CN110376636A - 深空用反符合探测器的探测效率标定方法及标定系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深空用反符合探测器的探测效率标定方法及系统，该方法包括以下内容：搭建探测器标定系统；将至少一个被测反符合探测器放入探测器标定系统内，并测量被测反符合探测器的安装位置；利用高能带电粒子入射探测器标定系统，记录探测器标定系统内各探测器的击中位置信息以及被测反符合探测器上的计数；利用探测器标定系统进行带电粒子的径迹重建，获得有效径迹；计算被测反符合探测器的探测效率。利用本发明提供的标定方法，既可以容易得到探测器各个部位的探测效率分布情况，也可以得到整个探测器的探测效率，同时通过划分合适大小的方格，该方法还能够适用于形状不规则探测器的探测效率标定。

Description

深空用反符合探测器的探测效率标定方法及标定系统

技术领域

本发明是关于一种深空用反符合探测器的探测效率标定方法及标定系统，涉及空间探测器探测效率标定技术领域。

背景技术

空间辐射环境探测是进行空间探测的一项重要内容，其目标一般是针对空间中的高能电子、质子以及重离子的能量、通量的分布特征以及变化规律进行研究。由于空间带电粒子的单粒子效应以及辐射剂量效应，空间辐射环境可能对航天器以及宇航员构成威胁。因此，空间辐射环境探测对于航天器的设计以及宇航员的保护均具有非常重要的价值。

空间辐射环境探测器通常由半导体探测器或无机闪烁体组成，在最外层环绕一个反符合探测器，用于排除视场外入射粒子的干扰。反符合探测器的探测效率，直接关系到空间辐射环境的测试精度。因此，反符合探测器的探测效率标定是研制空间辐射环境探测器的一个重要内容。传统的探测效率标定方法如附图1所示，一般使用两个触发探测器S1及S2符合测量确定入射的带电粒子计数N₀，假如这N₀个带电粒子中由被测探测器D探测到的计数有N个，则该探测器的探测效率为η＝N/N₀。为了保证穿过S1以及S2的带电粒子全部都穿过被测探测器D，一般要求S1以及S2的尺寸小于被测探测器D。采用传统方法标定探测效率有几个劣势：第一，由于触发探测器比被测探测器小，不能一次性对整个探测器的全部灵敏面积进行标定，标定效率较低；第二，反符合探测器的探测效率一般具有边缘效应，即探测器边缘处的探测效率会降低，但传统方法不能标定探测器边缘的探测效率，影响结果的真实性；第三，对于形状不规则的探测器，无法进行有效测量。

近年来，我国航天技术发展迅速，开展航天活动的范围越来越广，不但将探测器送入了月球，还将对更远的深空如火星、木星等进行探测。由于深空探测器在体积、重量方面受到更严格的约束，深空用的反符合探测器一般较小，且形状不规则。传统的探测效率标定方法不能适用，因此研究新的探测效率标定方法是极有必要的。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种深空用反符合探测器的探测效率标定方法及标定系统，能够一次性对所有反符合探测器的全部灵敏面积进行标定，极大地提高了标定效率。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种深空用反符合探测器的探测效率标定方法，包括以下内容：

搭建探测器标定系统；

将至少一个被测反符合探测器放入探测器标定系统内，并测量所有被测反符合探测器的安装位置；

利用高能带电粒子入射探测器标定系统，记录探测器标定系统内各探测器的击中位置信息以及被测反符合探测器上的计数；

利用探测器标定系统进行带电粒子的径迹重建，获得有效径迹；

计算被测反符合探测器的探测效率。

进一步地，探测器标定系统包括两个触发探测器和三个位置探测器，五个探测器垂向间隔组成层叠式结构，其中，两个触发探测器位于最上及最下位置，三个位置探测器垂向平行间隔设置在两个触发探测器之间。

进一步地，被测反符合探测器包括上部探测器D1和下部探测器D2，其中，上部探测器D1采用倒扣碗状结构，且碗底部设置有带电粒子的入射孔，下部探测器D2采用圆盘结构，上部探测器D1安装于第一位置探测器P1以及第二位置探测器P2之间，下部探测器D2安装于第二位置探测器器P2以及第三位置探测器器P3之间。

进一步地，对被测反符合探测器的探测效率进行标定采用实验室的宇宙射线或利用加速器产生的各种高能带电粒子。

进一步地，利用探测器标定系统进行带电粒子的径迹重建，获得有效径迹，具体为：

假设带电粒子在三个位置探测器上的击中位置分别为H₁(x₁,y₁)、H₂(x₂,y₂)以及H₃(x₃,y₃)，而三个位置探测器中心的垂向安装位置分别为z₁、z₂、z₃，则击中位置H₁及H₃确定的直线与z₂平面的交点H_2c(x_2c,y_2c)可以利用公式(1)及公式(2)计算得到：

若点H_2c与点H₂的距离满足|x_2c-x₂|<ε且|y_2c-y₂|<ε，则认为H₁及H₃确定的直线为带电粒子的一条有效径迹，ε为设定常数。

进一步地，利用三个位置探测器测到的宇宙射线击中位置以及它们的安装位置进行径迹重建，具体为：

根据宇宙射线在位置探测器P1以及位置探测器P3上的击中位置H₁与H₃确定一条直线，利用该直线与位置探测器P2相交计算宇宙射线在P2上的理论击中位置H_2c(x_2c,y_2c)，比较P2的理论击中位置与实测击中位置(x₂,y₂)的距离，若满足|x_2c-x₂|<2mm且|y_2c-y₂|<2mm，则可认为H₁及H₃确定的直线为带电粒子的一条有效径迹。

进一步地，计算被测探测器的探测效率，具体为：

将位置探测器正对的面积分成M×N个方格，并针对被测反符合探测器所在平面内的所有方格分别计算探测效率，用i与j分别表示x方向以及y方向的方格编号，则第ij号方格的探测效率η_ij：

其中，N_ij为确定并且穿过第ij号方格的径迹总数目，n为这N_ij条径迹中对应被测反符合探测器测得的总计数，通过划分合适大小的方格，可以求得被测反符合探测器各个部位的探测效率；

被测反符合探测器总的探测效率：

其中，N_t为被测探测器的实测总计数，∑_ij∈DN_ij表示对属于被测反符合探测器的所有方格内的总径迹数进行累加，即物理上穿过了被测反符合探测器的带电粒子数目。

进一步地，计算每个方格内的探测效率采用切片法或投影法。

第二方面，本发明还提供一种深空用反符合探测器的探测效率标定系统，该系统包括两个触发探测器和三个位置探测器，五个探测器垂向间隔组成层叠式结构，其中，两个触发探测器位于最上及最下位置，三个位置探测器垂向平行间隔设置在两个触发探测器之间。

进一步地，两个触发探测器均采用塑料闪烁体探测器，三个位置探测器均采用多丝正比室；

塑料闪烁体探测器通过光导将产生的荧光传导至光电倍增管读出，塑料闪烁体探测器及光导的表面分别包覆Tyvek纸以及Teflon膜，并在最外面缠上黑胶带以防止自然光的干扰；

多丝正比室采用了2层阴极夹一层阳极的三层丝面型结构，两侧的阴极丝面相互正交，阳极丝面采用斜丝布局，该多丝正比室采用P10气体作为工作气体。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明的标定方法可以一次性对所有反符合探测器的全部灵敏面积进行标定，既可以得到探测器各个部位的探测效率分布情况，也可以得到所有探测器的探测效率，同时通过划分合适大小的方格，还能够适用于形状不规则探测器的探测效率标定，有效提高了标定效率。

附图说明

图1为传统的探测效率标定示意图，其中，S1与S2为触发探测器，D为被测探测器；

图2是本实施例提供的探测效率标定示意图，其中，S1、S2为触发探测器，P1、P2、P3为位置探测器，D1、D2为被测探测器；

图3是本发明实施例中的被测反符合探测器结构示意图；

图4是本发明实施例中反符合探测器D1的测试结果示意图；

图5是本发明实施例中反符合探测器D2的测试结果示意图。

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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的深空用反符合探测器的探测效率标定方法，包括以下内容：

1、搭建探测器标定系统。

如图2所示，探测器标定系统包括2个触发探测器S1、S2，3个位置探测器P1、P2、P3，5个探测器垂向间隔组成层叠式结构，其中，2个触发探测器S1、S2位于最上及最下位置，3个位置探测器P1、P2、P3垂向平行间隔设置在触发探测器S1、S2之间。

具体地，本实施例采用2个塑料闪烁体探测器作为触发探测器S1、S2，3个多丝正比室作为位置探测器P1、P2、P3。

塑料闪烁体探测器的尺寸可以选为20cm×20cm×3cm，通过光导将塑料闪烁体产生的荧光传导至一个光电倍增管读出，为了优化荧光收集，在塑料闪烁体及光导的表面分别包覆Tyvek纸以及Teflon膜，并在最外面缠上黑胶带以防止自然光的干扰。

多丝正比室的灵敏面积可以选为12×12cm²，采用了2层阴极夹一层阳极的三层丝面型结构，两侧的阴极丝面相互正交，便于读出二维的位置信号，阳极丝面使用了斜丝布局(和阴极丝夹角为45°)，该多丝正比室采用P10气体作为工作气体，位置分辨率好于1mm。需要说明的是，本实施例对于触发探测器以及位置探测器的尺寸没有严格的限制，但是为了一次性实现对整个被测探测器全部灵敏面积的标定，要求触发探测器以及位置探测器的尺寸最小者应大于被测探测器的尺寸。

2、将被测探测器放入探测器标定系统内，并测量被测探测器的安装位置，可以根据实际需要，同时对多个被测探测器开展标定测试。

具体地，本实施例针对的被测探测器搭载于某深空探测卫星上某载荷的反符合探测器。如图3所示，本实施例探测器由上下两部分D1、D2组成，其上部探测器D1为一个“倒扣的碗”，且“碗底部”留有一个圆孔，此圆孔作为带电粒子的入射孔；下部探测器D2为一个圆盘。上、下两部分反符合探测器D1、D2均采用塑料闪烁体为探测介质，且利用硅光电倍增管读出信号。在安装反符合探测器时，将其上面部分D1安装于多丝正比室P1以及P2之间，将下部探测器D2安装于多丝正比室P2以及P3之间，并测量好两部分反符合探测器的安装位置。本实施例假设水平为XY平面，竖直向上为Z方向，探测器安装时，要求所有的探测器均应保持水平，且每个探测器中心应在Z轴上，然后记录位置探测器P1、P2、P3以及被测探测器D1、D2在Z轴上的安装位置或探测器之间的间隔，用于后面的数据分析，但是被测反符合探测器不限于本实施例的结构，可以是任意形状，根据实际需要进行选择。

3、利用高能带电粒子入射探测器标定系统，带电粒子的能量应能保证穿透整个探测器标定系统，并记录同时穿过2个触发探测器S1、S2的带电粒子在各个探测器上的数据，例如带电粒子在三个位置探测器P1、P2和P3上的击中位置信息以及被测探测器上的计数，其中，被测探测器上的计数就是指D1及D2探测器对宇宙射线响应而产生的信号个数。由于探测器的效率达不到100％，当宇宙射线穿过被测探测器D1或D2时，被测探测器可能产生信号也可能不产生信号，把物理上穿过被测探测器的宇宙射线个数加起来作为分母，这些宇宙射线中在被测探测器上产生信号的个数加起来(也就是计数)作为分子，二者相除就是被测探测器的探测效率。测试计数的方法有很多，最简单的方法就是利用一个比较器设置阈值，幅度超过阈值就认为是有效信号，然后用一个计数器数比较器输出信号的个数。在本实施例中，我们使用TDC来记录宇宙射线击中D1或D2的时间。

具体地，本实施例利用实验室的宇宙射线来对反符合探测器的探测效率进行标定。由于地面附近的宇宙射线能量很高，可以穿透整个探测器标定系统。因此，利用宇宙射线可以同时实现对探测器两部分的探测效率标定，但是不限于此，还可以利用其他高能带电粒子，例如利用加速器产生的各种高能带电粒子。将各个探测器的输出信号经过必要的电路处理后并进行数据采集。在本实施例中，采用了NIM电子学插件来进行信号处理，采用了CAMAC系统来进行数据采集，其中，整个数据采集系统的触发信号由触发探测器S1以及S2的“与”信号提供，采集的数据包括三个位置探测器上的击中位置信息以及被测探测器上的计数。

4、利用三个位置探测器进行带电粒子的径迹重建，获得有效径迹。

假设带电粒子在三个位置探测器上的击中位置分别为H₁(x₁,y₁)、H₂(x₂,y₂)以及H₃(x₃,y₃)，而三个位置探测器中心的垂向安装位置分别为z₁、z₂、z₃，则点H₁及H₃确定的直线与z₂平面的交点H_2c(x_2c,y_2c)可以利用公式(1)及公式(2)计算得到：

若点H_2c与点H₂的距离足够近，即满足|x_2c-x₂|<ε且|y_2c-y₂|<ε，则可认为H₁及H₃确定的直线为带电粒子的一条有效径迹，ε为设定常数，ε需要设定为一个常数，这个数值一般可根据位置探测器的位置分辨率来决定，本实施例中，选择ε＝2mm。

具体地，利用三个多丝正比室测到的宇宙射线击中位置以及它们的安装位置进行径迹重建。根据宇宙射线在多丝正比室P1以及P3上的击中位置(H₁与H₃)确定一条直线，利用该直线与多丝正比室P2相交计算宇宙射线在P2上的理论击中位置H_2c(x_2c,y_2c)，比较P2的理论击中位置与实测击中位置(x₂,y₂)的距离，若满足|x_2c-x₂|<2mm且|y_2c-y₂|<2mm，则可认为H₁及H₃确定的直线为带电粒子的一条有效径迹。以上述方法计算出所有有效的径迹，用于后续的探测效率计算。

5、计算探测效率。

将几个位置探测器正对的面积分成M×N个方格(即x方向分成M份，y方向分成N份)，并针对被测探测器所在平面内的所有方格分别计算探测效率。用i与j分别表示x方向以及y方向的方格编号，则第ij号方格的探测效率η_ij可以利用式(3)求得：

其中，N_ij为由步骤4确定并且穿过第ij号方格的径迹总数目，n为这N_ij条径迹中对应被测探测器测得的总计数。由于容易知道各个方格对应被测探测器的哪个部位，因此，通过划分合适大小的方格，可以求得被测探测器各个部位的探测效率。

被测探测器总的探测效率可以由下式求得：

其中，N_t为被测探测器的实测总计数，∑_ij∈DN_ij表示对属于被测探测器的所有方格内的总径迹数进行累加，即物理上穿过了被测探测器的带电粒子数目。

具体地，将3个多丝正比室正对的面积分成30×30个方格(即每个方格的面积为4mm×4mm)，进行探测效率计算。对于反符合探测器下部分，其形状为比较规则的圆盘，可以直接利用公式(3)来计算每个方格的探测效率，实验结果见图5，可以看出，整个圆盘大部分区域的探测效率均为100％，但在圆盘的边缘处，探测效率会出现降低。利用公式(4)可以得到整个反符合下部分探测器的探测效率为99％。而由于反符合探测器上部分是一个中间带孔的碗状结构，该探测器在垂直方向的探测介质分布不是均匀的，不能直接简单采用公式(3)来计算。在计算每个方格内的探测效率时有两种处理方法：切片法与投影法。

切片法是指将反符合探测器上部分沿垂直方向分成一定的片数，各片为一个个半径不一的圆环，并针对每一片分别利用公式(3)来进行探测效率的计算；

投影法是指将整个反符合探测器上部分投影至某一个水平面内，形成一个大圆环，然后利用公式(3)计算这个平面内各个方格的探测效率。为了便于结果展示，实施例中采用了投影法来得到反符合探测器上部分的探测效率测试结果，如图4。容易看出，除了探测器边缘处，其他部分的探测效率都为100％，并且由于该部分探测器有小孔存在，探测效率在对应位置上也出现了深谷。利用公式(4)可以得到整个反符合上部分探测器的探测效率为98.5％。

综上，从公式(3)以及公式(4)可知，利用本发明提供的探测效率标定方法，既可以容易得到探测器各个部位的探测效率分布情况，也可以得到整个探测器的探测效率，同时通过划分合适大小的方格，该方法还能够适用于形状不规则探测器的探测效率标定。

最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种深空用反符合探测器的探测效率标定方法，其特征在于包括以下内容：

搭建探测器标定系统；

将至少一个被测反符合探测器放入探测器标定系统内，并测量所有被测反符合探测器的安装位置；

利用高能带电粒子入射探测器标定系统，记录探测器标定系统内各探测器的击中位置信息以及被测反符合探测器上的计数；

利用探测器标定系统进行带电粒子的径迹重建，获得有效径迹；

计算被测反符合探测器的探测效率。

2.根据权利要求1所述的探测效率标定方法，其特征在于，探测器标定系统包括两个触发探测器和三个位置探测器，五个探测器垂向间隔组成层叠式结构，其中，两个触发探测器位于最上及最下位置，三个位置探测器垂向平行间隔设置在两个触发探测器之间。

3.根据权利要求1所述的探测效率标定方法，其特征在于，被测反符合探测器包括上部探测器D1和下部探测器D2，其中，上部探测器D1采用倒扣碗状结构，且碗底部设置有带电粒子的入射孔，下部探测器D2采用圆盘结构，上部探测器D1安装于第一位置探测器P1以及第二位置探测器P2之间，下部探测器D2安装于第二位置探测器器P2以及第三位置探测器器P3之间。

4.根据权利要求1所述的探测效率标定方法，其特征在于，对被测反符合探测器的探测效率进行标定采用实验室的宇宙射线或利用加速器产生的各种高能带电粒子。

5.根据权利要求1～4任一项所述的探测效率标定方法，其特征在于，利用探测器标定系统进行带电粒子的径迹重建，获得有效径迹，具体为：

假设带电粒子在三个位置探测器上的击中位置分别为H₁(x₁,y₁)、H₂(x₂,y₂)以及H₃(x₃,y₃)，而三个位置探测器中心的垂向安装位置分别为z₁、z₂、z₃，则击中位置H₁及H₃确定的直线与z₂平面的交点H_2c(x_2c,y_2c)可以利用公式(1)及公式(2)计算得到：

若点H_2c与点H₂的距离满足|x_2c-x₂|<ε且|y_2c-y₂|<ε，则认为H₁及H₃确定的直线为带电粒子的一条有效径迹，ε为设定常数。

6.根据权利要求5所述的探测效率标定方法，其特征在于，利用三个位置探测器测到的宇宙射线击中位置以及它们的安装位置进行径迹重建，具体为：

根据宇宙射线在位置探测器P1以及位置探测器P3上的击中位置H₁与H₃确定一条直线，利用该直线与位置探测器P2相交计算宇宙射线在P2上的理论击中位置H_2c(x_2c,y_2c)，比较P2的理论击中位置与实测击中位置(x₂,y₂)的距离，若满足|x_2c-x₂|<2mm且|y_2c-y₂|<2mm，则可认为H₁及H₃确定的直线为带电粒子的一条有效径迹。

7.根据权利要求1～4任一项所述的探测效率标定方法，其特征在于，计算被测探测器的探测效率，具体为：

将位置探测器正对的面积分成M×N个方格，并针对被测反符合探测器所在平面内的所有方格分别计算探测效率，用i与j分别表示x方向以及y方向的方格编号，则第ij号方格的探测效率η_ij：

其中，N_ij为确定并且穿过第ij号方格的径迹总数目，n为这N_ij条径迹中对应被测反符合探测器测得的总计数，通过划分合适大小的方格，可以求得被测反符合探测器各个部位的探测效率；

被测反符合探测器总的探测效率：

其中，N_t为被测探测器的实测总计数，∑_ij∈DN_ij表示对属于被测反符合探测器的所有方格内的总径迹数进行累加，即物理上穿过了被测反符合探测器的带电粒子数目。

8.根据权利要求7所述的探测效率标定方法，其特征在于，计算每个方格内的探测效率采用切片法或投影法。

9.一种深空用反符合探测器的探测效率标定系统，其特征在于，该系统包括两个触发探测器和三个位置探测器，五个探测器垂向间隔组成层叠式结构，其中，两个触发探测器位于最上及最下位置，三个位置探测器垂向平行间隔设置在两个触发探测器之间。

10.根据权利要求9所述的探测效率标定系统，其特征在于，两个触发探测器均采用塑料闪烁体探测器，三个位置探测器均采用多丝正比室；

塑料闪烁体探测器通过光导将产生的荧光传导至光电倍增管读出，塑料闪烁体探测器及光导的表面分别包覆Tyvek纸以及Teflon膜，并在最外面缠上黑胶带以防止自然光的干扰；

多丝正比室采用了2层阴极夹一层阳极的三层丝面型结构，两侧的阴极丝面相互正交，阳极丝面采用斜丝布局，该多丝正比室采用P10气体作为工作气体。