CN103698801B

CN103698801B - 高能质子和中子能谱测量的多层闪烁探测器及测量方法

Info

Publication number: CN103698801B
Application number: CN201310638107.4A
Authority: CN
Inventors: 宋朝晖; 谭新建; 卢毅; 张侃; 傅录祥
Original assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Current assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2016-01-27
Anticipated expiration: 2033-11-29
Also published as: CN103698801A

Abstract

本发明高能质子和中子能谱测量的多层闪烁探测器及测量方法，探测器的灵敏体积由一种闪烁体包裹另一种闪烁体组成，内层闪烁体与外层闪烁体之间设有隔层；闪烁体两侧设置两支光电倍增管，分别对应两种闪烁体，隔层在内层光电倍增管对应的位置处设有窗口；闪烁体由外壳压接固定，光电倍增管通过其底座固定在外壳上。该探测器可以用于带电粒子、中子以及伽马射线复杂混合场下进行高能质子和高能中子的能谱测量。

Description

高能质子和中子能谱测量的多层闪烁探测器及测量方法

技术领域

本发明涉及一种辐射探测装置及方法，具体涉及一种适于复杂混合场中高能质子和中子的能谱测量装置及方法。

背景技术

人类空间活动集中在20km以下的航空空间和100km以上的外层空间，航空空间和外层空间之间的区域称为临近空间(20km～100km)。邻近空间具有很好的军事应用前景，目前世界各军事强国均在加紧开展相关研究工作。临近空间战略地位重要，其控制和发展是我国进一步提高军事能力的必然。开发临近空间必须首先认识临近空间环境，包括气象环境和辐射环境等。对临近空间辐射环境的认识主要依靠理论计算与模拟仿真，由于缺乏实测数据，计算结果准确性未经检验，因而其认识难以更加深入。

临近空间辐射环境主要来自于高能宇宙射线与大气层中的氧、氮等原子相互作用引起的级联簇射，包括中子、质子、电子、γ射线等。临近空间的开发必须优先研究中子、质子引起的空间辐射损伤问题。中子入射到临近空间飞行器微电子芯片敏感部位时，将产生辐射损伤，尤其是单粒子效应，造成电子学系统功能紊乱甚至产生灾难性后果。同时高能质子由于射程长、且可与核作用产生α粒子、反冲核等较重带电粒子，也将对半导体器件造成严重的辐射损伤。

为检验并修正理论模型、优化抗辐射加固策略、准确评估临近空间飞行器实际辐射损伤概率，必须开展临近空间高能中子、质子(其中20MeV～150MeV粒子对器件的损伤效应最为显著，是主要关注区域)的实际能谱测量工作。目前，国内外相关实验研究工作尚处于起步阶段。尽管在航空空间和外层空间，人们已经分别开展了大气中子和外层空间质子的探测研究工作，探测手段包括核乳胶、热释光剂量仪，以及金硅面垒探测器、锂漂移探测器等半导体探测器。但此类探测器对中子、质子均灵敏，且无法区分高能中子、质子事件，难以解决临近空间高能质子和中子能谱同时测量的需求。

日本的M.Takada曾提出过一种用于邻近空间质子和中子能谱测量的多层闪烁探测器(参考文献：Nucl.Instr.&Meth.A465(2001):498–511)，该探测器采用NE115型塑闪包裹NE213型液闪构成，用一个光电倍增管同时收集两种闪烁体发光，利用信号脉冲宽度区分质子、中子和伽马事件，实现质子和中子能谱测量。但该方案存在一定的不足之处：两种闪烁体发光会产生相互干扰，一种闪烁体对另一种闪烁体的发光具有吸收衰减作用；塑闪必须具有较慢的发光衰减时间，才能通过脉冲宽度识别出质子事件，因而计数率难以提高；同时其信号较复杂，对后端甄别电路的要求较高。

发明内容

为了解决临近空间高能质子和中子能谱同时测量的难题，本发明提供了一种用于高能质子和中子能谱测量的多层闪烁探测器及其测量方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种用于高能质子和中子能谱测量的多层闪烁探测器，其特殊之处在于：

包括外壳、内层闪烁体、内层光电倍增管、外层闪烁体、外层光电倍增管；

所述外层闪烁体设置在外壳内，所述内层闪烁体设置在外层闪烁体内，所述内层闪烁体和外层闪烁体之间设置有隔层；所述内层光电倍增管和外层光电倍增管设置在外壳和外层闪烁体之间且分别位于外层闪烁体的不同侧面；所述隔层上设置有窗口，所述内层光电倍增管透过窗口与内层闪烁体相接触；所述外层光电倍增管与外层闪烁体相接触；所述内层闪烁体和外层闪烁体各自的高压输入端和信号输出端均从外壳引出；

所述外层闪烁体为塑料闪烁体，所述内层闪烁体为液体闪烁体；

所述隔层材料为铍、铝或其他低Z无机隔光材料；

所述内层闪烁体的外表面、外层闪烁体的内表面和外表面分别镀有光反射膜。

上述内层闪烁体与内层光电倍增管之间以及外层闪烁体与外层光电倍增管之间设置有光导材料。

上述光反射膜为氧化镁膜；所述塑料闪烁体为ST401；所述液体闪烁体为BC501A。

上述内层光电倍增管和外层光电倍增管分别位于外层闪烁体的相对两个侧面。

根据上述的多层闪烁探测器的探测系统，其特殊之处在于：包括外置高压电源、多层闪烁探测器、甄别电路、质子能谱测量单元、中子能谱测量单元；

所述外置高压电源与内层光电倍增管和外层光电倍增管的高压输入端分别相连；

所述内层光电倍增管和外层光电倍增管的信号输出端接甄别电路；

所述甄别电路通过内层光电倍增管和外层光电倍增管是否有信号产生来判断探测器中的入射粒子是质子还是中子/伽马；

所述质子能谱测量单元、中子能谱测量单元的输入端分别与甄别电路的两个输出端相连。

一种高能质子和中子能谱测量的测量方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】采集内层光电倍增管和外层光电倍增管的输出信号；

2】若两支光电倍增管同时输出信号，为质子事件，将内层光电倍增管和外层光电倍增管输出信号相加作为质子事件输出信号；若内层闪烁体对应光电倍增管有输出信号，而外层闪烁体对应的光电倍增管没有输出信号，为中子/伽马事件，将内层光电倍增管的信号作为输出信号，再对输出信号采用波形甄别法剔除伽马射线产生的信号，得到中子事件的输出信号；

3】对探测器的质子事件输出信号或中子事件的输出信号进行多道分析，根据事件种类分别绘制其脉冲幅度谱，从而得到待测环境中质子和中子的测量能谱。

还包括测量前采用一系列能量已知的单能质子和中子源对探测器进行刻度，或采用蒙特卡罗方法计算探测器对不同能量质子和中子的响应的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、可以满足中子、带电粒子、伽马复杂混合场中高能质子和高能中子能谱测量的需求。

2、探测器时间响应快，计数率高。

3、结构设计简单、模块化，便于器件更换。

4、数据处理相对简单，工作效率高。

附图说明

图1为本发明探测器的结构示意，其中：1-内层闪烁体，2-隔层，3-外层闪烁体，4-外壳，5-光电倍增管，6-光电倍增管底座，7-高压输入端，8-信号输出端。

图2为本发明应用示意图。

图3为中子伽马波形甄别示意图。

具体实施方式

一种高能质子和中子能谱探测器，探测器的灵敏体积由一种闪烁体包裹另一种闪烁体组成，内层闪烁体与外层闪烁体之间设有隔层；闪烁体两侧设置两支光电倍增管，分别对应两种闪烁体，隔层在内层光电倍增管对应的位置处设有窗口；闪烁体由外壳压接固定，光电倍增管通过其底座固定在外壳上。

探测器可用于同时测量高能中子、带电粒子以及伽马射线混合场中的中子能谱和质子能谱。

外层闪烁体为塑料闪烁体（简称“塑闪”），内层闪烁体为液体闪烁体（简称“液闪”）。

隔层材料为铍、铝或其他低Z（低原子序数）无机隔光材料。

内层闪烁体与隔层之间、隔层与外层闪烁体之间、外层闪烁体外层分别镀有光反射膜（如氧化镁）。

闪烁体与光电倍增管之间可以增加光导材料提高光电倍增管对闪烁体发光的收集效率。

一种中子质子能谱测量方法，其步骤为：

a.采集两支光电倍增管的输出信号；

b.判断事件种类：两支光电倍增管同时输出信号，为质子事件，将两支光电倍增管信号相加作为输出信号；内层闪烁体对应光电倍增管有输出信号，而外层闪烁体对应的光电倍增管没有输出信号，为中子/伽马事件，将内层光电倍增管的信号作为输出信号。

c.对于中子/伽马事件的输出信号，采用波形甄别法剔除伽马射线产生的信号，得到中子事件的输出信号。

d.对探测器的输出信号进行多道分析，根据事件种类分别绘制其脉冲幅度谱，从而得到待测环境中质子和中子的测量能谱。

在测量前需采用一系列能量已知的单能质子和中子源对探测器进行刻度，或采用蒙特卡罗方法计算探测器对不同能量质子和中子的响应。

图2给出了本发明的一个应用实例，其中探测器结构为图1所示：内层闪烁体采用的液体闪烁体为BC501A(φ100mm×100mm)，液闪用铝壳进行封装，铝壳厚度为2mm，经过计算20MeV以下的质子在铝中的射程小于2mm，因此该探测器可以满足能量在20MeV以上的高能质子测量要求，且排除了低能带电粒子的干扰。铝壳一侧开有φ50mm的窗口，便于光电倍增管收集闪烁体发光；外层闪烁体采用的塑料闪烁体为ST401（厚度15mm），塑闪两侧镀有反射膜以提高光收集效率；探测器中的光电倍增管外置高压电源供电，工作电压为-1000V。两种闪烁体的发光衰减时间均在纳秒量级，因此探测器计数率上限较高；两种闪烁体发光分开收集，避免了相互干扰，同时输出信号易于区分，降低了对后端甄别电路的要求。

探测器具体工作方式为：

对于质子、中子、伽马混合场测量，质子属于带电粒子，一旦进入探测器灵敏体积内，必然与外层闪烁体和外层闪烁体都发生作用，使其发光（低能质子可能被隔层阻挡而不能进入内层闪烁体，但不属于本探测器的测量范围），从而两支光电倍增管都会输出脉冲电流信号，两个信号相加即代表了质子事件输出信号。外层塑闪较薄，中子或伽马射线不易与其发生作用，而是穿过外层的塑闪与内层的液闪发生作用，即只有内层光电倍增管有输出信号。

甄别电路通过两支光电倍增管是否有信号产生判断探测器中的入射粒子是质子还是中子/伽马。对于质子事件，直接采用高速ADC电路对信号进行采集并转换为数字信号，经过多道分析软件分析给出质子的测量能谱。对于中子/伽马事件需进一步甄别。

液闪具有较好的中子/伽马分辨能力，中子在液闪中主要产生反冲质子而伽马射线直接产生电子，两种机理产生的输出信号脉冲宽度不同，因此可以通过波形甄别法提取出中子事件。中子/伽马脉冲波形甄别，主要有模拟和数字两种方式，模拟化脉冲甄别技术有上升时间法、过零时间法和电荷比较法等。本实例中采用数字化脉冲甄别技术中的脉冲梯度法，其原理如图3所示。脉冲梯度m可以表示为:

m = \frac{Δy}{Δt} = \frac{y_{p} - y_{d}}{t_{p} - t_{d}}

其中，y_p表示脉冲波峰的幅度，y_d表示选取样本点的幅度，t_p和t_d分别表示脉冲波峰和所选取样本点所在时刻。通过计算输出波形的脉冲梯度，甄别出中子信号，再通过计算机多道分析软件分析给出中子测量能谱。

Claims

1.一种高能质子和中子能谱测量的测量方法，采用多层闪烁探测器进行测量，所述多层闪烁探测器包括外壳、内层闪烁体、内层光电倍增管、外层闪烁体、外层光电倍增管；

所述隔层材料为铍、铝或其他低Z无机隔光材料；

所述内层闪烁体的外表面、外层闪烁体的内表面和外表面分别镀有光反射膜；

其特征在于：采用多层闪烁探测器进行测量的方法包括以下步骤：

1】采集内层光电倍增管和外层光电倍增管的输出信号；

2.根据权利要求1所述的高能质子和中子能谱测量的测量方法，其特征在于：还包括测量前采用一系列能量已知的单能质子和中子源对探测器进行刻度，或采用蒙特卡罗方法计算探测器对不同能量质子和中子的响应的步骤。