[发明专利]高能质子和中子能谱测量的多层闪烁探测器及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种辐射探测装置及方法，具体涉及一种适于复杂混合场中高能质子和中子的能谱测量装置及方法。

背景技术

人类空间活动集中在20km以下的航空空间和100km以上的外层空间，航空空间和外层空间之间的区域称为临近空间(20km～100km)。邻近空间具有很好的军事应用前景，目前世界各军事强国均在加紧开展相关研究工作。临近空间战略地位重要，其控制和发展是我国进一步提高军事能力的必然。开发临近空间必须首先认识临近空间环境，包括气象环境和辐射环境等。对临近空间辐射环境的认识主要依靠理论计算与模拟仿真，由于缺乏实测数据，计算结果准确性未经检验，因而其认识难以更加深入。

临近空间辐射环境主要来自于高能宇宙射线与大气层中的氧、氮等原子相互作用引起的级联簇射，包括中子、质子、电子、γ射线等。临近空间的开发必须优先研究中子、质子引起的空间辐射损伤问题。中子入射到临近空间飞行器微电子芯片敏感部位时，将产生辐射损伤，尤其是单粒子效应，造成电子学系统功能紊乱甚至产生灾难性后果。同时高能质子由于射程长、且可与核作用产生α粒子、反冲核等较重带电粒子，也将对半导体器件造成严重的辐射损伤。

为检验并修正理论模型、优化抗辐射加固策略、准确评估临近空间飞行器实际辐射损伤概率，必须开展临近空间高能中子、质子(其中20MeV～150MeV粒子对器件的损伤效应最为显著，是主要关注区域)的实际能谱测量工作。目前，国内外相关实验研究工作尚处于起步阶段。尽管在航空空间和外层空间，人们已经分别开展了大气中子和外层空间质子的探测研究工作，探测手段包括核乳胶、热释光剂量仪，以及金硅面垒探测器、锂漂移探测器等半导体探测器。但此类探测器对中子、质子均灵敏，且无法区分高能中子、质子事件，难以解决临近空间高能质子和中子能谱同时测量的需求。

日本的M.Takada曾提出过一种用于邻近空间质子和中子能谱测量的多层闪烁探测器(参考文献：Nucl.Instr.&Meth.A465(2001):498–511)，该探测器采用NE115型塑闪包裹NE213型液闪构成，用一个光电倍增管同时收集两种闪烁体发光，利用信号脉冲宽度区分质子、中子和伽马事件，实现质子和中子能谱测量。但该方案存在一定的不足之处：两种闪烁体发光会产生相互干扰，一种闪烁体对另一种闪烁体的发光具有吸收衰减作用；塑闪必须具有较慢的发光衰减时间，才能通过脉冲宽度识别出质子事件，因而计数率难以提高；同时其信号较复杂，对后端甄别电路的要求较高。

发明内容

为了解决临近空间高能质子和中子能谱同时测量的难题，本发明提供了一种用于高能质子和中子能谱测量的多层闪烁探测器及其测量方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种用于高能质子和中子能谱测量的多层闪烁探测器，其特殊之处在于：

包括外壳、内层闪烁体、内层光电倍增管、外层闪烁体、外层光电倍增管；

所述外层闪烁体设置在外壳内，所述内层闪烁体设置在外层闪烁体内，所述内层闪烁体和外层闪烁体之间设置有隔层；所述内层光电倍增管和外层光电倍增管设置在外壳和外层闪烁体之间且分别位于外层闪烁体的不同侧面；所述隔层上设置有窗口，所述内层光电倍增管透过窗口与内层闪烁体相接触；所述外层光电倍增管与外层闪烁体相接触；所述内层闪烁体和外层闪烁体各自的高压输入端和信号输出端均从外壳引出；

所述外层闪烁体为塑料闪烁体，所述内层闪烁体为液体闪烁体；

所述隔层材料为铍、铝或其他低Z无机隔光材料；

所述内层闪烁体的外表面、外层闪烁体的内表面和外表面分别镀有光反射膜。

上述内层闪烁体与内层光电倍增管之间以及外层闪烁体与外层光电倍增管之间设置有光导材料。

上述光反射膜为氧化镁膜；所述塑料闪烁体为ST401；所述液体闪烁体为BC501A。

上述内层光电倍增管和外层光电倍增管分别位于外层闪烁体的相对两个侧面。

根据上述的多层闪烁探测器的探测系统，其特殊之处在于：包括外置高压电源、多层闪烁探测器、甄别电路、质子能谱测量单元、中子能谱测量单元；

所述外置高压电源与内层光电倍增管和外层光电倍增管的高压输入端分别相连；

所述内层光电倍增管和外层光电倍增管的信号输出端接甄别电路；

所述甄别电路通过内层光电倍增管和外层光电倍增管是否有信号产生来判断探测器中的入射粒子是质子还是中子/伽马；

所述质子能谱测量单元、中子能谱测量单元的输入端分别与甄别电路的两个输出端相连。