近地轨道中子和γ射线探测器组、探测设备及探测方法

本发明涉及辐射探测，尤其涉及一种近地轨道中子和γ射线探测器组、探测设备及探测方法。

背景技术：

1、近地轨道附近的辐射带，包含银河宇宙射线、太阳高能粒子以及各类衍生的次级粒子，辐射环境极其复杂。探测近地轨道的中子和γ射线有助于更加深入地理解空间科学问题，如空间站环境监测、近地轨道辐射带粒子来源、太阳高能粒子相关物理现象等。

2、测量核辐射时的常用探测器主要包含气体放电探测器、闪烁体探测器和半导体探测器等。其中，气体放电探测器能量分辨率相对较低，工作电压较高，难以区分不同能量的辐射，往往不适用于能谱探测。闪烁体探测器可以探测各种类型的带电粒子与中性粒子，探测效率高，时间分辨好，不足在于空间分辨能力较差且能耗高。半导体探测器具有噪声小、漏电流小、探测效率和能量分辨率高等优点，对于电离辐射具有不同的响应特征，并可通过转换系数反映辐射在人体组织或水中的剂量。然而，单片半导体探测器不能有效确定let值和剂量当量，故具有望远镜结构的硅组合式探测器被提出设计并广泛应用。但是，硅组合式探测器的体积通常较大，且在工作时需要消耗较高的电能。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种近地轨道中子和γ射线探测器组、探测设备及探测方法，所述探测设备是基于多层单/双灵敏区域si探测器与碲锌镉(czt)探测器阵列设计的一套小体积、小质量、低功耗、高速率的中子/γ谱仪，中子/γ谱仪可作为独立载荷搭载于小型卫星上，实现对热中子、20 mev以下的快中子和γ射线的测量；其中，探测器组不同层之间的配合形成了多种反符合组，提高能谱反演的准确性。所述探测方法提出了堆积丢弃算法，从而避免了信号重叠带来的干扰，提高了整个中子/γ谱仪的系统分辨率。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种近地轨道中子和γ射线探测器组，包括15片依次叠放的探测器，具体包括：

4、第一探测器和第十五探测器为单灵敏区域czt探测器，用于探测γ射线；

5、第二探测器为单灵敏区域si探测器，用于辨别探测粒子射入方向；

6、第三、第四及第五探测器构成第一反符合探测组，分别由两片单灵敏区域si探测器和之间的包含lif涂层的第一双灵敏区域si探测器组成；第十二、第十三及第十四探测器的结构与第一反符合探测组相同，外部还包裹一片gd层，构成第二反符合探测组；所述第一反符合探测组和第二反符合探测组均用于探测热中子；

7、第五、第六、第七及第八探测器构成第三反符合探测组，依次为单灵敏区域si探测器、第二双灵敏区域si探测器、第一双灵敏区域si探测器和单灵敏区域si探测器；第八、第九、第十及第十一探测器构成第四反符合探测组，依次为单灵敏区域si探测器、包含hdpe涂层的第一双灵敏区域si探测器、第二双灵敏区域si探测器和单灵敏区域si探测器；第五到第十一探测器用于探测快中子。

8、优选地，所述单灵敏区域czt探测器的灵敏层边长为35 mm，厚度标称为5 mm；

9、所述单灵敏区域si探测器的灵敏层边长为35 mm，厚度标称为650 μm；

10、所述第一双灵敏区域si探测器的外层灵敏层边长为35 mm，内层灵敏区边长为25mm，厚度标称为300 μm；

11、所述第二双灵敏区域si探测器的外层灵敏层边长为35 mm，内层灵敏区边长为25mm，厚度标称为650 μm。

12、优选地，所述反符合探测组用于去除带电粒子的干扰。

13、优选地，所述包含lif涂层的第四探测器用于记录全部能量段中子与lif发生反应所产生信号的计数；

14、所述第二反符合探测组的gd层用于吸收热中子，其中第十三探测器用于记录除热中子外其余中子与lif发生反应所产生信号的计数；

15、基于第四探测器和第十三探测器的计数差除以探测效率得到轨道上的热中子通量。

16、优选地，所述第六、第七探测器用于探测银河宇宙线或其他次级中子产生的信号；

17、所述第九、第十探测器用于探测近地轨道的中子经过高密聚乙烯转换层产生的反冲质子信号；

18、在反符合条件下，第九、第十探测器和第六、第七探测器的总能谱相减得到反冲质子的能谱。

19、第二方面，本发明提供一种近地轨道中子和γ射线探测设备，包括长方体外壳体，以及外壳体内部的前端板、数据采集板和如第一方面所述的近地轨道中子和γ射线探测器组；

20、所述数据采集板与探测器组和前端板通信连接，用于提供模拟及数字电源；包括fpga芯片、电平转换芯片、can芯片、emmc、千兆以太网phy芯片、通用异步收发器芯片和adc芯片；

21、所述前端板与探测器组通信连接，包括asic芯片与分立器件组成的前置放大电路；所述asic芯片用于采集中子，所述前置放大电路用于采集γ射线；前端板用于接收探测器组传输的粒子信号并转化为电压脉冲；

22、所述外壳包括多个安装孔，用于固定至载荷上。

23、优选地，外壳体内部设置多条固定支架连接各侧面，用于保证探测设备的稳定性。

24、第三方面，本发明提供一种近地轨道中子和γ射线探测方法，基于第二方面所述的近地轨道中子和γ射线探测设备，包括：

25、当探测设备上电后，对数据采集板进行初始化；

26、若配置完毕后则进入采集模式并进行采集，adc内部对采集到的随机的电压脉冲进行转换，转换后得到的数字信号将与相应触发时间一起缓存在ddr中，之后根据信号堆积丢弃算法判断是否有堆积的信号，如果有堆积的信号将打上不同的帧格式并存储在emmc中，如果接收到can接口的上传指令，将会通过以太网将emmc中保存的数据上传至卫星，卫星主机将在降落地面站时上传数据。

27、优选地，所述对数据采集板进行初始化，还包括：检测外围电路是否正常，若未接收到卫星的配置信号或者配置出现异常，会发送相关遥测数据至卫星。

28、优选地，所述堆积丢弃算法为：

29、单粒子脉冲的上升时间为，为ns级，成型时间设置为10 us，快放大器输出脉冲经过快甄别器后，会生成宽度为的矩形波，小于单粒子脉冲的上升时间为，当两个连续的粒子进入探测器导致信号堆积，在快甄别器输出即cpre10-32的tf引脚会产生两个宽度为的矩形波，当两个矩形波的间距小于整个成型时间时，认为信号堆积，将堆积信号以不同帧格式存储进emmc中，实现堆积丢弃功能。

30、与现有技术相比，本公开的有益效果为：

31、为了解决现阶段使用闪烁体探测器所对应的谱仪体积大、功耗高、分辨率低、无法使用高通量的问题，本技术提出基于单/双灵敏区域si探测器与碲锌镉(cdznte, czt)探测器阵列设计了一套小体积、小质量、低功耗、高速率的中子/γ谱仪，中子/γ谱仪拟作为独立载荷搭载于小型卫星上。

32、同时提出了堆积丢弃算法并设计了fpga的程序，满足了cpre10-32的配置及读出时序、数据处理、存储以及接口的任务需求。最后为了验证中子/γ谱仪的设计目标，测试了中子/γ谱仪的基本性能，测试了中子/γ谱仪在标准辐射源、、照射下的能谱并对数据进行了分析，设计了上位机界面，可实时观测能谱变化，并与geant4的模拟结果进行比对。

33、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。