臨近空間高能中子和質子能譜測量技術研究

《臨近空間高能中子和質子能譜測量技術研究》是依託西北核技術研究院，由譚新建擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：臨近空間高能中子和質子能譜測量技術研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：譚新建
• 依託單位：西北核技術研究院

項目摘要

近年來臨近空間（海平面以上20～100km的空域）的套用開發得到了世界各軍事強國的高度重視。臨近空間高能中子、質子對臨近空間飛行器安全構成嚴重威脅，迫切需要開展臨近空間輻射環境研究。本項目在分析臨近空間輻射環境及其對電子器件損傷效應特點基礎上，提出新的、基於兩種不同時間常數閃爍體的、臨近空間高能中子、質子譜儀設計思想。通過對譜儀系統結構設計與最佳化、粒子甄別方法與電路實現、能譜分析與數據處理等關鍵技術的研究，探索實現臨近空間複雜環境下的高能、寬譜中子、質子同時探測和系統小型化設計的方法，掌握臨近空間輻射環境測量技術。該項目對完善臨近空間理論模型，形成輻射環境測量與預報能力具有重要意義。

結題摘要

臨近空間的套用開發是目前世界各軍事強國關注的熱點之一。臨近空間高能中子、質子對臨近空間飛行器安全構成嚴重威脅，迫切需要開展臨近空間輻射環境研究。本項目在分析臨近空間輻射環境及其對電子器件損傷效應特點基礎上，採用了多層閃爍探測器和中子多球譜儀（Bonner球）兩種技術方案，建立了臨近空間輻射場高能中子、質子能譜測量的物理模型；閃爍譜儀方面，研究了中子、質子與閃爍體作用規律，基於Geant4計算了關注能區中子、質子與閃爍體作用產生的次級粒子能量強度譜，獲得了主要次級粒子類型、貢獻大小、級聯粒子比重等信息；拓展了閃爍發光修正方法適用範圍，計算了發光能量譜，結果表明對閃爍體發光的貢獻幾乎全部來自於質子，其次為α、D和T；研究了光學模型及探測器結構參數對探測器光收集效率的影響，得到了液閃和塑閃的光收集效率差異；研究了液閃尺寸、塑閃厚度、粒子入射角度等對探測器回響的影響，並計算了探測器能量回響矩陣。Bonner球譜儀方面，研製了基於3He和BF3正比計數管的Bonner球中子譜儀，完成了慢化體設計和加工，基於MCNP5程式計算了正比計數管和Bonner球探測器的中子能量回響。粒子甄別技術方面，發展了新的基於頻域的波形甄別方法，利用液閃輸出中子、伽馬信號頻譜差異，採用選頻電路拾取特徵頻率，進而實現粒子甄別；通過頻譜分析和比較，設計了基於1MHz的單頻點甄別電路和基於1MHz和15MHz 的雙頻點甄別電路，仿真和驗證實驗均表明，單頻點甄別電路可實現甄別但效果較差，而雙頻點電路對中子、伽馬粒子甄別效果較好。能譜採集分析方面，研製了用於Bonner球譜儀電壓靈敏前置放大器和主放大器。研製了多道數據採集電路，開發了相應的譜分析採集軟體。開展了臨近空間中子理論譜計算和能譜重建算法研究，計算了臨近空間中子和質子能譜，計算了探測器理論輸出譜，實現了GRAVEL算法、期望最大、截斷奇異值分解、聯立疊代重建、Waggener疊代擾動等五種能譜重建算法，結果表明GRAVEL和期望最大值法解譜結果較優。利用加速器單能中子開展了閃爍探測器和Bonner探測器靈敏度標定工作，研究了入射粒子方向對探測器靈敏度的影響。本項目完成了臨近空間中子、質子測量的關鍵技術研究，下一步將開展系統最佳化和集成研究，相關工作對於完善臨近空間理論模型，形成輻射環境測量與預報能力具有重要意義。