一種注水排水全自動多球中子譜儀的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種注水排水全自動多球中子譜儀裝置，該系統(tǒng)包括注水排水系統(tǒng)、多層環(huán)形鉛玻璃球殼、球形中子探測器、分析處理系統(tǒng)。根據(jù)中子測量場所，對注水排水全自動多球中子譜儀裝置進行安裝，測量時通過注水排水系統(tǒng)向多層環(huán)形鉛玻璃球殼內(nèi)依次注入水，達到改變中子慢化劑厚度的目的，從而實現(xiàn)對環(huán)境中不同能量中子的測量。本實用新型利用注水排水系統(tǒng)對單個球形探測器的不同參數(shù)進行全自動控制，實現(xiàn)多球探測的目的，解決了常規(guī)多球系統(tǒng)中多個探測系統(tǒng)制作的復雜性，從而降低了制作成本，同時有效地避免了傳統(tǒng)多球系統(tǒng)中各探測器間的相互影響和不一致性問題，以及多個探測器整體搬運的繁瑣性問題。
【專利說明】
一種注水排水全自動多球中子譜儀
技術領域
[0001] 本實用新型涉及一種中子譜儀，尤其涉及一種用于中子能譜測量的注水排水全自 動多球中子譜儀。
【背景技術】
[0002] 空間輻射環(huán)境復雜，中子遍布空間的各個角落，且能量范圍從幾 MeV~幾十MeV，而 人體的大部分器官都由低原子序數(shù)物質組成，所以人體在受到中子輻射后，而關鍵器官會 遭到嚴重損傷、誘導腫瘤甚至導致死亡。隨著各個國家航天事業(yè)的發(fā)展，空間環(huán)境輻射對航 天器及其器件，對宇航員的輻射損傷越來越受到重視，只有測出空間中子能譜，采取有效的 防護措施才能將傷害最小化。
[0003] 球中子譜儀由布蘭布利特在1960提出，通常典型的多球系統(tǒng)是一系列直徑變化范 圍為5.08cm-30.48cm的高密度聚乙烯(PE)球組成，聚乙烯球內(nèi)部放置同心的球形熱中子探 測器，常見的熱中子探測器有 3He正比計數(shù)器、BF3正比計數(shù)器和6Li正比計數(shù)器，其中最常見 的為 3He正比計數(shù)器。
[0004] 多球中子譜儀具有測量范圍廣、各向同性、便于測量等優(yōu)點，因而常常被用于中子 能譜測量。但是多球系統(tǒng)(BSS)主要針對20MeV以內(nèi)中子能區(qū)能譜測量，對20MeV以上高能區(qū) 中子的靈敏度普遍較低，并不適用于幾 MeV~IOOMeV能區(qū)的空間中子測量。國內(nèi)外多個機構 已經(jīng)嘗試在聚乙烯內(nèi)層增加高原子序數(shù)(Z)同心球殼，以增加 BSS對20MeV以上中子的靈敏 度。常見的方法是在聚乙烯內(nèi)某些層添加銅、鉛、鎢元素，且經(jīng)多方研究證明，鎢的效果最 好，鉛次之，銅最差，而鎢的價格昂貴，密度較大，因此很多機構常用金屬鉛作為高能中子的 輔助慢化材料來構成延展性多球中子譜儀(BSE)。 【實用新型內(nèi)容】
[0005] 本實用新型的目的就在于針對常規(guī)的多球中子譜儀對20MeV以上中子靈敏度低， 無法對空間幾十MeV甚至幾百MeV中子能譜測量的問題，提出了一種用于IOMeV以上中子能 譜測量的注水排水全自動多球中子譜儀。
[0006] 為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術方案如下：一種注水排水全自動多球 中子譜儀，包括進行中子探測的探測器、注水排水系統(tǒng)、以及分析處理系統(tǒng)；
[0007] 所述探測器由半徑為19.15cm的3He球形中子探測器和11個球殼構成，其中位于最 內(nèi)層的球殼采用不銹鋼制成，其內(nèi)徑等于 3He球形中子探測器的外徑，其余球殼采用鉛玻璃 制成實心球殼和空心球殼，所述實心球殼和空心球殼交錯嵌套安裝，且內(nèi)層球殼外徑等于 相鄰外層球殼內(nèi)徑；
[0008] 實心球殼和空心球殼的頂部設有排氣孔、底部設有注水孔，且當球殼嵌套安裝后， 所有排氣孔重疊、所有注水孔重疊，且排氣孔內(nèi)插有排氣管，注水孔內(nèi)插有注水管；
[0009] 所述排氣管和注水管側壁設有通孔，均從最外層球殼插入，并與最內(nèi)層球殼的外 壁接觸;注水管內(nèi)對應實心球殼處，設有電動閥門；
[0010]所述注水排水系統(tǒng)包括水池、控制器，與控制器連接的水栗和電機，其中，水栗的 水管連接電機，由電機控制其伸入注水管內(nèi)的深度；
[0011]所述分析處理系統(tǒng)包括信號采集單元、數(shù)據(jù)處理單元和顯示單元，所述信號采集 單元與探測器連接，用于獲取探測器輸出的脈沖信號，轉換為數(shù)字信號，并求取每次獲得的 數(shù)字信號的計數(shù)值；
[0012] 所述數(shù)據(jù)處理單元獲取每次信號采集單元輸出的計數(shù)值形成矩陣，與響應函數(shù)矩 陣求解，獲取中子能譜并輸出到顯示系單元進行顯示。
[0013] 作為優(yōu)選:11個球殼從內(nèi)到外依次為A-K球殼，尺寸分別為：
[0014] A球殼：內(nèi)徑1.6厘米、厚度0.5厘米；
[0015] B球殼：內(nèi)徑1.65厘米、厚度1厘米；
[0016] C球殼：內(nèi)徑2.65厘米、厚度1厘米；
[0017] D球殼：內(nèi)徑3.65厘米、厚度1.5厘米；
[0018] E球殼：內(nèi)徑5.15厘米，厚度2厘米；
[0019] F球殼：內(nèi)徑7.15厘米，厚度1.5厘米；
[0020] G球殼：內(nèi)徑8.65厘米，厚度3厘米；
[0021] H球殼：內(nèi)徑11.65厘米，厚度1.5厘米；
[0022] I球殼：內(nèi)徑13.15厘米，厚度1厘米；
[0023] J球殼：內(nèi)徑14.15厘米，厚度1.5厘米；
[0024] K球殼：內(nèi)徑15.65厘米，厚度2厘米。
[0025] 作為優(yōu)選:所述排氣管采用鉛玻璃制成，所述注水管采用不銹鋼制成。
[0026] -種注水排水全自動多球中子譜儀的測量方法，其特征在于:包括以下步驟：
[0027] (1)對整個裝置進行安裝，對5層空心球殼從內(nèi)到外逐層增加注滿水這五種情況的 中子響應，將響應矩陣導入數(shù)據(jù)處理單元；
[0028] (2)從內(nèi)至外依次對5層空心球殼注水，每注滿一個球殼，分別進行一次中子測量， 輸出脈沖信號，信號采集單元將脈沖信號轉換為數(shù)字信號，并依次求取每次獲得的數(shù)字信 號的計數(shù)值N1-N5，傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；
[0029] (3)數(shù)據(jù)處理單元獲取每次信號采集單元輸出的計數(shù)值形成五行一列的矩陣，與 步驟(1)導入的響應矩陣求解，獲取中子能譜并輸出到顯示單元進行顯示。
[0030] (4)停止測量，利用抽水栗抽出探測器球殼內(nèi)注入的水。
[0031]作為優(yōu)選:步驟(1)具體方式為：
[0032] (11 )5個空心球體逐層增加注滿水，構成了五種球體結構，在IOMeV-1000 MeV中子 能量的每個能量量級選取N個離散能量值對五種球體的響應函數(shù)值進行蒙特卡羅，最終形 成下式（1)中5行3N列的響應值矩陣；
[0033]
[0034] 其中Rij為探測器對中子的能量響應，i代表5個球體，j代表3N個能量離散值。
[0035] (12)將獲取的響應值矩陣導入數(shù)據(jù)處理單元。
[0036]作為優(yōu)選:步驟(2)具體方式為：
[0037] (21)從內(nèi)到外對電動閥門和空心球殼編號，電動閥門依次為Ll到L5，空心球殼依 次為第一層到第五層;打開所有電動閥門，控制器控制電機和水栗，將第一層空心球殼注滿 水，關閉Ll，對環(huán)境中子進行第1次測量，輸出脈沖信號，信號采集單元將脈沖信號轉換為數(shù) 字信號，并求取獲得的數(shù)字信號的計數(shù)值Nl，傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；
[0038] (22)控制器控制電機和水栗，將第二層空心球殼注滿水，關閉L2,對環(huán)境中子進行 第2次測量，輸出脈沖信號，信號采集單元將脈沖信號轉換為數(shù)字信號，并求取獲得的數(shù)字 信號的計數(shù)值N2，傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；
[0039] (23)控制器控制電機和水栗，將第三層空心球殼注滿水，關閉L3,對環(huán)境中子進行 第3次測量，輸出脈沖信號，信號采集單元將脈沖信號轉換為數(shù)字信號，并求取獲得的數(shù)字 信號的計數(shù)值N3，傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；
[0040] (24)控制器控制電機和水栗，將第四層空心球殼注滿水，關閉L4,對環(huán)境中子進行 第4次測量，輸出脈沖信號，信號采集單元將脈沖信號轉換為數(shù)字信號，并求取獲得的數(shù)字 信號的計數(shù)值M，傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；
[0041] (25)控制器控制電機和水栗，將第五層空心球殼注滿水，關閉L5,對環(huán)境中子進行 第5次測量，輸出脈沖信號，信號采集單元將脈沖信號轉換為數(shù)字信號，并求取獲得的數(shù)字 信號的計數(shù)值N5，傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；
[0042]作為優(yōu)選:步驟(3)具體方式為：
[0043] (31)數(shù)據(jù)處理單元轉換后的5行1列的矩陣具體為：
[0044] (2)
[0045]
[0046] (3)
[0047] 其中R41(E)為探測器中子的能量響應函數(shù)，Φ (E)為所求的中子能譜，N為探測器計 數(shù)，E為中子能量，dE為積分，M表示Nl到N5間的省略值，將上述公式離散化即：
[0048]
[0049]
[0050]
[0051]其彳 t解的中子能譜中每個計數(shù)值對應的中子能量。
[0052] (33)將中子能量轉化為能譜，并輸出到顯示單元進行顯示。
[0053]作為優(yōu)選:所述步驟(4)具體為:控制器控制L5-L1逐層打開，且在打開內(nèi)層的電控 閥門前，抽干外層空心球殼內(nèi)的水。
[0054]與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的優(yōu)點在于:與傳統(tǒng)多球系統(tǒng)相比，本實用新型提高 了對IOMeV以上中子的靈敏度，通過對單個探測器不同空氣球殼層注入水實現(xiàn)測量，避免了 人體受到中子輻照引起的傷害，通過在同一個 3He探測器測量，減少了傳統(tǒng)多球系統(tǒng)安裝的 復雜性，探測器和測量系統(tǒng)相同，因此，很好的解決了測量一致性問題；同時采用注水排水 的方式，可快速組成對不同中子能量的測量，實現(xiàn)了同一裝置測量多種中子能量的方法，有 效降低了成本。在同一個信號采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中進行信號處理，有效避免了多個信 號采集系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)造成的誤差，通過該方法，可以很好的對空間IO-1000 MeV的中 子進行能譜測量，為進一步求得中子劑量提供了重要依據(jù)。
【附圖說明】
[0055] 圖1為本實用新型的組成圖不意圖；
[0056] 圖2為本實用新型探測器的結構示意圖；
[0057]圖3a為傳統(tǒng)的聚乙烯球中子譜儀結構；
[0058] 圖3b為圖3a結構對IOe-Il~1000 MeV中子的能量響應仿真結果示意圖；
[0059] 圖4為常見的高能多球中子譜儀結構(BSE);
[0060] 圖5為本實用新型與常見多球中子譜儀在IOMeV-1000 MeV中子能譜響應仿真結果 對比示意圖；
[0061] 圖6為排氣管的主視圖。
[0062] 圖中：1、水池;2、探測器;3、排氣管;4、注水管;5、電動閥門；6、通孔。
【具體實施方式】
[0063] 下面將結合附圖對本實用新型作進一步說明。
[0064] 實施例1:參見圖1到圖6，建立如圖1所示的注水排水全自動多球中子譜儀，其中， 探測器2由半徑為19.15cm的3He球形中子探測器2和11個球殼構成，11個球殼從內(nèi)到外分別 為A球殼到K球殼，A球殼采用不銹鋼材質，其余采用鉛玻璃制成實心球殼和空心球殼，且實 心球殼和空心球殼交錯嵌套安裝;所以B球殼可以為空心球殼，也可以為實心球殼，為了便 于說明，本實施例中，假設B球殼為空心球殼，其余球殼依次交錯設置，且位于內(nèi)層的球殼外 徑等于相鄰外層的球殼內(nèi)徑。將水栗、電機與控制器連接，控制器控制電機，電機帶動水栗 的水管伸入注水管4中，并由控制器控制伸入的深度，比如伸入到某一空心球殼處。水栗與 水池1也連通，從水池1抽水向球殼注水，從球殼抽水還給水池1。
[0065] 水栗自動注水、抽水，是通過控制器完成的，預先知道空心球殼的體積，只要控制 注水或抽水的水量等于對應空心球殼的體積，就可以判斷是否注滿、或水是否排空;根據(jù)水 栗的水量和時間，即可實現(xiàn)注水量的精確控制。
[0066] 設置排氣管3，排氣管3上設有通孔6，是為了防止在注水過程中注入空氣，使空心 球殼能注滿水。注水管4也設有通孔6,方便向空心球殼注水。
[0067] 本實施例中，11個球殼的尺寸分別為：
[0068] A球殼：內(nèi)徑1.6厘米、厚度0.5厘米；
[0069] B球殼：內(nèi)徑1.65厘米、厚度1厘米；
[0070] C球殼：內(nèi)徑2.65厘米、厚度1厘米；
[0071] D球殼：內(nèi)徑3.65厘米、厚度1.5厘米；
[0072] E球殼：內(nèi)徑5.15厘米，厚度2厘米；
[0073] F球殼：內(nèi)徑7.15厘米，厚度1.5厘米；
[0074] G球殼：內(nèi)徑8.65厘米，厚度3厘米；
[0075] H球殼：內(nèi)徑11.65厘米，厚度1.5厘米；
[0076] I球殼：內(nèi)徑13.15厘米，厚度1厘米；
[0077] J球殼：內(nèi)徑14.15厘米，厚度1.5厘米；
[0078] K球殼：內(nèi)徑15.65厘米，厚度2厘米。
[0079] 建立好本實用新型所述的注水排水全自動多球中子譜儀后，我們用其進行測量， 測量方法包括以下步驟：
[0080] (1)對整個裝置進行安裝，對5層空心球殼從內(nèi)到外逐層增加注滿水這五種情況的 中子響應，將響應矩陣導入數(shù)據(jù)處理單元;具體為：
[0081 ] (11 )5個空心球體逐層增加注滿水，構成了五種球體結構，在IOMeV-1000 MeV中子 能量的每個能量量級選取N個離散能量值對五種球體的響應函數(shù)值進行蒙特卡羅，最終形 成下式（1)中5行3N列的響應值矩陣；
[OOi
[0083]其中Rij為探測器2對中子的能量響應，i代表5個球體，j代表3N個能量離散值。 [0084] (12)將獲取的響應值矩陣導入數(shù)據(jù)處理單元。
[0085] (2)從內(nèi)至外依次對5層空心球殼注水，每注滿一個球殼，分別進行一次中子測量， 輸出脈沖信號，信號采集單元將脈沖信號轉換為數(shù)字信號，并依次求取每次獲得的數(shù)字信 號的計數(shù)值N1-N5，傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng);具體方式為：
[0086] (21)從內(nèi)到外對電動閥門5和空心球殼編號，電動閥門5依次為Ll到L5，均打開，空 心球殼從內(nèi)到外依次為B、D、F、H、J球殼;打開所有電動閥門5，控制器控制電機和水栗，電機 帶動水栗的水管伸入至B球殼處，然后控制水栗注入與B球殼體積相同的水，也就是將B球殼 注滿，關閉Ll，對環(huán)境中子進行第1次測量，輸出脈沖信號，信號采集單元將脈沖信號轉換為 數(shù)字信號，并求取獲得的數(shù)字信號的計數(shù)值Nl，傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；
[0087] (22)控制器控制電機和水栗，將D球殼注滿水，關閉L2,對環(huán)境中子進行第2次測 量，輸出脈沖信號，信號采集單元將脈沖信號轉換為數(shù)字信號，并求取獲得的數(shù)字信號的計 數(shù)值N2，傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；
[0088] (23)控制器控制電機和水栗，將第F球殼注滿水，關閉L3，對環(huán)境中子進行第3次測 量，輸出脈沖信號，信號采集單元將脈沖信號轉換為數(shù)字信號，并求取獲得的數(shù)字信號的計 數(shù)值N3，傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；
[0089] (24)控制器控制電機和水栗，將第H球殼注滿水，關閉L4，對環(huán)境中子進行第4次測 量，輸出脈沖信號，信號采集單元將脈沖信號轉換為數(shù)字信號，并求取獲得的數(shù)字信號的計 數(shù)值M，傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；
[0090] (25)控制器控制電機和水栗，將J球殼注滿水，關閉L5，對環(huán)境中子進行第5次測 量，輸出脈沖信號，信號采集單元將脈沖信號轉換為數(shù)字信號，并求取獲得的數(shù)字信號的計 數(shù)值N5，傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
[0091] (3)數(shù)據(jù)處理單元獲取每次信號采集單元輸出的計數(shù)值形成五行一列的矩陣，與 步驟(1)導入的響應矩陣求解，獲取中子能譜并輸出到顯示單元進行顯示。
[0092] 具體方式為：
[0093] (31)數(shù)據(jù)處理單元轉換后的5行1列的矩陣具體為：
[009
(.2)
[0095] (32)根據(jù)中子能譜的計算公式：
[0096] (3)
[0097] 其中R41(E)為探測器2中子的能量響應函數(shù)，Φ (E)為所求的中子能譜，N為探測器2 計數(shù)，E為中子能量，dE為積分，M表示Nl到N5間的省略值，將上述公式離散化即：
[0102] (33)將中子能量轉化為能譜，并輸出到顯示單元進行顯示。其仿真結果如圖5所示(圖中mwater表示注水后水總的厚度為m厘米），圖3(a)是傳統(tǒng)的聚乙烯球中子譜儀結構，圖
[0098]
[0099]
[0100]
[0101] 3(b)是聚乙烯球對中子的能量響應，可以看出聚乙烯球對能量為20MeV以下的中子具有較 好的慢化和響應效果，且隨著聚乙烯厚度的增加探測器2的響應最大值逐漸向高能區(qū)域移 動；而圖4是常見的高能多球中子譜儀結構，圖5則將本實用新型對IO-1000 MeV中子的能量 響應與常見的高能多球中子譜儀對IO-1000 MeV中子的能量響應進行了比較(mLn分別表示 內(nèi)層聚乙烯厚度，鉛層厚度，外層聚乙烯厚度），從圖5可以看出本實用新型與常見的高能多 球中子譜儀相比，也就是和圖4結構相比，效果好于常規(guī)的三層結構，其對中子的響應隨水 厚度的增加而增加，且響應隨著中子能量增加呈現(xiàn)遞增的趨勢。因此保證了多球中子譜儀 對IOMeV以上中子有較為理想的能量響應。
[0103] (4)控制器控制L5-L1逐層打開，打開L5,抽干第五層空心球殼的水，再打開L4,抽 干第四層空心球殼的水，依次類推，直到打開所有電控閥門，抽干所有的水。
【主權項】
1. 一種注水排水全自動多球中子譜儀，其特征在于： 包括進行中子探測的探測器、注水排水系統(tǒng)、以及分析處理系統(tǒng)； 所述探測器由半徑為19.15cm的3He球形中子探測器和11個球殼構成，其中位于最內(nèi)層 的球殼采用不銹鋼制成，其內(nèi)徑等于3He球形中子探測器的外徑，其余球殼采用鉛玻璃制成 實心球殼和空心球殼，所述實心球殼和空心球殼交錯嵌套安裝，且內(nèi)層球殼外徑等于相鄰 外層球殼內(nèi)徑； 實心球殼和空心球殼的頂部設有排氣孔、底部設有注水孔，且當球殼嵌套安裝后，所有 排氣孔重疊、所有注水孔重疊，且排氣孔內(nèi)插有排氣管，注水孔內(nèi)插有注水管； 所述排氣管和注水管側壁設有通孔，均從最外層球殼插入，并與最內(nèi)層球殼的外壁接 觸;注水管內(nèi)對應實心球殼處，設有電動閥門； 所述注水排水系統(tǒng)包括水池、控制器，與控制器連接的水栗和電機，其中，水栗的水管 連接電機，由電機控制其伸入注水管內(nèi)的深度； 所述分析處理系統(tǒng)包括信號采集單元、數(shù)據(jù)處理單元和顯示單元，所述信號采集單元 輸入端與探測器連接，輸出端連接數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元輸出端連接顯示單元。2. 根據(jù)權利要求1所述的注水排水全自動多球中子譜儀，其特征在于：11個球殼從內(nèi)到 外依次為A-K球殼，尺寸分別為： A球殼：內(nèi)徑1.6厘米、厚度0.5厘米； B球殼：內(nèi)徑1.65厘米、厚度1厘米； C球殼：內(nèi)徑2.65厘米、厚度1厘米； D球殼：內(nèi)徑3.65厘米、厚度1.5厘米； E球殼：內(nèi)徑5.15厘米，厚度2厘米； F球殼：內(nèi)徑7.15厘米，厚度1.5厘米； G球殼：內(nèi)徑8.65厘米，厚度3厘米； Η球殼：內(nèi)徑11.65厘米，厚度1.5厘米； I球殼：內(nèi)徑13.15厘米，厚度1厘米； J球殼：內(nèi)徑14.15厘米，厚度1.5厘米； Κ球殼：內(nèi)徑15.65厘米，厚度2厘米。3. 根據(jù)權利要求1所述的注水排水全自動多球中子譜儀，其特征在于:所述排氣管采用 鉛玻璃制成，所述注水管采用不銹鋼制成。
【文檔編號】G01T3/00GK205581310SQ201620359762
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年4月26日
【發(fā)明人】楊劍波, 庹先國, 黃紅, 王洪輝, 成毅, 劉志, 李銳
【申請人】成都理工大學, 楊劍波