一种中子信号的测量装置及测量方法

1.本发明涉及航天探测领域，特别涉及一种中子信号的测量装置及测量方法。


背景技术：

2.在空间环境中广泛存在的空间粒子辐射可能引起辐射损伤、航天器充放电、单粒子事件等多种有害效应，而其中的中子辐射对航天员和航天器的危害程度最大，一方面由于中子辐射是诱发单粒子效应最主要的因素，会对空间飞行器的正常运行有极大的威胁；另一方面，中子尤其是快中子的较大品质因子数导致的生物学效应会严重威胁到航天员的生命安全，因此对空间中子的有效探测在空间探测任务中具有重要意义。
3.由于中子本身呈电中性，中子在物质中不能引起直接电离，所以在中子探测过程中需要中子和原子核相互作用产生可以引起电离的次级粒子(如质子、α粒子、γ射线等)才能被记录。在实际空间辐射环境中，中子会与周围环境发生的非弹性散射、弹性散射或慢化中子的辐射俘均会产生γ射线，故在需要探测的中子附近都会存在大量的γ射线。目前中子探测中常用的方法有核反应法、核反冲法、核裂变法、核活化法、飞行时间法和晶体衍射法等。其中核反冲法通常是利用快中子和富氢材料中的氢原子发生弹性散射，中子将一部分能量传递给氢原子核成为反冲核，即反冲质子，将反冲质子作为带电粒子进行测量从而可以间接探测到中子。
4.快中子与塑料闪烁体或液体闪烁体中的氢发生弹性散射产生的反冲质子可以被闪烁体探测器本身记录，其探测效率高，时间响应快。而对中子探测干扰最大的γ光子与物质常发生光电效应、康普顿效应和电子对效应三种作用方式。为了提取更纯净的中子信号，需要对中子与γ射线进行甄别以得到更优的中子探测效果。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明提供一种甄别中子与γ射线的技术方案。
6.为了实现上述目的，本发明一方面提供一种中子信号的测量装置，包括：塑料闪烁体探测器和液体闪烁体探测器，其中塑料闪烁体探测器包括一个板状的塑料闪烁体和一个光电倍增管，液体闪烁体探测器由内含3％的气泡的液体闪烁体和一个光电倍增管；所述塑料闪烁体与中子源之间具有偏转角。
7.作为优选的一种技术方案，所述塑料闪烁体采用型号为ej228的塑料闪烁体。
8.作为优选的一种技术方案，所述液体闪烁体采用型号为ej301的液体闪烁体。
9.另一方面，本发明还提供一种中子信号的测量方法，包括以下步骤：
10.步骤1：利用上述任意一技术方案中记载的中子信号的测量装置测量测量标准信号中中子及γ射线作为训练样本；
11.步骤2：构建神经网络模型；
12.步骤3：利用训练样本训练所述神经网络模型；
13.步骤4：利用训练好的神经网络模型测量待测试样本。
14.在上述中子信号测量方法中，优选的，所述步骤1进一步包括：
15.步骤11：中子先与塑料闪烁体探测器中的氢原子核发生弹性散射产生反冲质子，产生的信号由电子学系统记录并获得飞行起始时刻
16.步骤12：散射后的中子与后端的液体闪烁体探测器发生相互作用，产生的信号由电子学系统记录获得飞行终止时刻
17.步骤13：由两个时刻计算得到的时间差为散射中子的飞行时间；
18.步骤14：根据飞行时间确定中子和γ射线。
19.在上述中子信号测量方法中，优选的，所述神经网络模型采用30
×9×
1的三层bp神经网络模型。
20.在上述中子信号测量方法中，优选的，在所述步骤4中：
21.中子和γ射线的der通过下式来计算：
[0022][0023][0024]
其中，nn和n
γ
分别为中子和γ射线的测试数，n
nbp
和n
γbp
分别为正确分类的中子和γ射线事件的数量。
[0025]
本发明相对于现有技术的有益效果是：
[0026]
1)该测量装置采用塑料闪烁体和液体闪烁体探测器，塑料闪烁体放置在距离中子源较远的距离并且设置一定的偏转角来减小中子源相对于塑料闪烁体的发射空间角，从而减小了对散射中子的干扰。而液体闪烁体体积较大，能够获得较高的探测效率，该中子探测器能够达到测量快中子信号的要求，并且具有较好的粒子鉴别能力；
[0027]
2)利用神经网络对得到的中子和γ混合信号进行处理，能够减少离线数据处理的时间，提高中子探测器的粒子甄别能力和甄别效率。
附图说明
[0028]
图1是本发明提供的一种中子信号的测量装置的示意图；
[0029]
图2是本发明提供的一种中子信号的测量方法的流程图。
具体实施方式
[0030]
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
[0031]
参照图1，本实施例提供一种中子信号的测量装置，包括一个薄板型的塑料闪烁体探测器和一个体积较大的液体闪烁体探测器，两个探测器的信号将接入一个符合电路中以获得飞行时间，并进行数据分析。塑料闪烁体探测器由一个板状的ej228塑料闪烁体(50mm*50mm*10mm)和一个h2431-50型光电倍增管组成，液体闪烁体探测器由内含3％的气泡的ej301液体闪烁体和一个h7195光电倍增管组成。信号处理系统由caen的dt5730波形数字采样器和compass软件控制系统组成。
[0032]
中子先与塑料闪烁体探测器中的氢原子核发生弹性散射产生反冲质子，产生的信
号由电子学系统记录并获得飞行起始时刻，随后散射后的中子与后端的液体闪烁体探测器发生相互作用，产生的信号由电子学系统记录获得飞行终止时刻。由两个时刻计算得到的时间差为散射中子的飞行时间。
[0033]
由于在飞行距离一定的情况下，只需测量粒子能量和飞行时间即可实现粒子鉴别，其准确性很高，故利用飞行时间法即可对得到的信号进行中子和γ射线的甄别。
[0034]
该测量装置采用塑料闪烁体和液体闪烁体探测器，塑料闪烁体放置在距离中子源较远的距离并且设置一定的偏转角来减小中子源相对于塑料闪烁体的发射空间角，从而减小了对散射中子的干扰。而液体闪烁体体积较大，能够获得较高的探测效率，该中子探测器能够达到测量快中子信号的要求，并且具有较好的粒子鉴别能力。
[0035]
参照图2，本实施例还提供一种中子信号的测量方法，该测量方法基于上述实施例记载的测量装置，具体步骤包括：1)将上述飞行时间法甄别得到的5000组中子和γ射线信号作为标准信号，即训练bp神经网络的训练样本；2)构建一个30
×9×
1的三层bp神经网络模型；3)选取1000组中子和γ混合信号作为测试样本；4)训练bp神经网络，判断误差函数mse是否达到预设精度0.01或学习次数是否大于设定的次数5000次即可结束训练过程，输出分类结果；5)计算评估bp神经网络甄别误差率(der)即由bp神经网络错误区分的事件数与测试数据集的事件总数之比，中子和γ射线的der通过下式来计算：
[0036][0037][0038]
其中，nn和n
γ
分别为中子和γ射线的测试数，n
nbp
和n
γbp
分别为正确分类的中子和γ射线事件的数量。
[0039]
由于中子和γ射线与闪烁体材料产生相互作用后，其反冲质子和电子光脉冲下降沿衰减时间不同，脉冲波形的差别主要集中在下降沿，所以bp神经网络输入层神经元数目为30，输出层神经元数目为1，隐含层神经元数目为9，构造一个30
×9×
1的三层bp神经网络。初始化给定训练网络所需的训练函数为trainlm函数(levenberg-marquardt算法)，学习函数为learngdm，设定误差函数为mse(mean squared error)，学习速率设定为0.01，显示间隔为50，最多循环5000次，动量因子设定为0.9，目标误差设定为0.01。
[0040]
该测量方法利用神经网络对得到的中子和γ混合信号进行处理，能够减少离线数据处理的时间，提高中子探测器的粒子甄别能力和甄别效率。
[0041]
值得指出的是，这里给出的方式只是作为本发明的一个具体实施方式，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。