本發(fā)明涉及輻射探測(cè)，尤其涉及一種近地軌道中子和γ射線探測(cè)器組、探測(cè)設(shè)備及探測(cè)方法。

背景技術(shù)：

1、近地軌道附近的輻射帶，包含銀河宇宙射線、太陽(yáng)高能粒子以及各類衍生的次級(jí)粒子，輻射環(huán)境極其復(fù)雜。探測(cè)近地軌道的中子和γ射線有助于更加深入地理解空間科學(xué)問(wèn)題，如空間站環(huán)境監(jiān)測(cè)、近地軌道輻射帶粒子來(lái)源、太陽(yáng)高能粒子相關(guān)物理現(xiàn)象等。

2、測(cè)量核輻射時(shí)的常用探測(cè)器主要包含氣體放電探測(cè)器、閃爍體探測(cè)器和半導(dǎo)體探測(cè)器等。其中，氣體放電探測(cè)器能量分辨率相對(duì)較低，工作電壓較高，難以區(qū)分不同能量的輻射，往往不適用于能譜探測(cè)。閃爍體探測(cè)器可以探測(cè)各種類型的帶電粒子與中性粒子，探測(cè)效率高，時(shí)間分辨好，不足在于空間分辨能力較差且能耗高。半導(dǎo)體探測(cè)器具有噪聲小、漏電流小、探測(cè)效率和能量分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于電離輻射具有不同的響應(yīng)特征，并可通過(guò)轉(zhuǎn)換系數(shù)反映輻射在人體組織或水中的劑量。然而，單片半導(dǎo)體探測(cè)器不能有效確定let值和劑量當(dāng)量，故具有望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的硅組合式探測(cè)器被提出設(shè)計(jì)并廣泛應(yīng)用。但是，硅組合式探測(cè)器的體積通常較大，且在工作時(shí)需要消耗較高的電能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種近地軌道中子和γ射線探測(cè)器組、探測(cè)設(shè)備及探測(cè)方法，所述探測(cè)設(shè)備是基于多層單/雙靈敏區(qū)域si探測(cè)器與碲鋅鎘(czt)探測(cè)器陣列設(shè)計(jì)的一套小體積、小質(zhì)量、低功耗、高速率的中子/γ譜儀，中子/γ譜儀可作為獨(dú)立載荷搭載于小型衛(wèi)星上，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱中子、20?mev以下的快中子和γ射線的測(cè)量；其中，探測(cè)器組不同層之間的配合形成了多種反符合組，提高能譜反演的準(zhǔn)確性。所述探測(cè)方法提出了堆積丟棄算法，從而避免了信號(hào)重疊帶來(lái)的干擾，提高了整個(gè)中子/γ譜儀的系統(tǒng)分辨率。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、第一方面，本發(fā)明提供一種近地軌道中子和γ射線探測(cè)器組，包括15片依次疊放的探測(cè)器，具體包括：

4、第一探測(cè)器和第十五探測(cè)器為單靈敏區(qū)域czt探測(cè)器，用于探測(cè)γ射線；

5、第二探測(cè)器為單靈敏區(qū)域si探測(cè)器，用于辨別探測(cè)粒子射入方向；

6、第三、第四及第五探測(cè)器構(gòu)成第一反符合探測(cè)組，分別由兩片單靈敏區(qū)域si探測(cè)器和之間的包含lif涂層的第一雙靈敏區(qū)域si探測(cè)器組成；第十二、第十三及第十四探測(cè)器的結(jié)構(gòu)與第一反符合探測(cè)組相同，外部還包裹一片gd層，構(gòu)成第二反符合探測(cè)組；所述第一反符合探測(cè)組和第二反符合探測(cè)組均用于探測(cè)熱中子；

7、第五、第六、第七及第八探測(cè)器構(gòu)成第三反符合探測(cè)組，依次為單靈敏區(qū)域si探測(cè)器、第二雙靈敏區(qū)域si探測(cè)器、第一雙靈敏區(qū)域si探測(cè)器和單靈敏區(qū)域si探測(cè)器；第八、第九、第十及第十一探測(cè)器構(gòu)成第四反符合探測(cè)組，依次為單靈敏區(qū)域si探測(cè)器、包含hdpe涂層的第一雙靈敏區(qū)域si探測(cè)器、第二雙靈敏區(qū)域si探測(cè)器和單靈敏區(qū)域si探測(cè)器；第五到第十一探測(cè)器用于探測(cè)快中子。

8、優(yōu)選地，所述單靈敏區(qū)域czt探測(cè)器的靈敏層邊長(zhǎng)為35?mm，厚度標(biāo)稱為5?mm；

9、所述單靈敏區(qū)域si探測(cè)器的靈敏層邊長(zhǎng)為35?mm，厚度標(biāo)稱為650?μm；

10、所述第一雙靈敏區(qū)域si探測(cè)器的外層靈敏層邊長(zhǎng)為35?mm，內(nèi)層靈敏區(qū)邊長(zhǎng)為25mm，厚度標(biāo)稱為300?μm；

11、所述第二雙靈敏區(qū)域si探測(cè)器的外層靈敏層邊長(zhǎng)為35?mm，內(nèi)層靈敏區(qū)邊長(zhǎng)為25mm，厚度標(biāo)稱為650?μm。

12、優(yōu)選地，所述反符合探測(cè)組用于去除帶電粒子的干擾。

13、優(yōu)選地，所述包含lif涂層的第四探測(cè)器用于記錄全部能量段中子與lif發(fā)生反應(yīng)所產(chǎn)生信號(hào)的計(jì)數(shù)；

14、所述第二反符合探測(cè)組的gd層用于吸收熱中子，其中第十三探測(cè)器用于記錄除熱中子外其余中子與lif發(fā)生反應(yīng)所產(chǎn)生信號(hào)的計(jì)數(shù)；

15、基于第四探測(cè)器和第十三探測(cè)器的計(jì)數(shù)差除以探測(cè)效率得到軌道上的熱中子通量。

16、優(yōu)選地，所述第六、第七探測(cè)器用于探測(cè)銀河宇宙線或其他次級(jí)中子產(chǎn)生的信號(hào)；

17、所述第九、第十探測(cè)器用于探測(cè)近地軌道的中子經(jīng)過(guò)高密聚乙烯轉(zhuǎn)換層產(chǎn)生的反沖質(zhì)子信號(hào)；

18、在反符合條件下，第九、第十探測(cè)器和第六、第七探測(cè)器的總能譜相減得到反沖質(zhì)子的能譜。

19、第二方面，本發(fā)明提供一種近地軌道中子和γ射線探測(cè)設(shè)備，包括長(zhǎng)方體外殼體，以及外殼體內(nèi)部的前端板、數(shù)據(jù)采集板和如第一方面所述的近地軌道中子和γ射線探測(cè)器組；

20、所述數(shù)據(jù)采集板與探測(cè)器組和前端板通信連接，用于提供模擬及數(shù)字電源；包括fpga芯片、電平轉(zhuǎn)換芯片、can芯片、emmc、千兆以太網(wǎng)phy芯片、通用異步收發(fā)器芯片和adc芯片；

21、所述前端板與探測(cè)器組通信連接，包括asic芯片與分立器件組成的前置放大電路；所述asic芯片用于采集中子，所述前置放大電路用于采集γ射線；前端板用于接收探測(cè)器組傳輸?shù)牧Ｗ有盘?hào)并轉(zhuǎn)化為電壓脈沖；

22、所述外殼包括多個(gè)安裝孔，用于固定至載荷上。

23、優(yōu)選地，外殼體內(nèi)部設(shè)置多條固定支架連接各側(cè)面，用于保證探測(cè)設(shè)備的穩(wěn)定性。

24、第三方面，本發(fā)明提供一種近地軌道中子和γ射線探測(cè)方法，基于第二方面所述的近地軌道中子和γ射線探測(cè)設(shè)備，包括：

25、當(dāng)探測(cè)設(shè)備上電后，對(duì)數(shù)據(jù)采集板進(jìn)行初始化；

26、若配置完畢后則進(jìn)入采集模式并進(jìn)行采集，adc內(nèi)部對(duì)采集到的隨機(jī)的電壓脈沖進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字信號(hào)將與相應(yīng)觸發(fā)時(shí)間一起緩存在ddr中，之后根據(jù)信號(hào)堆積丟棄算法判斷是否有堆積的信號(hào)，如果有堆積的信號(hào)將打上不同的幀格式并存儲(chǔ)在emmc中，如果接收到can接口的上傳指令，將會(huì)通過(guò)以太網(wǎng)將emmc中保存的數(shù)據(jù)上傳至衛(wèi)星，衛(wèi)星主機(jī)將在降落地面站時(shí)上傳數(shù)據(jù)。

27、優(yōu)選地，所述對(duì)數(shù)據(jù)采集板進(jìn)行初始化，還包括：檢測(cè)外圍電路是否正常，若未接收到衛(wèi)星的配置信號(hào)或者配置出現(xiàn)異常，會(huì)發(fā)送相關(guān)遙測(cè)數(shù)據(jù)至衛(wèi)星。

28、優(yōu)選地，所述堆積丟棄算法為：

29、單粒子脈沖的上升時(shí)間為，為ns級(jí)，成型時(shí)間設(shè)置為10?us，快放大器輸出脈沖經(jīng)過(guò)快甄別器后，會(huì)生成寬度為的矩形波，小于單粒子脈沖的上升時(shí)間為，當(dāng)兩個(gè)連續(xù)的粒子進(jìn)入探測(cè)器導(dǎo)致信號(hào)堆積，在快甄別器輸出即cpre10-32的tf引腳會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)寬度為的矩形波，當(dāng)兩個(gè)矩形波的間距小于整個(gè)成型時(shí)間時(shí)，認(rèn)為信號(hào)堆積，將堆積信號(hào)以不同幀格式存儲(chǔ)進(jìn)emmc中，實(shí)現(xiàn)堆積丟棄功能。

30、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本公開(kāi)的有益效果為：

31、為了解決現(xiàn)階段使用閃爍體探測(cè)器所對(duì)應(yīng)的譜儀體積大、功耗高、分辨率低、無(wú)法使用高通量的問(wèn)題，本技術(shù)提出基于單/雙靈敏區(qū)域si探測(cè)器與碲鋅鎘(cdznte,?czt)探測(cè)器陣列設(shè)計(jì)了一套小體積、小質(zhì)量、低功耗、高速率的中子/γ譜儀，中子/γ譜儀擬作為獨(dú)立載荷搭載于小型衛(wèi)星上。

32、同時(shí)提出了堆積丟棄算法并設(shè)計(jì)了fpga的程序，滿足了cpre10-32的配置及讀出時(shí)序、數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)以及接口的任務(wù)需求。最后為了驗(yàn)證中子/γ譜儀的設(shè)計(jì)目標(biāo)，測(cè)試了中子/γ譜儀的基本性能，測(cè)試了中子/γ譜儀在標(biāo)準(zhǔn)輻射源、、照射下的能譜并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了上位機(jī)界面，可實(shí)時(shí)觀測(cè)能譜變化，并與geant4的模擬結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。

33、本發(fā)明附加方面的優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。