一种套轴同心多球中子谱仪及其测量方法、分析处理系统与流程

本发明涉及中子能谱测量领域，具体涉及一种套轴同心多球中子谱仪及其测量方法、分析处理系统。

背景技术：

近年来，加速器技术不断发展，在生活中的应用也更加广泛，尤其是在重离子治疗癌症和洁净能源方面。对加速器产生的中子周围剂量当量可以证实设备的运行是否满足要求，空间中的中子周围剂量当量也可用于人体所受有效剂量当量。并且军用民用核设施、核电站等工作场所的中子剂量当量的准确测量才能更好的保护人员健康。

多球中子谱仪系统最早由bonner等人在1960年提出，至今仍被广泛使用，它是将中子探测器搭配不同厚度的聚乙烯慢化球壳，依次测量。聚乙烯慢化球壳内部放置的球形热中子探测器为³he正比计数器，也可以使用bf3正比计数器和⁶li的正比计数器。

多球中子谱仪具有测量范围广、各向同性、便于测量等优点，因而广泛的用于测量中子能谱。多球中子系统主要针对20mev以内能区中子能谱测量，对20mev以上高能中子灵敏度较低。传统的多球由很多个独立的球壳搭配使用，在收纳、搬运方面工作繁复，不同厚度球壳的转换使用也比较复杂、耗时。

技术实现要素：

本发明提供一种套轴同心多球中子谱仪及其测量方法、分析处理系统，解决的技术问题在于：传统的多球中子谱仪无法检测20mev以上中子，并且采用多个独立的球壳搭配使用，切换复杂、耗时，在收纳、搬运方面工作繁复。

为解决上述技术问题，本发明提供一种套轴同心多球中子谱仪，包括底座、安装在所述底座上的主轴、嵌套在所述主轴上的套轴组件、套设在所述套轴组件上的同心多球外壳、连接所述套轴组件的驱动组件；所述主轴上安装有探测器；所述同心多球外壳包括至少两层厚度不同的第一球壳和至少一层第二球壳，每一层所述第一球壳由质量相同的半球形多孔金属壳和半球形非金属外壳组合而成，所述第二球壳为与所述半球形多孔金属壳材料不同的金属球壳。

本发明提供的一种套轴同心多球中子谱仪，设置套轴组件，以及套设在所述套轴组件上的同心多球外壳(每一层球壳由质量相同的半球形多孔金属壳和半球形非金属外壳组成)，并设置驱动组件对每一套轴上的球壳进行单独的自动化驱动，通过转换搭配不同厚度聚乙烯球壳的方式，可快速组成不同厚度的慢化层聚乙烯，实现对不同中子能量的测量，以提高对10mev以上中子的灵敏度，能够检测20mev以上中子，实现对0-1000mev区间中子的能谱测量，为进一步求得中子剂量提供了重要依据；并且使用同一个探测器测量，降低了传统多球系统安装的复杂性。

在进一步的实施方案中，所述探测器为中子探测器或γ射线探测器。

本方案进一步将探测器限制为中子探测器或γ射线探测器，基于中子探测器或γ射线探测器能直接测量中子计数值，便于求取对应的中子能谱。

在进一步的实施方案中，所述主轴包括直径不同的左半轴和右半轴，所述探测器安设在所述主轴的中心位置。

本方案进一步限定主轴的结构，包括左半轴和右半轴，左半轴固设在底座一侧，作为轴件主要用于供套设于其上的同心多球外壳旋转，右半轴安装在底座另一侧，作为轴件用于安装套轴组件，以进一步供套设于其上的套轴组件旋转从而带动同心多球外壳旋转。

在进一步的实施方案中，所述套轴组件包括由内至外嵌套在所述右半轴上的多层套轴，每一层所述套轴对应于一层所述第一球壳，每一层所述套轴的末端链接所述驱动组件，所述驱动组件独立驱动每一层所述套轴的转动，从而控制套接在对应所述套轴上的所述第一球壳的转动，搭配出2ⁿ种厚度供所述探测器进行中子测量，n为所述半球形非金属外壳的层数。

本方案进一步限定套轴组件的结构，套轴组件根据第一球壳的层数而设置对应层级的套轴，并将套轴的端末链接驱动组件，套轴获取驱动组件作用于每一第一球壳的旋动力而带动对应的第一球壳转动，从而实现2ⁿ种半球形非金属外壳的厚度组合，用于供探测器测量对应厚度组合的中子计数值。

在进一步的实施方案中，每一层所述套轴设有链轮，所述驱动组件包括与所述链轮链接的链条组、以及驱动所述链条组的电动机组、以及控制所述电动机组的控制器。

本方案进一步限定套轴通过链轮与驱动组件的链条组连接，两者相互配合可实现带动对应的第一球壳旋转。本方案还限定了驱动组件还包括电动机组以及控制电动机组的控制器，从而实现通过控制器控制电动机组的每一个电机而控制对应的第一球壳转动预设角度(主要是180°)，从而实现2ⁿ种半球形非金属外壳的厚度组合，用于供探测器测量对应厚度组合的中子计数值。

本发明还提供一种套轴同心多球中子谱仪的测量方法，可应用于上述一种套轴同心多球中子谱仪，包括：

通过转动不同的所述第一球壳180°，共模拟出2ⁿ种半球形非金属外壳的组合厚度，获得所述组合厚度下的响应函数矩阵，n为所述半球形非金属外壳的层数；

通过转动不同的所述第一球壳180°，共模拟出2ⁿ种半球形非金属外壳的组合厚度，基于探测器对每一种所述组合厚度的测量，获得每一种所述组合厚度下的计数值矩阵；

将所述计数值矩阵导入对应的所述响应函数矩阵，获取对应的中子能谱。

本发明提供的一种套轴同心多球中子谱仪的测量方法，可用于上述的套轴同心多球中子谱仪(或其他套轴同心多球中子谱仪)，将探测器提供的脉冲信号转化为对应的计数值矩阵，再结合中子能谱的计算公式和提前模拟的响应函数矩阵可快速求取计数值矩阵所对应的中子能谱，保证了测量的精准性和稳定性。

在进一步的实施方案中，所述获得所述组合厚度下的响应函数矩阵，具体包括：

根据模拟获得的热中子-1000mev中子能量下j个不同能群能量离散值对2ⁿ种所述组合厚度下的响应函数参考矩阵，形成所述响应函数矩阵：

其中r11-rij为探测器对中子或γ射线的能量响应，i＝2ⁿ，j代表不同能群。

本方案将不同组合厚度下的响应函数用矩阵的方式列出，展示了每一种组合厚度的能量响应，便于后期计算。

在进一步的实施方案中，所述计数值矩阵为：

其中，n1-n32分别为根据所述探测器对每一种所述组合厚度下的测量信号生成的计数值。

本方案将不同组合厚度下的探测器实际测量的技术值用矩阵的方式列出，便于后期计算。

在进一步的实施方案中，所述将所述计数值矩阵导入对应的所述响应函数矩阵，获取对应的中子能谱，具体包括：

1)将中子能谱的计算公式：

离散化得：

其中，φ(e)为所求的中子能谱，rφ(e)为模拟的中子或γ射线的能量响应函数，e表征中子能量，de为e的微分；

2)将公式(1)(2)带入公式(4)可得公式(5)：

求得即为求解的中子能谱中每个计数值对应的中子能量；

3)将求解的中子能量转化为对应的中子能谱。

本方案直接提供了中子能谱的计算公式，带入已知的模拟的响应函数矩阵和计数值矩阵，便可求取中子能量矩阵，而根据中子能量矩阵采用自动化软件便可直接输出中子能谱，从而实现了最终的中子能谱的输出。

本发明还提供一种套轴同心多球中子谱仪的分析处理系统，包括顺序连接的信号收集单元、数据处理单元和显示单元；

所述信号收集单元用于连接套轴同心多球中子谱仪的探测器，以获取所述探测器输出的脉冲信号；

所述数据处理单元用于将采集的脉冲信号转化为对应的计数值矩阵，然后执行如上述的一种测量方法，获得对应的中子能谱；

所述显示单元用于显示所述中子能谱。

本发明提供的一种套轴同心多球中子谱仪的分析处理系统，可用于上述的套轴同心多球中子谱仪(或其他套轴同心多球中子谱仪)，采用信号采集单元获取探测器的脉冲信号，进一步输入到数据处理单元，而数据处理单元按照预设的测量方法(可采用上述一种套轴同心多球中子谱仪的测量方法或其他测量方法)进行处理，获取对应的中子能谱，然后用显示单元显示，实现了在一系统中进行信号采集、数据处理、结果显示等工作，从而保证了测量一致性，避免出现现有采用多个信号采集系统与数据处理系统所导致的误差问题。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的一种套轴同心多球中子谱仪的结构示意图(下半部分竖直半剖)；

图2为本发明实施例1提供的图1中底座的结构示意图；

图3为本发明实施例1提供的图1中主轴的结构示意图；

图4为本发明实施例1提供的图1中套轴组件的竖直剖面图；

图5为本发明实施例1提供的图1中同心多球外壳的下半部分竖直剖面图；

图6为本发明实施例1提供的图1中驱动组件的竖直剖面图；

图7为本发明实施例2提供的一种套轴同心多球中子谱仪的测量方法的步骤流程图；

图8为本发明实施例3提供的一种套轴同心多球中子谱仪的分析处理系统的模块结构图。

具体实施方案

下面通过具体实施方案进一步详细的说明：

说明书附图中的附图标记包括：同心多球外壳a、套轴组件b、驱动组件c、底座1、主轴2、套轴3-7、探测器8、螺丝9、半球形聚乙烯外壳10-15、金属铅球壳13、半球形多孔不锈钢外壳16-20、链条组21、电动机组22、控制器23、分析处理系统30、信号收集单元301、数据处理单元302、显示单元303。

实施例1

为解决传统的多球中子谱仪无法检测20mev以上中子，并且采用多个独立的球壳搭配使用，切换复杂、耗时，在收纳、搬运方面工作繁复的技术问题，本发明提供一种套轴同心多球中子谱仪，至少包括底座、安装在所述底座上的主轴、嵌套在所述主轴上的套轴组件、套设在所述套轴组件上的同心多球外壳、连接所述套轴组件的驱动组件；所述主轴上安装有探测器；所述同心多球外壳包括至少两层厚度不同的第一球壳和至少一层第二球壳，每一层所述第一球壳由质量相同的半球形多孔金属壳和半球形非金属外壳组合而成，所述第二球壳为与所述半球形多孔金属壳材料不同的金属球壳。

其中所述探测器为中子探测器或γ射线探测器，测量时输出对应的脉冲信号。基于中子探测器或γ射线探测器能直接测量中子计数值，便于求取对应的中子能谱。

作为一种优选的实施方案，以同心多球外壳a为六层球壳为例，如图1所示，本发明实施例提供的一种套轴同心多球中子谱仪，包括底座1、主轴2、五层套轴3-7(套轴组件b)，五层半球形聚乙烯外壳10、11、12、14、15(半球形非金属外壳)和五层半球形多孔不锈钢外壳16-20(半球形多孔金属壳)组合而成的同心多球外壳a、设置在半球形聚乙烯外壳12、14之间的金属铅球壳13(金属球壳)，以及链条组21、电动机组22和控制器23组成的驱动组件c。

进一步地，如图2所示，所述底座1为矩形板，板下四角为四个支撑脚柱，板上左右对称分布两块支撑矩形板，左侧支撑板上端中心设有一个(比如直径为7.6cm的)半圆缺口，右侧支撑板对应位置设有一个(比如直径为4.48cm的)半圆缺口。

如图3所示，所述主轴2包括直径不同的左半轴(直径7.6cm、壁厚3mm的钢管)和右半轴(直径1.7cm的实心钢棍)，用于分别嵌合于所述底座1上左侧支撑板和右侧支撑板上的半圆缺口。左半轴和右半轴由四条对称分布的圆弧形钢条焊接连接，探测器8则安设于该圆弧形钢条的中心。所述左半轴嵌合在底座1一侧的半圆缺口中，作为轴件主要用于供套设于其上的同心多球外壳a旋转，右半轴嵌合在底座1另一侧的半圆缺口中，作为轴件用于安装套轴组件b，以进一步供套设于其上的套轴组件b旋转从而带动同心多球外壳a旋转。

如图4所示，所述套轴组件b包括5根不同尺寸的套轴7、6、5、4、3(中空钢管)，由内至外地套设在主轴2的右半轴上，每根套轴左端外壁对称焊接有两块与球壳形状相匹配的凸块，右端焊接有圆形链轮。套轴7、6、5、4、3获取驱动组件c作用于每一第一球壳的旋动力而带动对应的第一球壳转动，从而实现2ⁿ种半球形聚乙烯外壳10、11、12、14、15的厚度组合，用于供探测器8测量对应厚度组合的中子计数值。

如图5所示，所述同心多球外壳a包括由内至外嵌套在所述套轴组件上(包围所述探测器6)的半球形聚乙烯外壳10、11、12、14、15，半球形聚乙烯外壳10、11、12、14、15依次与半球形多孔不锈钢外壳16、17、18、19、20通过螺丝9连接组成完整圆球壳(第一球壳)。半球形聚乙烯外壳12、14之间为金属铅球壳13(完整的第二球壳)。每层完整球壳左端开有直径为7.6cm的圆孔，右端开有形状与套轴3、4、5、6、7凸块分别对应相同的孔。

如图6所示，所述驱动组件c包括与所述链轮链接的链条组21、以及驱动所述链条组21的电动机组22(包括5套步进电机)、以及控制所述电动机组22的控制器23，所述链条组共5根链条，分别连接每一根套轴上的齿轮和电动机组22中的一个步进电机。本实施例进一步限定套轴7、6、5、4、3通过链轮与驱动组件c的链条组21连接，两者相互配合可实现带动对应的第一球壳旋转。本实施例还限定了驱动组件c还包括电动机组22以及控制电动机组22的控制器23，从而实现通过控制器23控制电动机组22的每一个电机而控制对应的第一球壳转动预设角度(主要是180°)，从而实现2ⁿ种半球形聚乙烯外壳10、11、12、14、15的厚度组合，用于供探测器8测量对应厚度组合的中子计数值。关于控制器23如何控制步进电机运作属于已被公开的知识，本实施例不再赘述。在其他的实施例中，所述驱动组件c可以采用其他的结构，只要能驱动所述套轴上的圆形链轮转动预设角度即可。

需要特别说明的是，所述不同厚度的半球形聚乙烯外壳10、11、12、14、15，其厚度可根据实际测量要求确定，比如依次为1、2、4、8、16cm(呈等比数列排布)，与之连接的半球形多孔不锈钢外壳16、17、18、19、20质量与对应的半球形聚乙烯外壳相等。控制器23控制所述电动机组22以转动对应的所述套轴，可转换搭配半球形聚乙烯外壳与半球形多孔不锈钢外壳组成2⁵＝32种厚度聚乙烯球壳，可满足基本的测量需求。所述铅球壳13厚度为1cm。

本发明实施例提供的一种套轴同心多球中子谱仪，设置了包括多层套轴的套轴组件b，以及套设在所述套轴组件上的同心多球外壳a(每一层球壳由质量相同的半球形多孔金属壳和半球形非金属外壳组成)，并设置驱动组件c对每一套轴上的球壳进行单独的自动化驱动，通过转换搭配不同厚度聚乙烯球壳的方式，可快速组成不同厚度的慢化层聚乙烯，实现对不同中子能量的测量，能够检测20mev以上中子，实现对0-1000mev区间中子的能谱测量，为进一步求得中子剂量提供了重要依据；并且使用同一个探测器8测量，降低了传统多球系统安装的复杂性。

实施例2

参见图7，本实施例提供一种套轴同心多球中子谱仪的测量方法，可应用于实施例1所述的一种套轴同心多球中子谱仪，以半球形非金属外壳为半球形聚乙烯外壳且设置为5层为例(n＝5)，本方法具体包括步骤：

s1.通过转动不同的所述第一球壳180°，共模拟出2ⁿ种半球形非金属外壳的组合厚度，获得所述组合厚度下的响应函数矩阵，n为所述半球形非金属外壳的层数。

在该步骤中，所述获得所述组合厚度下的响应函数矩阵，具体包括：

根据模拟获得的热中子-1000mev中子能量下j个不同能群能量离散值对2ⁿ种所述组合厚度下的响应函数参考矩阵，形成所述响应函数矩阵：

其中r11-rij为探测器对中子或γ射线的能量响应，i＝2ⁿ，j代表不同能群。

本步骤将不同组合厚度下的响应函数用矩阵的方式列出，展示了每一种组合厚度的能量响应，便于后期计算。

s2.通过转动不同的所述第一球壳180°，共模拟出2ⁿ种半球形非金属外壳的组合厚度，基于探测器对每一种所述组合厚度的测量，获得每一种所述组合厚度下的计数值矩阵。

在该步骤s2中，所述计数值矩阵具体为：

其中，n1-n32分别为根据所述探测器对每一种所述组合厚度下的测量信号生成的计数值。

获取n1-n32的过程为：

①180°转动套轴7，对环境中子进行第1次测量，探测器8输出脉冲信号，将脉冲信号转换为数字信号，并求取获得的数字信号的计数值n1；

②套轴7恢复至初始位置，180°转动套轴6，对环境中子进行第2次测量，输出脉冲信号，信号采集单元将脉冲信号转换为数字信号，并求取获得的数字信号的计数值n2；

……

依次类推，每层半球形非金属外壳可贡献“有”(参与测量)和“无”(不参与测量)两个状态值，则组合厚度应当有2*2*2*2*2＝2⁵＝32种。

本步骤将不同组合厚度下的探测器实际测量的技术值用矩阵的方式列出，便于后期计算。

s3.将所述计数值矩阵导入对应的所述响应函数矩阵，获取对应的中子能谱。

该步骤s3具体包括：

1)将中子能谱的计算公式：

离散化得：

其中，φ(e)为所求的中子能谱，rφ(e)为模拟的中子或γ射线的能量响应函数，e表征中子能量，de为e的微分；

2)将公式(1)(2)带入公式(4)可得公式(5)：

求得即为求解的中子能谱中每个计数值对应的中子能量；

3)将求解的中子能量转化为对应的中子能谱。

本步骤直接提供了中子能谱的计算公式，带入已知的模拟的响应函数矩阵和计数值矩阵，便可求取中子能量矩阵，而根据中子能量矩阵采用自动化软件便可直接输出中子能谱，从而实现了最终的中子能谱的输出。

本发明实施例2提供的一种套轴同心多球中子谱仪的测量方法，可用于实施例1所述的一种套轴同心多球中子谱仪(或其他套轴同心多球中子谱仪)，将探测器8提供的脉冲信号转化为对应的计数值矩阵，再结合中子能谱的计算公式和提前模拟的响应函数矩阵可快速求取计数值矩阵所对应的中子能谱，保证了测量的精准性和稳定性。

实施例3

本发明实施例3还提供一种套轴同心多球中子谱仪的分析处理系统30，可作用于实施例1所述的一种套轴同心多球中子谱仪，如图8所示，包括顺序连接的信号收集单元301、数据处理单元302和显示单元303。

所述信号收集单元301用于连接套轴同心多球中子谱仪的探测器8，以获取所述探测器8输出的脉冲信号。所述信号收集单元301可采用数据传输线，连接在探测器8的信号输出端和数据处理单元302的信号输入端之间；或者，采用无线网络通讯模块，和探测器8的无线网络通讯模块进行交互，可获取对应的脉冲信号。

所述数据处理单元302用于将采集的脉冲信号转化为对应的计数值矩阵，然后执行实施例2所述的一种套轴同心多球中子谱仪的测量方法，获得对应的中子能谱。所述数据处理单元302多为mcu处理器，而具体的计算可通过搭载在该mcu处理器上的软件实现，更具体是通过软件编写计算程式(上述实施例2所述的测量方法)，从而在一获取到信号收集单元301的脉冲信号后直接计算得到对应的中子能谱。

所述显示单元303用于显示所述中子能谱，采用显示器便能实现。

在实际的应用中，所述分析处理系统30多集成在一台电脑(集成有各种信号输入口、处理主板和显示器)中，而针对每个单元设置一个单独的设备或只集成两个单元在一个设备中，设备之间进行信息交互，这也是一种实施方案，也在本发明的保护范围内。

本发明实施例3提供的一种套轴同心多球中子谱仪的分析处理系统30，用于实施例1的套轴同心多球中子谱仪(或其他套轴同心多球中子谱仪)，采用信号采集单元301获取探测器8的脉冲信号，进一步输入到数据处理单元302，而数据处理单元302按照预设的测量方法(可采用实施例2所述的一种套轴同心多球中子谱仪的测量方法或其他测量方法)进行处理，获取对应的中子能谱，然后用显示单元303显示，实现了在一系统中进行信号采集、数据处理、结果显示等工作，从而保证了测量一致性，避免出现现有采用多个信号采集系统与数据处理系统所导致的误差问题。

以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方案等记载可以用于解释权利要求的内容。