CN117348054A - 中子通量探测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种中子通量探测方法及装置。该方法包括：将原始数据写入中子辐射敏感的存储模块，其中所述原始数据的大小与所述中子辐射敏感的存储模块的存储容量相等；在预定历时之后，从所述中子辐射敏感的存储模块读出数据；将所读出的数据与所述原始数据进行比较以确定因中子辐射导致的数位翻转的比特数；以及基于所得到的比特数、所述预定历时、以及所述中子辐射敏感的存储模块的敏感截面积来确定中子通量。

Description

中子通量探测方法及装置

技术领域

本公开涉及中子辐射探测领域，更具体地涉及一种中子通量探测装置及方法。

背景技术

大气环境中的高能中子辐射对飞行器机载电子设备是一种威胁。高能粒子(诸如高能中子)对飞行器系统的电子元件的轰击会产生单粒子效应。这种单粒子效应因会使飞行器机载的计算设备失效率而造成安全性风险。

本公开针对但不限于上述诸多因素进行了改进。

发明内容

为此，本公开提出了一种中子通量探测装置及相应的探测方法。本公开的装置和方法基于中子辐射对敏感存储器的数位翻转的影响，在确定性的时钟周期内，利用特定数据的写入和读出来检测数位翻转的位数，通过数位翻转的比率和存储器的敏感截面积来计算出中子通量数据，从而以低成本实现对中子通量(例如，航空高度处的中子通量)的实时探测。

根据本公开的第一方面，提供了一种中子通量探测方法，包括：将原始数据写入中子辐射敏感的存储模块，其中所述原始数据的大小与所述中子辐射敏感的存储模块的存储容量相等；在预定历时之后，从所述中子辐射敏感的存储模块读出数据；将所读出的数据与所述原始数据进行比较以确定因中子辐射导致的数位翻转的比特数；以及基于所得到的比特数、所述预定历时、以及所述中子辐射敏感的存储模块的敏感截面积来确定中子通量。

根据一实施例，该方法还包括：在将所述原始数据写入中子辐射敏感的存储模块的同时，将所述原始数据写入中子辐射免疫的存储模块；在所述预定历时之后，从所述中子辐射免疫的存储模块读出所述原始数据；以及将从所述中子辐射敏感的存储模块读出的数据与从所述中子辐射免疫的存储模块读出的所述原始数据进行比较。

根据另一实施例，所述中子辐射免疫的存储模块包括硬盘、EPROM中的至少一者，并且所述中子辐射敏感的存储模块包括FPGA、SRAM中的至少一者。

根据又一实施例，所述预定历时被选择成使得与对所述中子辐射免疫的存储模块以及所述中子辐射敏感的存储模块的数据写入和读出所需的时间相比，数据写入和读出所需的时间能被忽略。

根据又一实施例，所述中子通量是通过以下公式来得到的：

其中是所述中子通量，n是数位翻转的比特数，m是所述原始数据的总比特数，T是以秒为单位的所述预定历时，σ是所述中子辐射敏感的存储模块的以平方厘米为单位的敏感截面积。

根据又一实施例，所述中子辐射敏感的存储模块的敏感截面积是在固定中子通量的情况下基于所述中子辐射敏感的存储模块中所存储的数据的数位翻转率来预先测得的。

根据又一实施例，所述原始数据的格式是全“1”、全“0”、

“1010……1010”的形式或其任何组合。

根据又一实施例，所述中子辐射敏感的存储模块包括含硼的元器件。

根据又一实施例，该方法还包括将所确定的中子通量显示在显示装置上。

根据本公开的第二方面，提供了一种中子通量探测装置，包括：中子辐射敏感的存储模块，所述中子辐射敏感的存储模块被配置成用于存储数据；时钟发生器，所述时钟发生器被配置成产生预定周期的时钟信号；以及控制模块，所述控制模块被配置成：将原始数据写入所述中子辐射敏感的存储模块；基于所述时钟发生器所产生的时钟信号来等待预定历时；在所述预定历时之后，从所述中子辐射敏感的存储模块读出所存储的数据；将所读出的数据与所述原始数据进行比较以确定因中子辐射而导致的数位翻转的比特数；以及基于所得到的比特数、所述预定历时、以及所述中子辐射敏感的存储模块的敏感截面积来确定中子通量。

根据一实施例，该装置还包括中子辐射免疫的存储模块，其中所述中子辐射免疫的存储模块被配置成用于存储数据，并且其中所述控制模块还被配置成：在将所述原始数据写入中子辐射敏感的存储模块的同时，将所述原始数据写入中子辐射免疫的存储模块；在所述预定历时之后，从所述中子辐射免疫的存储模块读出所述原始数据；以及将从所述中子辐射敏感的存储模块读出的数据与从所述中子辐射免疫的存储模块读出的所述原始数据进行比较。

根据又一实施例，该装置还包括通信模块，其中所述通信模块被配置成将所确定的中子通量传送给飞行器以供显示。

根据又一实施例，该装置还包括显示模块，其中所述显示模块被配置成显示所确定的中子通量。

根据本公开的第三方面，提供了一种飞行器，包括根据本公开的第二方面所述的装置。

各方面一般包括如基本上在本文参照附图所描述并且如通过附图所解说的方法、装备、系统、计算机程序产品和处理系统。

前述内容已较宽泛地勾勒出根据本公开的示例的特征和技术优势以使下面的详细描述可以被更好地理解。附加的特征和优势将在此后描述。所公开的概念和具体示例可容易地被用作修改或设计用于实施与本公开相同的目的的其他结构的基础。此类等效构造并不背离所附权利要求书的范围。本文所公开的概念的特性在其组织和操作方法两方面以及相关联的优势将因结合附图来考虑以下描述而被更好地理解。每一附图是出于解说和描述目的来提供的，且并不定义对权利要求的限定。

附图说明

为了能详细理解本公开的以上陈述的特征所用的方式，可参照各方面来对以上简要概述的内容进行更具体的描述，其中一些方面在附图中解说。然而应该注意，附图仅解说了本公开的某些典型方面，故不应被认为限定其范围，因为本描述可允许有其他等同有效的方面。不同附图中的相同附图标记可标识相同或相似的元素。

图1示出了根据本公开的一实施例的中子通量探测方法的流程图；

图2示出了根据本公开的一示例实施例的中子通量探测装置的示意图；以及

图3示出了根据本公开的一实施例的示例飞行器的示意图。

具体实施方式

发明人认识到，大气环境中的高能中子辐射对飞行器机载电子设备是一种威胁。高能粒子对飞行器系统电子元件的轰击会产生单粒子效应，这会导致飞行器机载的计算设备因大气辐射而失效，从而造成安全性风险。

发明人还认识到，现有的辐射检测装置和方法一般通过从中子注量来换算成中子通量，而这存在较大的偏差。并且，为了获取大气中子通量的数据，当前一般采用携带粒子质谱仪直接探测的方式进行探测，成本高昂。

考虑到在航空安全性设计中，仅需要大气中子通量数据，由此需要一种仅测量中子通量的传感器以降低成本，同时可以直接支持单粒子翻转发生率的计算，提高效率。

为此，本公开提出了一种中子通量探测装置及相应的探测方法。本公开的装置和方法基于中子辐射对敏感内存的数位翻转影响，在确定性的周期内，利用特定的数据的写入和读出来检测数位翻转的位数，通过数位翻转的比率和内存的敏感截面积，来计算出中子通量数据，从而以低成本实现对中子通量(尤其是航空高度的中子通量)的实时探测。

本公开取消了基于辐射感应的专用中子传感器，改为应用敏感电子元器件在辐射环境中容易发生单粒子效应作为基本原理，使用单粒子效应的发生率来计算大气中子通量。由此，本公开的装置和方法使得不再需要昂贵的中子传感器，而是利用数字电路就可以完成中子通量数据的测量。

本公开的装置和方法一方面可以降低中子通量的探测成本，同时探测出的结果直接是中子通量，不必再由中子注量向中子通量近似转化，提高了中子通量的探测准确度并可以直接支持民用飞行器航电系统的系统安全性中与中子辐射相关的分析计算。

以下结合附图阐述的详细描述旨在作为各种配置的描述，而无意表示可实践本文中所描述的概念的仅有的配置。本详细描述包括具体细节以提供对各种概念的透彻理解。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，没有这些具体细节也可实践这些概念。

参考图1，其示出了根据本公开的一实施例的中子通量探测方法100的流程图。

如图所示，方法100可包括在框110，将原始数据写入中子辐射敏感的存储模块。在本公开的一实施例中，原始数据的大小与所述中子辐射敏感的存储模块的存储容量相等。将明白，中子辐射敏感的存储模块是指会响应于中子辐射而发生单粒子翻转效应的存储模块。单粒子翻转是由于粒子辐射而导致存储单元发生位翻转(即内容由0变为1，或由1变为0)。

在本公开的一实施例中，中子辐射敏感的存储模块可包括FPGA、SRAM中的至少一者。在本公开的又一实施例中，中子辐射敏感的存储模块可包括含硼的元器件。

将明白，原始数据可以是0和1的任何合适的组合形式。在本公开的优选实施例中，为便于后续操作，原始数据的格式可以是全“1”。在本公开的另一优选实施例中，原始数据的格式可以是全“0”。在本公开的又一优选实施例中，原始数据的格式可以是“1010……1010”的形式。

接着，方法100可包括在框120，在预定历时之后，从中子辐射敏感的存储模块读出数据。由此，原始数据被存储在中子辐射敏感的存储模块中达预定历时之后被读出。

在本公开的一实施例中，预定历时可被选择成使得与对中子辐射敏感的存储模块的数据写入和读出所需的时间相比，数据写入和读出所需的时间能被忽略。换言之，将上述原始数据写入中子辐射敏感的存储模块以及从中读出所需的时间远小于该预定历时。

举例而言，中子辐射敏感的存储模块的存储容量(即原始数据的大小)可以是数百字节，由此原始数据在中子辐射敏感的存储模块中的读写时间一般最大是微秒级，而预定历时可被选择成几秒，以使读写时间相对于预定历时而言可被忽略。当然这仅仅是示例。取决于中子辐射敏感的存储模块的读写速率，中子辐射敏感的存储模块的存储容量可被选择成几千字节到几兆字节，等等。在本公开的优选实施例中，预定历时可被选择成将原始数据写入中子辐射敏感的存储模块以及从中读出所需的总时间的百倍、千倍或万倍。

在本公开的一实施例中，预定历时可以是通过时钟发生器来计时的。在该实施例中，时钟发生器可被配置成产生预定周期的信号。在该示例中，预定历时可以是时钟发生器所产生的时钟信号的一个时钟周期的时长。当然，预定历时也可以是时钟信号的两个或更多个周期，在此不再赘述。

随后，方法100可包括在框130，将所读出的数据与原始数据进行比较以确定因中子辐射导致的数位翻转的比特数。例如，在原始数据的格式是全“1”的情况下，可以通过首先比较这两个数据的数值大小，以便快速发现是否存在数位翻转(因为翻转会发生进位，从而通过数值大小的比较可以快速发现数位翻转的存在)。在原始数据的格式是全“0”的情况下，考虑到数位翻转不会造成进位，因而可以通过相应的函数来直接算出所读出的数据中的“1”的数目，即发生数位翻转的比特数。当然，如上所述，原始数据可以是0和1的任何合适的组合形式，例如一半全“0”一半全“1”、“10101010……10101010”，。一般而言，为了便于计算，原始数据的形式可以设置成“0”和“1”按合适的周期重复，以便于确定发生数位翻转的比特数，在此不再赘述。

最后，在框140，方法100可包括基于所得到的比特数、预定历时、以及中子辐射敏感的存储模块的敏感截面积来确定中子通量。

在本公开的一实施例中，中子通量可以通过以下公式来得到：

其中是中子通量，n是数位翻转的比特数，m是原始数据的总比特数，T是预定历时(以秒为单位)，σ是所述中子辐射敏感的存储模块的敏感截面积(以平方厘米为单位)。

在本公开的一实施例中，中子辐射敏感的存储模块的敏感截面积是在固定中子通量的情况下基于中子辐射敏感的存储模块中所存储的数据的数位翻转率来预先测得的。例如，可以在实验室环境中设定固定的中子通量，使中子辐射敏感的存储模块经受该中子辐射，并随后基于数位翻转的比率来得到中子辐射敏感的存储模块的敏感截面积。将明白，敏感截面积可以是经过若干次实验来得到的平均值，在此不再赘述。由此将理解，敏感截面积是中子辐射敏感的存储模块的固有属性，并且可因存储模块而异。

在本公开的又一实施例中，方法100还可包括在将原始数据写入中子辐射敏感的存储模块的同时，将该原始数据还写入中子辐射免疫的存储模块，在预定历时之后从中子辐射免疫的存储模块读出原始数据，以及将从中子辐射敏感的存储模块读出的数据与从中子辐射免疫的存储模块读出的原始数据进行比较。根据该实施例，中子辐射免疫的存储模块可包括硬盘、EPROM中的至少一者。在该实施例中，原始数据可不必固定在方法100所使用的比较算法中，而是改为从中子辐射免疫的存储模块读出，从而可以改进方法100的灵活性。进一步根据该实施例，原始数据的总比特数、预定历时中子辐射敏感的存储模块的敏感截面积等中的一者或多者也可被存储在中子辐射免疫的存储模块中，而不被固定在方法100所使用的计算算法中。

在本公开的又一实施例中，方法100还可包括将测得的中子通量显示在显示装置上或者传送给具有显示装置的设备以供显示。例如，方法100可以将测得的中子通量传送给飞行器，以供显示在飞行器的机载显示器上。或者，方法100可由具备显示能力的便携式装置执行，从而测得的中子通量可以被显示在该便携式装置的显示设备上。当然，可以用任何其他合适的方式来传达传达的中子通量，诸如通过语音播报等等，在此不再赘述。

下面参考图2，其示出了根据本公开的一示例实施例的中子通量探测装置200的示意图。

如图所示，中子通量探测装置200可包括中子辐射敏感的存储模块201、时钟发生器203以及控制模块205。在本公开的一实施例中，中子辐射敏感的存储模块201可被配置成用于存储数据；时钟发生器203可被配置成产生预定周期的时钟信号；控制模块205可被配置成：将原始数据写入中子辐射敏感的存储模块201；基于时钟发生器203所产生的时钟信号来等待预定历时；在所述预定历时之后，从中子辐射敏感的存储模块201读出所存储的数据；将所读出的数据与原始数据进行比较以确定因中子辐射而导致的数位翻转的比特数；以及基于所得到的比特数、所述预定历时、以及中子辐射敏感的存储模块201的敏感截面积来确定中子通量。

在本公开的一实施例中，中子通量探测装置200还可任选地包括中子辐射免疫的存储模块207。在该实施例中，中子辐射免疫的存储模块207可被配置成用于存储数据，并且控制模块205还可被配置成：在将原始数据写入中子辐射敏感的存储模块201的同时，将所述原始数据写入中子辐射免疫的存储模块207；在所述预定历时之后，从中子辐射免疫的存储模块207读出所述原始数据；以及将从中子辐射敏感的存储模块201读出的数据与从中子辐射免疫的存储模块207读出的所述原始数据进行比较。

在本公开的优选实施例中，中子通量探测装置200可以被设计成手持便携式装置。由此，在该实施例中，中子通量探测装置200还可包括显示模块209，其中显示模块209可被配置成显示所确定的中子通量。将明白，在该实施例中，中子通量探测装置200还可包括其他元件，诸如用于将中子辐射敏感的存储模块201、时钟发生器203、控制模块205、显示模块209以及可选的中子辐射免疫的存储模块207囊括在内的壳体，用于向这些模块供电的电源或用于接收电力的接口，用于开启或关闭中子通量探测装置200的各种开关元件等等，在此不再赘述。

在本公开的又一优选实施例中，中子通量探测装置200可以被设计成集成在飞行器中，诸如民航飞机。在该实施例中，中子通量探测装置200还可包括通信模块211，其中通信模块211可被配置成将所确定的中子通量传送给飞行器以供显示或播报。根据该实施例，控制模块205的功能可以由飞行器的机载计算设备来实现。

将明白，图2中所示出的模块的数目仅仅是示例性的，中子通量探测装置200可以包括任何其他模块或者各模块可被拆分成任何其他合适的子模块。例如，控制模块205可被拆分成第一子模块和第二子模块，其中第一子模块可以负责控制对存储模块进行数据的读出和写入，而第二子模块可以负责比较写入中子辐射敏感的存储模块的原始数据和从中子辐射敏感的存储模块读出的数据，从而计算单粒子翻转的发生率，并随后结合时钟周期与中子辐射敏感的存储模块的敏感截面积来计算中子通量。

图3是示出了根据本公开的一实施例的示例飞行器300的示意图。在一实施例中，飞行器300可包括中子通量探测装置，诸如根据图2所示出和描述的中子通量探测装置200。

如上所述，本公开的方法和装置通过基于中子辐射对敏感存储模块的数位翻转的影响，在确定的时钟周期内利用特定的数据写入和读出来检测数位翻转的位数，通过数位翻转的比率和存储模块的敏感截面积来获得中子通量数据，从而以低成本实现实时探测中子通量(例如航空高度的中子通量)的探测方法和探测装置。

本公开的方法和装置取消了基于辐射感应的专用中子传感器，改为基于敏感电子元器件在辐射环境中容易发生单粒子效应的原理，通过单粒子效应的发生率来计算大气中的中子通量。这种改进，使得不再需要昂贵的中子传感器，仅利用数字电路就可以完成中子通量的测量。由此，本公开一方面可以降低中子通量的探测成本，同时所探测的结果即是中子通量，而不必再由中子注量向中子通量近似转化，可以提高测量的准确性并直接支持民用飞行器航电系统安全性中与中子辐射相关的分析计算。

以上具体实施方式包括对附图的引用，附图形成具体实施方式的部分。附图通过说明来示出可实践的特定实施例。这些实施例在本文中也称为“示例”。此类示例可以包括除所示或所述的那些元件以外的元件。然而，还构想了包括所示或所述元件的示例。此外，还构想出的是使用所示或所述的那些元件的任何组合或排列的示例，或参照本文中示出或描述的特定示例(或其一个或多个方面)，或参照本文中示出或描述的其他示例(或其一个或多个方面)。

在所附权利要求书中，术语“包括”和“包含”是开放式的，也就是说，在权利要求中除此类术语之后列举的那些元件之外的元件的系统、设备、制品或过程仍被视为落在那项权利要求的范围内。此外，在所附权利要求书中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅被用作标记，并且不旨在表明对它们的对象的数字顺序。

另外，本说明书中所解说的各操作的次序是示例性的。在替换实施例中，各操作可以按与附图所示的不同次序执行，且各操作可以合并成单个操作或拆分成更多操作。

以上描述旨在是说明性的，而非限制性的。例如，可结合其他实施例来使用以上描述的示例(或者其一个或多个方面)。可诸如由本领域普通技术人员在审阅以上描述之后来使用其他实施例。摘要允许读者快速地确定本技术公开的性质。提交该摘要，并且理解该摘要将不用于解释或限制权利要求的范围或含义。此外，在以上具体实施方式中，各种特征可以共同成组以使本公开流畅。然而，权利要求可以不陈述本文中公开的每一特征，因为实施例可以表征所述特征的子集。此外，实施例可以包括比特定示例中公开的特征更少的特征。因此，所附权利要求书由此被结合到具体实施方式中，一项权利要求作为单独的实施例而独立存在。本文中公开的实施例的范围应当参照所附权利要求书以及此类权利要求所赋予权利的等价方案的完整范围来确定。

Claims (14)

1.一种中子通量探测方法，包括：

将原始数据写入中子辐射敏感的存储模块，其中所述原始数据的大小与所述中子辐射敏感的存储模块的存储容量相等；

在预定历时之后，从所述中子辐射敏感的存储模块读出数据；

将所读出的数据与所述原始数据进行比较以确定因中子辐射导致的数位翻转的比特数；以及

基于所得到的比特数、所述预定历时、以及所述中子辐射敏感的存储模块的敏感截面积来确定中子通量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

在将所述原始数据写入中子辐射敏感的存储模块的同时，将所述原始数据写入中子辐射免疫的存储模块；

在所述预定历时之后，从所述中子辐射免疫的存储模块读出所述原始数据；以及

将从所述中子辐射敏感的存储模块读出的数据与从所述中子辐射免疫的存储模块读出的所述原始数据进行比较。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述中子辐射免疫的存储模块包括硬盘、EPROM中的至少一者，并且所述中子辐射敏感的存储模块包括FPGA、SRAM中的至少一者。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预定历时被选择成使得与对所述中子辐射免疫的存储模块以及所述中子辐射敏感的存储模块的数据写入和读出所需的时间相比，数据写入和读出所需的时间能被忽略。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中子通量是通过以下公式来得到的：

其中是所述中子通量，n是数位翻转的比特数，m是所述原始数据的总比特数，T是以秒为单位的所述预定历时，σ是所述中子辐射敏感的存储模块的以平方厘米为单位的敏感截面积。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述中子辐射敏感的存储模块的敏感截面积是在固定中子通量的情况下基于所述中子辐射敏感的存储模块中所存储的数据的数位翻转率来预先测得的。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述原始数据的格式是全“1”、全“0”、“1010……1010”的形式或其任何组合。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中子辐射敏感的存储模块包括含硼的元器件。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将所确定的中子通量显示在显示装置上。

10.一种中子通量探测装置，包括：

中子辐射敏感的存储模块，所述中子辐射敏感的存储模块被配置成用于存储数据；

时钟发生器，所述时钟发生器被配置成产生预定周期的时钟信号；以及

控制模块，所述控制模块被配置成：

将原始数据写入所述中子辐射敏感的存储模块；

基于所述时钟发生器所产生的时钟信号来等待预定历时；

在所述预定历时之后，从所述中子辐射敏感的存储模块读出所存储的数据；

将所读出的数据与所述原始数据进行比较以确定因中子辐射而导致的数位翻转的比特数；以及

基于所得到的比特数、所述预定历时、以及所述中子辐射敏感的存储模块的敏感截面积来确定中子通量。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，还包括中子辐射免疫的存储模块，其中所述中子辐射免疫的存储模块被配置成用于存储数据，并且其中所述控制模块还被配置成：

在将所述原始数据写入中子辐射敏感的存储模块的同时，将所述原始数据写入中子辐射免疫的存储模块；

在所述预定历时之后，从所述中子辐射免疫的存储模块读出所述原始数据；以及

将从所述中子辐射敏感的存储模块读出的数据与从所述中子辐射免疫的存储模块读出的所述原始数据进行比较。

12.根据权利要求10-11中的任一项所述的装置，其特征在于，还包括通信模块，其中所述通信模块被配置成将所确定的中子通量传送给飞行器以供显示。

13.根据权利要求10-11中的任一项所述的装置，其特征在于，还包括显示模块，其中所述显示模块被配置成显示所确定的中子通量。

14.一种飞行器，包括根据权利要求10-13中的任一项所述的装置。