临近空间高能中子和质子能谱测量技术研究

Recently, the exploitation of near-space (the region between 20km and 100km above sea level) has given rise to national attention. However, the radiation environment of the near-space should be studied firstly, as high-energy neutron and proton in the near-space seriously imperils the safety of the aircraft at this altitude. According to the characteristic of near-space particle induced single event effects, this project proposed a new spectrometer for the high-energy neutron and proton, which involve two kinds of scintillation materials with different decay-time-constant. By the researching of system designing, particle discrimination technology and energy spectrum analysis method, this project will overcome the problem of high-energy neutron and proton detection and discrimination in the mixed field, develop the miniaturized system for near-space radiation environment. This work has great value for the revising of near-space theoretical .model and the exploitation of near space.

近年来临近空间（海平面以上20～100km的空域）的应用开发得到了世界各军事强国的高度重视。临近空间高能中子、质子对临近空间飞行器安全构成严重威胁，迫切需要开展临近空间辐射环境研究。本项目在分析临近空间辐射环境及其对电子器件损伤效应特点基础上，提出新的、基于两种不同时间常数闪烁体的、临近空间高能中子、质子谱仪设计思想。通过对谱仪系统结构设计与优化、粒子甄别方法与电路实现、能谱分析与数据处理等关键技术的研究，探索实现临近空间复杂环境下的高能、宽谱中子、质子同时探测和系统小型化设计的方法，掌握临近空间辐射环境测量技术。该项目对完善临近空间理论模型，形成辐射环境测量与预报能力具有重要意义。

临近空间的应用开发是目前世界各军事强国关注的热点之一。临近空间高能中子、质子对临近空间飞行器安全构成严重威胁，迫切需要开展临近空间辐射环境研究。本项目在分析临近空间辐射环境及其对电子器件损伤效应特点基础上，采用了多层闪烁探测器和中子多球谱仪（Bonner球）两种技术方案，建立了临近空间辐射场高能中子、质子能谱测量的物理模型；闪烁谱仪方面，研究了中子、质子与闪烁体作用规律，基于Geant4计算了关注能区中子、质子与闪烁体作用产生的次级粒子能量强度谱，获得了主要次级粒子类型、贡献大小、级联粒子比重等信息；拓展了闪烁发光修正方法适用范围，计算了发光能量谱，结果表明对闪烁体发光的贡献几乎全部来自于质子，其次为α、D和T；研究了光学模型及探测器结构参数对探测器光收集效率的影响，得到了液闪和塑闪的光收集效率差异；研究了液闪尺寸、塑闪厚度、粒子入射角度等对探测器响应的影响，并计算了探测器能量响应矩阵。Bonner球谱仪方面，研制了基于3He和BF3正比计数管的Bonner球中子谱仪，完成了慢化体设计和加工，基于MCNP5程序计算了正比计数管和Bonner球探测器的中子能量响应。粒子甄别技术方面，发展了新的基于频域的波形甄别方法，利用液闪输出中子、伽马信号频谱差异，采用选频电路拾取特征频率，进而实现粒子甄别；通过频谱分析和比较，设计了基于1MHz的单频点甄别电路和基于1MHz和15MHz 的双频点甄别电路，仿真和验证实验均表明，单频点甄别电路可实现甄别但效果较差，而双频点电路对中子、伽马粒子甄别效果较好。能谱采集分析方面，研制了用于Bonner球谱仪电压灵敏前置放大器和主放大器。研制了多道数据采集电路，开发了相应的谱分析采集软件。开展了临近空间中子理论谱计算和能谱重建算法研究，计算了临近空间中子和质子能谱，计算了探测器理论输出谱，实现了GRAVEL算法、期望最大、截断奇异值分解、联立迭代重建、Waggener迭代扰动等五种能谱重建算法，结果表明GRAVEL和期望最大值法解谱结果较优。利用加速器单能中子开展了闪烁探测器和Bonner探测器灵敏度标定工作，研究了入射粒子方向对探测器灵敏度的影响。本项目完成了临近空间中子、质子测量的关键技术研究，下一步将开展系统优化和集成研究，相关工作对于完善临近空间理论模型，形成辐射环境测量与预报能力具有重要意义。