CN203881957U - 一种基于中微子探测核潜艇的探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于潜艇探测技术领域，特别涉及一种基于中微子探测核潜艇的探测器。该探测器通过在铅块支架内安装若干个中心模块构成；中心模块的中心为密闭的三层同心圆筒结构，两端分别设置一个光耦合材料室和一个光电倍增室，整个中心模块由铅壳及镀铝聚酯薄膜包覆；三层同心圆筒结构的材质为有机玻璃，由内至外分别填充光纤型塑料闪烁体、钆混合材料及NaI(Tl)晶体材料；光耦合材料室内填充光耦合材料；光电倍增室内设置若干个与外部通过导线连接的光电倍增管。该探测器可直接区别出目标物是否核潜艇，探测速度更快，所受干扰小，探测效果明显且易于隐蔽。

Description

一种基于中微子探测核潜艇的探测器

技术领域

本实用新型属于潜艇探测技术领域，特别涉及一种基于中微子探测核潜艇的探测器。

背景技术

目前，对于核潜艇的探测一般包括两种，声纳探测和非声探测。

声纳探测，包括主动声纳和被动声纳探测，即通过声接收系统接收目标反射回来的主动信号的回波或者接收航行目标自身辐射的噪声，来检测目标的有无并估计目标有关参数。但是，声纳探测机动性差，难以进行灵活、迅速的大面积搜索；其次，主动声纳容易暴露己方位置，而被动声纳只有在敌方发出较大噪声时才能进行探测；再者，随着现代潜艇各种消声技术的应用，潜艇的声波噪已经接近于海洋本底噪声，声纳探潜的能力已被大大削弱(国妍、王江安，“光电探测在探潜方面的发展分析”，《舰船科学技术》，2002，Vol.24，No.4)。

非声探潜又包括磁异常探潜、激光探潜、基于雷达海面回波探潜、基于光尾流探潜、声泡学特性探潜等方式。

磁异常探潜是利用钢结构潜艇在航行中引起大地磁场扰动，静止时也给地磁场造成磁异常，通过探测地磁场的变化，实现探潜。目前，现代潜艇表面都经过消磁处理，对大地磁场扰动很小，给磁异常探潜带来了困难；磁异常探测不能进行远距离潜艇探测，且受本地磁噪声和水文气象条件的影响较大，在现代战争中大功率的电磁压制会使磁探仪束手无策(曾小牛、李夕海，“基于磁异常探测的航空反潜技术”，《国家安全地球物理丛书(五)—地球物理与海洋安全》，2009年)。

激光探潜是一种利用记载的激光发射和接收设备，通过发射大功率窄脉冲激光探测，根据有没有反射信号及其信号特征来推断探测到的是否为潜艇。目前还没有探测深度达到300米的实验系统，已达到的探测深度是70米，与实用要求相差悬殊，且这种方法的探测范围有限必须在潜艇周围才有效，因而效率不高(马治国、王江安，“一种新的激光探潜方法”，《海军工程大学学报》，2002，Vol.14，No.6)。

基于雷达海面回波探潜利用雷达天线向海面某一方向区域辐射电磁波，由于潜艇潜行时产生震动、水平和纵向运动，形成的尾流、尾迹对潜艇上部水面的浪场和流场产生了扰动，从而导致海水表面的粗糙度随之改变，影响了海面雷达后向散射系数的变化，通过接收海面反射的回波信号的“异常”来发现水下潜艇的存在。但是，受海情、潜深条件等限制严重，潜艇在3级以上海情下引起的雷达反射回波被海面杂波所淹没，探潜效率较低(俞骏、刘以安等，“基于雷达海面回波的水下潜艇非声探测”，《火力与指挥控制》，2009，Vol.34，No.12)。

在海洋中航行的潜艇辐射电磁波传播到海水表层，激发发光细菌发光强度的变化，留下一条明显的荧光轨迹，这种荧光的波长在450～490nm之间，位于近紫外波段，潜艇的行驶使其在身后的海水形成涡流，激使发光细菌的生物发光勾画出潜艇涡动的光尾流，这种光尾流大约经过15min就会自动衰减消失，海面恢复到正常状态。基于光尾流探潜正是通过在大气层或空间检测光尾流来实现潜艇的探测。通过发光细菌的发光效应探测潜艇的轨迹是一种综合性的边沿学科技术，涉及光学、声学、海洋生物学、电子学、信号处理等学科领域，仍需大量的深入研究(王江安、宗思光，“潜艇光尾流产生机理及其探测技术研究”，《激光与红外》，2003，Vol.33，No.4)。

潜艇在水下航行过程中尾流会产生大量的气泡，通过声纳发射声波，同时改变声纳的频率，若在声纳中接收的回升声源级强烈衰减，说明有气泡的存在，且声波的频率接近气泡的共振频率，从而判断附近海域有潜艇活动，实现气泡声学特性探潜。由于尾流中气泡的空间尺度一般比潜艇本身大两个量级，使得探潜成功概率大为增加。但是，目前的研究还较为肤浅，给出的模型仅能判断有无潜艇存在，不能确定潜艇的具体位置(聂邦胜、邱仁贵,“气泡声学特性探潜方法研究”，《海洋技术》，2007，Vol.26，No.4)。

发明内容

就目前的潜艇探测器而言，无论是声纳探潜还是非声探潜，均不以核潜艇探测为唯一目的，因此并不能明确所探测的目标物究竟是常规潜艇还是核潜艇，正是这种不确定性会给实际应对工作造成困难。本实用新型的目的就是解决上述不确定性，从而提供了一种基于中微子探测核潜艇的探测器。

本实用新型采用的技术方案为：

该探测器通过在铅块支架内安装若干个中心模块构成；所述中心模块的中心为密闭的三层同心圆筒结构，两端分别设置一个光耦合材料室和一个光电倍增室，整个中心模块由铅壳及镀铝聚酯薄膜包覆；

所述三层同心圆筒结构的材质为有机玻璃，由内至外分别填充光纤型塑料闪烁体、钆混合材料及NaI(Tl)晶体材料；

所述光耦合材料室内填充光耦合材料；

所述光电倍增室内设置若干个与外部通过导线连接的光电倍增管。

所述中心模块的数量为9个，均匀排列固定在铅块支架中。

所述铅块支架的两端分别设置铅制的底盘和顶盖，将中心模块包覆在内。

所述光耦合材料为硅胶。

所述光纤型塑料闪烁体为BC-454型塑料闪烁体。

所述钆混合材料为金属钆掺杂石墨粉末，其中，金属钆与石墨粉末的体积比为6：4。石墨用于慢化上述反β衰变过程产生的中子，使其能量降低转化为热中子，此热中子被钆俘获发生(n,γ)反应，释放γ光子。

所述三层同心圆筒结构的最内层圆筒的外壁由镀铝聚酯薄膜包覆。

本实用新型的有益效果为：

(1)该探测器在其它探测器无法确定目标物种类时，直接区别出目标物是否核潜艇；

(2)由于中微子以光速运动，即中微子一经产生，瞬间即可被探测到，相比于其他探测器，本探测器探测速度更快；

(3)双层铅壳的包覆和双层镀铝聚酯薄膜，可以极大的降低宇宙射线本底对探测效果的影响；

(4)将高能的γ光子转化为低能的荧光光子，信号量大，探测效果明显；

(5)本探测器置于海底使用，且不会主动发出任何信号，故隐蔽性非常好，难以被反探测，保证己方设备的安全。

附图说明

图1为核潜艇探测器中心模块剖面图。

图2为中心模块三层同心圆筒结构的底座和顶盖的半剖示意图。

图3为装有底座的三层同心圆筒结构的半剖示意图。

图4为光耦合剂罐的半剖示意图。

图5为铅壳的半剖示意图。

图6为铅块支架的示意图。

图中标号：

1-铅壳；2-三层同心圆筒结构；3-光耦合材料室；4-光电倍增室；5-光纤型塑料闪烁体；6-钆混合材料；7-NaI(Tl)晶体材料；8-镀铝聚酯薄膜；9-光电倍增管；10-导线出口。

具体实施方式

本实用新型提供了一种基于中微子探测核潜艇的探测器，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。

如图1所示，该探测器的结构如下：该探测器通过在铅块支架内均匀安装9个中心模块构成，铅块支架的两端分别设置铅制的底盘和顶盖，将中心模块包覆在内；所述中心模块的中心为密闭的三层同心圆筒结构2，两端分别设置一个光耦合材料室3和一个光电倍增室4，整个中心模块由铅壳1及镀铝聚酯薄膜8包覆；

三层同心圆筒结构2的材质为有机玻璃，由内至外分别填充光纤型塑料闪烁体5、钆混合材料6及NaI(Tl)晶体材料7；光耦合材料室3内填充光耦合材料；光电倍增室4内设置若干个与外部通过导线出口10连接的光电倍增管9。

塑料闪烁体实际上是固态聚合的液体闪烁体，塑料闪烁体易于加工成各种形状，而且体积可以做得很大也可以做得很细。塑料闪烁体，性能较为稳定，时间响应特性较好。由于光在光纤壁上发生全反射，且对磁场不灵敏，本探测器选用光纤型塑料闪烁体作为闪烁体材料，具体为BC-454型塑料闪烁体。

钆为银白色金属，有延展性，熔点1313℃，沸点3266℃，密度7.9004g/cm3。金属钆在干燥空气中比较稳定，且具有最高的热中子俘获截面，可用作反应堆控制材料和防护材料，热中子与金属钆的相互作用主要是Gd157和Gd155两种同位素的热中子俘获反应，即(n,γ)反应。本探测器选择钆混合材料为中子探测材料，所述钆混合材料由金属钆与石墨粉末按体积比6：4均匀混合；石墨用于慢化上述反β衰变过程产生的中子，使其能量降低转化为热中子，此热中子被钆俘获发生(n,γ)反应，释放γ光子。

铊激活的NaI晶体为无色透明晶体，密度为3.67g/cm3，它的突出特点是闪烁效率高。NaI(Tl)对γ射线具有较高的探测效率，且具有较好的能量分辨率，本探测器选择NaI(Tl)晶体作为闪烁体材料。

镀铝聚酯薄膜具有优良的耐折性和良好的韧性，很少出现针孔和裂口，无揉曲龟裂现象，因此对气体、水蒸汽、气味、光线等的阻隔性较高，光反射率可达97％。本探测器选择其作为反射层。

光耦合材料是折射率很大的透明介质，把它放在闪烁体与光电倍增管入射窗之间，将能显著减少由于全反射造成的闪烁光子损失。本探测器的光耦合材料选择硅胶。

本探测器的工作原理如下：

来自于目标物的反应堆中微子进入探测器，与光纤型塑料闪烁体中的质子发生反β衰变反应，产生正电子和中子。正电子很快与电子湮灭，产生γ光子，γ光子被镀铝聚酯薄膜反射故停留在光纤型塑料闪烁体内，并与光纤型塑料闪烁体作用产生大量低能荧光光子；中子穿过镀铝聚酯薄膜，进入钆混合材料层，被混合其中的石墨慢化成热中子，热中子与钆混合层的钆发生(n,γ)反应产生γ光子，γ光子进入NaI(Tl)晶体层，并与NaI(Tl)作用产生大量荧光光子。在光纤型塑料闪烁体和NaI(Tl)晶体中产生的低能光子经光耦合材料输送到光电倍增管中，光子与光电倍增管光阴极发生作用产生光电子，光电倍增管电子倍增系统对电信号放大，电流信号经导线由导线出口输出。

Claims (7)

1.一种基于中微子探测核潜艇的探测器，通过在铅块支架内安装若干个中心模块构成，其特征在于，所述中心模块的中心为密闭的三层同心圆筒结构，两端分别设置一个光耦合材料室和一个光电倍增室，整个中心模块由铅壳及镀铝聚酯薄膜包覆；

所述三层同心圆筒结构的材质为有机玻璃，由内至外分别填充光纤型塑料闪烁体、钆混合材料及NaI(Tl)晶体材料；

所述光耦合材料室内填充光耦合材料；

所述光电倍增室内设置若干个与外部通过导线连接的光电倍增管。

2.根据权利要求1所述的一种基于中微子探测核潜艇的探测器，其特征在于，所述中心模块的数量为9个，均匀排列固定在铅块支架中。

3.根据权利要求1所述的一种基于中微子探测核潜艇的探测器，其特征在于，所述铅块支架的两端分别设置铅制的底盘和顶盖，将中心模块包覆在内。

4.根据权利要求1所述的一种基于中微子探测核潜艇的探测器，其特征在于，所述光耦合材料为硅胶。

5.根据权利要求1所述的一种基于中微子探测核潜艇的探测器，其特征在于，所述光纤型塑料闪烁体为BC-454型塑料闪烁体。

6.根据权利要求1所述的一种基于中微子探测核潜艇的探测器，其特征在于，所述钆混合材料为金属钆掺杂石墨粉末，其中，金属钆与石墨粉末的体积比为6：4。

7.根据权利要求1所述的一种基于中微子探测核潜艇的探测器，其特征在于，所述三层同心圆筒结构的最内层圆筒的外壁由镀铝聚酯薄膜包覆。