CN105785425B - 一种注水排水全自动多球中子谱仪及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种注水排水全自动多球中子谱仪及测量方法，该系统包括注水排水系统、多层环形铅玻璃球壳、球形中子探测器、分析处理系统。根据中子测量场所，对注水排水全自动多球中子谱仪装置进行安装，测量时通过注水排水系统向多层环形铅玻璃球壳内依次注入水，达到改变中子慢化剂厚度的目的，从而实现对环境中不同能量中子的测量。本发明利用注水排水系统对单个球形探测器的不同参数进行全自动控制，实现多球探测的目的，解决了常规多球系统中多个探测系统制作的复杂性，从而降低了制作成本，同时有效地避免了传统多球系统中各探测器间的相互影响和不一致性问题，以及多个探测器整体搬运的繁琐性问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种中子谱仪及测量方法，尤其涉及一种注水排水全自动多球中子谱仪及测量方法。
背景技术
空间辐射环境复杂，中子遍布空间的各个角落，且能量范围从几MeV～几十MeV，而人体的大部分器官都由低原子序数物质组成，所以人体在受到中子辐射后，而关键器官会遭到严重损伤、诱导肿瘤甚至导致死亡。随着各个国家航天事业的发展，空间环境辐射对航天器及其器件，对宇航员的辐射损伤越来越受到重视，只有测出空间中子能谱，采取有效的防护措施才能将伤害最小化。
球中子谱仪由布兰布利特在1960提出，通常典型的多球系统是一系列直径变化范围为5.08cm-30.48cm的高密度聚乙烯(PE)球组成，聚乙烯球内部放置同心的球形热中子探测器，常见的热中子探测器有3He正比计数器、BF3正比计数器和6Li正比计数器，其中最常见的为3He正比计数器。
多球中子谱仪具有测量范围广、各向同性、便于测量等优点，因而常常被用于中子能谱测量。但是多球系统(BSS)主要针对20MeV以内中子能区能谱测量，对20MeV以上高能区中子的灵敏度普遍较低，并不适用于几MeV～100MeV能区的空间中子测量。国内外多个机构已经尝试在聚乙烯内层增加高原子序数(Z)同心球壳，以增加BSS对20MeV以上中子的灵敏度。常见的方法是在聚乙烯内某些层添加铜、铅、钨元素，且经多方研究证明，钨的效果最好，铅次之，铜最差，而钨的价格昂贵，密度较大，因此很多机构常用金属铅作为高能中子的辅助慢化材料来构成延展性多球中子谱仪(BSE)。
发明内容
本发明的目的就在于针对常规的多球中子谱仪对20MeV以上中子灵敏度低，无法对空间几十MeV甚至几百MeV中子能谱测量的问题，提出了一种用于10MeV以上中子能谱测量的注水排水全自动多球中子谱仪。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种注水排水全自动多球中子谱仪，包括进行中子探测的探测器、注水排水系统、以及分析处理系统；
所述探测器由半径为19.15cm的3He球形中子探测器和11个球壳构成，其中位于最内层的球壳采用不锈钢制成，其内径等于3He球形中子探测器的外径，其余球壳采用铅玻璃制成实心球壳和空心球壳，所述实心球壳和空心球壳交错嵌套安装，且内层球壳外径等于相邻外层球壳内径；
实心球壳和空心球壳的顶部设有排气孔、底部设有注水孔，且当球壳嵌套安装后，所有排气孔重叠、所有注水孔重叠，且排气孔内插有排气管，注水孔内插有注水管；
所述排气管和注水管侧壁设有通孔，均从最外层球壳插入，并与最内层球壳的外壁接触；注水管内对应实心球壳处，设有电动阀门；
所述注水排水系统包括水池、控制器，与控制器连接的水泵和电机，其中，水泵的水管连接电机，由电机控制其伸入注水管内的深度；
所述分析处理系统包括信号采集单元、数据处理单元和显示单元，所述信号采集单元与探测器连接，用于获取探测器输出的脉冲信号，转换为数字信号,并求取每次获得的数字信号的计数值；
所述数据处理单元获取每次信号采集单元输出的计数值形成矩阵，与响应函数矩阵求解,获取中子能谱并输出到显示系单元进行显示。
作为优选：11个球壳从内到外依次为A-K球壳，尺寸分别为：
A球壳：内径1.6厘米、厚度0.5厘米；
B球壳：内径1.65厘米、厚度1厘米；
C球壳：内径2.65厘米、厚度1厘米；
D球壳：内径3.65厘米、厚度1.5厘米；
E球壳：内径5.15厘米，厚度2厘米；
F球壳：内径7.15厘米，厚度1.5厘米；
G球壳：内径8.65厘米，厚度3厘米；
H球壳：内径11.65厘米，厚度1.5厘米；
I球壳：内径13.15厘米，厚度1厘米；
J球壳：内径14.15厘米，厚度1.5厘米；
K球壳：内径15.65厘米，厚度2厘米。
作为优选：所述排气管采用铅玻璃制成，所述注水管采用不锈钢制成。
一种注水排水全自动多球中子谱仪的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)对整个装置进行安装，对5层空心球壳从内到外逐层增加注满水这五种情况的中子响应，将响应矩阵导入数据处理单元；
(2)从内至外依次对5层空心球壳注水，每注满一个球壳，分别进行一次中子测量，输出脉冲信号，信号采集单元将脉冲信号转换为数字信号,并依次求取每次获得的数字信号的计数值N1-N5，传递给数据处理系统；
(3)数据处理单元获取每次信号采集单元输出的计数值形成五行一列的矩阵，与步骤(1)导入的响应矩阵求解,获取中子能谱并输出到显示单元进行显示；
(4)停止测量，利用抽水泵抽出探测器球壳内注入的水。
作为优选：步骤(1)具体方式为：
(11)5个空心球体逐层增加注满水，构成了五种球体结构，在10MeV-1000MeV中子能量的每个能量量级选取N个离散能量值对五种球体的响应函数值进行蒙特卡罗，最终形成公式(1)中5行3N列的响应值矩阵；
其中Rij为探测器对中子的能量响应，i代表5个球体，j代表3N个能量离散值。
(12)将获取的响应值矩阵导入数据处理单元。
作为优选：步骤(2)具体方式为：
(21)从内到外对电动阀门和空心球壳编号，电动阀门依次为L1到L5，空心球壳依次为第一层到第五层；打开所有电动阀门，控制器控制电机和水泵，将第一层空心球壳注满水，关闭L1,对环境中子进行第1次测量，输出脉冲信号，信号采集单元将脉冲信号转换为数字信号,并求取获得的数字信号的计数值N1，传递给数据处理系统；
(22)控制器控制电机和水泵，将第二层空心球壳注满水，关闭L2，对环境中子进行第2次测量，输出脉冲信号，信号采集单元将脉冲信号转换为数字信号,并求取获得的数字信号的计数值N2，传递给数据处理系统；
(23)控制器控制电机和水泵，将第三层空心球壳注满水，关闭L3，对环境中子进行第3次测量，输出脉冲信号，信号采集单元将脉冲信号转换为数字信号,并求取获得的数字信号的计数值N3，传递给数据处理系统；
(24)控制器控制电机和水泵，将第四层空心球壳注满水，关闭L4，对环境中子进行第4次测量，输出脉冲信号，信号采集单元将脉冲信号转换为数字信号,并求取获得的数字信号的计数值N4，传递给数据处理系统；
(25)控制器控制电机和水泵，将第五层空心球壳注满水，关闭L5，对环境中子进行第5次测量，输出脉冲信号，信号采集单元将脉冲信号转换为数字信号,并求取获得的数字信号的计数值N5，传递给数据处理系统。
作为优选：步骤(3)具体方式为：
(31)数据处理单元转换后的5行1列的矩阵具体为：
(32)根据中子能谱的计算公式:
其中Rφ(E)为探测器中子的能量响应函数，φ(E)为所求的中子能谱，N为探测器计数，E为中子能量，dE为积分，M表示N1到N5间的省略值，将上述公式离散化即：
将公式(1)(2)带入公式(4)可得式(5)
其中为求解的中子能谱中每个计数值对应的中子能量；
(33)将中子能量转化为能谱，并输出到显示单元进行显示。
作为优选：所述步骤(4)具体为：控制器控制L5-L1逐层打开，且在打开内层的电控阀门前，抽干外层空心球壳内的水。
与现有技术相比，本发明的优点在于：与传统多球系统相比,本发明提高了对10MeV以上中子的灵敏度,通过对单个探测器不同空气球壳层注入水实现测量，避免了人体受到中子辐照引起的伤害，通过在同一个3He探测器测量，减少了传统多球系统安装的复杂性，探测器和测量系统相同，因此，很好的解决了测量一致性问题；同时采用注水排水的方式，可快速组成对不同中子能量的测量，实现了同一装置测量多种中子能量的方法,有效降低了成本。在同一个信号采集系统、数据处理系统中进行信号处理，有效避免了多个信号采集系统与数据处理系统造成的误差，通过该方法，可以很好的对空间10-1000MeV的中子进行能谱测量，为进一步求得中子剂量提供了重要依据。
附图说明
图1为本发明的组成图示意图；
图2为本发明探测器的结构示意图；
图3a为传统的聚乙烯球中子谱仪结构；
图3b为图3a结构对10e-11～1000MeV中子的能量响应仿真结果示意图；
图4为常见的高能多球中子谱仪结构(BSE)；
图5为本发明与常见多球中子谱仪在10MeV-1000MeV中子能谱响应仿真结果对比示意图；
图6为排气管的主视图。
图中：1、水池；2、探测器；3、排气管；4、注水管；5、电动阀门；6、通孔。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：参见图1到图6，建立如图1所示的注水排水全自动多球中子谱仪，其中，探测器2由半径为19.15cm的3He球形中子探测器2和11个球壳构成，11个球壳从内到外分别为A球壳到K球壳，A球壳采用不锈钢材质，其余采用铅玻璃制成实心球壳和空心球壳，且实心球壳和空心球壳交错嵌套安装；所以B球壳可以为空心球壳，也可以为实心球壳，为了便于说明，本实施例中，假设B球壳为空心球壳，其余球壳依次交错设置，且位于内层的球壳外径等于相邻外层的球壳内径。将水泵、电机与控制器连接，控制器控制电机，电机带动水泵的水管伸入注水管4中，并由控制器控制伸入的深度，比如伸入到某一空心球壳处。水泵与水池1也连通，从水池1抽水向球壳注水，从球壳抽水还给水池1。
水泵自动注水、抽水，是通过控制器完成的，预先知道空心球壳的体积，只要控制注水或抽水的水量等于对应空心球壳的体积，就可以判断是否注满、或水是否排空；根据水泵的水量和时间，即可实现注水量的精确控制。
设置排气管3，排气管3上设有通孔6，是为了防止在注水过程中注入空气，使空心球壳能注满水。注水管4也设有通孔6，方便向空心球壳注水。
本实施例中，11个球壳的尺寸分别为：
A球壳：内径1.6厘米、厚度0.5厘米；
B球壳：内径1.65厘米、厚度1厘米；
C球壳：内径2.65厘米、厚度1厘米；
D球壳：内径3.65厘米、厚度1.5厘米；
E球壳：内径5.15厘米，厚度2厘米；
F球壳：内径7.15厘米，厚度1.5厘米；
G球壳：内径8.65厘米，厚度3厘米；
H球壳：内径11.65厘米，厚度1.5厘米；
I球壳：内径13.15厘米，厚度1厘米；
J球壳：内径14.15厘米，厚度1.5厘米；
K球壳：内径15.65厘米，厚度2厘米。
建立好本发明所述的注水排水全自动多球中子谱仪后，我们用其进行测量，测量方法包括以下步骤：
(1)对整个装置进行安装，对5层空心球壳从内到外逐层增加注满水这五种情况的中子响应，将响应矩阵导入数据处理单元；具体为：
(11)5个空心球体逐层增加注满水，构成了五种球体结构，在10MeV-1000MeV中子能量的每个能量量级选取N个离散能量值对五种球体的响应函数值进行蒙特卡罗，最终形成公式(1)中5行3N列的响应值矩阵；
其中Rij为探测器2对中子的能量响应，i代表5个球体，j代表3N个能量离散值；
(12)将获取的响应值矩阵导入数据处理单元。
(2)从内至外依次对5层空心球壳注水，每注满一个球壳，分别进行一次中子测量，输出脉冲信号，信号采集单元将脉冲信号转换为数字信号,并依次求取每次获得的数字信号的计数值N1-N5，传递给数据处理系统；具体方式为：
(21)从内到外对电动阀门5和空心球壳编号，电动阀门5依次为L1到L5，均打开，空心球壳从内到外依次为B、D、F、H、J球壳；打开所有电动阀门5，控制器控制电机和水泵，电机带动水泵的水管伸入至B球壳处，然后控制水泵注入与B球壳体积相同的水，也就是将B球壳注满，关闭L1,对环境中子进行第1次测量，输出脉冲信号，信号采集单元将脉冲信号转换为数字信号,并求取获得的数字信号的计数值N1，传递给数据处理系统；
(22)控制器控制电机和水泵，将D球壳注满水，关闭L2，对环境中子进行第2次测量，输出脉冲信号，信号采集单元将脉冲信号转换为数字信号,并求取获得的数字信号的计数值N2，传递给数据处理系统；
(23)控制器控制电机和水泵，将第F球壳注满水，关闭L3，对环境中子进行第3次测量，输出脉冲信号，信号采集单元将脉冲信号转换为数字信号,并求取获得的数字信号的计数值N3，传递给数据处理系统；
(24)控制器控制电机和水泵，将第H球壳注满水，关闭L4，对环境中子进行第4次测量，输出脉冲信号，信号采集单元将脉冲信号转换为数字信号,并求取获得的数字信号的计数值N4，传递给数据处理系统；
(25)控制器控制电机和水泵，将J球壳注满水，关闭L5，对环境中子进行第5次测量，输出脉冲信号，信号采集单元将脉冲信号转换为数字信号,并求取获得的数字信号的计数值N5，传递给数据处理系统。
(3)数据处理单元获取每次信号采集单元输出的计数值形成五行一列的矩阵，与步骤(1)导入的响应矩阵求解,获取中子能谱并输出到显示单元进行显示。
具体方式为：
(31)数据处理单元转换后的5行1列的矩阵具体为：
(32)根据中子能谱的计算公式:
其中Rφ(E)为探测器2中子的能量响应函数，φ(E)为所求的中子能谱，N为探测器2计数，E为中子能量，dE为积分，M表示N1到N5间的省略值，将上述公式离散化即：
将公式(1)(2)带入公式(4)可得式(5)
其中为求解的中子能谱中每个计数值对应的中子能量；
(33)将中子能量转化为能谱，并输出到显示单元进行显示。其仿真结果如图5所示，图3(a)是传统的聚乙烯球中子谱仪结构，图3(b)是聚乙烯球对中子的能量响应，可以看出聚乙烯球对能量为20MeV以下的中子具有较好的慢化和响应效果，且随着聚乙烯厚度的增加探测器2的响应最大值逐渐向高能区域移动；而图4是常见的高能多球中子谱仪结构，图5则将本发明对10-1000MeV中子的能量响应与常见的高能多球中子谱仪对10-1000MeV中子的能量响应进行了比较，从图5可以看出本发明与常见的高能多球中子谱仪相比，也就是和图4结构相比，效果好于常规的三层结构，其对中子的响应随水厚度的增加而增加，且响应随着中子能量增加呈现递增的趋势。因此保证了多球中子谱仪对10MeV以上中子有较为理想的能量响应。
(4)控制器控制L5-L1逐层打开，打开L5，抽干第五层空心球壳的水，再打开L4，抽干第四层空心球壳的水，依次类推，直到打开所有电控阀门，抽干所有的水。
Claims (8)
1.一种注水排水全自动多球中子谱仪，其特征在于：
包括进行中子探测的探测器、注水排水系统、以及分析处理系统；
所述探测器由半径为19.15cm的3He球形中子探测器和11个球壳构成，其中位于最内层的球壳采用不锈钢制成，其内径等于3He球形中子探测器的外径，其余球壳采用铅玻璃制成实心球壳和空心球壳，所述实心球壳和空心球壳交错嵌套安装，且内层球壳外径等于相邻外层球壳内径；
实心球壳和空心球壳的顶部设有排气孔、底部设有注水孔，且当球壳嵌套安装后，所有排气孔重叠、所有注水孔重叠，且排气孔内插有排气管，注水孔内插有注水管；
所述排气管和注水管侧壁设有通孔，均从最外层球壳插入，并与最内层球壳的外壁接触；注水管内对应实心球壳处，设有电动阀门；
所述注水排水系统包括水池、控制器，与控制器连接的水泵和电机，其中，水泵的水管连接电机，由电机控制其伸入注水管内的深度；
所述分析处理系统包括信号采集单元、数据处理单元和显示单元，所述信号采集单元与探测器连接，用于获取探测器输出的脉冲信号，转换为数字信号,并求取每次获得的数字信号的计数值；
所述数据处理单元获取每次信号采集单元输出的计数值形成矩阵，与响应函数矩阵求解,获取中子能谱并输出到显示系单元进行显示。
2.根据权利要求1所述的注水排水全自动多球中子谱仪，其特征在于：11个球壳从内到外依次为A-K球壳，尺寸分别为：
A球壳：内径1.6厘米、厚度0.5厘米；
B球壳：内径1.65厘米、厚度1厘米；
C球壳：内径2.65厘米、厚度1厘米；
D球壳：内径3.65厘米、厚度1.5厘米；
E球壳：内径5.15厘米，厚度2厘米；
F球壳：内径7.15厘米，厚度1.5厘米；
G球壳：内径8.65厘米，厚度3厘米；
H球壳：内径11.65厘米，厚度1.5厘米；
I球壳：内径13.15厘米，厚度1厘米；
J球壳：内径14.15厘米，厚度1.5厘米；
K球壳：内径15.65厘米，厚度2厘米。
3.根据权利要求1所述的注水排水全自动多球中子谱仪，其特征在于：所述排气管采用铅玻璃制成，所述注水管采用不锈钢制成。
4.一种注水排水全自动多球中子谱仪的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)对整个装置进行安装，对5层空心球壳从内到外逐层增加注满水这五种情况的中子响应，将响应矩阵导入数据处理单元；
(2)从内至外依次对5层空心球壳注水，每注满一个球壳，分别进行一次中子测量，输出脉冲信号，信号采集单元将脉冲信号转换为数字信号,并依次求取每次获得的数字信号的计数值N1-N5，传递给数据处理系统；
(3)数据处理单元获取每次信号采集单元输出的计数值形成五行一列的矩阵，与步骤(1)导入的响应矩阵求解,获取中子能谱并输出到显示单元进行显示；
(4)停止测量，利用抽水泵抽出探测器球壳内注入的水。
5.根据权利要求4所述的注水排水全自动多球中子谱仪的测量方法，其特征在于：步骤(1)具体方式为：
(11)5个空心球体逐层增加注满水，构成了五种球体结构，在10MeV-1000MeV中子能量的每个能量量级选取N个离散能量值对五种球体的响应函数值进行蒙特卡罗，最终形成公式(1)中5行3N列的响应值矩阵；
其中Rij为探测器对中子的能量响应，i代表5个球体，j代表3N个能量离散值；
(12)将获取的响应值矩阵导入数据处理单元。
6.根据权利要求4所述的注水排水全自动多球中子谱仪的测量方法，其特征在于：步骤(2)具体方式为：
(21)从内到外对电动阀门和空心球壳编号，电动阀门依次为L1到L5，空心球壳依次为第一层到第五层；打开所有电动阀门，控制器控制电机和水泵，将第一层空心球壳注满水，关闭L1,对环境中子进行第1次测量，输出脉冲信号，信号采集单元将脉冲信号转换为数字信号,并求取获得的数字信号的计数值N1，传递给数据处理系统；
(22)控制器控制电机和水泵，将第二层空心球壳注满水，关闭L2，对环境中子进行第2次测量，输出脉冲信号，信号采集单元将脉冲信号转换为数字信号,并求取获得的数字信号的计数值N2，传递给数据处理系统；
(23)控制器控制电机和水泵，将第三层空心球壳注满水，关闭L3，对环境中子进行第3次测量，输出脉冲信号，信号采集单元将脉冲信号转换为数字信号,并求取获得的数字信号的计数值N3，传递给数据处理系统；
(24)控制器控制电机和水泵，将第四层空心球壳注满水，关闭L4，对环境中子进行第4次测量，输出脉冲信号，信号采集单元将脉冲信号转换为数字信号,并求取获得的数字信号的计数值N4，传递给数据处理系统；
(25)控制器控制电机和水泵，将第五层空心球壳注满水，关闭L5，对环境中子进行第5次测量，输出脉冲信号，信号采集单元将脉冲信号转换为数字信号,并求取获得的数字信号的计数值N5，传递给数据处理系统。
7.根据权利要求4所述注水排水全自动多球中子谱仪的测量方法，其特征在于：步骤(3)具体方式为：
(31)数据处理单元转换后的5行1列的矩阵具体为：
(32)根据中子能谱的计算公式:
其中Rφ(E)为探测器中子的能量响应函数，φ(E)为所求的中子能谱，N为探测器计数，E为中子能量，dE为积分，M表示N1到N5间的省略值，将上述公式离散化即：
将公式(1)(2)带入公式(4)可得式(5)
其中为求解的中子能谱中每个计数值对应的中子能量；
(33)将中子能量转化为能谱，并输出到显示单元进行显示。
8.根据权利要求4所述的注水排水全自动多球中子谱仪的测量方法，其特征在于：所述步骤(4)具体为：控制器控制L5-L1逐层打开，且在打开内层的电控阀门前，抽干外层空心球壳内的水。
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