CN112526580A - 空间辐射探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了空间辐射探测装置及方法，包括Si‑CLLB探测器和控制模块；Si‑CLLB探测器包括沿辐射粒子入射方向依次设置的Si探测器和CLLB晶体探测器，Si探测器和CLLB晶体探测器耦合，CLLB晶体探测器包括CLLB晶体及硅光电倍增管；控制模块设于Si‑CLLB探测器上，CLLB晶体探测器在不同辐射粒子的情况下输出不同快慢成分的信号波形，控制模块用于对CLLB晶体探测器的输出信号进行脉冲信号处理，区分辐射粒子并获得辐射粒子的能量及通量。本发明采用Si探测器和CLLB晶体探测器耦合形成Si‑CLLB探测器，CLLB晶体的能量分辨率较高，能够达到5～6％，显著提高了辐射粒子的甄别能力，集成粒子区分以及能量、通量测量多功能为一体，能够对带电粒子、γ射线以及中子进行复合式测量，满足不同粒子的探测需求。

Description

空间辐射探测装置及方法

技术领域

本发明涉及空间辐射探测技术领域，尤其涉及空间辐射探测装置及方法。

背景技术

空间站中，航天员必然暴露于舱内的空间辐射环境中，空间辐射环境对空间任务中航天器和航天员会造成损伤，甚至导致航天任务失败。随着航天任务向长时间深空探测的趋势发展，空间带电粒子、中子的累积辐射损伤也越来越受到重视，所以对空间质子等带电粒子和中子的探测就显得尤为重要。空间辐射包含多种辐射粒子，不同辐射粒子的成分、效应及损伤特点有所不同，因此传统的空间辐射探测器对带电粒子、快中子、热中子及γ射线的探测需要单独的系统，无法对带电粒子、快中子、热中子及γ射线进行复合式测量，探测效率低；而且传统的辐射探测器的能量分辨率较差，而能量分辨率又是甄别带电粒子非常关键的参数，因此导致传统的辐射探测器的粒子甄别能力较差，无法满足不同粒子的探测需求。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的一个目的是一种空间辐射探测装置，包括Si-CLLB探测器和控制模块；

所述Si-CLLB探测器包括沿辐射粒子入射方向依次设置的Si探测器和CLLB晶体探测器，所述Si探测器和CLLB晶体探测器耦合，所述CLLB晶体探测器包括CLLB晶体和硅光电倍增管，所述硅光电倍增管与CLLB晶体耦合；

所述控制模块设于Si-CLLB探测器上，CLLB晶体探测器在不同辐射粒子的情况下输出不同快慢成分的信号波形，所述控制模块用于对CLLB晶体探测器的输出信号进行脉冲信号处理后，区分辐射粒子并获得辐射粒子的能量及通量。

采用以上技术方案，所述CLLB晶体的直径为1.2-1.8英寸，高度为1.2-1.8英寸，Li-6丰度为30％-50％。

采用以上技术方案，所述CLLB晶体掺杂Cerium(Ce³⁺)的Cs₂LiLaBr₆:Ce(CLLB)。

采用以上技术方案，所述Si探测器的灵敏面积为直径25-45mm，厚度为280-320μm。

采用以上技术方案，所述Si-CLLB探测器包括外壳，所述外壳包裹住耦合的Si探测器和CLLB晶体探测器。

采用以上技术方案，所述Si-CLLB探测器包括前置放大器和模数转换器；

所述Si探测器的输出端和硅光电倍增管的输出端分别耦合有前置放大器，所述前置放大器用于将Si探测器输出的信号和硅光电倍增管输出端的电信号进行初步放大；

所述模数转换器耦合Si探测器上前置放大器的输出端，所述模数转换器用于将经过前置放大器放大的信号进行模数转换。

采用以上技术方案，所述Si-CLLB探测器还包括偏压电源，所述偏压电源设于Si-CLLB探测器的内部。

本发明的另一目的是提供一种空间辐射探测方法，包括：

辐射粒子经过Si探测器时与Si原子发生相互作用，记录能量损失值ΔE；

辐射粒子与Si原子相互作用后生成的次级粒子或未发生相互作用的原始辐射粒子经过CLLB晶体探测器时，CLLB晶体吸收粒子剩余的能量；

Si探测器测得的能量损失值ΔE除以Si探测器的厚度获得传能线密度谱；

CLLB晶体探测器在不同辐射粒子的情况下产生不同快慢成分的信号波形，控制模块对CLLB晶体探测器的输出信号进行脉冲信号处理后，区分辐射粒子并获得辐射粒子的能量及通量。

采用以上技术方案，所述区分辐射粒子并获得辐射粒子的能量及通量，包括：

将信号波形中衰减的慢成分进行积分得到中子的事件，在中子的事件中获得热中子和快中子的能量和通量；

将信号波形中的快成分认定为γ射线的事件，γ射线与中子区分之后获得γ射线的能谱信息。

采用以上技术方案，所述在中子的事件中获得热中子和快中子的能量和通量，包括；

在中子的事件中，通过热中子俘获反应⁶Li(n,α)t，将得到的3.5MeV的峰面积进行积分，积分得到的脉冲数量代表了热中子的通量信息；

其他的快中子通过³⁵Cl(n,n)³⁵Cl的弹性碰撞进行测量，除了热中子的事件，将测得的快中子的能谱以及通量信息归结为快中子，通过反推³⁵Cl的动能得到快中子的能量和通量。

本发明的有益效果：本发明采用Si探测器和CLLB晶体探测器耦合形成Si-CLLB探测器，CLLB晶体的能量分辨率较高，能够达到5～6％，显著提高了辐射粒子的甄别能力，CLLB晶体能够在不同入射粒子的情况下产生不同的快慢成分，由脉冲幅度甄别方式进行信号的处理之后，区分不同带电粒子、γ射线以及中子并得到粒子的入射能量，集成粒子区分以及能量测量多功能为一体，能够对带电粒子、γ射线以及中子进行复合式测量，满足不同粒子的探测需求。

附图说明

图1是本发明实施例1的系统框图。

图2是本发明Si-CLLB探测器的结构示意图。

图3是图2的仰视图。

图4是图3上A部的局部放大示意图。

图5是本发明实施例2的流程示意图。

图6是本发明直径为1.5英寸的CLLB晶体内γ射线、α射线、热中子以及快中子的快慢成分波形图。

图7是本发明Si探测器脉冲信号处理电路的原理示意图。

图8是本发明CLLB脉冲幅度甄别器脉冲信号处理电路的原理示意图。

图9是本发明数据处理与通讯控制单元的功能结构示意图。

图中标号说明：11、Si探测器；12、CLLB晶体探测器；13、外壳；14、硅光电倍增管；15、前置放大器；16、模数转换器；17、CLLB晶体；2、控制模块。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例1

参照图1所示，本发明实施例1提供一种空间辐射探测装置，包括Si-CLLB探测器和控制模块2，Si-CLLB探测器包括沿辐射粒子入射方向依次设置的Si探测器11和CLLB晶体探测器12，Si探测器11和CLLB晶体探测器12耦合，CLLB晶体探测器12包括CLLB晶体17和硅光电倍增管14，硅光电倍增管14与CLLB晶体17耦合，硅光电倍增管14用于将CLLB晶体17中由辐射引起的荧光转换成电信号，；控制模块2设于Si-CLLB探测器上，CLLB晶体探测器12在不同辐射粒子的情况下输出不同快慢成分的信号波形，控制模块2用于对CLLB晶体探测器12的输出信号进行脉冲信号处理后，区分辐射粒子并获得辐射粒子的能量及通量。

其中CLLB晶体17的直径为1.2-1.8英寸，高度为1.2-1.8英寸，Li-6丰度为30％-50％。优选的，本实施例CLLB晶体17的直径为1.5英寸，高度为1.5英寸，Li-6丰度为50％。另外Si探测器的灵敏面积为直径25-45mm，厚度为280-320μm。为了匹配直径1.5英寸的CLLB晶体17，本实施例使用灵敏面积直径为35mm，厚度为300μm的Si探测器11，Si探测器11耦合在CLLB晶体探测器12的前端，用于获得传能线密度谱LET，例如Si探测器11测得的能量损失值ΔE除以Si探测器11的厚度即可获得传能线密度谱LET。还有空间高能粒子可从各个方向入射到CLLB晶体探测器12上，而且对于高能的粒子可贯穿整个CLLB晶体探测器12，而对于不同方向的贯穿的粒子在CLLB晶体探测器12中的径迹长度不同，无法通过CLLB晶体探测器12的能量沉积来估算粒子的能量。因此本实施例在CLLB晶体探测器12的前端耦合有Si探测器11，Si探测器11和CLLB晶体探测器12之间做符合测量，从而实现只对穿过Si探测器11和CLLB晶体探测器12的粒子进行测量。

参照图2、图3、图4所示，Si-CLLB探测器还包括外壳13，外壳13包裹住耦合的Si探测器11和CLLB晶体探测器12，通过外壳13进行封装，能够很好的耦合Si探测器11和CLLB晶体探测器12。使用时，将Si-CLLB探测器安装在空间站中，进行带电粒子、γ射线以及中子的测量。

继续参照图1所示，Si-CLLB探测器包括前置放大器15和模数转换器16，Si探测器11的输出端和硅光电倍增管14的输出端分别耦合有前置放大器15，前置放大器15用于将Si探测器11输出的信号和硅光电倍增管14输出端的电信号进行初步放大；模数转换器16耦合Si探测器11上前置放大器15的输出端，模数转换器16用于将经过前置放大器15放大的信号进行模数转换。

还有Si-CLLB探测器需要设置偏压，因此本实施例Si-CLLB探测器还包括偏压电源，偏压电源设于Si-CLLB探测器的内部。

其中CLLB晶体17掺杂Cerium(Ce³⁺)的Cs₂LiLaBr₆:Ce(CLLB)，CLLB晶体17的密度为4.2g/cc，光产额为55 000photon/MeV，这使CLLB晶体17具有更好的γ射线探测效率以及能量分辨率，并且比NaI:Tl具有更好的能量分辨，能够达到5～6％，显著提高了辐射粒子的甄别能力，满足不同粒子的探测需求。

还有CLLB晶体17包括La元素以及锕系元素，因此CLLB晶体17同时能够跟热中子以及快中子都有反应。热中子可以通过⁶Li(n,α)T反应进行探测，该反应的Q值为4.782MeV，等效的电子的能量为～3.5MeVee。同时，快中子也可以通过此反应进行探测。更重要的是，CLLB晶体17中的Br元素具有最高的原子序数，⁷⁹Br和⁸¹Br与快中子具有比较大的反应截面，同时产物⁷⁸Br和⁸⁰Br的半衰期很短。因此通过CLLB晶体17能够对带电粒子、γ射线、快中子以及热中子进行复合式测量。

实施例2

参照图3所示，本发明实施例2提供一种空间辐射探测方法，包括如下步骤：

在步骤101中，辐射粒子经过Si探测器11时与Si原子发生相互作用，记录能量损失值ΔE。

示例地，当辐射粒子(包括带电和不带电粒子)从前端入射时，经过Si探测器11时辐射粒子与Si原子发生相互作用，在Si探测器11中的能量损失值ΔE被记录下来，由于Si探测器11的体积不是很大，对于能量较高的空间辐射粒子与Si原子发生相互作用后，生成的次级粒子或未发生相互作用的原始辐射粒子很大概率将继续沿入射方向或与入射方向成某一角度运动。

在步骤102中，辐射粒子与Si原子相互作用后生成的次级粒子或未发生相互作用的原始辐射粒子经过CLLB晶体探测器12时，CLLB晶体17吸收粒子剩余的能量。

在步骤103中，Si探测器11测得的能量损失值ΔE除以Si探测器11的厚度获得传能线密度谱LET。

在步骤104中，CLLB晶体探测器12在不同辐射粒子的情况下产生不同快慢成分的信号波形，控制模块2对CLLB晶体探测器12的输出信号进行脉冲信号处理后，区分辐射粒子并获得辐射粒子的能量及通量。

示例地，首先CLLB晶体探测器12在不同辐射粒子的情况下产生不同快慢成分的信号波形，例如图6所示的直径为1.5英寸的CLLB晶体17内γ射线、α射线、热中子以及快中子的快慢成分波形图；之后将信号波形中衰减的慢成分进行积分得到中子的事件，将信号波形中的快成分认定为γ射线的事件。

示例地，在中子的事件中，通过热中子俘获反应⁶Li(n,α)t，将得到的3.5MeV的峰面积进行积分，积分得到的脉冲数量代表了热中子的通量信息，其他的快中子通过³⁵Cl(n,n)³⁵Cl的弹性碰撞进行测量，除了热中子的事件，将测得的快中子的能谱以及通量信息归结为快中子，通过反推³⁵Cl的动能得到快中子的能量和通量。在γ射线的事件中，γ射线与中子区分之后获得γ射线的能谱信息。

示例地，控制模块包括脉冲信号处理单元和数据处理及通讯控制单元。一方面脉冲信号处理单元主要包括Si探测器脉冲信号处理电路和CLLB脉冲幅度甄别器脉冲信号处理电路，其中对硅探测器的输出信号经电荷前置放大器后，首先经过极零相消电路调整波形，然后分为2路一路进行滤波成形以进行幅度测量，另一路进行快速放大以进行触发时间分析。关于Si探测器脉冲信号处理电路如图7所示。另外对CLLB晶体输出，为了进行大动态范围能量测量，对输出信号进行了高低增益双路放大，关于CLLB脉冲幅度甄别器脉冲信号处理电路如图8所示。另一方面数据处理与通讯控制单元主要包括多通道幅度信号采集电路、多通道时间信号甄别电路、模块状态监测电路、主控电路和通讯接口电路，具体结构详见图9所示。CLLB晶体探测器点火，记录信号幅度与时间及n/γ甄别因子，用于测量中子、γ以及带电粒子。

综上所述，采用Si探测器11和CLLB晶体探测器12耦合形成Si-CLLB探测器，集成粒子区分以及能量测量多功能为一体，Si探测器11测得传能线密度谱LET，CLLB晶体17能够在不同入射粒子的情况下产生不同的快慢成分，由脉冲幅度甄别方式进行信号的处理之后，区分不同带电粒子、γ射线以及中子并得到粒子的入射能量，能够对带电粒子、γ射线以及中子进行复合式测量，满足不同粒子的探测需求。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种空间辐射探测装置，其特征在于，包括Si-CLLB探测器和控制模块；

所述Si-CLLB探测器包括沿辐射粒子入射方向依次设置的Si探测器和CLLB晶体探测器，所述Si探测器和CLLB晶体探测器耦合，所述CLLB晶体探测器包括CLLB晶体和硅光电倍增管，所述硅光电倍增管与CLLB晶体耦合；

所述控制模块设于Si-CLLB探测器上，CLLB晶体探测器在不同辐射粒子的情况下输出不同快慢成分的信号波形，所述控制模块用于对CLLB晶体探测器的输出信号进行脉冲信号处理后，区分辐射粒子并获得辐射粒子的能量及通量。

2.如权利要求1所述的空间辐射探测装置，其特征在于：所述CLLB晶体的直径为1.2-1.8英寸，高度为1.2-1.8英寸，Li-6丰度为30％-50％。

3.如权利要求2所述的空间辐射探测装置，其特征在于：所述CLLB晶体为掺杂Cerium(Ce³⁺)的Cs₂LiLaBr₆:Ce(CLLB)。

4.如权利要求1所述的空间辐射探测装置，其特征在于：所述Si探测器的灵敏面积为直径25-45mm，厚度为280-320μm。

5.如权利要求1所述的空间辐射探测装置，其特征在于：所述Si-CLLB探测器包括外壳，所述外壳包裹住耦合的Si探测器和CLLB晶体探测器。

6.如权利要求1所述的空间辐射探测装置，其特征在于：所述Si-CLLB探测器包括前置放大器和模数转换器；

所述Si探测器的输出端和硅光电倍增管的输出端分别耦合有前置放大器，所述前置放大器用于将Si探测器输出的信号和硅光电倍增管输出端的电信号进行初步放大；

所述模数转换器耦合Si探测器上前置放大器的输出端，所述模数转换器用于将经过前置放大器放大的信号进行模数转换。

7.如权利要求6所述的空间辐射探测装置，其特征在于：所述Si-CLLB探测器还包括偏压电源，所述偏压电源设于Si-CLLB探测器的内部。

8.一种空间辐射探测方法，其特征在于，包括：

辐射粒子经过Si探测器时与Si原子发生相互作用，记录能量损失值ΔE；

辐射粒子与Si原子相互作用后生成的次级粒子或未发生相互作用的原始辐射粒子经过CLLB晶体探测器时，CLLB晶体吸收粒子剩余的能量；

Si探测器测得的能量损失值ΔE除以Si探测器的厚度获得传能线密度谱；

CLLB晶体探测器在不同辐射粒子的情况下产生不同快慢成分的信号波形，控制模块对CLLB晶体探测器的输出信号进行脉冲信号处理后，区分辐射粒子并获得辐射粒子的能量及通量。

9.如权利要求8所述的空间辐射探测方法，其特征在于，所述区分辐射粒子并获得辐射粒子的能量及通量，包括：

将信号波形中衰减的慢成分进行积分得到中子的事件，在中子的事件中获得热中子和快中子的能量和通量；

将信号波形中的快成分认定为γ射线的事件，γ射线与中子区分之后获得γ射线的能谱信息。

10.如权利要求9所述的空间辐射探测方法，其特征在于，所述在中子的事件中获得热中子和快中子的能量和通量，包括；

在中子的事件中，通过热中子俘获反应⁶Li(n,α)t，将得到的3.5MeV的峰面积进行积分，积分得到的脉冲数量代表了热中子的通量信息；

其他的快中子通过³⁵Cl(n,n)³⁵Cl的弹性碰撞进行测量，除了热中子的事件，将测得的快中子的能谱以及通量信息归结为快中子，通过反推³⁵Cl的动能得到快中子的能量和通量。

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