CN1207576C - 月球探测的伽玛谱仪 - Google Patents

Abstract

月球探测的伽玛谱仪，设有晶体闪烁体，闪烁体连接光电倍增管，再接数据采集电路，其特征是：在主探测器外还设有反符合探测器，反符合探测器的晶体闪烁体接反符合探测器的光电倍增管，主探测器和反符合探测器的光电倍增管同时连接到数据采集电路上，数据采集电路中设有微处理器。本发明以一种与现有技术完全不同的新思路，来制造高灵敏度的伽玛射线探测器，新方案能够克服现有技术的伸杆结构造价高、技术难度大及效果有限等不足，用较低的造价获得了很好的效果，包括最佳的抑制本底辐射效果与扩大探测器有效工作面积。优化方案有：采用CsI(Ti)晶体做反符合晶体，及晶体闪烁体是由若干块晶体黏结成一整体。

Description

月球探测的伽玛谱仪

技术领域

本发明涉及一种在人造卫星上搭载的天文观测仪器，特别是一种月球探测的伽玛谱仪。

背景技术

月球资源已被世界所瞩目，探测月球一直是人类的理想。在人造卫星上搭载伽玛射线谱仪或称伽玛射线探测器，是获取全月表面元素与分布最有效的手段之一。由于月球探测的特点是流量小，必须进行长时间的观测，因此要求探测器要稳定。传统伽玛射线探测器的结构是：设有晶体闪烁体，晶体闪烁体连接有光电倍增管，再接数据采集电路。伽玛射线探测器的灵敏度可以用下式表示：

S∝2*sqrt(B/A/T)

式中：B-本底辐射强度；A-探测器有效面积；T-探测器观测时间。从上式可以看出，探测器面积越大越好，本底辐射强度越小越好。现有技术中的伽玛射线探测器，例如国外的Apollo15，其本底辐射抑制系统采用伸杆结构，将探测器伸出卫星本体，从而降低来自于卫星本身的本底。采用伸杆结构将大大增加成本和技术难度，单单一个伸杆结构，其造价就超过2亿元。同时，由于我国是首次探测月球，而月球资源卫星并不像Apollo15那么重，即使付出巨大代价采用伸杆结构，其效果也不会太好。采用何种方案能够造出适合我国国情的、具有最佳本底辐射抑制效果的高灵敏度星载伽玛射线探测器，成为该领域的技术关键。

发明内容

本发明希望提供一种新思路来获得高灵敏度的伽玛射线探测器，包括最佳的抑制本底辐射效果与扩大探测器有效工作面积。希望新方案能够克服现有技术的伸杆结构造价高、技术难度大，以及效果有限等不足。

本发明的发案是：采用反符合的方法抑制本底，设置两套接收装置，组成双探测器系统，分别进行伽玛射线的探测，同时两个系统的输出用电路组合在一起，通过电路处理，消除本底辐射。具体地说，本发明技术方案是：月球探测的特殊伽玛谱仪，设有晶体闪烁体，闪烁体连接光电倍增管，再接数据采集电路，其特征是：在主探测器外还设有反符合探测器，反符合探测器的晶体闪烁体接反符合探测器的光电倍增管，主探测器和反符合探测器的光电倍增管同时连接到数据采集电路上，数据采集电路中设有微处理器。经过数据采集电路和微处理器对两组数据的比较、处理，即可消除本底辐射，输出检测结果。本发明电子学部分的电原理图见图2。

反符合功能表如下：

主信号	反符合信号	PH300输出
			有	无	有
有	有	无
			无	有	无
无	无	无

反符合功能的实现，一般在电路上均采用硬件方法来实现，本发明是利用软件功能来实现的。

本发明的优化方案有：

1、采用CsI(Ti)晶体做反符合晶体闪烁体。其优点是不光是抑制荷电粒子本底，同样能抑制伽玛射线本底。我们选用CsI(Ti)晶体做闪烁体。原因有以下几点：a.温度特性好：在20℃～50℃之间，CsI(Ti)晶体的温度变化＜0.01％/℃。b.全能峰效率高：月球伽玛射线探测是谱线探测，探测伽玛射线的全能峰才能区分伽玛射线的来源。相对与NaI晶体全能峰效率在10Mev处几乎是其2倍左右，其意义相当于同体积的CsI(Ti)与NaI之比观测时间可以缩短将近50％。

2、晶体闪烁体是由若干块晶体黏结成一整体。本方案可以利用现有的小块晶体制成具有较大接收面积的晶体，以提高仪器的灵敏度。

本发明以一种与现有技术完全不同的新思路，来制造高灵敏度的伽玛射线探测器，新方案能够克服现有技术的伸杆结构造价高、技术难度大，以及效果有限等不足，用较低的造价获得了很好的效果，包括最佳的抑制本底辐射效果与扩大探测器有效工作面积。

附图说明

图1为月球探测的伽玛谱仪结构示意图。

图2为月球探测的伽玛谱仪电原理图。

具体实施方式

实施例1，月球探测的伽玛谱仪，参照图1、图2：整个伽玛谱仪由主探测器和反符合探测器两部分组成，主探测器设有晶体室1，室内设有晶体闪烁体，晶体闪烁体连接光电倍增管2，反符合探测器也设有晶体室3，室内设有晶体闪烁体，两个晶体室中间设有间隔，反符合探测器的晶体闪烁体接反符合探测器的光电倍增管4，两个探测器的光电倍增管同时连接到数据采集电路上，同时，数据采集电路中设有微处理器。本实施例的反符合探测器采用了两个较小的光电倍增管代替一个较大的光电倍增管。中间主探测器的晶体尺寸为7.6Cm×7.6Cm×6.8Cm，周围反符合探测器晶体分为两部分，侧面厚度为3Cm，底部厚度为5Cm。受国内晶体加工条件限制，反符合侧面晶体不能加工成一整块。为此我们选用了一种耦合胶，将数块小的晶体耦合成所需的整块晶体。为了保证晶体耦合时不产生位移，我们用F₄棒料做成一晶体定位套，将四块晶体围在F₄内套周围，用F₄薄带缠若干层，在用胶带缠几层，待耦合胶有一定强度时，将晶体放入晶体室再将F₄内套脱出。此种方法可得到较好的漫散射效果，晶体室与两端盖连接好后，将光电倍增管装好，便完成了该探测器的制备。应注意的是探测器绝对不能产生漏光现象。数据采集电路为：两个探测器的信号分别接A₁、A₂集成放大器与基线恢复电路后，反符合探测器的一路接CPU，主探测器的一路经调域、峰值保持及A/D转换后，接CPU，CPU的输出接双口RAM。

实施例2：伽玛射线探测器制备工艺。选择与探测目标相适应的晶体种类，我们选用温度系数较小的CsI晶体。选择降低背景辐射的方法，并制备特殊的反符合晶体组合形式与主晶体相匹配。设计特殊型腔达到特殊形状晶体相适应的结构以满足空间力学、物理学及运载发射时的冲击，振动、离心、冷热交变等环境参数要求，以满足在月球轨道上仪器能正常工作目标。设计并制备与装配工艺相关的二类工具，如型芯及解脱机构、翻板及附件，以配合装配工作的需求。选择与光学晶体相适应的包装材料，设计包装层数量，在保证安装间隙的前提下以求得最大配合强度。选择最好孔型设计，并进行严密的结构设计与机加工工艺。采用轻合金及低本底系数材料，并设计成与环境相匹配的温控涂层并氧化染色成膜。组装主探测器并与光电倍增管系统偶合，测量其效率。设计合理光学传输通道，组装反符合晶体座。测量反符合装置及主探测器装配尺寸，并填充光反射材料，组合装配成一个探头，测量其效率及方向性。灌封及固化防震胶得到一个组合强度，以满足月球轨道环境及星上环境对谱仪的要求。

我们在设计中采用美国AMPTEK公司生产的PH300峰值保持器件来实现主信号的峰值保持，这在国内是首次使用，其性能指标如下：

输入电压范围：  0～V⁺-1.5V；

电压下降：      ＜1μV/μS(-55℃～85℃)

                ＜10μV/μS(85℃～125℃)

                ＜10μV/μS(1μV/μStyp)@+25℃

电压保持特性：±0.01％(典型)

直流漂移：±2mV(极大)

另外由PH300配合软件设计还具有脉冲堆积拒绝及死时间校正作用，既它可以判断两个脉冲的间隔，如果小于10μS，舍弃将会产生的脉冲堆积光子。

电路设计中还采用了基线恢复器件，在高计数率情况下，常用的主放大器会产生基线漂移，这次采用美国AMPTEK公司生产的BLRI基线恢复器，它对基线漂移的抑制本领达到3000倍以上。

Claims (5)

1、一种月球探测的伽玛谱仪，设有晶体闪烁体，闪烁体连接光电倍增管，再接数据采集电路，其特征是：在主探测器外还设有反符合探测器，反符合探测器的晶体闪烁体接反符合探测器的光电倍增管，主探测器和反符合探测器的光电倍增管同时连接到数据采集电路上，数据采集电路中设有微处理器。

2、按照权利要求1所述的月球探测的伽玛谱仪，其特征是：采用CsI(Ti)晶体做反符合晶体闪烁体。

3、按照权利要求1或2所述的月球探测的伽玛谱仪，其特征是：晶体闪烁体是由若干块晶体黏结成一整体。

4、按照权利要求3所述的月球探测的伽玛谱仪，其特征是，数据采集电路为：两个探测器的信号分别接A₁、A₂集成放大器与基线恢复电路后，反符合探测器的一路接CPU，主探测器的一路经调域、峰值保持及A/D转换后，接CPU，CPU的输出接双口RAM。

5、按照权利要求1或2所述的月球探测的伽玛谱仪，其特征是，数据采集电路为：两个探测器的信号分别接A₁、A₂集成放大器与基线恢复电路后，反符合探测器的一路接CPU，主探测器的一路经调域、峰值保持及A/D转换后，接CPU，CPU的输出接双口RAM。

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