CN115877433A - 紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于带电粒子探测领域，涉及一种紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器及其应用，量能器包括四个探测器单元；第一探测器单元、第二探测器单元、第四探测器单元按顺序依次排列，第三探测器单元为环形，设置于第二探测器单元周围，第三探测器单元的内边缘紧挨第二探测器单元边缘，用于去除从第二探测器单元侧面入射的带电粒子；第一探测器单元和第四探测器单元包含至少一个半导体探测器，第二探测器单元和第三探测器单元包含至少一个半导体探测器或者一个闪烁体探测器。本发明能够有效提升带电粒子的能量探测范围，能够分辨入射带电粒子的方向，能够鉴别入射带电粒子的种类。

Description

紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器及其应用

技术领域

本发明属于带电粒子探测技术领域，具体地说，涉及一种紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器及其应用。

背景技术

宇宙空间中包含多种辐射粒子，如银河宇宙射线、太阳高能粒子等，这些初级粒子还会和物质作用产生各种次级粒子，构成复杂的辐射环境。其中，通过研究不同种类带电粒子能谱、方向的时间变化可以帮助研究许多科学问题。但是空间探测载荷由于探测环境的特殊性，功耗、体积和重量等参数往往会受到限制，所以如何利用有限的资源探测宽能量范围的带电粒子并区分带电粒子种类和方向就显得尤为重要。

发明内容

本发明针对空间探测载荷功耗、体积和重量限制等上述问题，提供了一种紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器及其应用，该量能器结构能够有效提升带电粒子的能量探测范围，能够分辨入射带电粒子的方向，能够鉴别入射带电粒子的种类。

为了达到上述目的，本发明提供了一种紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器，包括：四个探测器单元，第一探测器单元、第二探测器单元、第四探测器单元按顺序依次排列，第三探测器单元为环形，设置于第二探测器单元周围，第三探测器单元的内边缘紧挨第二探测器单元边缘，用于去除从第二探测器单元侧面入射的带电粒子；第一探测器单元和第四探测器单元包含至少一个半导体探测器，第二探测器单元和第三探测器单元包含至少一个半导体探测器或者一个闪烁体探测器。

优选的，第一探测器单元和第四探测器单元的面积不小于第二探测器单元的面积。

优选的，第一探测器单元、第二探测器单元、第四探测器单元同轴平行。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种分辨带电粒子入射方向的方法，采用上述紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器，含有以下步骤：

S1、将紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器放置于辐射环境中，获取每个入射带电粒子在四个探测器单元中的沉积能量信息。

S2、若同一时刻，第一探测器单元和第二探测器单元有信号，第三探测器单元和第四探测器单元没有信号，则带电粒子从第一探测器单元方向入射。若同一时刻，第二探测器单元和第四探测器单元有信号，第一探测器单元和第三探测器单元没有信号，则带电粒子从第四探测器单元方向入射。若同一时刻，第二探测器单元和第三探测器单元有信号，第一探测器单元或第四探测器单元没有信号，则带电粒子从紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器侧面入射。若同一时刻，第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元有信号，带电粒子的入射方向从带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元与第四探测器单元单位厚度中的沉积能量推算得到。

优选的，步骤S2中，利用粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量推算得到带电粒子入射方向的具体步骤为：（1）根据入射带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量判断入射带电粒子的穿透状态。穿透的约束条件为：若入射带电粒子能量穿透第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元，入射带电粒子在探测器介质中单位长度的沉积能量满足Bethe-Block公式。不同能量下不同种类带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量通过模拟计算得到，若实测入射带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量对应关系符合穿透情况的约束条件，表明入射带电粒子穿透了第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元。（2）若入射带电粒子穿透了第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元，则通过比较入射带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量推算带电粒子入射方向，若第一探测器单元单位厚度中的沉积能量大于第四探测器单元单位厚度中的沉积能量，则表明带电粒子从第四探测器单元方向入射，若第一探测器单元单位厚度中的沉积能量小于第四探测器单元单位厚度中的沉积能量，则表明带电粒子从第一探测器单元方向入射。若入射带电粒子能量穿透第一探测器单元和第二探测器单元，最终停留在第四探测器单元中，则入射带电粒子在第一探测器单元和第二探测器单元中单位长度的沉积能量满足Bethe-Block公式，入射带电粒子在第四探测器单元中单位长度的沉积能量无法满足Bethe-Block公式，表明带电粒子从第一探测器单元方向入射。若入射带电粒子能量穿透第二探测器单元和第四探测器单元，最终停留在第一探测器单元中，则入射带电粒子在第二探测器单元和第四探测器单元中单位长度的沉积能量满足Bethe-Block公式，入射带电粒子在第一探测器单元中单位长度的沉积能量无法满足Bethe-Block公式，表明带电粒子从第四探测器单元方向入射。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种分辨带电粒子种类的方法，采用上述紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器，含有以下步骤：

S1、将紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器放置于辐射环境中，获取每个入射带电粒子在四个探测器单元中的沉积能量信息。

S2、若同一时刻，第一探测器单元和第二探测器单元有信号，第三探测器单元和第四探测器单元没有信号，则带电粒子从第一探测器单元方向入射。若同一时刻，第二探测器单元和第四探测器单元有信号，第一探测器单元和第三探测器单元没有信号，则带电粒子从第四探测器单元方向入射。若同一时刻，第二探测器单元和第三探测器单元有信号，第一探测器单元或第四探测器单元没有信号，则带电粒子从紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器侧面入射。若同一时刻，第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元有信号，带电粒子的入射方向从带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元与第四探测器单元单位厚度中的沉积能量推算得到。

S3、根据步骤S2中分辨的带电粒子入射方向，对于从第一探测器单元方向入射的带电粒子，根据带电粒子在第一探测器单元和第二探测器单元中沉积能量的关联曲线来区分入射带电粒子的种类。对于从第四探测器单元方向入射的带电粒子，根据带电粒子在第二探测器单元和第四探测器单元中沉积能量的关联曲线来区分入射带电粒子的种类。对于从紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器侧面入射的带电粒子，根据带电粒子在第二探测器单元和第三探测器中沉积能量的关联曲线来区分带电粒子的种类。

优选的，步骤S2中，利用粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量推算得到带电粒子入射方向的具体步骤为：（1）根据入射带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量判断入射带电粒子的穿透状态。穿透的约束条件为：若入射带电粒子能量穿透第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元，入射带电粒子在探测器介质中单位长度的沉积能量满足Bethe-Block公式。不同能量下不同种类带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量通过模拟计算得到，若实测入射带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量对应关系符合穿透情况的约束条件，表明入射带电粒子穿透了第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元。（2）若入射带电粒子穿透了第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元，则通过比较入射带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量推算带电粒子入射方向，若第一探测器单元单位厚度中的沉积能量大于第四探测器单元单位厚度中的沉积能量，则表明带电粒子从第四探测器单元方向入射，若第一探测器单元单位厚度中的沉积能量小于第四探测器单元单位厚度中的沉积能量，则表明带电粒子从第一探测器单元方向入射。若入射带电粒子能量穿透第一探测器单元和第二探测器单元，最终停留在第四探测器单元中，则入射带电粒子在第一探测器单元和第二探测器单元中单位长度的沉积能量满足Bethe-Block公式，入射带电粒子在第四探测器单元中单位长度的沉积能量无法满足Bethe-Block公式，表明带电粒子从第一探测器单元方向入射。若入射带电粒子能量穿透第二探测器单元和第四探测器单元，最终停留在第一探测器单元中，则入射带电粒子在第二探测器单元和第四探测器单元中单位长度的沉积能量满足Bethe-Block公式，入射带电粒子在第一探测器单元中单位长度的沉积能量无法满足Bethe-Block公式，表明带电粒子从第四探测器单元方向入射。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种获取带电粒子能量的方法，采用上述紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器，含有以下步骤：

S1、将紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器放置于辐射环境中，获取每个入射带电粒子在四个探测器单元中的沉积能量信息。

S2、若同一时刻，第一探测器单元和第二探测器单元有信号，第三探测器单元和第四探测器单元没有信号，则入射带电粒子能量由第一探测器单元和第二探测器单元中的沉积能量直接相加得到。若同一时刻，第二探测器单元和第四探测器单元有信号，第一探测器单元和第三探测器单元没有信号，则入射带电粒子能量由第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量直接相加得到。若同一时刻，第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元有信号，第三探测器单元没有信号，则入射带电粒子能量利用带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量推算得到。若同一时刻，第二探测器单元和第三探测器单元有信号，第一探测器单元和第四探测器单元没有信号，则入射带电粒子能量利用粒子在第二探测器单元和第三探测器单元中的沉积能量推算得到。

优选的，利用粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量推算得到入射带电粒子能量的具体步骤为：

（1）根据入射带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量判断入射带电粒子的穿透状态。穿透的约束条件为：若入射带电粒子能量穿透第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元，入射带电粒子在探测器介质中单位长度的沉积能量满足Bethe-Block公式。不同能量下不同种类带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量通过模拟计算得到，若实测入射带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量对应关系不符合穿透情况的约束条件，则入射带电粒子的能量由第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量直接相加得到。

（2）若实测入射带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量对应关系符合穿透情况的约束条件，则根据上述分辨带电粒子种类的方法判断入射带电粒子种类。

（3）利用Bethe-Block公式计算不同能量下实测入射带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量，得到实测入射带电粒子的入射能量与第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中沉积能量的关系曲线。

（4）将测量得到的第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量，与（3）中得到的关系曲线进行比较，两者相符合时，沉积能量所对应的入射带电粒子的能量即为实测入射带电粒子的能量。

优选的，利用粒子在第二探测器单元和第三探测器单元中的沉积能量推算得到入射带电粒子能量的具体步骤为：

（1）根据上述分辨带电粒子种类的方法判断入射带电粒子种类。

（2）利用Bethe-Block公式计算不同能量下实测入射带电粒子在第二探测器单元和第三探测器单元中的沉积能量，得到实测入射带电粒子的入射能量与第二探测器单元和第三探测器单元中沉积能量的关系曲线。

（3）将测量得到的第二探测器单元和第三探测器单元中的沉积能量，与（2）中得到的关系曲线进行比较，两者相符合时，沉积能量对应的带电粒子入射能量即为实测入射带电粒子的能量。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

（1）本发明紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器通过其结构设计，能够有效增大带电粒子能量探测范围，能够分辨带电粒子的入射方向，以及能够区分入射带电粒子的种类，可靠性高。

（2）本发明紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器结构非常紧凑、占据空间小，能够应用在小型化低功耗的设备中。

附图说明

图1为本发明实施例所述紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器的结构框图；

图2为本发明实施例模拟入射带电粒子初始动量方向分布示意图；

图3为本发明实施例在第一探测器单元和第四探测器单元两侧对称地以一定初始动量方向分布（参见图2）模拟入射3×10⁷个能量在2-200MeV之间均匀分布的质子，得到第一探测器单元和第二探测器单元中沉积能量关联曲线的示意图；

图4为本发明实施例模拟不同能量的质子从第一探测器单元侧以一定初始动量方向分布（参见图2）入射探测结构，得到第一探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量差和入射质子能量的关系示意图；

图5为本发明实施例分别模拟入射3×10⁷个能量在2-200MeV之间均匀分布的质子、能量在20-500MeV之间均匀分布的alpha粒子和能量在80MeV-1 GeV之间均匀分布的⁹Be粒子，以一定的初始动量方向分布从第一探测器单元侧入射探测器组合（参见图2），得到第一探测器单元和第二探测器单元中沉积能量的关系示意图。

图中，1、第一探测器单元，2、第二探测器单元，3、第三探测器单元，4、第四探测器单元，A、从第一探测器单元侧入射能量得到的第一探测器单元和第二探测器单元中沉积能量关联曲线，B、从第四探测器单元侧入射能量得到的第一探测器单元和第二探测器单元中沉积能量关联曲线。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例1：参见图1，本实施例提供了一种紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器，包括四个探测器单元。其中，第一探测器单元1、第二探测器单元2、第四探测器单元4按顺序依次排列，第三探测器单元3为环形，设置于第二探测器单元2周围，第三探测器单元3的内边缘紧挨第二探测器单元2边缘，用于去除从第二探测器单元2侧面入射的带电粒子；第一探测器单元1和第四探测器单元4包含至少一个半导体探测器，第二探测器单元2和第三探测器单元3包含至少一个半导体探测器或者一个闪烁体探测器。

需要说明的是，四个探测器单元中的每个探测器独立工作，均可单独记录沉积能谱。

具体地，在一具体实施方式中，继续参见图1，第一探测器单元1和第四探测器单元4的面积不小于第二探测器单元2的面积。需要说明的是，根据量能器空间大小和探测器加工水平，可以适当选择所述四个探测器单元的面积和厚度。

具体地，继续参见图1，在一具体实施方式中，第一探测器单元1、第二探测器单元2、第四探测器单元4同轴平行。需要说明的是，第一探测器单元1、第二探测器单元2、第四探测器单元4三个探测器单元的设置方式可根据实际探测结构空间大小设置，不论其设置方式如何，其排列顺序是固定不变的，且第三探测器单元3设置于第二探测器单元2周围。

本实施例上述紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器，能够分辨入射带电粒子的方向，能够鉴别入射带电粒子的种类，结构非常紧凑、可靠性高、占据空间小，能够应用在小型化低功耗的设备中。相比于传统量能器的工作模式而言，本实施例所述紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器结构能够有效提升带电粒子的能量探测范围。

实施例2：本实施例提供了一种分辨带电粒子入射方向的方法，采用实施例1所述紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器，参见图1，含有以下步骤：

S1、将紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器放置于辐射环境中，获取每个入射带电粒子在四个探测器单元中的沉积能量信息。

S2、若同一时刻，第一探测器单元1和第二探测器单元2有信号，第三探测器单元3和第四探测器单元4没有信号，则带电粒子从第一探测器单元1方向入射。若同一时刻，第二探测器单元2和第四探测器单元4有信号，第一探测器单元1和第三探测器单元3没有信号，则带电粒子从第四探测器单元4方向入射。若同一时刻，第二探测器单元2和第三探测器单元3有信号，第一探测器单元1和第四探测器单元4没有信号，则带电粒子从紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器侧面入射。若同一时刻，第一探测器单元1、第二探测器单元2和第四探测器单元4有信号，则带电粒子的入射方向从带电粒子在第一探测器单元1、第二探测器单元2与第四探测器单元4中的沉积能量推算得到。

具体地，利用粒子在第一探测器单元1、第二探测器单元2和第四探测器单元4中的沉积能量推算得到带电粒子入射方向的具体步骤为：（1）根据粒子在第一探测器单元1、第二探测器单元2和第四探测器单元4中的沉积能量判断带电粒子的穿透状态。穿透的约束条件为：若入射带电粒子能量穿透第一探测器单元1、第二探测器单元2和第四探测器单元4，入射带电粒子在探测器介质中单位长度的沉积能量满足Bethe-Block公式。不同能量下不同种类带电粒子在第一探测器单元1、第二探测器单元2和第四探测器单元4中的沉积能量通过模拟计算得到，若实测入射带电粒子在第一探测器单元1、第二探测器单元2和第四探测器单元4中的沉积能量对应关系符合穿透情况的约束条件，表明入射带电粒子穿透了第一探测器单元1、第二探测器单元2和第四探测器单元4。（2）若入射带电粒子穿透了第一探测器单元1、第二探测器单元2和第四探测器单元4，则通过比较入射带电粒子在第一探测器单元1、第二探测器单元2和第四探测器单元4中的沉积能量推算带电粒子入射方向，若第一探测器单元1单位厚度中的沉积能量大于第四探测器单元4单位厚度中的沉积能量，则表明带电粒子从第四探测器单元4方向入射，若第一探测器单元1单位厚度中的沉积能量小于第四探测器单元4单位厚度中的沉积能量，则表明带电粒子从第一探测器单元1方向入射。若入射带电粒子能量穿透第一探测器单元1和第二探测器单元2，最终停留在第四探测器单元4中，则入射带电粒子在第一探测器单元1和第二探测器单元2中单位长度的沉积能量满足Bethe-Block公式，入射带电粒子在第四探测器单元4中单位长度的沉积能量无法满足Bethe-Block公式，表明带电粒子从第一探测器单元4方向入射。若入射带电粒子能量穿透第二探测器单元2和第四探测器单元4，最终停留在第一探测器单元1中，则入射带电粒子在第二探测器单元2和第四探测器单元4中单位长度的沉积能量满足Bethe-Block公式，入射带电粒子在第一探测器单元1中单位长度的沉积能量无法满足Bethe-Block公式，表明带电粒子从第四探测器单元4方向入射。

本实施例上述分辨带电粒子入射方向的方法，采用紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器，能够有效提升带电粒子的能量探测范围。该方法能够分辨入射带电粒子的方向，方法简单有效。

实施例3：本实施例提供了一种分辨带电粒子种类的方法，采用实施例1所述紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器，参见图1，含有以下步骤：

S1、将紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器放置于辐射环境中，获取每个入射带电粒子在四个探测器单元中的沉积能量信息。

S2、若同一时刻，第一探测器单元1和第二探测器单元2有信号，第三探测器单元3和第四探测器单元4没有信号，则带电粒子从第一探测器单元1方向入射。若同一时刻，第二探测器单元2和第四探测器单元4有信号，第一探测器单元1和第三探测器单元3没有信号，则带电粒子从第四探测器单元4方向入射。若同一时刻，第二探测器单元2和第三探测器单元3有信号，第一探测器单元1和第四探测器单元4没有信号，则带电粒子从紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器侧面入射。若同一时刻，第一探测器单元1、第二探测器单元2和第四探测器单元4有信号，则带电粒子的入射方向从带电粒子在第一探测器单元1、第二探测器单元2与第四探测器单元4中的沉积能量推算得到。

具体地，利用粒子在第一探测器单元1、第二探测器单元2和第四探测器单元4中的沉积能量推算得到带电粒子入射方向的具体步骤为：（1）根据粒子在第一探测器单元1、第二探测器单元2和第四探测器单元4中的沉积能量判断带电粒子的穿透状态。穿透的约束条件为：若入射带电粒子能量穿透第一探测器单元1、第二探测器单元2和第四探测器单元4，入射带电粒子在探测器介质中单位长度的沉积能量满足Bethe-Block公式。不同能量下不同种类带电粒子在第一探测器单元1、第二探测器单元2和第四探测器单元4中的沉积能量通过模拟计算得到，若实测入射带电粒子在第一探测器单元1、第二探测器单元2和第四探测器单元4中的沉积能量对应关系符合穿透情况的约束条件，表明入射带电粒子穿透了第一探测器单元1、第二探测器单元2和第四探测器单元4。（2）若入射带电粒子穿透了第一探测器单元1、第二探测器单元2和第四探测器单元4，则通过比较入射带电粒子在第一探测器单元1、第二探测器单元2和第四探测器单元4中的沉积能量推算带电粒子入射方向，若第一探测器单元1单位厚度中的沉积能量大于第四探测器单元4单位厚度中的沉积能量，则表明带电粒子从第四探测器单元4方向入射，若第一探测器单元1单位厚度中的沉积能量小于第四探测器单元4单位厚度中的沉积能量，则表明带电粒子从第一探测器单元1方向入射。若入射带电粒子能量穿透第一探测器单元1和第二探测器单元2，最终停留在第四探测器单元4中，则入射带电粒子在第一探测器单元1和第二探测器单元2中单位长度的沉积能量满足Bethe-Block公式，入射带电粒子在第四探测器单元4中单位长度的沉积能量无法满足Bethe-Block公式，表明带电粒子从第一探测器单元4方向入射。若入射带电粒子能量穿透第二探测器单元2和第四探测器单元4，最终停留在第一探测器单元1中，则入射带电粒子在第二探测器单元2和第四探测器单元4中单位长度的沉积能量满足Bethe-Block公式，入射带电粒子在第一探测器单元1中单位长度的沉积能量无法满足Bethe-Block公式，表明带电粒子从第四探测器单元4方向入射。

S3、根据步骤S2中分辨的带电粒子入射方向，对于从第一探测器单元1方向入射的带电粒子，根据带电粒子在第一探测器单元1和第二探测器单元2中沉积能量的关联曲线来区分入射带电粒子的种类；对于从第四探测器单元4方向入射的带电粒子，根据带电粒子在第二探测器单元2和第四探测器单元4中沉积能量的关联曲线来区分入射带电粒子的种类；对于从紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器侧面入射的带电粒子，根据带电粒子在第二探测器单元2和第三探测器中沉积能量的关联曲线来区分带电粒子的种类。

本实施例上述分辨带电粒子种类的方法，采用紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器，能够有效提升带电粒子的能量探测范围。该方法在分辨入射带电粒子的方向的基础上，根据带电粒子入射方向鉴别入射带电粒子的种类，能够准确有效鉴别入射带电粒子的种类。

实施例4：本实施例提供了一种获取带电粒子能量的方法，采用实施例1所述紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器，参见图1，含有以下步骤：

S1、将紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器放置于辐射环境中，获取每个入射带电粒子在四个探测器单元中的沉积能量信息。

S2、若同一时刻，第一探测器单元1和第二探测器单元2有信号，第三探测器单元3和第四探测器单元4没有信号，则入射带电粒子能量由第一探测器单元1和第二探测器单元2中的沉积能量直接相加得到；若同一时刻，第二探测器单元2和第四探测器单元4有信号，第一探测器单元1和第三探测器单元3没有信号，则入射带电粒子能量由第二探测器单元2和第四探测器单元4中的沉积能量直接相加得到；若同一时刻，第一探测器单元1、第二探测器单元2和第四探测器单元4有信号，第三探测器单元3没有信号，则入射带电粒子能量利用粒子在第一探测器单元1、第二探测器单元2和第四探测器单元4中的沉积能量推算得到；若同一时刻，第二探测器单元2和第三探测器单元3有信号，第一探测器单元1和第四探测器单元4没有信号，则入射带电粒子能量利用粒子在第二探测器单元2和第三探测器单元3中的沉积能量推算得到。

具体地，利用粒子在第一探测器单元1、第二探测器单元2和第四探测器单元4中的沉积能量推算得到入射带电粒子能量的具体步骤为：（1）根据入射带电粒子在第一探测器单元1、第二探测器单元2和第四探测器单元4中的沉积能量判断入射带电粒子的穿透状态。穿透的约束条件为：若入射带电粒子能量穿透第一探测器单元1、第二探测器单元2和第四探测器单元4，入射带电粒子在探测器介质中单位长度的沉积能量满足Bethe-Block公式。不同能量下不同种类带电粒子在第一探测器单元1、第二探测器单元2和第四探测器单元4中的沉积能量通过模拟计算得到，若实测入射带电粒子在第一探测器单元1、第二探测器单元2和第四探测器单元4中的沉积能量对应关系不符合穿透情况的约束条件，则入射带电粒子的能量由第一探测器单元1、第二探测器单元2和第四探测器单元4中的沉积能量直接相加得到。（2）若实测入射带电粒子在第一探测器单元1、第二探测器单元2和第四探测器单元4中的沉积能量对应关系符合穿透情况的约束条件，则根据上述分辨带电粒子种类的方法判断入射带电粒子种类。（3）利用Bethe-Block公式计算不同能量下实测入射带电粒子在第一探测器单元1、第二探测器单元2和第四探测器单元4中的沉积能量，得到实测入射带电粒子的入射能量与第一探测器单元1、第二探测器单元2和第四探测器单元4中沉积能量的关系曲线。（4）将测量得到的第一探测器单元1、第二探测器单元2和第四探测器单元4中的沉积能量，与（2）中得到的关系曲线进行比较，两者相符合时，沉积能量对应的带电粒子入射能量即为实测入射带电粒子的能量。

具体地，利用粒子在第二探测器单元2和第三探测器单元3中的沉积能量推算得到入射带电粒子能量的具体步骤为：（1）根据实施例3的方法判断入射带电粒子种类。（2）利用Bethe-Block公式计算不同能量下实测入射带电粒子在第二探测器单元2和第三探测器单元3中的沉积能量，得到实测入射带电粒子的入射能量与第二探测器单元2和第三探测器单元3中沉积能量的关系曲线。（3）将测量得到的第二探测器单元2和第三探测器单元3中的沉积能量，与（2）中得到的关系曲线进行比较，两者相符合时，沉积能量对应的带电粒子入射能量即为实测入射带电粒子的能量。

本实施例上述获取带电粒子能量的方法，采用紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器，能够有效提升带电粒子的能量探测范围。该方法简单有效，能够快速准确地获取带电粒子能量。

由于实际实验中较难获取多种角度分布、特定能量分布的带电粒子，以下通过Geant4仿真软件模拟不同种类、不同方向入射、特定能量分布的带电粒子，然后采用本发明上述紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器及方法探测带电粒子，以验证其有效性。

仿真时，第一探测器单元、第四探测器单元均采用一片厚度为300μm、直径为28mm的圆形硅探测器，第二探测器单元采用一片厚度为1cm、直径为19mm的圆形碘化铯探测器，第三探测器单元采用一片厚度为1 cm、内径为20mm、外径为28mm的环形碘化铯探测器；第一探测器单元和第二探测器单元之间的间隔和第二探测器单元和第四探测器单元之间的间隔均为1 mm。

若同一时刻，第一探测器单元和第二探测器单元有信号，第三探测器单元和第四探测器单元没有信号，则带电粒子从第一探测器单元方向入射。若同一时刻，第二探测器单元和第四探测器单元有信号，第一探测器单元和第三探测器单元没有信号，则入射带电粒子从第四探测器单元方向入射。若同一时刻，第二探测器单元和第三探测器单元有信号，第一探测器单元和第四探测器单元没有信号，则入射带电粒子从量能器侧面入射。若同一时刻，第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元有信号，当第一探测器单元中的沉积能量大于第四探测器单元中的沉积能量时，则带电粒子从第四探测器单元方向入射，当第一探测器单元中的沉积能量小于第四探测器单元中的沉积能量时，则带电粒子从第一探测器单元方向入射。

在本仿真实验中，在第一探测器单元和第四探测器单元两侧对称地以一定初始动量方向分布（参见图2）模拟入射3×10⁷个能量在2-200MeV之间均匀分布的质子，得到第一探测器单元和第二探测器单元中沉积能量的关联曲线（参见图3），可以看到能够明显分辨从第一探测器单元侧和从第四探测器单元侧入射的穿透第二探测器单元的高能质子。

采用上述方法区分入射方向的粒子能量有上限，该能量上限和粒子种类、入射角度、第二探测器单元材料及厚度、整个探测器组合入射窗屏蔽材料及厚度以及第一探测器单元和第四探测器单元的分辨率有关，在无入射窗情况下，模拟不同能量的质子从第一探测器单元侧以一定初始动量方向分布（参见图2）入射量能器，得到第一探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量差和入射质子能量的关系（参见图4），可以看到随着入射质子能量的增加，第一探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量差逐渐减小，假设第一探测器单元和第四探测器单元能够分辨的最小沉积能量差为0.1MeV，则本仿真实验中的探测器组合参数下量能器能够通过符合测量分辨质子来源方向的能量上限约为100MeV。

若同一时刻，第一探测器单元和第二探测器单元有信号，第三探测器单元和第四探测器单元没有信号，则入射带电粒子能量由第一探测器单元和第二探测器单元中的沉积能量直接相加得到；若同一时刻，第二探测器单元和第四探测器单元有信号，第一探测器单元和第三探测器单元没有信号，则入射带电粒子能量由第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量直接相加得到；若同一时刻，第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元有信号，第三探测器单元没有信号，则入射带电粒子能量利用粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量推算得到；若同一时刻，第二探测器单元和第三探测器单元有信号，第一探测器单元和第四探测器单元没有信号，则入射带电粒子能量利用粒子在第二探测器单元和第三探测器单元中的沉积能量推算得到。

利用粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量推算得到入射带电粒子能量的具体步骤为：（1）根据入射带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量判断入射带电粒子的穿透状态。穿透的约束条件为：若入射带电粒子能量较高，可以穿透第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元，入射带电粒子在探测器介质中单位长度的沉积能量满足Bethe-Block公式。不同能量下不同种类带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量通过模拟计算得到，若实测入射带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量对应关系不符合穿透情况的约束条件，则入射带电粒子的能量由第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量直接相加得到。（2）若实测入射带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量对应关系符合穿透情况的约束条件，则根据上述分辨带电粒子种类的方法判断入射带电粒子种类。（3）利用Bethe-Block公式计算不同能量下实测入射带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量，得到实测入射带电粒子的入射能量与第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中沉积能量的关系曲线。（4）将测量得到的第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量，与（3）中得到的关系曲线进行比较，两者相符合时，沉积能量对应的带电粒子入射能量即为实测入射带电粒子的能量。

利用粒子在第二探测器单元和第三探测器单元中的沉积能量推算得到入射带电粒子能量的具体步骤为：（1）根据上述分辨带电粒子种类的方法判断入射带电粒子种类。（2）利用Bethe-Block公式计算不同能量下，实测入射带电粒子在第二探测器单元和第三探测器单元中的沉积能量，得到实测入射带电粒子的入射能量与第二探测器单元和第三探测器单元中沉积能量的关系曲线。（3）将测量得到的第二探测器单元和第三探测器单元中的沉积能量，与（2）中得到的关系曲线进行比较，两者相符合时，沉积能量对应的带电粒子入射能量即为实测入射带电粒子的能量。

采用上述方法得到同时穿透第一探测器单元、第二探测器单元、第四探测器单元的粒子能量有上限，在仿真实验中，可以看到随着入射质子能量的增加，第一探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量差逐渐减小（参见图4），假设第一探测器单元和第四探测器单元能够分辨的最小沉积能量差为0.1MeV，而300μm厚的硅对质子的最大阻止能量约为6MeV，则本仿真实验中的探测器组合参数下量能器能够测量并区分能量在6MeV到100MeV之间的质子。

分别模拟入射3×10⁷个能量在2-200MeV之间均匀分布的质子、能量在20-500MeV之间均匀分布的alpha粒子和能量在80MeV-1 GeV之间均匀分布的⁹Be粒子，以一定的初始动量方向分布从第一探测器单元侧入射量能器（参见图2），得到第一探测器单元和第二探测器单元中沉积能量的关系（参见图5），可以看到左下角的质子条带、中间的alpha粒子条带以及右侧的⁹Be粒子条带区分得很明显。

上述实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器，其特征在于，包括四个探测器单元；第一探测器单元、第二探测器单元、第四探测器单元按顺序依次排列，第三探测器单元为环形，设置于第二探测器单元周围，第三探测器单元的内边缘紧挨第二探测器单元边缘，用于去除从第二探测器单元侧面入射的带电粒子；第一探测器单元和第四探测器单元包含至少一个半导体探测器，第二探测器单元和第三探测器单元包含至少一个半导体探测器或者一个闪烁体探测器。

2.如权利要求1所述的紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器，其特征在于，第一探测器单元和第四探测器单元的面积不小于第二探测器单元的面积。

3.如权利要求2所述的紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器，其特征在于，第一探测器单元、第二探测器单元、第四探测器单元同轴平行。

4.一种分辨带电粒子入射方向的方法，采用如权利要求1至3任意一项所述紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器，其特征在于，含有以下步骤：

S1、将紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器放置于辐射环境中，获取每个入射带电粒子在四个探测器单元中的沉积能量信息；

S2、若同一时刻，第一探测器单元和第二探测器单元有信号，第三探测器单元和第四探测器单元没有信号，则带电粒子从第一探测器单元方向入射；若同一时刻，第二探测器单元和第四探测器单元有信号，第一探测器单元和第三探测器单元没有信号，则带电粒子从第四探测器单元方向入射；若同一时刻，第二探测器单元和第三探测器单元有信号，第一探测器单元和第四探测器单元没有信号，则带电粒子从紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器侧面入射；若同一时刻，第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元有信号，则带电粒子的入射方向从带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元与第四探测器单元中的沉积能量推算得到。

5.如权利要求4所述的分辨带电粒子入射方向的方法，其特征在于，步骤S2中，利用带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量推算得到带电粒子入射方向的具体步骤为：

（1）根据入射带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量判断入射带电粒子的穿透状态；穿透的约束条件为：若入射带电粒子能量穿透第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元，入射带电粒子在探测器介质中单位长度的沉积能量满足Bethe-Block公式；不同能量下不同种类带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量通过模拟计算得到，若实测入射带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量对应关系符合穿透情况的约束条件，表明入射带电粒子穿透了第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元；

（2）若入射带电粒子穿透了第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元，则通过比较入射带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量推算带电粒子入射方向，若第一探测器单元单位厚度中的沉积能量大于第四探测器单元单位厚度中的沉积能量，则表明带电粒子从第四探测器单元方向入射，若第一探测器单元单位厚度中的沉积能量小于第四探测器单元单位厚度中的沉积能量，则表明带电粒子从第一探测器单元方向入射；若入射带电粒子能量穿透第一探测器单元和第二探测器单元，最终停留在第四探测器单元中，则入射带电粒子在第一探测器单元和第二探测器单元中单位长度的沉积能量满足Bethe-Block公式，入射带电粒子在第四探测器单元中单位长度的沉积能量无法满足Bethe-Block公式，表明带电粒子从第一探测器单元方向入射；若入射带电粒子能量穿透第二探测器单元和第四探测器单元，最终停留在第一探测器单元中，则入射带电粒子在第二探测器单元和第四探测器单元中单位长度的沉积能量满足Bethe-Block公式，入射带电粒子在第一探测器单元中单位长度的沉积能量无法满足Bethe-Block公式，表明带电粒子从第四探测器单元方向入射。

6.一种分辨带电粒子种类的方法，采用如权利要求1至3任意一项所述紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器，其特征在于，含有以下步骤：

S1、将紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器放置于辐射环境中，获取每个入射带电粒子在四个探测器单元中的沉积能量信息；

S2、若同一时刻，第一探测器单元和第二探测器单元有信号，第三探测器单元和第四探测器单元没有信号，则带电粒子从第一探测器单元方向入射；若同一时刻，第二探测器单元和第四探测器单元有信号，第一探测器单元和第三探测器单元没有信号，则带电粒子从第四探测器单元方向入射；若同一时刻，第二探测器单元和第三探测器单元有信号，第一探测器单元和第四探测器单元没有信号，则带电粒子从紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器侧面入射；若同一时刻，第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元有信号，则带电粒子入射方向从带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元与第四探测器单元中的沉积能量推算得到；

S3、根据步骤S2中分辨的带电粒子入射方向，对于从第一探测器单元方向入射的带电粒子，根据带电粒子在第一探测器单元和第二探测器单元中沉积能量的关联曲线来区分入射带电粒子的种类；对于从第四探测器单元方向入射的带电粒子，根据带电粒子在第二探测器单元和第四探测器单元中沉积能量的关联曲线来区分入射带电粒子的种类；对于从紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器侧面入射的带电粒子，根据带电粒子在第二探测器单元和第三探测器中沉积能量的关联曲线来区分带电粒子的种类。

7.如权利要求6所述的分辨带电粒子种类的方法，其特征在于，步骤S2中，利用粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量推算得到带电粒子入射方向的具体步骤为：

（1）根据入射带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量判断入射带电粒子的穿透状态；穿透的约束条件为：若入射带电粒子能量穿透第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元，入射带电粒子在探测器介质中单位长度的沉积能量满足Bethe-Block公式；不同能量下不同种类带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量通过模拟计算得到，若实测入射带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量对应关系符合穿透情况的约束条件，表明入射带电粒子穿透了第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元；

（2）若入射带电粒子穿透了第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元，则通过比较入射带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量推算带电粒子入射方向，若第一探测器单元单位厚度中的沉积能量大于第四探测器单元单位厚度中的沉积能量，则表明带电粒子从第四探测器单元方向入射，若第一探测器单元单位厚度中的沉积能量小于第四探测器单元单位厚度中的沉积能量，则表明带电粒子从第一探测器单元方向入射；若入射带电粒子能量穿透第一探测器单元和第二探测器单元，最终停留在第四探测器单元中，则入射带电粒子在第一探测器单元和第二探测器单元中单位长度的沉积能量满足Bethe-Block公式，入射带电粒子在第四探测器单元中单位长度的沉积能量无法满足Bethe-Block公式，表明带电粒子从第一探测器单元方向入射；若入射带电粒子能量穿透第二探测器单元和第四探测器单元，最终停留在第一探测器单元中，则入射带电粒子在第二探测器单元和第四探测器单元中单位长度的沉积能量满足Bethe-Block公式，入射带电粒子在第一探测器单元中单位长度的沉积能量无法满足Bethe-Block公式，表明带电粒子从第四探测器单元方向入射。

8.一种获取带电粒子能量的方法，采用如权利要求1至3任意一项所述紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器，其特征在于，含有以下步骤：

S1、将紧凑型带电粒子鉴别半导体量能器放置于辐射环境中，获取每个入射带电粒子在四个探测器单元中的沉积能量信息；

S2、若同一时刻，第一探测器单元和第二探测器单元有信号，第三探测器单元和第四探测器单元没有信号，则入射带电粒子能量由第一探测器单元和第二探测器单元中的沉积能量直接相加得到；若同一时刻，第二探测器单元和第四探测器单元有信号，第一探测器单元和第三探测器单元没有信号，则入射带电粒子能量由第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量直接相加得到；若同一时刻，第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元有信号，第三探测器单元没有信号，则入射带电粒子能量利用粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量推算得到；若同一时刻，第二探测器单元和第三探测器单元有信号，第一探测器单元和第四探测器单元没有信号，则入射带电粒子能量利用粒子在第二探测器单元和第三探测器单元中的沉积能量推算得到。

9.如权利要求8所述的获取带电粒子能量的方法，其特征在于，步骤S2中，利用粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量推算得到入射带电粒子能量的具体步骤为：

（1）根据入射带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量判断入射带电粒子的穿透状态；穿透的约束条件为：若入射带电粒子能量穿透第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元，入射带电粒子在探测器介质中单位长度的沉积能量满足Bethe-Block公式；不同能量下不同种类带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量通过模拟计算得到，若实测入射带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量对应关系不符合穿透情况的约束条件，则入射带电粒子的能量由第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量直接相加得到；

（2）若实测入射带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量对应关系符合穿透情况的约束条件，则根据权利要求6所述分辨带电粒子种类的方法判断入射带电粒子种类；

（3）利用Bethe-Block公式计算不同能量下实测入射带电粒子在第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量，得到实测入射带电粒子的入射能量与第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中沉积能量的关系曲线；

（4）将测量得到的第一探测器单元、第二探测器单元和第四探测器单元中的沉积能量，与（3）中得到的关系曲线进行比较，两者相符合时，沉积能量对应的带电粒子入射能量即为实测入射带电粒子的能量。

10.如权利要求8所述的获取带电粒子能量的方法，其特征在于，步骤S2中，利用粒子在第二探测器单元和第三探测器单元中的沉积能量推算得到入射带电粒子能量的具体步骤为：

（1）根据权利要求6所述分辨带电粒子种类的方法判断入射带电粒子种类；

（2）利用Bethe-Block公式计算不同能量下实测入射带电粒子在第二探测器单元和第三探测器单元中的沉积能量，得到实测入射带电粒子的入射能量与第二探测器单元和第三探测器单元中沉积能量的关系曲线；

（3）将测量得到的第二探测器单元和第三探测器单元中的沉积能量，与（2）中得到的关系曲线进行比较，两者相符合时，沉积能量对应的带电粒子入射能量即为实测入射带电粒子的能量。

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