CN114966807A - 一种空间核爆伽马射线探测器 - Google Patents

一种空间核爆伽马射线探测器 Download PDF

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李连升
王立
梅志武
陈建武
左富昌
洪帅
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Abstract

本发明提供的一种空间核爆伽马射线探测器，该探测器由伽马射线编码板、像素型碲锌镉探测器和处理线路单元三部分组成。通过编码板对核爆事件入射伽马射线的方向和强度调制，通过像素型碲锌镉探测器采集光子信息，由处理线路单元解码成图像，并通过对核爆图像的分析来实现对伽马射线的发生时间、强度、能谱和入射角度的探测，从而实现对大气层及近地空间核爆发生时间、当量和方位的探测。本发明所述的空间核爆伽马射线探测器，相对于基于单孔/多孔准直器和闪烁体/闪烁屏耦合可见光探测器的传统空间核爆伽马射线探测器，具有探测灵敏度高、定位精度高、核爆事件识别确认能力强、体积重量功耗低的优势。

Description

一种空间核爆伽马射线探测器
技术领域
本发明涉及一种空间核爆伽马射线探测器,用于实现对大气层及近地空间核爆当量和方位的探测。本发明属于空间伽马射线探测技术领域。
背景技术
核爆炸的同时发射出伽马射线辐射。核爆炸总的积分γ辐射约占总的武器能量的5％，根据产生时间的早晚分为瞬发γ辐射和缓发γ辐射，各占大约一半，典型能段为1～3MeV。核爆炸早期弹体物质蒸发和飞散(10-5s)之前放出的称为瞬发γ辐射。瞬发γ辐射与弹体物质发生多次相互作用，泄露出的γ辐射的份额、能谱、时间谱与核弹的材料和结构有很大关系。10-5～15s释放出的裂变碎片、火球和烟云释放的辐射是缓发γ辐射。大气层核爆炸产生的剩余缓发γ辐射在烟云的抬升作用下可上升到20～30km。
从探测灵敏度、鉴别能力、监测范围、定点准确度等几方面衡量，对大气层与近地空间核爆炸探测最有效的技术手段就是空间核爆探测，不受国界和领空的限制。传统的空间核爆γ射线探测器采用多路闪烁体探测器通过符合探测技术来确认核爆炸事件，即在给定的短时间内，当所有探测器同时探测到γ射线存在，则可以判明有核爆炸事件发生。探测器记录的随机信号仅表明探测到的是本底辐射。通过不同位置多路信号时间交会测量的原理实现核爆炸定位。传统的空间核爆伽马射线探测器核爆事件识别确认能力差，虚警率高，单一载荷不具备定位探测能力，重量体积功耗大。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种空间核爆伽马射线探测器，实现对伽马射线的发生时间、强度、能谱和入射角度的探测。
本发明的技术方案是：一种空间核爆伽马射线探测器，该探测器包括编码板、像素型碲锌镉探测器和处理线路单元；
编码板，通过编码方法对核爆事件伽马射线的入射方向和强度进行调制；
像素型碲锌镉探测器，敏感编码调制后的伽马射线，得到每个伽马光子信息，所述光子信息包括光子到达时间、光子能量和敏感位置，将光子信息发送给处理线路单元；
处理线路单元，将光子信息解码成核爆伽马射线投影图像，对核爆伽马射线投影图像进行分析，实现对核爆伽马射线的发生时间、强度、能谱和发生位置的探测。
优选地，所述编码板由能阻止伽马射线光子的材料制成，在编码板上设置镂空与遮挡交替的编码图案，入射的伽马射线光子一部分被编码板遮挡部分挡住，另外一部分穿过编码镂空部分到达像素型碲锌镉探测器。
优选地，所述编码图案构型为修正均匀冗余阵列，由m×m阵列的编码孔板排列而成，m×m为素数。
优选地，所述编码板中镂空部分面积占整个编码板总面积的1/2。
优选地，所述像素型碲锌镉探测器观测窗口采用铝滤光片制成，敏感元为像素型碲锌镉晶体。
优选地，所述编码板为厚度大于1mm的钨板。
优选地，所述编码板单像素尺寸大于等于像素型碲锌镉探测器单像素尺寸。
优选地，所述像素型碲锌镉探测器中的碲锌镉晶体厚度大于等于10mm。
优选地，所述像素型碲锌镉探测器的像素数n×n为素数。
优选地，所述处理线路单元包括前端读出模块、数字处理模块和电源模块，其中：
前端读出模块，对像素型碲锌镉探测器输出光子脉冲信号进行放大、滤波成形、采样触发，输出携带伽马射线光子能量、触发时间和探测器像素位置信息的光子脉冲信号；
数字处理模块，采集前端读出模块输出的光子脉冲信号，将光子脉冲信号解码成核爆伽马射线投影图像，采用傅里叶变换或反卷积图像重建算法对核爆伽马射线投影图像进行分析，计算伽马射线的发生时间、强度、能谱和入射角度；
电源模块为前端读出模块、数字处理模块提供所需的电源。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
(1)、本发明将伽马射线编码孔成像技术与采用像素型碲锌镉探测器结合，在有限的重量体积约束下，探测灵敏度可达单光子水平，单一载荷具备定位探测能力，相对于基于单孔/多孔准直器和闪烁体/闪烁屏耦合可见光探测器的传统空间核爆伽马射线探测器，具有核爆事件识别确认能力强，虚警率低，单一载荷具备定位探测能力、探测灵敏度高、体积重量功耗低的优势。
(2)、本发明编码板具有接近50％的高透光率可以使空间核爆伽马射线探测器具备空间分辨能力并提高观测灵敏度。
(3)、本发明像素型碲锌镉探测器探测效率高，像素分辨率高，能量和时间分辨率高，可以获得核爆伽马射线的发生时间、强度、能谱和位置。
附图说明
图1为本发明空间核爆伽马射线探测器组成示意图；
图2为本发明空间核爆伽马射线探测器测量模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
如图1所示，本发明提供的空间核爆伽马射线探测器，由伽马射线编码板1、像素型碲锌镉探测器2和处理线路单元3三部分组成。
伽马射线编码板1的功能是对入射伽马射线的方向和强度进行调制，遮挡杂散光及高能粒子等本底。伽马射线编码板1由能阻止伽马射线光子的材料制成，在编码板1上设置镂空与遮挡交替的编码图案。入射的伽马射线光子一部分会被编码板1挡住，另外一部分到达像素型碲锌镉探测器2。
所述编码图案构型为修正均匀冗余阵列(MURA)，所述编码板1中的镂空部分面积占整个编码板1总面积的1/2，具有50％的高开孔率，透光率高，在有限的几何尺寸下具有理想的相关特性，可以提高系统的灵敏度和空间分辨能力。
优选地，为实现核爆大于百keV伽马射线的成像，所述编码板1为厚度大于1mm的钨板，由m×m阵列的编码孔板通过循环嵌套方式排列而成，m×m为素数。所述编码板中镂空部分为编码孔，编码孔单像素尺寸为像素型碲锌镉探测器2单像素尺寸的n倍，n为正整数，n≥1。n是m的正整数倍且大于等于1。
如图2所示，伽马射线编码板1的大小定义了整个空间核爆伽马射线探测器视场和面积：
空间核爆伽马射线探测器视场θ公式如下：
Figure BDA0003623217400000041
其中，L1为编码板边长，L2为探测器边长，f为探测器焦距。
角分辩率公式如下：
ν＝θ/像素型碲锌镉探测器像素数m
探测面积公式如下：
A＝探测器边长2
像素型碲锌镉探测器2的功能是敏感编码调制后的伽马射线，得到每个伽马光子信息，所述光子信息包括光子到达时间、光子能量和敏感位置，将光子信息发送给处理线路单元3；
像素型碲锌镉探测器2观测窗口采用铝(Al)滤光片制成，敏感元为像素型碲锌镉晶体。像素型碲锌镉探测器2探测效率高，像素分辨率高，能量和时间分辨率高，可以提高系统的灵敏度和空间分辨能力。
优选地，为实现核爆大于百keV伽马射线的成像以及大于1MeV伽马射线的探测，探测器厚度应大于等于10mm。所述像素型碲锌镉探测器2的像素数n×n为素数，使得编码图像重建时去奇异。
处理线路单元3，将光子信息解码成核爆伽马射线投影图像，对核爆伽马射线投影图像进行分析，实现对核爆伽马射线的发生时间、强度、能谱和发生位置的探测，用于实现对大气层、近地及空间核爆的监测预警。
所述处理线路单元3包括前端读出模块4、数字处理模块5和电源模块6，其中：
前端读出模块4，对像素型碲锌镉探测器2输出光子脉冲信号进行放大、滤波成形、采样触发，输出携带伽马射线光子能量、触发时间和探测器像素位置信息的光子脉冲信号；
数字处理模块5，采集前端读出模块4输出的光子脉冲信号，将光子脉冲信号解码成核爆伽马射线投影图像，采用傅里叶变换或反卷积图像重建算法对核爆伽马射线投影图像进行分析，计算伽马射线的发生时间、强度、能谱和入射角度，最终输出伽马射线光子能量、触发时间和来源位，这些物理量可以用于实现对大气层及近地空间核爆发生时间、当量和方位的探测。
数字处理模块5还负责采集像素型碲锌镉探测器2的工作状态和温度，采集前端读出模块4的工作状态和输出数据，控制电源模块6及其上电顺序，实现对外通信。
电源模块6为像素型碲锌镉探测器2、前端读出模块4、数字处理模块5提供所需的电源。
实施例：
本发明空间核爆伽马射线探测器编码板1采用MURA编码，通过循环嵌套获得239×239阵列编码孔板，编码板材料采用1.5mm厚的钨板。编码孔单像素尺寸为1.5mm×1.5mm，编码孔板边长为358.5mm。
像素型碲锌镉探测器2使用64个16×16像素型探测器拼接成8×8阵列，使用其中127×127像素进行成像，单像素尺寸为1.5mm，碲锌镉晶体厚度为10mm，像素型碲锌镉探测器2边长为190.5mm。像素型碲锌镉探测器2能量分辨率优于12％@59.5keV和3％@662keV。
编码板1与探测器2距离为100mm，定义为探测器焦距。空间核爆伽马射线探测器视场为80°，探测面积368cm2，探测能段20keV-3MeV，角分辩率28′。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种空间核爆伽马射线探测器，其特征在于包括编码板(1)、像素型碲锌镉探测器(2)和处理线路单元(3)；
编码板(1)，通过编码方法对核爆事件伽马射线的入射方向和强度进行调制；
像素型碲锌镉探测器(2)，敏感编码调制后的伽马射线，得到每个伽马光子信息，所述光子信息包括光子到达时间、光子能量和敏感位置，将光子信息发送给处理线路单元(3)；
处理线路单元(3)，将光子信息解码成核爆伽马射线投影图像，对核爆伽马射线投影图像进行分析，实现对核爆伽马射线的发生时间、强度、能谱和发生位置的探测。
2.根据权利要求1所述的一种空间核爆伽马射线探测器，其特征在于所述编码板(1)由能阻止伽马射线光子的材料制成，在编码板(1)上设置镂空与遮挡交替的编码图案，入射的伽马射线光子一部分被编码板(1)遮挡部分挡住，另外一部分穿过编码镂空部分到达像素型碲锌镉探测器(2)。
3.根据权利要求2所述的一种空间核爆伽马射线探测器，其特征在于所述编码图案构型为修正均匀冗余阵列，由m×m阵列的编码孔板排列而成，m×m为素数，m大于等于1。
4.根据权利要求2所述的一种空间核爆伽马射线探测器，其特征在于所述编码板(1)中镂空部分面积占整个编码板(1)总面积的1/2。
5.根据权利要求2所述的一种空间核爆伽马射线探测器，其特征在于所述编码板(1)为厚度大于1mm的钨板。
6.根据权利要求1所述的一种空间核爆伽马射线探测器，其特征在于所述像素型碲锌镉探测器(2)观测窗口采用铝滤光片制成，敏感元为像素型碲锌镉晶体。
7.根据权利要求6所述的一种空间核爆伽马射线探测器，其特征在于所述编码板单像素尺寸大于等于像素型碲锌镉探测器(2)单像素尺寸。
8.根据权利要求6所述的一种空间核爆伽马射线探测器，其特征在于所述像素型碲锌镉探测器(2)中的像素型碲锌镉晶体厚度大于等于10mm。
9.根据权利要求6所述的一种空间核爆伽马射线探测器，其特征在于所述像素型碲锌镉探测器(2)的像素数n×n为素数，n大于等于1。
10.根据权利要求1所述的一种空间核爆伽马射线探测器，其特征在于所述处理线路单元(3)包括前端读出模块(4)、数字处理模块(5)和电源模块(6)，其中：
前端读出模块(4)，对像素型碲锌镉探测器(2)输出光子脉冲信号进行放大、滤波成形、采样触发，输出携带伽马射线光子能量、触发时间和探测器像素位置信息的光子脉冲信号；
数字处理模块(5)，采集前端读出模块(4)输出的光子脉冲信号，将光子脉冲信号解码成核爆伽马射线投影图像，采用傅里叶变换或反卷积图像重建算法对核爆伽马射线投影图像进行分析，计算伽马射线的发生时间、强度、能谱和入射角度；
电源模块(6)为前端读出模块(4)、数字处理模块(5)提供所需的电源。
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