中子探测器发展完整版课件

1、 报告将重点对国际中子探测器的发展情况进行研究，主要采用定性调研与定量分析相结合的方法。其中定性研究方法主要包括专题情报调研、归纳、总结等，定量分析方法主要包括专利分析、统计分析等，以期总结出中子探测器的国际发展态势。一、概述 在过去20多年间，中子探测技术得到不断的细化，这一进展主要归功于对中子结构、动力学、合成物、凝聚态物质磁化作用以及与高强度中子源的开发和建设相结合等中子技术的研究。 中子探测在核医学及临床诊断、核电站安全检测系统、环境检测系统、核爆及隐藏核材料探测、空间物理学、航天航空和工业应用等众多领域都有着极其重要的意义。因此 全世界各国都给予了较高的关注，以美国、欧洲、日本尤为突

2、出，我国研究核辐射探测器的科研单位主要有中国原子能科学研究院、中国工程物理研究院、中国科学院高能物理研究所和近代物理研究所、西北核技术研究所等，总的来说我国在探测器研究方面尚处在跟踪、消化和吸收国际先进技术的阶段，还有待进一步深入研究。一、概述一、概述 直到1988年，氚的制造一直是用于支持美国核武器计划，因为它是提升武器威力的一个关键组成部分。自冷战结束以来，美国已经减少其核武库，从而使得氚和He-3的量都减少。同时，He-3的需求在过去的10年却升高，主要是因为它被越来越多地用于研究和安全应用的中子探测器。一、概述 在过去30年间，基于He-3的中子探测器被广泛安装在美国国界区域以防止非法

3、放射性材料的运输。此外，数万升He-3中子探测器用于美国许多大型科学装置上。按照美国能源部的数据，全球每年对He-3的需求大约是6.5万立方米，但仅能供应大约2万立方米 ，这已经造成了对He-3的严重短缺，称之为“He-3危机”。GAO发布的2009年和2011年分别预计的2011-2018年He-3的需求量和每年美国的产量 一、概述 基于上述原因，中子探测技术的备选研究的发展，主要基于不同材料的利用如今成为中子散射科学领域连续的关注热点。 一、概述中子探测系统示意图基本过程中子和核的作用材料作用截面/b用途核反应法(n,)(n, p)10B，6Li，3He约1000测热、慢中子注量核反冲法(

4、n,n)H约1测快中子能量核裂变法(n,f)235U,239Pu阈能238U，233U约500约1测热中子注量核激活法(n,)In，Au，Dy热中子约100共振中子约1000快中子约1测中子注量探测中子的4个基本过程比较一、概述序号类型中子探测器探测原理探测中子主要特点1气体电离探测器硼电离室核反应法慢中子耐高温、耐辐照、堆芯中子探测，在线获取数据，10-4s量级脉冲宽度，价格低。2BF3正比计数管33He正比计数管4含氢正比计数管核反冲法快中子5238U裂变室核裂变法6半导体探测器235U蒸膜半导体探测器核裂变法慢中子在线获取数据，幅度分辨率高。76LiF夹心半导体探测器核反应法8闪烁探测器

5、Li玻璃闪烁体核反应法慢中子探测器效率高，在线获取数据，10-7s量级脉冲宽度。9载10B或（6Li）液体闪烁体10热释光探测器6LiF热释光探测器核反应法慢中子体积小、质量轻、脱离测量装置单独使用11载10B核乳胶核反应法慢中子12自给能探测器Rh探测器、V探测器等核激活法慢中子不需外加偏压，结构简单，体积小，反应堆堆芯高中子注量率册测量。国内外几种典型的中子探测器 从中子探测器应用的数量与应用广度来看，BF3正比计数管、3He正比计数管、6Li( Eu)闪烁体、6Li玻璃闪烁体及裂变室等是中子探测最基本与最主要的手段。国内外在国土安全应用方面如核材料检测上仍主要采用基于He-3的气体电离探

6、测器为主，并都在积极地研发合适的替代产品。二、中子探测器的国际进展（一）在商业及民用领域1、He-3中子探测器 He-3是一种完全无害的惰性气体，主要的应用就是用于中子探测的气体正比计数器。这些软管被安装在缓化剂外壳中以提高系统对特殊核材料裂变的敏感度。当前，没有其他的检测技术可以提供稳定的敏感度的结合，以及跟He-3中子管相同尺寸的伽马/中子鉴定 。 He-3的探测器成为中子检测的“黄金标准” ，它具有效率高、良好的辐射甄别能力、无毒性的优点。因此它的应用十分广泛：门式辐射监测器和手持探测器大面积探测器二、中子探测器的国际进展（一）在商业及民用领域2、潜在的替代He-3的探测器 目前仅有4种

7、可作为潜在的替代技术，分别是BF3充气式正比计数器、衬硼正比计数器、锂-6载玻璃纤维及涂有闪烁体和锂-6的波长变换光纤。 （1）BF3管探测中子的效率约为He-3的30%50%，多个管就可以达到理想的检测效率，BF3探测器可以提供更好的辐射甄别（Knoll 2000; Kouzes et al. 2009b）。主要用于低俘获截面和压力限制，以保持合理的工作电压。作为气体BF3也是有毒的。二、中子探测器的国际进展（一）在商业及民用领域2、潜在的替代He-3的探测器 （2）衬硼正比计数器与He-3管相比，探测中子的效率通常为1015%，因此衬硼管通常以阵列管形式以达到使用单个He-3管的中子探测器

8、的探测效率。科学设施的国际合作已经确定衬硼正比计数器作为替代中子探测器技术，2014年可以测试和用于大面积探测器。（3）锂-6载玻璃纤维该技术由PNNL（西北太平洋国家实验室）和NuSafe(核安全)商业化机构开发，能够设置成与氦-3管组件相当的灵敏度。这些类型的探测器，在组装用于如门式辐射探测器时，不要求空间分辨率，但该技术的缺点是伽马射线的灵敏度问题。二、中子探测器的国际进展（一）在商业及民用领域2、潜在的替代He-3的探测器 （4 )涂有闪烁体和锂-6的波长变换光纤,该技术由Saint Gobain（基于洛斯阿拉莫斯国家实验室技术）开发，拥有良好的中子灵敏度和中等的中子-伽马分离能力。下

9、一阶段的工作是同时满足RPM 系统对这种技术的要求。 上述技术在西北太平洋国家实验室所完成的测试情况，在RPM上具有潜在用途。技术曝光率（mR/hr）绝对中子效率（cps/ng）内在伽马射线效率int gnGARRnabs n/n要求102.51x10-60.95GARRn1.13He：一个管03.0（2）102.2(1)*8x10-81.00BF3：3个管03.7（2）10没有测到6x10-9衬硼03.0（2）103.2（2）6x10-91.01锂-玻璃01.7（6）#100.3（1）#11X10-81.07涂层纤维02.0（1）101.8（1）1.2X10-81.03当前中子探测技术的参数

10、性能（2010年）二、中子探测器的国际进展（一）在商业及民用领域3、洛斯阿拉莫斯实验室（LANL）研究的B-10中子探测器 实验使用的B-10探测器能够告诉使用者装在在集装箱中的核材料释放的辐射和天然物体如香蕉释放的伽马辐射之间的区别。B-10中子探测器的应用范围有门式监测、核能安全和监控、核不扩散；其优点是：取代基于He-3的中子探测器；价格便宜，丰富的基地材料；优秀的伽马/ 中子鉴别；无毒，环保。实验室规模的原型已经建成并取得了积极的成果。现场原型开发和测试已经要求技术的进一步优化。技术成熟度：7，系统样机在运行环境中。B-10探测器实现热中子探测效率与He-3探测器的比较，显示对伽马/中

11、子的鉴别能力的对比二、中子探测器的国际进展（二）用于科学研究领域（中子散射装置） 当前国际上中子散射技术的研究进入了飞速发展的阶段，其发展不仅对提高国家整体科研实力产生影响，而且已经成为衡量国家综合科技实力的重要标志。产生高通量中子的中子源主要包括核反应堆和散裂中子源：反应堆中子源不仅分布在美、日、法、德等西方发达国家，还包括印度、印尼等发展中国家；世界上正在运行的脉冲式散裂中子源主要有美国的SNS和LANSCE、日本的J-PARC和英国的ISIS。二、中子探测器的国际进展（二）用于科学研究领域（中子散射装置） 目前，这些散射源装置上都必须安装探测器， He-3探测器和闪烁探测器是热中子和冷中

12、子探测领域中的两个主要设备，几乎应用于各种装置中，而He-3是散射中子源装置的重要组成，其严重短缺成为全球性问题，很大程度上制约了中子散射源开展各项科学研究活动，因此，寻找可替代He-3的中子探测器技术成为各主要中子散射源装置国家共同关心的话题。三、中子探测器的专利总体态势分析 在科学技术迅猛发展和经济全球化的时代背景下，专利对科学研究、经济投资以及法律维权等方面的作用和影响日益显著，通过专利技术分析，能够找出该技术领域涉及的主要国家、机构和发明人，了解技术布局及研发热点，从而为研究人员全面了解该领域技术的全球发展态势提供借鉴和参考。本研究的分析数据主要来源于汤森路透的德温特世界专利创新索引（

13、DII）数据库，利用主题词TS=(neutron detector)进行检索，检索截止日期为2015年5月30日， 1949年2014年间 ，共检索到DII数据库收录的中子探测器专利数据共3180条 。采用的分析工具为TDA（Thomson Data Analyzer）和智慧芽专利分析系统。三、中子探测器的专利总体态势分析 通过专利申请数量的年度变化情况，可以把握该行业的总体技术发展趋势。如图所示，显示了中子探测器各年申请优先权的专利数量变化。（一）专利申请量的年度变化趋势 从上世纪40年代末中子探测器就已经开展，并稳步发展，到80年中期到达中子探测器研究的第一个研发高峰，全球专利年申请数量达

14、到90件以上，结合文献调研，我们认为这一技术时间节点与美国在上世纪80年代全面推行中子探测器技术在国家安全检领域应用的背景十分吻合。随后，从2000年开始中子探测器研究又不断升温，在2011年前后迎来其研发的第二个高峰，据悉这一研究节点主要由于受He-3中子探测器原料的限制，各国纷纷开展新的替代技术和产品研发工作有关。四、中子探测器专利技术布局分析 近三年全球中子探测器专利申请不再涉足的技术领域曾经是中子探测器专利技术的热点之一，由于技术发展或其他政策等方面的原因，使得这些领域逐渐衰退，主要在以下几个方面，：（1）构成核反应堆控制元件一部分的敏感元件（G21C17/12）；（2）核反应堆中用于

15、监视冷却剂或慢化剂的器件或装置（G21C17/02）；（3）利用中子来分析材料，且材料是流动的流体或流动的颗粒状固体（G01N23/12）；（4）核反应堆中，用于将物料送进压力容器、用于在压力容器中处理物料以及用于从压力容器中移出物料的装置（G21C19/20）。（二）近三年新兴和可能衰退的技术领域四、中子探测器专利技术布局分析 该项专利设计了一个用于探测中子的装置和方法，尤其解决了方向灵敏度的问题。该装置是具有高中子俘获截面的闪烁涂层的探测器，以俘获中子并探测释放的电磁波辐射。该技术的优势在于这种新型探测器释放出的热中子效率高，增强了屏幕闪烁的效率，探测到的电磁辐射在90Kev之上。能够与其他裂变材料的高效率探测协议相结合，如铀和钚。（三）核心专利分析针对X射线和中子的探测器五、结论哈佛商业评论05年第7期中有这样的一句话：“任何会议都是要么富有成效，要么纯粹浪费时间，二者必居其一。”无效的会议不仅是一种管理成本的浪费，而且也会引起与会者对会议和公司管理现状