CN109975862B - 宇宙射线探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种宇宙射线探测装置，包括射线探测器阵列、信号处理电路和发光、发声单元，射线探测器阵列中的γ型盖革计数管组成多组沿第一方向排列的信号阵列，每组信号阵列包括至少一排沿第一方向排列的信号单元，每排信号单元包括多个沿第二方向排列的γ型盖革计数管；信号处理电路连接各γ型盖革计数管的输出端，用于判断信号是否由第一方向上的至少两组信号阵列在同一时刻生成的有效信号，若是，则确认信号由宇宙射线产生，并输出信号；发光单元、发声单元用于响应信号处理电路的输出信号而发光、发声。本发明对宇宙射线的探测准确度和灵敏度较高，抗干扰能力强，而且结构简单，便于携带，可以在各种场合灵活演示。

Description

宇宙射线探测装置

技术领域

本发明涉及探测技术领域，具体而言，涉及一种宇宙射线探测装置。

背景技术

宇宙射线是来自于宇宙的一种具有高能的带电粒子，对宇宙射线的认识是人类研究宇宙的起源和演化的内容之一，是对大众进行科普教育的重要内容。

目前，能够帮助人类看见宇宙射线的仪器有云室、火花室以及其他谱仪，这些仪器结构复杂、价格高昂且操作复杂，或者需要在黑暗环境靠近观测，无法携带，不适合于灵活方便的给大量普通受众演示，因此，不适用于对大众进行宇宙射线知识的普及。

需要说明的是，在上述背景技术部分发明的信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宇宙射线探测装置，解决现有宇宙射线探测装置结构复杂不适合灵活演示的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种宇宙射线探测装置，包括：

射线探测器阵列，包括多个γ型盖革计数管，用于探测射线并产生信号，所述多个γ型盖革计数管组成多组沿第一方向排列的信号阵列，每组所述信号阵列包括至少一排沿第一方向排列的信号单元，每排所述信号单元包括多个沿第二方向排列的γ型盖革计数管，所述第一方向与第二方向不同；

信号处理电路，连接各所述γ型盖革计数管的输出端，用于判断所述信号是否由所述第一方向上的至少两组信号阵列中在同一时刻生成，若是，则确认所述信号由宇宙射线产生，并输出信号，否则不输出信号；

发光单元，连接所述信号处理电路，用于响应所述信号处理电路的输出信号而发光。

在本公开的一种示例性实施例中，每组所述信号阵列包括两排沿第一方向排列的信号单元，相邻两排所述信号单元的γ型盖革计数管在所述第一方向上的投影不完全重叠。

在本公开的一种示例性实施例中，所述多个γ型盖革计数管组成三组信号阵列，每组所述信号阵列包括两排沿第一方向排列的信号单元，相邻两排所述信号单元的γ型盖革计数管在所述第一方向上的投影错开γ型盖革计数管的一个半径。

在本公开的一种示例性实施例中，所述信号处理电路包括：

触发电路，包括多个，与各所述γ型盖革计数管一一对应连接，用于接收各所述γ型盖革计数管的输出信号并转化为设定宽度的方脉冲信号输出；

逻辑电路，连接所有所述触发电路的输出端，用于接收各所述脉冲信号，以及判断所述脉冲信号是否由所述第一方向上的至少两组信号阵列在同一时刻生成；

驱动电路，分别连接所述逻辑电路的输出端和发光单元，用于响应所述逻辑电路输出的信号和驱动所述发光单元发光。

在本公开的一种示例性实施例中，所述逻辑电路包括：

多路或门，每一路所述或门的多个输入端与每组信号阵列对应的多个触发电路的输出端一一对应连接；

与门，所述与门的多个输入端与所述多路或门的输出端一一对应连接，所述与门的输出端连接所述驱动电路。

在本公开的一种示例性实施例中，所述发光单元包括多个，且其数量与所述γ型盖革计数管的数量相等，且位置一一对应排列；所述驱动电路包括多个，且其数量与所述发光单元的数量相等；各所述驱动电路的输入端与各所述触发电路的输出端一一对应连接，各所述驱动电路的输入端还同时与所述逻辑电路的输出端连接，各所述驱动电路的输出端与各所述发光单元一一对应连接。

在本公开的一种示例性实施例中，所述触发电路的触发电压高于1.5V。

在本公开的一种示例性实施例中，所述方脉冲信号的时间宽度的预设值为1-4μs。

在本公开的一种示例性实施例中，所述发光单元还包括多个聚光器，各所述聚光器与各所述发光单元一一对应设置，每一所述发光单元位于对应的所述聚光器中心。

在本公开的一种示例性实施例中，还包括：发声单元，连接所述信号处理电路，用于响应所述信号处理电路的输出信号而发声。

本发明的宇宙射线探测装置利用盖革计数管对射线的测量功能捕捉射线，再利用信号处理电路筛选出能够穿过多个盖革计数管的射线从而确定其为宇宙射线并发光提示。一方面，利用简单的装置即可实现宇宙射线的探测，准确度和灵敏度都较高，抗干扰能力强，而且结构简单，成本较低，体积小，便于携带，也不需要避光，可以在各种场合灵活演示，方便对普通受众进行科普。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的宇宙射线探测装置的结构示意图；

图2为射线探测器阵列的一种结构示意图；

图3为射线探测器阵列的另一种结构示意图；

图4为信号处理电路的示意图。

图中：1、射线探测器阵列；2、信号处理电路；3、发光单元；4、发声单元；10、信号阵列；100、信号单元；1000、盖革计数管；21、触发电路；22、逻辑电路；23、驱动电路。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

如图1所示，本发明实施方式中提供了一种宇宙射线探测装置，包括射线探测器阵列1、信号处理电路2和发光单元3。射线探测器阵列1用于接收射线并产生信号，包括多个γ型盖革计数管，多个γ型盖革计数管组成多组沿第一方向排列的信号阵列，每组信号阵列包括至少一排沿第一方向排列的信号单元，每排信号单元包括多个沿第二方向排列的γ型盖革计数管，第一方向与第二方向不同。信号处理电路2连接各γ型盖革计数管的输出端，用于判断生成的信号是否由第一方向上的至少两组信号阵列在同一时刻生成，若是，则确认该信号由宇宙射线产生，并输出信号，否则不输出信号。发光单元3连接信号处理电路，用于响应信号处理电路的输出信号而发光。

盖革计数管是根据射线能使气体电离的性能制成的，管内有射线穿过时，射线使管内气体原子电离放出电子，电子经过雪崩放大过程，在正极输出大幅度的电脉冲信号。自然界中存在的宇宙射线、天然γ射线都能在盖革计数管内使气体电离从而产生信号，但是γ射线绝大部分只能在一个盖革计数管中电离并形成信号(极少数可以在2个计数管产生信号，不可能在3个计数管产生信号)，由于本发明采用的盖革计数管是γ型盖革计数管，它对于ɑ和β射线不响应，但宇宙射线带电粒子(主要是μ子)能量较大，穿透力强，可以在它穿过的全部盖革计数管内产生信号。因此，可以利用该性能在众多的射线中筛选出宇宙射线，实现宇宙射线探测的目的。

由于宇宙射线带电粒子在地表的传播方向都是自上向下，因此，可以以竖直方向作为第一方向，水平方向作为第二方向，将射线探测器阵列1的盖革计数管沿水平和竖直方向排列成阵列，利用信号处理电路2判断盖革计数管产生的信号，由于绝大部分γ射线只能在一个盖革计数管中电离并形成信号，因此只要第一方向的至少两组信号阵列中都有盖革计数管在某一时刻同时生成信号，则认为这些信号是由同一条穿过了这些盖革计数管的宇宙射线产生，然后通过发光单元3进行显示，以提示该时刻有宇宙射线穿过探测装置。为了尽可能充分的排除γ射线，确保探测结果准确性较高，可以当第一方向的至少有三组信号阵列中都有γ型盖革计数管在某一时刻同时生成信号时，才认为这些信号是由同一条穿过了这些盖革计数管的宇宙射线产生。

由于大部分宇宙射线都是自上向下传播，为了确保能够捕捉到大部分宇宙射线，第一方向定义为竖直方向(垂直于地平线方向)。当然，第一方向也可以与竖直方向稍微呈一定夹角，但夹角不可过大，越出本装置计数管阵列倾斜范围的宇宙射线不能被显示。相应的，第二方向定义可以为水平方向(横向)，也可以与水平方向稍微呈一定夹角。

由于γ型盖革计数管的工作“坪区”(即计数率处于平坦区的高压值范围，在该高压范围内，计数率变化很小)可能不同，因此使用前需要逐根测量其工作“坪区”，以选择可以共用一个高压范围的γ型计数管。

本发明的装置利用了宇宙射线能量和穿透能力大于其他天然射线的原理，用简单的装置即可实现探测，结构简单，成本较低，易于推广。而且该装置体积小，抗干扰能力强，便于携带，也不需要避光，可以在各种场合灵活演示，方便对普通受众进行科普。

下面对本发明实施方式的宇宙射线探测装置进行详细说明：

如图2所示，本实施方式共有24个γ型盖革计数管(以下简称盖革计数管)1000组成三组信号阵列10，三组信号阵列10在竖直方向上依次紧密排列。每组信号阵列10包括两排信号单元100，两排信号单元100在竖直方向错开一个计数管的半径排列，每排信号单元100包括4个横向紧密排列的盖革计数管，第1、3、5排计数管上下对齐，第2、4、6排计数管上下对齐，整体形成6×4的结构。该结构使得宇宙射线或入射方向与竖直方向具有少许夹角的宇宙射线都可以被捕捉到，以筛选出能穿过盖革计数管矩阵的宇宙射线，而排除掉天然放射性γ射线。相邻两排信号单元100的盖革计数管1000在竖直方向上的投影不完全重叠，也就是说，相邻两排信号单元100的盖革计数管1000在水平面的投影不完全重叠。每组上下两排盖革计数管1000在垂直方向错位排列，从某管间隙间穿过的宇宙射线必然会被竖直方向的另一排计数管探测到，提高了探测效率。当上下两排盖革计数管1000错开半个管径进行排列时，其效果最好。

在其他实施方式中，每组信号阵列10也可以只包括一排信号单元100，如图3所示。在其他实施方式中，信号阵列10的数量、每组信号单元内的盖革计数管1000数量都还可以为其他数值，此处不再一一列举。

在本实施方式中，信号处理电路2可以包括触发电路21、逻辑电路22和驱动电路23。如图4所示，触发电路21包括24个，与24个盖革计数管1000一一对应连接，用于接收各盖革计数管1000的输出信号并转化为预定宽度的方脉冲信号输出。逻辑电路22连接所有触发电路21的输出端，用于接收各方脉冲信号，并判断各脉冲信号是否由垂直方向上的三个盖革计数管在同一时刻生成。驱动电路23的输入端分别连接逻辑电路22的输出端，其输出端连接发光单元，用于响应逻辑电路22输出的信号和驱动发光单元发光。该电路结构的工作流程为，若射线在某些盖革计数管1000中电离气体从而产生了电信号，则输出至触发电路21，触发电路21被触发后将这些电信号转化为矩形脉冲信号，再传输给逻辑电路22，逻辑电路22对这些方脉冲信号进行判断，判断其是否由垂直方向上的至少三个信号阵列中的盖革计数管在同一时刻生成，如果是，则认定其是宇宙射线产生的，然后输出一信号给驱动电路23；如果不是，则认定其不是由宇宙射线产生，则不输出信号。驱动电路23接收到逻辑电路22的输出信号后，驱动发光单元3发光，从而提示观察者此时有宇宙射线穿过探测装置。

如图4所示，逻辑电路22包括三路或门和一个与门，每一路或门对应一组信号阵列10，具有8个输入端和1个输出端，每一个输入端与每一组信号阵列对应的8个触发电路的输出端一一对应连接，与门具有3个输入端和1个输出端，与门的3个输入端与三路或门的输出端一一对应连接，与门的输出端连接驱动电路。该结构的原理是，通过或门判断是否有射线，通过与门判断是否为宇宙射线，具体而言，任一组信号阵列中只要有任一个盖革计数管产生了信号，则认为有射线穿过该组信号阵列内的盖革计数管，如果三组信号阵列同一时刻都产生了信号，则认为有射线同时穿过了这三组信号阵列，因此，该射线为宇宙射线。本发明逻辑电路22通过三路“符合”技术去除天然γ放射性的本底噪声，单独选出穿过的宇宙射线，电路结构简单，判断准确。

对于本实施方式的上述各种电路，具体可以采用C-MOS逻辑集成电路74HC123(双单稳态电路)和74HC05(集电极开路的6反向器)来实现该功能，该电路抗噪声能力强，功耗小(发热少)，速度快，抗干扰能力强，便于在各种场合使用。当然还可以采用其他具体电路结构来实现该功能，此处不再一一列举。

为了能够显示出宇宙射线的传播轨迹，如图4所示，发光单元3也设置24个，且位置与盖革计数管1000一一对应排。相应的，驱动电路23也包括24个，每一驱动电路23的输出端都连接有一个发光单元3，用于独立控制每一个发光单元3。同时各驱动电路23的输入端既与各触发电路21的输出端一一对应连接，还同时与逻辑电路22与门的输出端F连接。当触发电路21接收到盖革计数管的电信号时，会将其产生的脉冲信号同时传送给逻辑电路22和驱动电路23，当逻辑电路22判断有宇宙射线穿过探测装置时，发送信号给所有的驱动电路23，但只有同时接收到触发电路21脉冲信号的驱动电路23才会驱动发光单元3发光，由此便可使得被驱动发光的发光单元的排布恰好与宇宙射线穿过的轨迹一致，从而使观察者可以看出宇宙射线的传播轨迹，以便更直观的了解宇宙射线。

为了排除干扰，触发电路21的触发电压(甄别阈)需要高于1.5V，以进一步去除其他噪声信号。同时，其输出信号是具有一定时间宽度的C-MOS幅度方脉冲，时间宽度根据计数管的时间特性、每组计数管的数量、“符合”组数(2或3)等计算得到，其原则是尽量减少由无关的信号(例如天然放射性γ在两个计数管内时间间隔小于预设时间宽度)造成的假符合，又大于真实宇宙线由于穿过计数管不同部位造成的信号时间差，不损失真事例，所以该时间宽度通常为1-4μs。在本实施方式中，时间宽度可以设置为τ＝4μs，以确保能准确筛选出能够穿过三个盖革计数管的宇宙射线，而排除天然γ射线。在其他实施方式中，如果只需要通过两排盖革计数管来筛选宇宙射线，则需要降低时间宽度，以确保能够准确排除天然γ射线。

发光单元3可以是发光二极管，在驱动电路的驱动下可以点亮1秒钟，以形象地显示出所测量得的宇宙线位置。如果使用的盖革计数管更多，宇宙线计数更多，应该适当减短点亮时间，以便减少多条宇宙线径迹同时显现造成混乱。为了能够更清晰的进行显示，本实施方式的每一发光单元3还包括一个聚光镜，24个聚光镜的位置与24个盖革计数管位置一一对应，聚光镜的直径与计数管直径接近，以便更形象地显示宇宙线实际径迹。每一个发光二极管放置在对应的聚光镜中心孔处，通过聚光镜可以放大光线亮度，使轨迹展示更清晰。在其他实施方式中，发光单元也可以是其他发光器件，本发明不对此进行特殊限定。

该探测装置还包括发声单元，发声单元连接逻辑电路22，用于响应逻辑电路22的输出信号而发声。举例而言，发声单元可以为蜂鸣器，当逻辑电路22输出信号时，蜂鸣器发出“嘟”的声音，利用声音提示有宇宙射线穿过。发声单元采用单独的驱动电路进行驱动。

虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。

用语“一个”、“一”、“该”、“所述”和“至少一个”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (8)

1.一种宇宙射线探测装置，其特征在于，包括：

射线探测器阵列，包括多个γ型盖革计数管，用于探测射线并产生信号，所述多个γ型盖革计数管组成多组沿第一方向排列的信号阵列，每组所述信号阵列包括至少一排沿第一方向排列的信号单元，每排所述信号单元包括多个沿第二方向排列的γ型盖革计数管，所述第一方向与第二方向不同；

信号处理电路，连接各所述γ型盖革计数管的输出端，用于判断所述信号是否由所述第一方向上的至少两组信号阵列在同一时刻生成，若是，则确认所述信号由宇宙射线产生，并输出信号，否则不输出信号；

发光单元，连接所述信号处理电路，用于响应所述信号处理电路的输出信号而发光；所述发光单元包括多个，且其数量与所述γ型盖革计数管的数量相等，且位置一一对应排列，所述发光单元是发光二极管；

其中，所述信号处理电路包括：

触发电路，包括多个，与各所述γ型盖革计数管一一对应连接，用于接收各所述γ型盖革计数管的输出信号并转化为设定宽度的方脉冲信号输出；

逻辑电路，连接所有所述触发电路的输出端，用于接收各所述脉冲信号，以及判断所述脉冲信号是否由所述第一方向上的至少两组信号阵列在同一时刻生成；

驱动电路，分别连接所述逻辑电路的输出端和发光单元，用于响应所述逻辑电路输出的信号和驱动所述发光单元发光，所述驱动电路包括多个，且其数量与所述发光单元的数量相等；各所述驱动电路的输入端与各所述触发电路的输出端一一对应连接，各所述驱动电路的输入端还同时与所述逻辑电路的输出端连接，各所述驱动电路的输出端与各所述发光单元一一对应连接。

2.根据权利要求1所述的宇宙射线探测装置，其特征在于，每组所述信号阵列包括两排沿第一方向排列的信号单元，相邻两排所述信号单元的γ型盖革计数管在所述第一方向上的投影不完全重叠。

3.根据权利要求2所述的宇宙射线探测装置，其特征在于，所述多个γ型盖革计数管组成三组信号阵列，每组所述信号阵列包括两排沿第一方向排列的信号单元，相邻两排所述信号单元的γ型盖革计数管在所述第一方向上的投影错开所述γ型盖革计数管的一个半径。

4.根据权利要求1所述的宇宙射线探测装置，其特征在于，所述逻辑电路包括：

多路或门，每一路所述或门的多个输入端与每组信号阵列对应的多个触发电路的输出端一一对应连接；

与门，所述与门的多个输入端与所述多路或门的输出端一一对应连接，所述与门的输出端连接所述驱动电路。

5.根据权利要求1所述的宇宙射线探测装置，其特征在于，所述触发电路的触发电压高于1.5V。

6.根据权利要求1所述的宇宙射线探测装置，其特征在于，所述方脉冲信号的时间宽度的预设值为1-4μs。

7.根据权利要求1所述的宇宙射线探测装置，其特征在于，所述发光单元还包括多个聚光器，各所述聚光器与各所述发光单元一一对应设置，每一所述发光单元位于对应的所述聚光器中心。

8.根据权利要求1所述的宇宙射线探测装置，其特征在于，还包括：

发声单元，连接所述信号处理电路，用于响应所述信号处理电路的输出信号而发声。

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