CN102788990A - 一种基于量子点的中子能谱测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于量子点的中子能谱测量方法，通过使用若干种不同种类的量子点作为中子探测器，根据各种量子点对入射中子产生光学信号的差异，获得入射中子的能谱信息等。本发明提出了一种新的能谱测量的新方法，适用于从10^-9MeV-100MeV的中子能谱测量。

Description

一种基于量子点的中子能谱测量方法

技术领域

本发明涉及中子能谱测量，特别是一种基于量子点的中子能谱测量方法，属于核技术及应用、放射医学与辐射生物学、辐射防护等多学科交叉领域中的能量测量。

背景技术

中子能谱信息能够为屏蔽设计、辐射剂量监测、探测器的选择提供重要的信息，目前中子能谱信息的获取方法通常有以下两种：（1）直接测量法。对单个中子能量进行直接测量，在统计的基础上获得中子能谱信息，其代表方法是中子飞行时间测量法。中子飞行时间测量法的优点在于能量分辨高，但由于整个测量系统需要屏蔽和准直系统、范围巨大的空间（通常飞行距离为8-9m），复杂的电子学系统，所以中子飞行时间法只是针对特定的中子源进行中子能谱测量，没有普适性；（2）间接测量法。利用对中子能量响应函数不同的探测器，将多个探测器放置于未知辐射场获取多个探测器的读数，通过建立方程组，使用反卷积方法求解方程组，获得中子能谱信息。目前设计对中子能量响应函数不同的探测器的方法是通过改变慢化体厚度的方法，如Bonner多球中子谱仪，或是采用反应阈值不同的材料，如多箔活化片法。根据这些方法设计的具有不同中子能量响应函数的探测器的数目较少（小于20个），因此建立的方程组自由度较大，求解出中子谱能量分辨率较低。这种测量方法的优点是测量系统具有移植性，能够适用于大部分中子源的中子能谱测量。

量子点的三维尺寸等于或者小于其激子波尔半径，量子点呈现出特殊的光学性质和稳定性，广泛应用于生物学和医学研究，作为发光材料，目前是显示、照明等研究领域的热点。量子点在辐射测量领域的也开始受到关注。但目前并未发现同时使用多种量子点组成的探测器用于中子能谱测量。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于量子点的中子能谱测量方法，有效改善了中子能谱测量结果能量分辨率。

本发明技术解决方案：一种基于量子点的中子能谱测量方法，实现步骤如下：

（1）刻度量子点光学信号强度与中子能量的函数关系

将待刻度的能量范围划分的为N个能群，N>20，第j个能群的能量为E_j，其中j=1,2,3…N，如将10^-9MeV到650MeV能量范围划分为60个能群。中子探测器采用M种量子点，M>3，将M种量子点和量子点光学信号强度采集系统置于已知辐射场中，M种量子点所放置位置处的中子能量E_j，这时量子点光学信号强度采集系统测量到第i种量子点光学信号强度L_i(E_j)，i=1,2,3…M。最终根据N个能群的中子能量和相应的M种量子点的光学信号强度，得到M种量子点光学信号强度对中子能量的响应函数，第i种量子点光学信号强度对中子能量的响应函数为R_i(E_j)。

（2）测量未知辐射场中量子点光学信号强度

将M种量子点和量子点光学信号强度采集系统放置于未知辐射场中，量子点光学信号强度采集系统测量到第i种量子光学信号强度L_i，L_i的标准差为σ_i；

（3）根据步骤（2）未知辐射场中所述量子点光学信号强度L_i，以及步骤（1）中所述量子点光学信号强度对中子能量响应函数R_i(E_j)，建立方程组

使用反卷积方法求解方程组，获得方程组解为F(E_j)，F(E_j)为能量为E_j的中子通量，F(E_j)即为中子能谱信息。

所述M种量子点中的每个量子点的三维尺寸小于量子点的发射光谱中峰值处的波长。

M种量子点中每两种量子点的发射光谱中峰值波长相差超过10nm。例如选择4种量子点，4种量子点发射光谱中峰值波长分别为400nm，500nm，550nm，600nm。

所述量子点光学信号强度采集系统包括：M个光学分频器、M个波长转换剂、M个光电倍增管、多道分析器和处理和存储设备；M种量子点产生的光学信号输入M个光学分频器，由M个光学分频器分为M个光学信号，M个光学信号输入M个波长转换剂，M个波长转换剂将M个输入光学信号转换为适宜接收波长范围后至输入M个光电倍增管，M个光电倍增管将光学信号转换为M个电信号，所述M个电信号分别输入至多道分析器，多道分析器将M个电信号转换为数字信号后将数字信号输入处理和存储设备中，由处理和存储设备对数字信号进行处理和存储。

所述M个光学分频器中，第i个光学分频器对应第i种量子点，可透过第i个光学分频器的光谱的波长中值在第i种量子点发射光谱中峰值波长处，每个光学分频器的可透过光谱的半高宽在10nm以内。

所述每个波长转换剂的接收光子的波长范围覆盖所述的量子点发射光子波长范围，波长转换剂的发射的光子的波长范围覆盖所述光电倍增管能够产生响应的光子波长范围。

所述步骤（3）中的反卷积方法包括最小二乘法、最大熵法、迭代法或神经网络法。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

（1）本发明能量分辨率高

Bonner多球谱仪由于慢化体尺寸和中心中子探测器都为热中子灵敏型探测器等原因，其包含的Bonner球个数有限，并且实际的读数中具有独立成分个数少于Bonner球个数，因此所建立的方程组的自由度高，导致最终求解的中子能谱能量分辨率低。本发明使用的量子点作为中子探测器，由于量子点种类繁多，量子点种类远远超过Bonner球的个数，并且成本远低于Bonner球，因此所建立的方程组的自由度较低，最终求解的中子能谱能量分辨率较其它间接中子能谱测量方法高。本发明能够适用于从10^-9-100MeV的中子能谱测量，尤其适合中子能谱测量。

（2）本发明能够适用于强脉冲中子源的能谱测量

目前的间接中子能谱测量方法中Bonner多球是基于中子探测器所产生的电信号，由于电信号的时间分辨有限，在几十μS左右，因此在脉冲中子源的能谱测量过程中，当脉冲时间小于10μS时，电信号即无法分辨，这时Bonner球即无法测量中子能谱，即使在当脉冲时间大于10μS时，如果单个脉冲产生的中子过多，产生的过多的电信号会阻塞电子学系统，导致测量过程中的计数丢失。本发明是采用量子点的光学信号反映中子能量信息，由于量子点的光学信号半衰期短，通常在几十ns左右，并且产生的光学信号经过设计的光学分频器过滤，因此在强脉冲中子源的中子能谱测量过程中不会出现计数丢失情况。

（3）本发明能够用于稳态中子场的中子能谱测量（同位素中子源、直流运行状态的加速器型中子发生器），同样可用于脉冲中子场的中子能谱测量（如脉冲运行状态的加速器型中子发生器、脉冲运行状态的托卡马克装置辐射场）。

附图说明

图1为本发明方法实现流程图；

图2为本发明的应用实例中10^-9MeV-650MeV划分为60个能群的示意图；

图3为本发明的应用实例中量子点响应函数示意图；

图4为采用本发明的方法获得的Am-Be中子源的中子能谱；

图5为本发明的量子点的光学信号强度采集系统示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明通过使用若干种不同种类的量子点作为中子探测器，根据各种量子点对入射中子产生光学信号的差异，获得入射中子的能谱信息等，能够适用于从10^-9MeV-650MeV的中子能谱测量，尤其适合中子能谱测量。

本发明实施例具体实施如下：

（1）刻度量子点发光信号强度与中子能量的函数关系：将10^-9-650MeV能量范围划分为60个能群，每个能群对应一种能量，如图2所示。中子探测器采用21种量子点，21种量子点发射光谱的峰值波长分别为300nm、320nm,350nm、375nm、395nm、410nm、430nm、445nm、460nm、475nm、495nm、510nm、525nm、540nm、560nm、590nm、605nm、620nm、635nm、650nm、670nm。根据这21种量子点发射光谱的峰值波长设计量子点光学信号强度采集系统，量子点光学信号强度采集系统共有21种光学分频器，这21种光学分频器的可透光谱的中值波长分别为300nm、320nm,350nm、375nm、395nm、410nm、430nm、445nm、460nm、475nm、495nm、510nm、525nm、540nm、560nm、590nm、605nm、620nm、635nm、650nm、670nm。每种光学分频器可透过的光谱半高宽在10nm以内。

然后将21种量子点和量子点光学信号强度采集系统置于已知辐射场中，21种量子点放置位置处的中子能量E_j，E_j为第j个能群对应的能量，其中j=1…N，N=60，量子点光学信号强度采集系统采集21种量子点的光学信号强度分为L₁(E_j)，L₂(E_j)，L₃(E_j)……L_M(E_j)，M=21。

例如量子点放置位置处中子能量为1MeV（第41个能群）时，量子点光学信号强度采集系统采集的光学信号强度分别为0.0002/cm²、0.0007/cm²、0.0015/cm²、0.00203/cm²、0.0679/cm²、0.1090/cm²、0.1750/cm²、0.2330/cm²、0.3980/cm²、0.4870/cm²、0.5790/cm²、0.6570/cm²、0.8205/cm²、0.9356/cm²、0.9386/cm²、0.9413/cm²、0.9224/cm²、0.8510/cm²、0.7344/cm²、0.5860/cm²、0.1010/cm²。最终根据60个能群的中子能量和相应的21种量子点的光学信号强度，得到21种量子点的响应函数，如图3所示。

（2）测量未知辐射场中信号强度：将这11种量子点和量子点光学信号强度采集系统放置于Am-Be中子源的辐射场，21种量子点光学信号强度采集系统采集的光学信号强度L_i分别为0.0001/cm²、0.0005/cm²、0.0009/cm²、0.0013/cm²、0.0364/cm²、0.05834/cm²、0.09345/cm²、0.1264/cm²、0.2235/cm²、0.2838/cm²、0.3535/cm²、0.4243/cm²、0.5761/cm²、0.7003/cm²、0.7718/cm²、0.8353/cm²、0.9612/cm²、1.0832/cm²、1.0243/cm²0.9493/cm²、0.2763/cm²。在测量过程中L_i标准差σ_i分别为0.00004/cm²、0.0001/cm²、0.0002/cm²、0.0003/cm²、0.00104/cm²、0.00423/cm²、0.01445/cm²、0.0240/cm²、0.0335/cm²、0.0018/cm²、0.0355/cm²、0.0233/cm²、0.0741/cm²、0.104/cm²、0.1802/cm²、0.1435/cm²、0.1702/cm²、0.2032/cm²、0.123/cm²、0.1434/cm²、0.0363/cm²。

（3）根据步骤（2）中量子点光学信号强度采集系统采集的21种量子点光学信号强度L_i，以及步骤（1）刻度21种量子点的光学信号对中子能量响应函数R₁(E_j)，R₂(E_j)，R₃(E_j)…R₂₁(E_j)，建立方程组 $L_i=\underset{j=1}{\overset{60}{\mathrm{\Σ}}}F\left(E_j\right)*R_i\left(E_j\right).$

采用最大熵法解谱（Reginatto M,Goldhagen P.1999.MAXED,a computer code formaximum entropy deconvolution of multisphere neutron spectrometer data.Health Phys 77:579-583.），在约束条件：

$L_i+e_i=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{R}_i\left(E_j\right)F\left(E_j\right)$

$\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\frac{e_i}{{\mathrm{\σ}}_i}=M$

求S最大时解Φ(E)，

$S=-\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(F\left(E_j\right)\mathrm{In}\left(\frac{F\left(E_j\right)}{F^{\mathrm{DEF}}\left(E_j\right)}\right)+F^{\mathrm{DEF}}\left(E_j\right)+F\left(E_j\right))$

其中，N为60，M为21，L_i为步骤（2）中的测量值，σ_i为L_i的标准差，e_i为L_i和

之间差异，F^DEF(E_j)为人为设定的中子能谱，其它参数同前。采用拉格朗日乘子法进行约束条件下优化问题求解，上述问题等价于最大化势函数Z(λ_k)，λ_k为未知数。

$Z\left({\mathrm{\λ}}_k\right)=-\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{F}^{\mathrm{DEF}}\left(E_j\right)\exp (-\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_k{R}_i\left(E_j\right))-{\left(M\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left({\mathrm{\λ}}_k{\mathrm{\σ}}_i\right)}^2\right)}^{0.5}-\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i{\mathrm{\λ}}_k$

λ_i是Z(λ_k)最大时的解，λ_i的获取采用模拟退火方法。

最终求解的中子谱F(E_j)可表示为：

$F\left(E_j\right)=F^{\mathrm{DEF}}\left(E_j\right)\exp (-\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i{R}_i\left(E_j\right))$

其中L_i为量子点光学信号强度采集系统采集的第i种量子点光学信号强度，使用最大熵法，求解方程组，获得方程组解F(E_j)，F(E_j)为能量为E_j的中子通量，F(E_j)即为中子能谱信息。

获得的F(E_j)与实际的Am-Be中子能谱比较如图4所示。通过本发明获得的中子能谱与实际中子能谱基本相同。

如图5所示，本发明的量子点光学信号强度采集系统示意图，由光学分频器（2_1、2_2、2_3……2_M）、波长转换剂（4_1、4_2、4_3……4_M）、光电倍增管（6_1、6_2、6_3……6_M）、多道分析器8和处理和存储设备10，此处的M本发明实施例为11。由量子点产生的光学信号1输入光学分频器（2_1、2_2、2_3……2_M），光学分频器2_i输出的光谱的波长中值在第i种量子点发射光谱中峰值波长处，可透过光学分频器的光谱半高宽在10nm以内，由光学分频器输出的光学信号（3_1、3_2、3_3……3_M）输入波长转换剂（4_1、4_2、4_3……4_M），波长转换剂将输入光学信号转换为光电倍增管适宜接收波长范围，波长转换剂输出的光学信号（5_1、45_2、5_3……5_M）输入光电倍增管（6_1、6_2、6_3……6_M），光电倍增管将光学信号转换为电信号（7_1、7_2、67_3……7_M），光电倍增管输出的电信号输入多道分析器8，多道分析器8分析电信号（7_1、7_2、67_3……7_M）的强度，并将强度值转化为数字信号（9_1、9_2、9_3……9_M），多道分析器8将数字信号（9_1、9_2、9_3……9_M）输入处理和存储设备10中，处理和存储设备10对数字信号（9_1、9_2、9_3……9_M）进行处理和存储，处理和存储后的数字信号（11_1、11_2、11_3……11_M），即对应量子点光学信号强度（L₁、L2、L3……L_M），其中L_i即为第种量子点的光学信号强度，i=1,2,3…M。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于量子点的中子能谱测量方法，其特征在于实现步骤如下：

（1）刻度量子点光学信号强度与中子能量的函数关系

将待刻度的能量范围划分的为N个能群，N>20，第j个能群的能量为E_j，其中j=1,2,3…N，如将10^-9MeV到650MeV能量范围划分为60个能群。中子探测器采用M种量子点，M>3，将M种量子点和量子点光学信号强度采集系统置于已知辐射场中，M种量子点所放置位置处的中子能量E_j，这时量子点光学信号强度采集系统测量到第i种量子点光学信号强度L_i(E_j)，i=1,2,3…M；最终根据N个能群的中子能量和相应的M种量子点的光学信号强度，得到M种量子点光学信号强度对中子能量的响应函数，第i种量子点光学信号强度对中子能量的响应函数为R_i(E_j)。

（2）测量未知辐射场中量子点光学信号强度

将M种量子点和量子点光学信号强度采集系统放置于未知辐射场中，量子点光学信号强度采集系统测量到第i种量子光学信号强度L_i，L_i的标准差为σ_i；

（3）根据步骤（2）未知辐射场中所述量子点光学信号强度L_i，以及步骤（1）中所述量子点光学信号强度对中子能量响应函数R_i(E_j)，建立方程组

使用反卷积方法求解方程组，获得方程组解为F(E_j)，F(E_j)为能量为E_j的中子通量，F(E_j)即为中子能谱信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于量子点的中子能谱测量方法，其特征在于：所述M种量子点中的每个量子点的三维尺寸小于量子点的发射光谱中峰值处的波长。

3.根据权利要求1所述的一种基于量子点的中子能谱测量方法，其特征在于：M种量子点中每两种量子点的发射光谱中峰值波长相差超过10nm。

4.根据权利要求1所述的一种基于量子点的中子能谱测量方法，其特征在于：所述量子点光学信号强度采集系统包括：M个光学分频器、M个波长转换剂、M个光电倍增管、多道分析器和处理和存储设备；M种量子点产生的光学信号输入M个光学分频器，由M个光学分频器分为M个光学信号，M个光学信号输入M个波长转换剂，M个波长转换剂将M个输入光学信号转换为适宜接收波长范围后至输入M个光电倍增管，M个光电倍增管将光学信号转换为M个电信号，所述M个电信号分别输入至多道分析器，多道分析器将M个电信号转换为数字信号后将数字信号输入处理和存储设备中，由处理和存储设备对数字信号进行处理和存储。

5.根据权利要求4所述的一种基于量子点的中子能谱测量方法，其特征在于：所述M个光学分频器中，第i个光学分频器对应第i种量子点，可透过第i个光学分频器的光谱的波长中值在第i种量子点发射光谱中峰值波长处，每个光学分频器的可透过光谱的半高宽在10nm以内。

6.根据权利要求4所述的一种基于量子点的中子能谱测量方法，其特征在于：所述每个波长转换剂的接收光子的波长范围覆盖所述的量子点发射光子波长范围，波长转换剂的发射的光子的波长范围覆盖所述光电倍增管能够产生响应的光子波长范围。

7.根据权利要求4所述的一种基于量子点的中子能谱测量方法，其特征在于：所述步骤（3）中的反卷积方法包括最小二乘法、最大熵法、迭代法或神经网络法。

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