CN115247557B - 一种量能器式井眼缪子探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量能器式井眼缪子探测器，涉及井眼探测领域。量能器式井眼缪子探测器包括仪器外壳，外壳上连有通讯供电电缆，外壳内自上而下依次设有电控连接的DC‑DC转换模块、电缆线网络模块、数据采集与存储模块、信号处理电路板、上光电转换读出板、闪烁体矩阵和下光电转换读出板。闪烁体矩阵的主体灵敏区域由闪烁条填充排列组成，每根闪烁条上下端皆配接光电转换读出板和信号反符合单元。探测器内还安装有用来确定探测器在井眼中的相对方位的陀螺仪。探测器可以置于小直径的井眼中收集宇宙射线缪子，很好地克服了目前缪子成像探测器形体大、信号采集通道多、造价高、不能安放在已有的巷道内进行地下目标物探测的瓶颈。

Description

一种量能器式井眼缪子探测器

技术领域

本发明涉及井眼探测领域，具体涉及一种量能器式井眼缪子探测器。

背景技术

宇宙射线缪子是来自太空的高能宇宙射线(主要是高能质子)与大气相互作用产生的次级射线粒子。宇宙射线缪子能域宽、穿透性强，在对一定尺度的目标物成像方面具有人工射线装置不可比拟的优势，属于大自然馈赠的免费射线源，因此被人们重视并逐步应用于科研与工业各个方面。宇宙射线缪子成像技术主要分为两大类：基于角度散射的宇宙射线缪子成像技术和基于强度衰减的宇宙射线缪子成像技术。前者通过测量缪子射线在通过目标物前后角度的变化来重构高质子数物质的结构与轮廓。利用这一机理的成像技术可以应用在海关放射性材料的走私稽查、反应堆堆芯结构成像等领域。基于强度衰减的宇宙射线缪子成像技术关注的是更大尺度的目标物成像，例如J.Marteau以及Felix Fehr对火山内部结构的成像来研究火山活动周期。在考古领域，近期由法国、日本、埃及三国科学家组成的团队利用三种不同的核探测技术对埃及的胡夫金字塔进行了缪子扫描成像研究，该团队找到了隐藏在已知墓室上方的暗室。然而，这些形体较大的探测器被置于地面，因此只能探测地面以上的目标物。同时，在金字塔扫描中缺乏反演算法，没有对目标物暗室进行一个清晰的三维成像，得出的结论仍有一定的不确定度。

如图1所示为基于大型巷道中面板探测器的缪子成像技术原理。然而，目前现有的缪子成像探测器形体大、造价高，更重要的是只能安放在已有的巷道内进行地下目标物探测，因此其推广应用受到严重的制约。

在地面以下大量埋藏了古建筑不为世人所知。要利用好这笔丰富的遗产，就要先查清这笔遗产。考古勘探传统工具“洛阳铲”虽然在考古工作中发挥重要的作用，但是存在探查速度慢、深度偏浅、可能造成文物破坏的一些缺陷。因此，早在上世纪50年代，地球物理探测技术就已经开始应用到考古领域。宇宙射线缪子三维成像技术作为一种新兴的成像技术，如果我们能突破其关键技术与应用瓶颈，便将能更好地开展考古研究与古迹保护。就目前的物理探测技术来看，探测深度较浅仍然是目前在用的物探技术的瓶颈。如果一种成像技术能对几米至几十米的目标物进行较为清晰的三维成像，那么无疑将会对考古研究、保护与发掘是一个大的促进。由于宇宙射线缪子有较高的能量，在较大尺度目标物的成像方面，其成像优势是其它物探成像技术不可比拟的。因此开展基于宇宙射线缪子成像的地下目标物的勘探与描述具有重大意义。但是如果利用目前现有技术方案进行地下考古遗迹成像，必须在地下挖掘大型巷道，不仅施工成本高昂，更极有可能对地下遗迹造成永久性破坏，因此急需一种新技术解决目前基于大型巷道探测系统成像的问题。除此之外，泥石流是危害人民群众生命和财产安全的一大自然灾害。泥石流灾害的产生与降雨量、山体结构、土质组分、吸水关系等诸多因素有着紧密的关联。宇宙射线成像技术可以用来准确、实时监测山体结构、密度变化，特别是土质中水分的实时监测。如果将缪子成像技术应用到泥石流和山体滑坡研究中，不仅可以帮助科研人员研究其成因与规律，为此类自然灾害提供有价值的评价参数与依据，同时还可以承担关键路段的预警工作，保护人民群众的人身和财产安全。然而，此类应用场景在多数情况下不能将探测系统置于地面或者开凿大型巷道，因此这一瓶颈也严重制约着该技术的应用。存在几个瓶颈问题没有解决：

(1)缪子成像探测器形体较大、只能安放在已有的大型巷道内或者地面以上进行目标物探测，大大限制了应用的场景。

(2)目前的缪子成像探测器整体造价高，复制性不强，移动性差。

(3)缪子探测器不适应野外探测环境，实施监测时需要大量人力、物力完成才能完成。

(4)井眼空间非常狭小，常规思路中两点一线测量缪子径迹的探测方法不可取，需要设计能充分利用狭小空间的新型探测灵敏材料结构。

宇宙射线缪子成像技术主要分为基于角度散射和基于强度衰减两种方法。基于角度散射方法被广泛研究并应用，然而基于强度衰减的方法在大型目标物成像方面有其它物理探测方法不可比拟的优势，应用前景深远。然而，目前的应用场景皆在地面或者大型巷道中，这一瓶颈严重制约其广泛应用。

鉴于上面的问题，如果将缪子成像探测器置于易于开凿的低成本、小直径井眼中使用，则无需挖掘大型巷道就可以进行地下目标物探测。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足，提出了能够置于小直径的井眼中收集宇宙射线缪子的量能器式井眼缪子探测器。

本发明具体采用如下技术方案：

一种量能器式井眼缪子探测器，包括有对本底伽马射线的屏蔽效果的仪器外壳，外壳上连有通讯供电电缆，外壳内自上而下依次设有电控连接的DC-DC转换模块、电力线网络模块、数据采集与存储模块、信号处理电路板、上光电转换读出板、闪烁体矩阵、下光电转换读出板和闪烁体矩阵上下两端的反符合单元。

优选地，闪烁体矩阵的主体灵敏区域由塑料闪烁条填充排列组成，每根闪烁条的上端配接上光电转换读出板，下端配接下光电转换读出板。

优选地，探测器的缪子的绝对入射方向安装有用来确定探测器在井眼中的相对方位陀螺仪。

优选地，探测器的外壳上安装有推靠装置，在测量过程中固定探测器。

优选地，每根闪烁条外涂有能够反射闪烁光增加传输效率和隔离不同闪烁体造成的不同通道的反射涂层。

优选地，当缪子穿过探测器侧壁时，缪子射线路径上的塑料闪烁体中沉积能量并转换成闪烁光，经过传输被两端的上光电转换读出板和下光电转换读出板读出并转换成电信号；

假设经过上光电转换读出板得到的能量幅度信息为E1，下光电转换读出板得到的能量幅度信息为E2，探测器灵敏体中心位置设为原点；通过计算被触发的闪烁条和其光信号幅度准确确定在垂直于轴线的平面上的缪子入射角度，由式(1)得出：

其中，α为衰减系数,L为单个通道闪烁体的长度，P为光子进入光电转换装置产生光电子的概率，E₀为可以产生光子的平均能量；

计算出入射缪子在被触发的闪烁体中沉积的能量(E_γ1,…,E_γ8)，每个通道的闪烁体在探测器中都有固定的X,Y方向的位置，

B1与B2的交界面端点坐标已知且设为(x₀,y₁),(x₀,y₂)；则缪子入射路径在该交接面处的坐标为(x₀,y_{1_2})，y_{1_2}由式(2)计算：

d为闪烁体的直径，假设缪子触发了某一列或某一行中的n个闪烁体，则交界面处缪子的位置有：

由这些计算出的XY平面的缪子位置，就可以得到垂直于轴线的平面上的缪子入射角度

沿探测器轴向方向上，通过两端的光信号幅度差异来决定轴向上的缪子触发位置以及与轴向的夹角，由式(5)计算：

α为衰减系数，能够得到入射缪子在被触发闪烁体上的轴向位置，当缪子穿行多个闪烁体时，通过符合测量筛选出同一事件触发的信号，计算出各个被触发闪烁体的轴向位置信息(Z1,…,Z8)，取触发距离最远的两个棒圆心间距为D，进而得到缪子入射时与探测器轴向夹角如图6(b)所示，根据得到的以上信息就可以确定缪子的入射路径；

光信号被转换成电信号后整形、放大、滤波后被数据采集与存储模块收集并存储。

优选地，当缪子穿过任一个位于探测器上下两端的反符合单元时，反符合单元的光信号被转换成电信号后整形、放大、滤波后被转换成反符合的逻辑信号输入数据采集，即该缪子事件不被数据采集记录。

本发明具有如下有益效果：

量能器式井眼缪子探测器可以置于小直径的井眼中收集宇宙射线缪子，同时建造成本较低，很好地克服了目前缪子成像探测器形体大、造价高，只能安放在已有的巷道内进行地下目标物探测的瓶颈。通过本发明可将此方法拓展到更广泛领域，例如考古遗址成像、泥石流成因研究与预警、未开发地区的矿藏勘探等。

附图说明

图1为巷道缪子成像原理；

图2为量能器式井眼缪子探测器成像原理图；

图3为量能器式井眼缪子探测器三维成像流程图；

图4为量能器式井眼缪子探测器内部结构示意图；

图5为量能器式井眼缪子探测器的供电与信号流向；

图6为量能器式井眼缪子探测器的径迹方位测量原理；

图7为单根CsI晶体为闪烁体单元测量到的位置分辨率的实验结果；

图8为模拟仿真计算中探测器一端的横截面示意图；

图9为蒙特卡洛模拟结果中天顶角计算值、真实值之间关联二维图；

图10为蒙特卡洛模拟结果中天顶角计算值与真实值之差分布图；

图11为蒙特卡洛模拟结果中方位角计算值、真实值之间关联二维图；

图12为蒙特卡洛模拟结果中方位角计算值与真实值之差分布图。

其中，1为外壳，2为通讯供电电缆，3为DC-DC转换模块，4为电力线网络模块，5为数据采集与存储模块，6为信号处理电路板，7为上光电转换读出板，8为闪烁体矩阵，9为下光电转换读出板，10为反符合单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

宇宙射线缪子三维成像方法

缪子三维成像的关键首先是建立地下缪子强度(方位计数)与穿越地层的厚度之间的对应关系。由缪子计数转换成对应的等效长度后，如果穿越的地层密度是均匀的，等效长度等于几何长度与密度的乘积。如果地层密度不是均匀的，即目标区域的密度是有一定分布的，等效长度等于某一方向上其结构几何长度乘以密度的积分。不同位置的探测器提供了不同位置、不同方向的缪子方位计数，可以对其进行三维反演，将三维密度结构分布重构出来，具体流程如图3。如果将地面与探测器之间的区域分成若干体积单元，体积单元中的密度值即为待求解，用数据公式表达反演的过程就是求解如下的矩阵方程式：

d＝Aρ

上式中，d为探测器阵列测量的各个方向的等效长度矩阵，矩阵A的矩阵元为每个体积单元中到达探测器的射线穿过该体积元时的路径长度，ρ为待求的密度分布矩阵，其矩阵元为每个体积单元中的密度值。

结合图4，量能器式井眼缪子探测器的内部结构，包括仪器外壳，外壳上连有通讯供电电缆，外壳内自上而下依次设有电控连接的DC-DC转换模块、电力线网络模块、数据采集与存储模块、信号处理电路板、上光电转换读出板、闪烁体矩阵、下光电转换读出板和闪烁体矩阵上下两端的反符合单元，闪烁体矩阵上下两端的反符合单元内附属有电子学处理模块。

闪烁体矩阵的主体灵敏区域由塑料闪烁条填充排列组成，闪烁条可以是长条状，也可以是不同形状、不同材料。每根闪烁条的上端配接上光电转换读出板，下端配接下光电转换读出板。

因为探测器中闪烁体确定的缪子射线方向是相对于探测器坐标系的相对角度，所以探测器的缪子的绝对入射方向安装有用来确定探测器在井眼中的相对方位陀螺仪。探测器的外壳上安装有推靠臂，用于实现探测器在测量过程中不会移动，在探测器的外壳上将探测器推靠在井壁上不被移动。探测器其它性能要求还包括：闪烁体要置于光密闭环境中；探测器能抗冲击，防水密封设计，外壳能承受一定的压强。

每根闪烁条外涂有能够反射闪烁光增加传输效率和隔离不同闪烁体造成的不同通道的反射涂层。

当缪子穿过探测器侧壁时，缪子射线路径上的塑料闪烁体中沉积能量并转换成闪烁光，经过传输被两端的上光电转换读出板和下光电转换读出板读出并转换成电信号。

假设经过上光电转换读出板得到的能量幅度信息为E1，下光电转换读出板得到的能量幅度信息为E2，探测器灵敏体中心位置设为原点。通过计算被触发的闪烁条和其光信号幅度就可以准确确定在垂直于轴线的平面上的缪子入射角度，由公式：

(α为衰减系数,L为单个通道闪烁体的长度，P为光子进入光电转换装置产生光电子的概率，E₀为可以产生光子的平均能量)，可以计算出入射缪子在被触发的闪烁体中沉积的能量(E_γ1,…,E_γ8)，每个通道的闪烁体在探测器中都有固定的X,Y方向的位置，如图6(a)所示，

B1与B2的交界面端点坐标已知且设为(x₀,y₁),(x₀,y₂)；则缪子入射路径在该交接面处的坐标为(x₀,y_{1_2})，y_{1_2}可以由该公式计算：

(d为闪烁体的直径),该公式可以进行推广，假设缪子触发了某一列或某一行中的n个闪烁体，则交界面处缪子的位置有：

由这些计算出的XY平面的缪子位置，就可以得到垂直于轴线的平面上的缪子入射角度

沿探测器轴向方向上，通过两端的光信号幅度差异来决定轴向上的缪子触发位置以及与轴向的夹角，由公式：

(α为衰减系数)，可以得到入射缪子在被触发闪烁体上的轴向位置，当缪子穿行多个闪烁体时，通过符合测量筛选出同一事件触发的信号，计算出各个被触发闪烁体的轴向位置信息(Z1,…,Z8)，取触发距离最远的两个棒圆心间距为D，进而得到缪子入射时与探测器轴向夹角如图6(b)所示。根据得到的以上信息就可以确定缪子的入射路径。

当缪子或者本底射线穿过任一个位于探测器上下两端时，反符合层的光信号被其附属电子学模块转换成电信号后整形、放大、滤波后转换成反符合的逻辑信号输入数据采集，在采集系统中该缪子事件不被记录，用来去除地层中本底射线或者只穿过少量闪烁体主体的缪子。

如图7，以40厘米长、截面为15毫米x15毫米正方形的单根CsI晶体为闪烁体单元测量到的位置分辨率的实验结果。

利用上述结构和原理的探测器，在粒子输运软件中进行了仿真模拟，可以分析该探测器的整体性能。假设截面为15毫米x15毫米、长度为100厘米的CsI晶体长条，外面包裹特氟龙反射层，入射缪子能量设为3GeV，竖直放置探测器，并得到了如天顶角、方位角的分辨率等性能指标。

如图8所示，在模拟软件中探测器一端的横截面示意图。圆形区域为光电倍增管在每个闪烁体单元(正方形区域)端面的放置位置；所有的单元置于一个内径为9厘米、壁厚为7毫米的圆筒形的外壳中。

如图5，系统的光信号被转换成电信号后整形、放大、滤波后送入电子学采集系统，该系统分为数据采集板和总板，数据采集板接收来自探测器的信号，总板在与上位机进行交互的同时与数据采集板进行交互。数据采集板采集来自闪烁体的超过预设阈值的信号，再经总板符合逻辑判断后传输给上位机。在上位机中进行存储和数据处理。系统电力通过电缆将地面供电单元与探测器连接，实现对探测器的稳定电流供应。

图9-12为针对本发明的模拟仿真结果，也展示了该发明具有很好的可行性。图9为蒙特卡洛模拟结果中天顶角计算值、真实值之间关联二维图；图10为蒙特卡洛模拟结果中天顶角计算值与真实值之差分布图；图11为蒙特卡洛模拟结果中方位角计算值、真实值之间关联二维图；图12为蒙特卡洛模拟结果中方位角计算值与真实值之差分布图。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种量能器式井眼缪子探测器，包括仪器外壳，外壳上连有通讯供电电缆，其特征在于，外壳内自上而下依次设有电控连接的DC-DC转换模块、电力线网络模块、数据采集与存储模块、信号处理电路板、上光电转换读出板、闪烁体矩阵、下光电转换读出板和闪烁体矩阵上下两端的反符合单元；

闪烁体矩阵的主体灵敏区域由塑料闪烁条填充排列组成，每根闪烁条的上端配接上光电转换读出板，下端配接下光电转换读出板；

探测器的缪子的绝对入射方向安装有用来确定探测器在井眼中的相对方位陀螺仪；

探测器的外壳上安装有推靠臂；

每根闪烁条外涂有能够反射闪烁光增加传输效率和隔离不同闪烁体造成的不同通道的反射涂层；

当缪子穿过探测器侧壁时，缪子射线路径上的塑料闪烁体中沉积能量并转换成闪烁光，经过传输被两端的上光电转换读出板和下光电转换读出板读出并转换成电信号；

假设经过上光电转换读出板得到的能量幅度信息为E1，下光电转换读出板得到的能量幅度信息为E2，探测器灵敏体中心位置设为原点；通过计算被触发的闪烁条和其光信号幅度准确确定在垂直于轴线的平面上的缪子入射角度，由式(1)得出：

其中，α为衰减系数,L为单个通道闪烁体的长度，P为光子进入光电转换装置产生光电子的概率，E₀为可以产生光子的平均能量；

计算出入射缪子在被触发的闪烁体中沉积的能量(E_γ1,…,E_γ8)，每个通道的闪烁体在探测器中都有固定的X,Y方向的位置，

B1与B2的交界面端点坐标已知且设为(x₀,y₁),(x₀,y₂)；则缪子入射路径在该交界面处的坐标为(x₀,y_{1_2})，y_{1_2}由式(2)计算：

d为闪烁体的直径，假设缪子触发了某一列或某一行中的n个闪烁体，则交界面处缪子的位置有：

由这些计算出的XY平面的缪子位置，就可以得到垂直于轴线的平面上的缪子入射角度

沿探测器轴向方向上，通过两端的光信号幅度差异来决定轴向上的缪子触发位置以及与轴向的夹角，由式(5)计算：

α为衰减系数，能够得到入射缪子在被触发闪烁体上的轴向位置，当缪子穿行多个闪烁体时，通过符合测量筛选出同一事件触发的信号，计算出各个被触发闪烁体的轴向位置信息(Z1,…,Z8)，取触发距离最远的两个棒圆心间距为D，进而得到缪子入射时与探测器轴向夹角根据得到的以上信息就可以确定缪子的入射路径；

光信号被转换成电信号后整形、放大、滤波后被数据采集与存储模块收集并存储。

2.如权利要求1所述的一种量能器式井眼缪子探测器，其特征在于，当缪子穿过任一个位于探测器上下两端的反符合单元时，反符合单元的光信号被转换成电信号后整形、放大、滤波后被转换成反符合的逻辑信号输入数据采集，即该缪子事件不被数据采集记录。