圆筒，空心圆筒的空腔偏离中子发生器（7），即铅屏蔽体（2）靠近中子发生器（7）一侧的厚度大于铅屏蔽体（2）远离中子发生器（7）一侧的厚度；所述的伽马探测器（3）放置在铅屏蔽体（2）的空腔内，伽马探测器供电模块（13）为伽马探测器（3）提供高压和低压，伽马探测器（3）测得的脉冲信号经过伽马探测器信号获取与处理模块（12）的线性放大和脉冲幅度分析之后，转变为数字信号，传送至PC终端（14）；所述的低能中子吸收体（1）包裹在铅屏蔽体（2）的侧面和底面；
所述的低能中子吸收体（1）、铅屏蔽体（2）和伽马探测器（3）构成一个探测单元，探测单元在竖直方向做出侧倾，侧倾方向为探测单元的下端靠近中子发生器（7）、探测单元的上端远离中子发生器（7）；所述的探雷装置包括四个探测单元，均匀且对称地分布在中子发生器（7）的侧面的四个方向。
2.根据权利要求1所述的基于氘氘中子发生器的热中子分析探雷装置，其特征在于：所述的低能中子吸收体（1）的材料为镉，低能中子吸收体（1）的侧面和底面的镉片厚度均为1 mm 2 mm。
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3.根据权利要求1所述的基于氘氘中子发生器的热中子分析探雷装置，其特征在于：所述的铅屏蔽体（2）的材料为老铅，铅屏蔽体（2）靠近中子发生器（7）一侧的厚度为3 cm 5 ~
cm，铅屏蔽体（2）远离中子发生器（7）一侧的厚度为1 cm 2 cm，铅屏蔽体（2）底面的厚度为3 ~
mm 5 mm。
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4.根据权利要求1所述的基于氘氘中子发生器的热中子分析探雷装置，其特征在于：所述的伽马探测器（3）采用LaBr（3 Ce）探测器，LaBr（3 Ce）晶体的直径和高度均为7.62 cm。
5.根据权利要求1所述的基于氘氘中子发生器的热中子分析探雷装置，其特征在于：所
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述的源强监测探测器（5）采用He正比计数管。
6.根据权利要求1所述的基于氘氘中子发生器的热中子分析探雷装置，其特征在于：所述的中子发生器（7）采用氘氘中子发生器，发射的中子平均能量为2.5 MeV。
7.根据权利要求1所述的基于氘氘中子发生器的热中子分析探雷装置，其特征在于：所述的中子发生器（7）采用单体式结构，即密封中子管、逆变器和倍加器以等电位方式固定封装在中子发生器（7）的内部，并采用45号变压器油作为绝缘、慢化和反射材料。
8.根据权利要求1所述的基于氘氘中子发生器的热中子分析探雷装置，其特征在于：所述的中子反射体（6）的材料为高密度聚乙烯，侧面厚度为5 cm 8 cm。
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9.根据权利要求1所述的基于氘氘中子发生器的热中子分析探雷装置，其特征在于：所述的中子慢化体（9）的材料为高密度聚乙烯，高度为1 cm 4 cm。
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说明书全文

一种基于氘氘中子发生器的热中子分析探雷装置

技术领域

[0001] 本发明属于核辐射探测技术领域，尤其是热中子分析及伽马探测技术领域，具体涉及一种基于氘氘中子发生器的热中子分析探雷装置。

背景技术

[0002] “热中子分析探雷”是一种以热中子为“探针”进行爆炸物检测的探雷新方法，其原理是利用热中子与地雷炸药中的14N元素发生（n，γ）反应，即n(thermal)+14N→15N* →15N+γ(10.83 MeV)，由此产生的能量为10.83 MeV的特征伽马射线强度可用于表征被测目标是否含有炸药以及炸药含量等信息。热中子分析探雷技术的特点是基于氮元素含量对目标物进行识别，具有可靠性高、虚警率低和易于实现的优点，该技术尤其适用于车载探雷的应用场景。

[0003] 日本、意大利和加拿大在热中子分析探雷技术研究领域走在世界前列，现已开发出实用化的车载式热中子分析探雷系统。日本开发的探雷系统采用氘氘中子发生器作为中子源、采用在BGO探测器外面包裹NaI（Tl）探测器的组合结构作为伽马探测器，从而提高了入射中子强度和诱发伽马射线测量信噪比；意大利和加拿大开发的探雷系统均采用放射性核素252Cf作为中子源、采用四个NaI（Tl）探测器阵列作为伽马探测器，实现了对三聚氰胺和防坦克雷的有效探测。纵观国际上现有的热中子分析探雷系统，虽然能够实现对某些特定地雷的有效探测，但是仍然存在着探测时间较长的问题。为了解决该问题，一方面需要继续提高入射中子强度，另一方面需要选择性能更佳的伽马探测器。

[0004] 我国的热中子分析探雷技术研究也有近十年的历史，研究单位主要是中国工程物理研究院核物理与化学研究所和中国人民解放军63983部队。申请人所在团队长期致力于中子质询探雷技术研究，发展了一系列的探雷技术和探雷识别算法，包括热中子分析探雷、脉冲快热中子分析探雷和中子背散射探雷等具体技术，以及3σ决策函数、特征峰能区自动寻找、地雷目标简单定位和概率矩阵溯源成像等具体算法。同时，随着国内中子发生器研制技术的发展，将氘氘中子发生器应用于热中子分析探雷已经具备了可行性。针对热中子分析探雷技术而专门研制的氘氘中子发生器，能够获得较高的中子产额，可以满足热中子分析探雷技术对中子强度的要求。并且，相较于传统的252Cf同位素中子源，氘氘中子发生器的中子出射束流可调节可关闭，具有更高的辐射安全性。

[0005] 因此，为了加快对土壤中埋设地雷的探测速度，同时也为了降低操作人员的辐射剂量，非常有必要发展一种基于氘氘中子发生器的热中子分析探雷装置。

发明内容

[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种基于氘氘中子发生器的热中子分析探雷装置。

[0007] 本发明的基于氘氘中子发生器的热中子分析探雷装置，其特点是：所述的探雷装置包括低能中子吸收体、铅屏蔽体、伽马探测器、源强监测探测器、中子反射体、中子发生器和中子慢化体；所述的中子发生器为圆柱体，位于整个装置的中心，中子发生器控制机箱与中子发生器通过电缆连接，中子发生器控制机箱为中子发生器提供加速高压和离子源电压，中子发生器控制机箱与PC终端通过网线连接，由PC终端的控制软件对中子发生器控制机箱进行参数调控；所述的中子慢化体为圆盘形状，紧贴在中子发生器的正下方；所述的中子反射体为空心圆筒，紧密包裹在中子发生器和中子慢化体的外侧；所述的源强监测探测器为圆柱体，从上至下插入中子反射体的内部，源强监测探测器供电模块为源强监测探测器提供高压，源强监测探测器测得的脉冲信号经源强监测探测器信号获取与处理模块分析后转变为数字信号，传送至PC终端；
所述的铅屏蔽体为底面封闭的空心圆筒，空心圆筒的空腔偏离中子发生器，即铅屏蔽体靠近中子发生器一侧的厚度大于铅屏蔽体远离中子发生器一侧的厚度；所述的伽马探测器放置在铅屏蔽体的空腔内，伽马探测器供电模块为伽马探测器提供高压和低压，伽马探测器测得的脉冲信号经过伽马探测器信号获取与处理模块的线性放大和脉冲幅度分析之后，转变为数字信号，传送至PC终端；所述的低能中子吸收体包裹在铅屏蔽体的侧面和底面；
所述的低能中子吸收体、铅屏蔽体和伽马探测器构成一个探测单元，探测单元在竖直方向做出侧倾，侧倾方向为探测单元的下端靠近中子发生器、探测单元的上端远离中子发生器；所述的探雷装置包括四个探测单元，均匀且对称地分布在中子发生器的侧面的四个方向。

[0008] 所述的低能中子吸收体的材料为镉，低能中子吸收体的侧面和底面的镉片厚度均为1 mm 2 mm。~

[0009] 所述的铅屏蔽体的材料为老铅，铅屏蔽体靠近中子发生器一侧的厚度为3 cm 5 ~cm，铅屏蔽体远离中子发生器一侧的厚度为1 cm 2 cm，铅屏蔽体底面的厚度为3 mm 5 mm。
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[0010] 所述的伽马探测器采用LaBr3（Ce）探测器，LaBr（3 Ce）晶体的直径和高度均为7.62 cm。

[0011] 所述的源强监测探测器采用3He正比计数管。

[0012] 所述的中子发生器采用氘氘中子发生器，发射的中子平均能量为2.5 MeV。

[0013] 所述的中子发生器采用单体式结构，即密封中子管、逆变器和倍加器以等电位方式固定封装在中子发生器的内部，并采用45号变压器油作为绝缘、慢化和反射材料。

[0014] 所述的中子反射体的材料为高密度聚乙烯，侧面厚度为5 cm 8 cm。~

[0015] 所述的中子慢化体的材料为高密度聚乙烯，高度为1 cm 4 cm。~

[0016] 本发明的基于氘氘中子发生器的热中子分析探雷装置具有以下优点：252
第一，采用无任何放射性核材料的氘氘中子发生器作为中子源，与传统的 Cf同位素中子源始终处于放射性状态所不同的是，氘氘中子发生器只有在工作时才会产生放射性，具有出射束流可调节可关闭、辐射安全性高的优点。

[0017] 第二，采用3He正比计数管作为源强监测探测器，可以实时监测中子发生器出射束流的稳定状态，一方面可作为中子发生器参数调控的依据，另一方面可用于探雷识别算法中的中子强度归一化修正。

[0018] 第三，采用LaBr（3 Ce）探测器作为伽马探测器，相较于传统的BGO探测器和NaI（Tl）探测器，LaBr3（Ce）探测器具有能量分辨率高和发光衰减时间短的优点，能够显著提升10.83 MeV特征峰能区的测量信噪比。

[0019] 第四，基于氘氘中子发生器的结构进行四个探测器阵列布局，通过系统结构设计和探测器阵列布局优化，有效增加源中子利用率和伽马射线探测效率，并且通过对伽马探测器的多重屏蔽，显著降低辐射本底、提升测量信噪比，可以实现对土壤中埋设地雷的快速探测和准确识别。

[0020] 本发明的基于氘氘中子发生器的热中子分析探雷装置，采用氘氘中子发生器作为中子源，出射束流可调节可关闭、具有很好的辐射安全性；同时采用LaBr3（Ce）探测器作为伽马探测器，具有探测效率高且能量分辨率佳的优点；通过系统结构设计和探测器阵列布局优化，有效增加源中子利用率和伽马射线探测效率，并且通过对伽马探测器的多重屏蔽，显著降低辐射本底、提升测量信噪比，可以实现对土壤中埋设地雷的快速探测和准确识别。附图说明

[0021] 图1为本发明的基于氘氘中子发生器的热中子分析探雷装置的结构示意图；图2为本发明的基于氘氘中子发生器的热中子分析探雷装置的俯视图。

[0022] 图1为图2的A-A剖面图。

[0023] 图中，1.低能中子吸收体 2.铅屏蔽体 3.伽马探测器 4.源强监测探测器供电模块 5.源强监测探测器 6.中子反射体 7.中子发生器 8.中子发生器靶点 9.中子慢化体 10.源强监测探测器信号获取与处理模块 11.中子发生器控制机箱 12.伽马探测器信号获取与处理模块 13.伽马探测器供电模块 14.PC终端 15.地雷 16.土壤。

具体实施方式

[0024] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

[0025] 本发明的基于氘氘中子发生器的热中子分析探雷装置包括低能中子吸收体1、铅屏蔽体2、伽马探测器3、源强监测探测器5、中子反射体6、中子发生器7和中子慢化体9；所述的中子发生器7为圆柱体，位于整个装置的中心，中子发生器控制机箱11与中子发生器7通过电缆连接，中子发生器控制机箱11为中子发生器7提供加速高压和离子源电压，中子发生器控制机箱11与PC终端14通过网线连接，由PC终端14的控制软件对中子发生器控制机箱11进行参数调控；所述的中子慢化体9为圆盘形状，紧贴在中子发生器7的正下方；所述的中子反射体6为空心圆筒，紧密包裹在中子发生器7和中子慢化体9的外侧；所述的源强监测探测器5为圆柱体，从上至下插入中子反射体6的内部，源强监测探测器供电模块4为源强监测探测器5提供高压，源强监测探测器5测得的脉冲信号经源强监测探测器信号获取与处理模块10分析后转变为数字信号，传送至PC终端14；
所述的铅屏蔽体2为底面封闭的空心圆筒，空心圆筒的空腔偏离中子发生器7，即铅屏蔽体2靠近中子发生器7一侧的厚度大于铅屏蔽体2远离中子发生器7一侧的厚度；所述的伽马探测器3放置在铅屏蔽体2的空腔内，伽马探测器供电模块13为伽马探测器3提供高压和低压，伽马探测器3测得的脉冲信号经过伽马探测器信号获取与处理模块12的线性放大和脉冲幅度分析之后，转变为数字信号，传送至PC终端14；所述的低能中子吸收体1包裹在铅屏蔽体2的侧面和底面；
所述的低能中子吸收体1、铅屏蔽体2和伽马探测器3构成一个探测单元，探测单元在竖直方向做出侧倾，侧倾方向为探测单元的下端靠近中子发生器7、探测单元的上端远离中子发生器7；所述的探雷装置包括四个探测单元，均匀且对称地分布在中子发生器7的侧面的四个方向。

[0026] 所述的低能中子吸收体1的材料为镉，低能中子吸收体1的侧面和底面的镉片厚度均为1 mm 2 mm。~

[0027] 所述的铅屏蔽体2的材料为老铅，铅屏蔽体2靠近中子发生器7一侧的厚度为3 cm~5 cm，铅屏蔽体2远离中子发生器7一侧的厚度为1 cm 2 cm，铅屏蔽体2底面的厚度为3 mm~ ~
5 mm。

[0028] 所述的伽马探测器3采用LaBr（3 Ce）探测器，LaBr3（Ce）晶体的直径和高度均为7.62 cm。

[0029] 所述的源强监测探测器5采用3He正比计数管。

[0030] 所述的中子发生器7采用氘氘中子发生器，发射的中子平均能量为2.5 MeV。

[0031] 所述的中子发生器7采用单体式结构，即密封中子管、逆变器和倍加器以等电位方式固定封装在中子发生器7的内部，并采用45号变压器油作为绝缘、慢化和反射材料。

[0032] 所述的中子反射体6的材料为高密度聚乙烯，侧面厚度为5 cm 8 cm。~

[0033] 所述的中子慢化体9的材料为高密度聚乙烯，高度为1 cm 4 cm。~

[0034] 实施例1如图1所示，本实施例的基于氘氘中子发生器的热中子分析探雷装置，包括低能中子吸收体1、铅屏蔽体2、伽马探测器3、源强监测探测器供电模块4、源强监测探测器5、中子反射体6、中子发生器7、中子发生器靶点8、中子慢化体9、源强监测探测器信号获取与处理模块
10、中子发生器控制机箱11、伽马探测器信号获取与处理模块12、伽马探测器供电模块13、PC终端14。

[0035] 所述的低能中子吸收体1紧密包裹在铅屏蔽体2的外侧，低能中子吸收体1的材料为镉，低能中子吸收体1的功能是吸收从中子发生器7发射的经中子反射体6和中子慢化体9慢化穿透、以及经地雷15和土壤16反射回来的低能中子，降低因低能中子进入伽马探测器3产生的中子测量本底；所述的铅屏蔽体2套在伽马探测器3的外侧，铅屏蔽体2的材料为老铅，铅屏蔽体2的功能是屏蔽源自低能中子吸收体1、中子反射体6、中子慢化体9、地雷15和土壤16的中低能伽马射线，降低因中低能伽马射线进入伽马探测器3产生的伽马测量本底；所述的伽马探测器3采用直径和高度均为7.62 cm的LaBr（3 Ce）探测器，如北京华凯龙公司生产的KLB5057型LaBr3（Ce）探测器，伽马探测器3放置于低能中子吸收体1和铅屏蔽体2组成的联合套筒之内，伽马探测器供电模块13为伽马探测器3提供高压和低压，地雷炸药中的14N元素产生的10.83 MeV特征伽马射线穿透低能中子吸收体1和铅屏蔽体2，进入伽马探测器3产生测量脉冲，伽马探测器3测得的脉冲信号经过伽马探测器信号获取与处理模块12的线性放大和脉冲幅度分析之后，转变为数字信号，传送至PC终端14；所述的低能中子吸收体1、铅屏蔽体2和伽马探测器3依次按照从外到内的顺序构成一个探测单元，整个探雷装置包括四个探测单元，均匀且对称地分布在中子发生器7的侧面的四个方向；所述的源强监测探测器5，采用3He正比计数管，从顶上嵌入到中子反射体6的内部，并且位于中子发生器7之外，源强监测探测器供电模块4为源强监测探测器5提供高压，源强监测探测器5测得的脉冲信号经源强监测探测器信号获取与处理模块10分析后转变为数字信号，传送至PC终端14；
所述的中子反射体6紧密包裹在中子发生器7和中子慢化体9的外侧，中子反射体6的材料为高密度聚乙烯，高密度聚乙烯中含有大量的氢元素，能够对中子发生器7往侧向发射的中子起到多次散射和改变路径的作用；所述的中子发生器7，可采用东北师范大学研制的NT型54 mm直径自成靶陶瓷外壳密封中子管，并采用单体式结构将密封中子管、逆变器和倍加器以等电位方式固定封装在中子发生器7的内部，同时将中子发生器7的绝缘、慢化和反射材料做一体化设计，即采用45号变压器油作为绝缘介质，而45号变压器油中含有的氢元素同时又兼具一定的中子慢化和中子反射功能，中子发生器7位于整个装置的中心，中子发生器控制机箱11为中子发生器7提供加速高压和离子源电压，并且由PC终端14的控制软件对中子发生器控制机箱11进行参数调控；所述的中子慢化体9位于中子发生器7的正下方，并且与中子发生器7紧密相贴，中子慢化体9的材料为高密度聚乙烯，高密度聚乙烯中大量的氢元素能够对中子发生器7向下发射的中子起到慢化作用。

[0036] 整个装置的测量过程是：通过PC终端14的中子发生器控制软件，对中子发生器控制机箱11进行参数调控，令中子发生器控制机箱11向中子发生器7提供加速高压和离子源电压，从而在中子发生器靶点8产生中子出射束流。同时，在反射体6的顶部嵌入一个源强监测探测器5，源强监测探测器供电模块4为源强监测探测器5提供高压，源强监测探测器5测得的脉冲信号经源强监测探测器信号获取与处理模块10分析后转变为数字信号传送至PC终端14，通过PC终端14的中子源强监测软件对中子出射束流的稳定状态进行实时监测，进而通过PC终端14的中子发生器控制软件对中子发生器控制机箱11进行参数调控以使中子出射束流保持稳定。向上出射和向侧面出射的源中子经过中子反射体6的多次散射后，部分中子将被向下反射成为反射中子，反射中子和直接向下出射的源中子经过中子慢化体9和土壤16的慢化作用转变为热中子，热中子进入地雷15与炸药中的14N元素发生（n，γ）反应，产生10.83 MeV的特征伽马射线，特征伽马射线穿透低能中子吸收体1和铅屏蔽体2，进入伽马探测器3产生测量脉冲。伽马探测器供电模块13为伽马探测器3提供高压和低压，伽马探测器3产生的脉冲信号经过伽马探测器信号获取与处理模块12的线性放大和脉冲幅度分析之后，转变为数字信号，传送至PC终端14。通过PC终端14的能谱分析软件，记录下所有脉冲信号的幅度谱，经能量刻度找出10.83 MeV特征伽马射线所在的能区范围并统计特征峰计数，最终根据目标识别算法计算探雷报警系数，通过对探雷报警系数的异常检测判定土壤中是否存在地雷。

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