CN110308476B - 一种粒子辐射探测方法及探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种粒子辐射探测方法及探测装置，该方法包括对放大器产生的与粒子沉积能量对应的电脉冲信号进行脉冲宽度甄别，并输出与电脉冲信号幅度相对应的逻辑信号。本发明通过建立脉冲幅度与脉冲宽度之间的关系，以脉冲宽度分析方法获得脉冲幅度值，根据脉冲幅度值的甄别和计数实现粒子能谱通量的测量。脉冲宽度分析解决了脉冲峰值电压与甄别器电压上限之间的矛盾，不会因电压上限限制影响脉冲从宽度到幅度的分析结果，因此能够实现超过甄别器电压上限的粒子能谱探测，提高探测的能谱范围。脉冲宽度分析采用数字电路完成，无需对脉冲峰值进行识别及保持，也无需脉冲幅度的模数转换，简化电路设计，更加适合低电压工作，并提高探测的准确度。

Description

一种粒子辐射探测方法及探测装置

技术领域

本发明涉及空间粒子探测领域，具体涉及一种粒子辐射探测方法及探测装置。

背景技术

在地球空间中存在带电粒子辐射，是威胁航天器在轨安全的重要空间环境因素，同时也是空间物理研究的主要对象。空间高能粒子通过剂量效应、单粒子效应和充放电效应等对航天器产生影响。

传统的粒子辐射探测技术采用脉冲幅度分析技术，如图1所示，脉冲幅度分析技术中，探头及传感器响应空间粒子入射，把沉积在传感器中的入射粒子能量转换为微弱的电荷信号。信号拾起及放大电路获得入射粒子的电荷信号，转换为电脉冲信号。为了方便技术实现和降低电路噪声影响，通常放大电路输出信号为对称脉冲信号如图2所示，为准高斯函数形式。脉冲高度与探头接收的信号强度成正比。如果能够测量到脉冲高度，也就等价测量到入射粒子能量。

图1所示的触发阈值甄别器、峰值检测和保持器、脉冲幅度多道甄别器和多道计数器是脉冲幅度分析技术中需要的四个重要部分，其中，触发阈值甄别器用于排除噪声及干扰对测量的影响。它限定一个阈值，只有高于该阈值的信号才会被分析。峰值检测及保持电路捕获信号的峰值时刻，保持峰值点的信号电压值，供后面的多道分析处理。如果多道分析速度足够快，可能只需要峰值检测，而不需要峰值保持。

脉冲幅度多道甄别器是测量信号波形的峰值电压，根据峰值测量对入射粒子进行分类。实现多道分析的技术通常包括比较器链或模数转换器(ADC)。前者一般用于能谱区间探测，后者多用于高精度能谱探测。

多道计数器根据前面多道分析的结果，对不同分类的粒子进行计数，获得粒子能谱通量的测量结果。多道计数器一般由多个计数器或计数器阵列实现。能谱精度的提高依赖多道分析的精度，需要快速的高精度ADC来实现，不利于小型化。另外当供电电压低时，信号脉冲高度的电压范围被压缩，不利于测量精度的提高。

传统脉冲幅度分析技术由于高于放大器的上限电压的脉冲信号会被甄别器削平，如图3所示的第一电脉冲信号01。由于该脉冲信号的电压仍然大于放大器的电压上限，因此放大器识别并输出该第一脉冲信号01，然而，该脉冲信号电压并非脉冲信号的真实电压，使得整个脉冲分析失真，得出的粒子能谱测量值也就会失真。另一方面，如果要解决上述脉冲信号被削平的问题，就要提高放大器的上限电压，这显然与降低粒子辐射探测装置的工作电压的期望相矛盾。

发明内容

针对现有技术中脉冲幅度分析技术在粒子辐射探测方面存在的不足与缺陷，本发明提供一种粒子辐射探测方法及探测装置，该方法采用脉冲宽度分析代替脉冲幅度分析，省去了峰值检测与保持、脉高多道分析等步骤，由此简化了电路设计，降低了电路的复杂度，有利于设备的小型化及数字化。

根据本发明的第一方面，本发明提供了一种粒子辐射探测方法，包括以下步骤：

探测待测空间中的粒子，并将探测到的所述粒子转换成电荷信号；

将所述电荷信号转换成电脉冲信号；

根据甄别电压阈值，输出与所述电脉冲信号超过甄别电压阈值的逻辑信号；

对输出的所述逻辑信号进行脉冲宽度分析，获得所述电脉冲信号的脉冲宽度值，并依据所述电脉冲信号的脉冲幅度与脉冲宽度之间的关系，对所述脉冲宽度值进行能段划分；

对不同能段的粒子进行计数，获得粒子能谱通量的测量值。

可选地，当所述电脉冲信号的电压高于所述甄别电压阈值时，输出所述逻辑信号为逻辑1；

当所述电脉冲信号的电压低于所述甄别电压阈值时，则输出逻辑信号为逻辑0。

可选地，所述电脉冲信号的所述脉冲宽度与所述脉冲幅度之间的关系如下所示：

其中，x表示以半峰宽度为单位的所述脉冲宽度，y表示以所述甄别电压阈值为单位的所述脉冲幅度。

可选地，所述粒子辐射探测方法还包括以下步骤：

将对所述脉冲幅度值进行能段划分转换为对所述脉冲宽度值进行能段划分；

根据所述脉冲宽度的所述能段划分，对不同能段的粒子进行计数，获得所述待测空间中的所述粒子的能谱通量的探测结果。

可选地，根据甄别电压阈值，输出与所述电脉冲信号相应的逻辑信号还包括：

分别设定第一甄别电压阈值v₁和第二甄别电压阈值v₂，并且v₂>v₁；

当所述电脉冲信号电压大于v₁时，输出第一逻辑信号为逻辑1，否则为0；

当所述电脉冲信号电压大于v₂时，输出第二逻辑信号为逻辑1，否则为0。

根据本发明的第二方面，本发明提供了一种粒子辐射探测装置，包括：

粒子探测器，用于探测待测空间中的粒子，并将探测到的所述粒子转换成电荷信号；

信号拾取及放大器，与所述粒子探测器电性连接，用于将所述电荷信号转换成电脉冲信号；

触发阈值甄别器，与所述信号拾取及放大电路电性连接，用于根据甄别阈值电压输出与所述电脉冲信号相对应的逻辑信号；

脉冲宽度分析器，与所述触发阈值甄别器电性连接，用于对输出的所述逻辑信号进行脉冲宽度分析，获得所述电脉冲信号的脉冲宽度值，并依据所述电脉冲信号的脉冲幅度与脉冲宽度之间的关系，对所述脉冲宽度值进行能段划分；以及

计数器，与所述脉冲分析器电性连接，对不同能段的粒子进行计数，获得粒子能谱通量的测量值。

可选地所述触发阈值甄别器配置为：

当所述电脉冲信号电压高于所述甄别电压阈值时，输出所述逻辑信号为逻辑1；

当所述电脉冲信号电压低于所述甄别电压阈值时，则输出所述逻辑信号为逻辑0。

可选地，所述脉冲宽度分析器还设置为：

对为逻辑1的所述逻辑信号进行计时分析，获得所述电脉冲信号的脉冲宽度值；

依据所述电脉冲信号的脉冲幅度与脉冲宽度之间的关系，以所述脉冲宽度值替代脉冲幅度值进行能谱分段处理。

可选地，所述触发阈值甄别器包括第一触发阈值甄别器和第二触发阈值甄别器，其中，

所述第一触发阈值甄别器配置为：设置第一甄别电压阈值v₁，输出第一逻辑信号，并且当输入所述触发阈值甄别器的所述电脉冲信号电压大于v₁时，所述第一触发阈值甄别器输出第一逻辑信号为逻辑1，否则为逻辑0；

所述第二触发阈值甄别器配置为：设置所述第二甄别电压阈值v₂，输出第二逻辑信号，其中v₂>v₁，当输入所述触发阈值甄别器的所述电脉冲信号电压大于v₂时，所述第二触发阈值甄别器输出第二逻辑信号为逻辑1，否则为逻辑0。

可选地，所述脉冲宽度分析器包括第一脉冲宽度分析器和第二脉冲宽度分析器，

所述第一脉冲宽度分析器与所述第一触发阈值甄别器电性连接，用于对为逻辑1的所述第一逻辑信号进行计时分析，获得大于所述第一甄别电压阈值v₁的第一脉冲宽度值；

所述第二脉冲宽度分析器与所述第二触发阈值甄别器电性连接，用于对为逻辑1的所述第二逻辑信号进行计时分析，获得大于所述第二甄别电压阈值v₂的第二脉冲宽度值。

可选地，所述第一脉冲宽度分析器还配置为依据所述电脉冲信号的脉冲幅度与脉冲宽度之间的关系，将对所述脉冲幅度值进行能段划分转换为对所述第一脉冲宽度值进行能段划分；

所述第二脉冲宽度分析器还配置为依据所述电脉冲信号的脉冲幅度与脉冲宽度之间的关系，将对所述脉冲幅度值进行能段划分转换为对所述第二脉冲宽度值进行能段划分。

可选地，所述脉冲宽度分析器包括数字电路。

如上所述，本发明的粒子辐射探测方法及探测装置具有如下技术效果：

本发明的方法采用脉冲宽度分析，依据得到的脉冲幅度与脉冲宽度的关系，通过脉冲宽度的分析获得脉冲幅度的信息，进而利用该脉冲幅度的信息确定粒子能谱通量。所述脉冲宽度分析采用数字电路完成，无需对脉冲峰值进行识别及保持，也无需脉冲幅度的模数转换。上述方法解决了脉冲峰值电压与甄别器电压上限之间的矛盾，不会因电压上限限制影响脉冲宽度的分析结果，因此能够提高探测的能谱宽度，和准确度。

由于本发明的方法无需对脉冲峰值进行识别及保持，也无需脉冲幅度的模数转换，因此本发明的粒子辐射探测装置组成部件减少，能够简化电路设计，降低电路的复杂度。并且脉冲宽度分析完全可以采用数字电路进行，有利于设备的小型化以及数字化，并且能提高设备的可靠性。

另外，由于对脉冲信号进行脉冲宽度分析，解决了脉冲峰值电压与甄别器电压上限之间的矛盾，使得整个装置更加适合低电压工作，也因此能够降低设备的功耗。

本发明的方法能够提高探测的动态范围，并且能够保证相应的探测精度。例如，只采用一个脉冲甄别器和一个脉冲分析器时，最少可实现1.189倍的v0至512倍的v0，即两个半数量级的动态范围，且误差不大于4.16％；如果采用双通道脉冲宽度分析技术(即增加一个甄别器和一个脉宽分析器)可实现达四个数量级的能谱高动态范围，且误差控制在不大于4.16％的范围。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1显示为现有技术中脉冲幅度分析装置的组成示意图。

图2显示为信号拾取及放大器输出的电脉冲信号的示意图。

图3显示为电脉冲信号被放大器削波的示意图。

图4显示为本发明实施例一提供的粒子辐射探测方法的流程图。

图5显示为根据本发明的方法的倒的脉冲宽度与脉冲幅度之间的关系图。

图6显示为在脉冲宽度误差0.01M条件下，本发明的粒子辐射探测方法的误差分布图。

图7显示为本发明实施例三提供的辐射探测装置的组成示意图。

图8显示为本发明实施例四提供的辐射探测装置的组成示意图。

附图标记

01 第一电脉冲信号

02 第二电脉冲信号

03 第三电脉冲信号

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例一

本实施例提供一种粒子辐射探测方法，如图4所示，该方法包括：

S1：探测待测空间中的粒子，并将探测到的所述粒子转换成电荷信号；

待测空间中的粒子入射到传感器中，并且不断沉积在传感器中，将沉积在传感器中的入射粒子能量转换成微弱的电荷信号。

S2：将所述电荷信号转换成电脉冲信号；

为了方便技术实现和降低电路噪声影响，通常需要将传感器中的微弱电荷信号转换为电脉冲信号，并对该电脉冲信号进行放大输出。输出的电脉冲信号为对称电脉冲信号通常如图2所示，为准高斯函数形式。该高斯函数信号可以用如下公式(1)表示：

其中：v为信号电压；A为信号幅度；t为时间变量；σ为脉冲宽度因子，是可以根据半峰宽度推导得到的理论值，该脉冲宽度因子σ与半峰宽M的关系可以参照后面的公式(3)。

图2所示的电脉冲信号的脉冲幅度与传感器接收的电荷信号强度成正比。如果能够测量到脉冲幅度，也就等价测量到入射粒子能量。

S3：根据甄别电压阈值，输出与所述电脉冲信号相应的逻辑信号；

例如，在本实施例的优选实施例中，设定甄别电压阈值v₀，当电脉冲信号的电压高于该甄别电压阈值v₀时，输出逻辑信号为1(这里以高电平表达)。否则，如果电脉冲信号的电压低于该甄别电压阈值v₀，则输出逻辑信号为0(这里以低电平表达)。即，当电脉冲信号的信号电压高于该甄别电压阈值时输出与之相应的逻辑1信号，并在后端对输出的逻辑1信号进行分析。

在本实施例的优选实施例中，当电脉冲信号的信号电压大于v₀时，甄别器输出的逻辑信号H信号为逻辑1，否则为0，可以用公式(2)表示：

其中t₀表示电脉冲信号电压等于阈值电压的时间点。上述公式(2)表明，当甄别器输出的逻辑信号H为逻辑1时，表明该电脉冲信号被甄别器甄别，为有效的电脉冲信号。甄别器输出的逻辑信号H为0时，该电脉冲信号不被甄别器甄别，为无效的电脉冲信号。把输出逻辑信号H送入后续的脉冲宽度分析。

S4：对输出的所述逻辑信号进行宽度分析，获得所述电脉冲信号的脉冲宽度值。依据所述电脉冲信号的脉冲幅度与脉冲宽度之间的关系，对所述脉冲宽度值进行分段计数，获得粒子能谱通量的测量值。宽度分析方法是对逻辑信号H为逻辑1的时间进行计时分析，获得输入电脉冲信号的脉冲宽度值。

参照附图3，电脉冲信号的脉冲宽度不会因为电脉冲信号被削波而不同，例如其中的第一电脉冲信号01、第二电脉冲信号02和第三电脉冲信号03分别输出脉冲宽度W₁、脉冲宽度W₂和脉冲宽度W₃的逻辑信号，即逻辑信号H。逻辑信号H的宽度不会因为脉冲信号是否被削波而受影响。因此脉冲宽度分析方法就可以不考虑电脉冲信号幅度的电压值，而可以测量信号幅度大于放大器限幅以上的信号。脉冲宽度分析的办法也就可以很好地应用于低电压工作的设备中。另外，脉冲宽度与脉冲幅度一一对应，因此找到触发阈值甄别器输出的逻辑信号所对应的电脉冲信号的脉冲宽度与脉冲幅度的关系，通过脉冲宽度的测量就可以等效为脉冲幅度的测量。脉冲宽度分析就可以完全替代脉冲幅度分析应用于粒子探测中。

S5：对不同能段的粒子进行计数，获得粒子能谱通量的测量值。本实施例中，从放大器输出的电脉冲信号如图2所示，经过甄别器甄别后输出为逻辑信号，可以直接采用数字电路对所述逻辑信号进行脉冲宽度分析，不需要对模拟量的电脉冲信号的峰值进行识别，也不需要对电脉冲信号的脉冲幅度进行模数转换，所述方法得到简化。

在辐射测量中通常采用半峰宽度M来描述脉冲信号的脉冲宽度。半峰宽度即高度为峰值一半电压的信号宽度。根据公式(1)有：

当电脉冲信号有效(即A>v₀)时，由逻辑信号H获得的脉冲宽度为，

令x＝W/M，即以半峰宽度为单位的脉冲宽度；y＝A/v₀，即以甄别电平电压为单位的信号幅度，那么根据公式(3)和公式(4)可以得到脉冲宽度x与脉冲幅度y之间的关系如公式(5)所示。

由公式(5)可知，脉冲宽度x与脉冲幅度y之间为非线性关系。图5所示为脉冲宽度x与幅度y之间的关系。从图中可以看出，脉冲宽度从0.5到3倍半峰宽度M，对应幅度变化从1.189(10^0.075)倍到512(10^2.71)倍甄别电压阈值v₀。大约两个半数量级的变化范围。即如果甄别阈值电压v₀＝1.0V，则能够探测的信号电压的动态范围可达1.189V～512V。

如上所述，脉冲幅度与入射粒子的电荷信号的强度即粒子的能量成正比。因此，得到所述电荷信号对应的电脉冲信号的幅度，也就等价测量到入射粒子的能量。图5所示的信号幅度y就对应粒子在探测器中的沉积能量。由于空间粒子能谱函数近似为指数衰减分布，通常粒子探测仪器会选择对数均匀的探测能段划分原则，这样可以使每个能段的测量大致均匀。公式(5)中的指数项有利于能段的对数均匀划分，图5中的对数坐标——纵坐标可以作为划分能段的依据。

如上所述，根据图5所示的纵坐标划分能段之后，对不同能段的粒子进行计数，获得待测空间中的粒子能谱通量的探测结果。

所述电脉冲信号的脉冲宽度不会因为电脉冲信号被削波而不同，因此通过脉冲宽度分析方法可以测量信号大于放大器限幅以上的信号，因此可以很好地应用于低电压工作的设备中。

在本实施例的优选实施例中，对上述方法的误差进行分析。如图5所示，由于x坐标的非线性，会使误差随x增大而增大。误差分析可以把公式(5)微分，获得误差关系如公式(6)，

公式(6)左边的dy/y为能量识别的相对误差；右边dx为脉冲宽度识别的绝对误差，单位为半峰宽度M。一般信号的半峰宽度为5μs左右，脉冲宽度测量精度1％，即50ns应该不是难事。图6就是在这样假定下的误差分析结果。

由公式(6)可知，能量识别相对误差正比于脉冲宽度和宽度误差的乘积。图6所示，在脉冲宽度误差0.01M条件下，在1.189至512倍甄别电压阈值v₀的能量测量范围内，相对误差为0.0069至0.0416。即满足小于5％的一般性要求。

实施例二

本实施例提供一种粒子辐射探测方法，与实施例一的相同之处不再赘述，不同之处在于：

本实施例中所述甄别电压阈值设置有两个或两个以上的电压阈值。例如，在本实施例的优选实施例中，设置两个电压阈值：第一电压阈值ν1和第二电压阈值ν2，v2>v1，当所述电脉冲信号电压大于v1时，输出第一逻辑信号为逻辑1，否则为0；当所述电脉冲信号电压大于v2时，输出第二逻辑信号为逻辑1，否则为0。

例如，在本实施例的一优选实施例中，设定ν₁＝0.1V和ν₂＝1.0V，当信号电压大于0.1V时，以ν₁＝0.1V作为甄别电压。根据上面图5的分析，脉冲宽度从0.5到3倍半峰宽度M，对应幅度变化从1.189(10^0.075)倍到512(10^2.71)倍甄别电压阈值，即此时能够探测的信号电压的动态范围约达0.119V～51.2V。

当信号电压大于1.0V时，以ν₂＝1.0V作为甄别电压，同样根据上面图5的分析，脉冲宽度从0.5到3倍半峰宽度M，对应幅度变化从1.189(10^0.075)倍到512(10^2.71)倍甄别电压阈值，即此时能够探测的信号电压的动态范围可达1.189V～512V。

综上，当设置两个电压阈值时，能够探测的信号电压的动态范围达0.119V至512V，可达到约3.5数量级。如果脉冲宽度测量精度为1％半峰宽度，合理地分配两个通道的测量范围，能量探测精度理论上可以小于3％的相对误差。如果增大第二电压阈值v₂的取值，例如v₂＝2.0V，同样根据上述图5的分析，电压信号大于2.0V时，能够测量的信号电压的动态范围达2.378V～1024V。结合上面关于ν₁＝0.1V的分析可知，当第二电压阈值ν₂＝2.0V时，能够测量的信号电压的动态范围达0.119V～1024V，即，将动态范围可以提高达4个数量级，且误差小于4.16％。

如本领域公知的，动态范围和能量探测精度还受到传感器和放大电路的限制。然而，采用多通道脉宽分析技术，可以在低电压工作条件下，扩大探测动态范围，并提高测量精度。

实施例三

本实施例提供一种粒子辐射探测装置，如图7所示，所述粒子辐射探测装置包括粒子探测器、信号拾取及放大器、触发阈值甄别器、脉冲分析器以及计数器。

粒子探测器用于探测待测空间中的粒子，例如可以包括探头和传感器，探头收集待测空间中的入射粒子，该入射的粒子不断沉积在传感器中，传感器将沉积的入射粒子能量转换成微弱的电荷信号。

信号拾取及放大器与所述粒子探测器电性连接，获得上述微弱的电荷信号，并将所述电荷信号放大并转换成电脉冲信号，为了方便技术实现和降低电路噪声影响，通常需要将传感器中的微弱电荷信号转换为电脉冲信号，并对该电脉冲信号进行放大输出。输出的电脉冲信号为对称电脉冲信号通常如图2所示，为准高斯函数形式。该高斯函数信号可以用如下公式(1)表示：

其中：v为信号电压；A为信号幅度；t为时间变量；σ为宽度因子，是可以根据半峰宽度推导得到的理论值，该脉冲宽度因子σ与半峰宽M的关系可以参照后面的公式(3)。

图2所示的电脉冲信号的脉冲幅度与传感器接收的电荷信号强度成正比。如果能够测量到脉冲幅度，也就等价测量到入射粒子能量。

触发阈值甄别器与所述信号拾取及放大器电性连接，用于根据甄别电压阈值，输出与所述电脉冲信号相应的逻辑信号。例如，在本实施例的优选实施例中，包括一个触发阈值甄别器，并且设定触发阈值甄别器的甄别电压阈值为v₀，当电脉冲信号的电压高于该甄别电压阈值v₀时，触发阈值甄别器输出逻辑信号为1。否则，如果电脉冲信号的电压低于该甄别电压阈值v₀，该触发阈值甄别器输出逻辑信号为0。如逻辑信号用H表示，可以用公式(2)表示：

脉冲宽度分析器与触发阈值甄别器电性连接，用于对触发阈值甄别器输出的逻辑信号(H)进行分析，对输出为逻辑1的逻辑信号H进行计时，获得所述逻辑信号H对应的脉冲信号的脉冲宽度值。依据获得所述电脉冲信号的脉冲幅度与脉冲宽度之间的关系，以通过所述脉冲宽度分析获得脉冲幅度值。参照附图3，电脉冲信号的脉冲宽度不会因为电脉冲信号被削波而不同，脉冲宽度分析方法就可以不考虑电脉冲信号幅度的电压值，而可以测量信号大于放大器限幅以上的信号。脉冲宽度分析的办法也就可以很好地应用于低电压工作的设备中。另外，找到甄别器输出信号脉冲的宽度与幅度的关系，通过脉冲宽度的测量就可以替代脉冲幅度的测量。脉冲宽度分析就可以完全替代脉冲幅度分析应用于粒子探测中。

在本实施例的优选实施例中，所述脉冲宽度分析器还包括能段划分模块，用于根据脉冲宽度值对所述粒子进行能段划分。

本实施例中，阈值甄别器输出的是逻辑信号，因此其中的脉冲宽度分析器采用数字电路，该数字电路直接对所述电脉冲信号进行脉冲宽度分析，不需要对模拟量电脉冲信号的峰值进行识别，也不需要对电脉冲信号的脉冲幅度进行模数转换，所述方法得到简化。

在辐射测量中通常采用半峰宽度M来描述脉冲信号的脉冲宽度。半峰宽度即高度为峰值一半电压的信号宽度。根据公式(1)有：

当电脉冲信号有效(即A>v₀)时，逻辑信号H的脉冲宽度为：

令x＝W/M，即以半峰宽度为单位的脉冲宽度；y＝A/v₀，即以甄别电平电压为单位的信号幅度，那么根据公式(3)和公式(4)可以得到脉冲宽度x与脉冲幅度y之间的关系如公式(5)所示。

由公式(5)可知，脉冲宽度x与幅度y之间为非线性关系。图5所示为脉冲宽度x与幅度y之间的关系。从图中可以看出，脉冲宽度从0.5到3倍半峰宽度M，对应幅度变化1.189到512倍甄别电压阈值v₀。大约两个半数量级的变化范围。

如上所述，脉冲幅度与入射粒子的电荷信号的强度即粒子的能量成正比。得到所述电荷信号对应的电脉冲信号的幅度，也就等价测量到入射粒子的能量。因此图5所示的信号幅度y就对应粒子在探测器中的沉积能量。公式(5)中的指数项有利于对数的均匀划分。图5中的对数纵坐标可以作为划分能段的依据。

计数器与所述脉冲宽度分析器电性连接，用于对脉冲宽度分段的粒子进行计数，获得粒子能谱通量的测量值。

所述电脉冲信号的脉冲宽度不会因为电脉冲信号被削波而不同，因此脉冲分析器通过脉冲宽度分析可以测量信号大于放大器限幅以上的信号，另外，该脉冲分析器可以是工作电压比较低的数字电路，因此可以很好地应用于低电压工作的设备中。

实施例四

本实施例同样提供一种粒子辐射探测装置，与实施例三的相同之处不再赘述，不同之处在于：本实施例的所述粒子辐射探测装置包括粒子探测器、信号拾取及放大器、两个或两个以上触发阈值甄别器、两个或两个以上脉冲分析器以及计数器。

在本实施例的一优选实施例中，如图8所示，所述粒子辐射探测装置包括了两个触发阈值甄别器和两个脉冲宽度分析器：第一触发阈值甄别器和第二触发阈值甄别器，以及分别与第一和第二触发阈值甄别器电性连接的第一脉冲宽度分析器和第二脉冲宽度分析器。

所述第一触发阈值甄别器设置第一甄别电压阈值v₁。当所述电脉冲信号电压大于v₁，所述第一触发阈值甄别器输出第一逻辑信号H₁为逻辑1，否则为0。所述第二触发阈值甄别器设置第二甄别电压阈值v₂，并且v₂>v₁，当所述电脉冲信号电压大于v₂，所述第二触发阈值甄别器输出第二逻辑信号H₂为逻辑1，否则为0。所述第一脉冲分析器与所述第一触发阈值甄别器电性连接，用于对输出为逻辑1的所述第一逻辑信号H₁进行脉冲宽度分析，获得第一脉冲宽度值；所述第二脉冲分析器与所述第二触发阈值甄别器电性连接，用于对输出为逻辑1的所述第二逻辑信号H₂，获得第二脉冲宽度值。

另外，所述第一脉冲宽度分析器依据所述电脉冲信号的脉冲幅度与脉冲宽度之间的关系，将对所述脉冲幅度值进行能段划分转换为对所述第一脉冲宽度值进行能段划分；所述第二脉冲宽度分析器依据所述电脉冲信号的脉冲幅度与脉冲宽度之间的关系，将对所述脉冲幅度值进行能段划分转换为对所述第二脉冲宽度值进行能段划分。

第一和第二脉冲分析器与计数器电性连接，计数器对不同能段的粒子进行计数，获得粒子能谱通量的测量值。

通过增加多个触发阈值甄别器以及相应的多个脉冲宽度分析器可以扩大探测动态范围，并提高测量精度。

如上所述，本发明的粒子辐射探测方法及探测装置具有如下技术效果：

本发明的方法采用脉冲宽度分析得到脉冲幅度与脉冲宽度的关系，以通过脉冲宽度的分析获得脉冲幅度的信息，进而利用该脉冲宽度替代脉冲幅度进行能谱分段确定粒子能谱通量。所述脉冲宽度分析采用数字电路完成，无需对脉冲峰值进行识别及保持，也无需脉冲幅度的模数转换，上述方法解决了脉冲峰值电压与放大器和甄别器电压上限之间的矛盾，不会因电压上限限制影响脉冲宽度的分析结果，因此能够提高方法的准确度。

由于本发明的方法无需对脉冲峰值进行识别及保持，也无需脉冲幅度的模数转换，因此本发明的粒子辐射探测装置组成部件减少，由此能够简化电路设计，降低电路的复杂度，并且脉冲宽度分析完全可以采用数字电路进行，有利于设备的小型化以及数字化，并且能提高设备的可靠性。

另外，由于对脉冲信号进行脉冲宽度分析，解决了脉冲峰值电压与放大器和甄别器电压上限之间的矛盾，使得整个装置更加适合低电压工作，也因此能够降低设备的功耗。

本发明的方法能够提高探测的动态范围，并且能够保证相应的探测精度。例如，只采用一个脉冲甄别器和一个脉冲分析器时，最少可实现1.189倍的v0至512倍的v0，即两个半数量级的动态范围，且误差不大于4.16％；如果采用双通道脉冲宽度分析技术(即增加一个甄别器和一个脉冲宽度分析器)可实现达四个数量级的能谱高动态范围，且误差控制在不大于4.16％的范围。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (7)

1.一种粒子辐射探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

探测待测空间中的粒子，并将探测到的所述粒子转换成电荷信号；

将所述电荷信号转换成电脉冲信号；

根据甄别电压阈值，输出所述电脉冲信号超过甄别电压阈值的逻辑信号，分别设定第一甄别电压阈值v₁和第二甄别电压阈值v₂，并且v₂>v₁；当所述电脉冲信号电压大于v₁时，输出第一逻辑信号为1，否则为0；当所述电脉冲信号电压大于v₂时，输出第二逻辑信号为1，否则为0；

对输出为逻辑1的逻辑信号进行持续时间测量，获得所述电脉冲信号的脉冲宽度值，并依据所述电脉冲信号的脉冲幅度与脉冲宽度之间的关系，对所述脉冲宽度值进行能段划分；

对不同能段的粒子进行计数，获得粒子能谱通量的测量值。

2.根据权利要求1所述的粒子辐射探测方法，其特征在于，所述电脉冲信号的所述脉冲宽度与所述脉冲幅度之间的关系如下所示：

其中，x表示以半峰宽度为单位的所述脉冲宽度，y表示以所述甄别电压阈值为单位的所述脉冲幅度。

3.根据权利要求2所述的粒子辐射探测方法，其特征在于，还包括以下步骤：

将对所述脉冲幅度值进行能段划分转换为对所述脉冲宽度值进行能段划分；

根据对所述脉冲宽度的所述能段划分，对不同能段的粒子进行计数，获得所述待测空间中的所述粒子的能谱通量的探测结果。

4.一种粒子辐射探测装置，其特征在于，包括：

粒子探测器，用于探测待测空间中的粒子，并将探测到的所述粒子转换成电荷信号；

信号拾取及放大器，与所述粒子探测器电性连接，用于将所述电荷信号转换成电脉冲信号；

触发阈值甄别器，与所述信号拾取及放大电路电性连接，所述触发阈值甄别器包括第一触发阈值甄别器和第二触发阈值甄别器，所述第一触发阈值甄别器配置为：设置第一甄别电压阈值v₁，输出第一逻辑信号，并且当输入所述触发阈值甄别器的所述电脉冲信号电压大于v₁时，所述第一触发阈值甄别器输出的所述第一逻辑信号为逻辑1，否则为0；所述第二触发阈值甄别器配置为：设置第二甄别电压阈值v₂，输出第二逻辑信号，其中v₂>v₁，当输入所述触发阈值甄别器的所述电脉冲信号电压大于v₂时，所述第二触发阈值甄别器输出的所述第二逻辑信号为逻辑1，否则为0；

脉冲宽度分析器，与所述触发阈值甄别器电性连接，用于对输出的逻辑1信号进行计时分析，获得所述电脉冲信号的脉冲宽度值，并且依据所述电脉冲信号的脉冲幅度与脉冲宽度之间的关系，以所述脉冲宽度值替代脉冲幅度值进行能谱分段处理；以及

计数器，与所述脉冲宽度分析器电性连接，用于记录所述依据脉冲宽度值的能谱分段粒子数量，获得粒子能谱通量的测量值。

5.根据权利要求4所述的粒子辐射探测装置，其特征在于，所述脉冲宽度分析器包括第一脉冲宽度分析器和第二脉冲宽度分析器，

所述第一脉冲宽度分析器与所述第一触发阈值甄别器电性连接，用于对为逻辑1的所述第一逻辑信号进行计时分析，获得大于所述第一甄别电压阈值v₁的第一脉冲宽度值；

所述第二脉冲宽度分析器与所述第二触发阈值甄别器电性连接，用于对为逻辑1的所述第二逻辑信号进行计时分析，获得大于所述第二甄别电压阈值v₂的第二脉冲宽度值。

6.根据权利要求5所述的粒子辐射探测装置，其特征在于，

所述第一脉冲宽度分析器还配置为依据所述电脉冲信号的脉冲幅度与脉冲宽度之间的关系，将对所述脉冲幅度值进行能段划分转换为对所述第一脉冲宽度值进行能段划分；

所述第二脉冲宽度分析器还配置为依据所述电脉冲信号的脉冲幅度与脉冲宽度之间的关系，将对所述脉冲幅度值进行能段划分转换为对所述第二脉冲宽度值进行能段划分。

7.根据权利要求4所述的粒子辐射探测装置，其特征在于，所述脉冲宽度分析器包括数字电路。

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