本發(fā)明屬于輻射測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于強(qiáng)伽馬脈沖背景下準(zhǔn)確測量弱伽馬脈沖特征的閃爍探測系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

由光電倍增管(PMT)配合閃爍體構(gòu)成的閃爍探測系統(tǒng)是脈沖輻射場波形測量中應(yīng)用最廣的一類探測系統(tǒng)。其主要組成結(jié)構(gòu)為閃爍體、光收集部分及光電轉(zhuǎn)換器件，它的工作過程是當(dāng)輻射脈沖進(jìn)入閃爍體，其中的原子受激產(chǎn)生熒光，利用光收集部件將熒光收集照射到PMT光陰極表面，光子在光陰極上打出光電子，光電子在各倍增極上倍增，被陽極收集輸出電流信號，通過測量分析這些電信號的特征對脈沖輻射波形的類別、強(qiáng)度、能量等參數(shù)做出診斷。

在空間輻射探測中，伽馬暴的探測是一個難點(diǎn)問題。通常的探測方法是：采用塑料閃爍體將伽馬射線轉(zhuǎn)換成光信號，再通過光電倍增管將其轉(zhuǎn)化為電信號，電信號被高速ADC采集記錄并存儲下來。但是，伽馬暴往往不是一個時間、數(shù)目穩(wěn)定的單脈沖事件，通常由一連串的伽馬脈沖組成，而且每個伽馬脈沖之間的強(qiáng)度變化較大，時間間隔較短，甚至達(dá)到ns量級。當(dāng)強(qiáng)伽馬脈沖到達(dá)時，閃爍體與之相互作用發(fā)出的光會使光電倍增管飽和，而飽和后的光電倍增管有μs量級的死時間，無法對之后到達(dá)的弱伽馬脈沖與閃爍相互作用發(fā)出的光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化，從而無法對弱伽馬脈沖進(jìn)行準(zhǔn)確的探測。

脈沖伽馬暴輻射場測量實(shí)施過程中，要實(shí)現(xiàn)對強(qiáng)伽馬脈沖背景下的弱伽馬脈沖的測量，解決辦法可以從兩個方面考慮：一方面，在強(qiáng)伽馬脈沖到達(dá)的時間采用射線屏蔽的手段，使閃爍體不與伽馬射線相互作用而發(fā)光，然后在弱伽馬脈沖到達(dá)時移除屏蔽；另一方面，采用一定的光屏蔽手段使強(qiáng)伽馬脈沖與閃爍體相互作用而發(fā)出的光不能到達(dá)光電倍增管，然后在弱伽馬脈沖到達(dá)時移除屏蔽。考慮到伽馬暴的伽馬脈沖之間的時間間隔為ns量級，射線屏蔽的方案需要一定厚度的鉛磚等伽馬射線屏蔽材料，但目前的技術(shù)手段很難在ns時間內(nèi)移除屏蔽，第二種思路中采用的光屏蔽的技術(shù)手段需要一種材料在ns量級內(nèi)控制光的通過與截止，從而使閃爍探測系統(tǒng)能在弱伽馬脈沖達(dá)到閃爍體時使光能到達(dá)光電倍增管，這種能在ns量級內(nèi)控制光開關(guān)的材料是本技術(shù)方案中解決強(qiáng)伽馬脈沖背景下弱伽馬脈沖測量問題的關(guān)鍵。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種用于在強(qiáng)伽馬脈沖背景下準(zhǔn)確測量弱伽馬脈沖特征的閃爍探測系統(tǒng)及方法，用于解決在強(qiáng)伽馬脈沖背景下，光電倍增管因?yàn)轱柡蜔o法測量之后到達(dá)的弱伽馬脈沖的技術(shù)問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案：提供一種測量弱伽馬脈沖的閃爍探測系統(tǒng)，其特殊之處在于：包括依次排列在射線入射方向上的閃爍體，光限幅器，濾光片，光電倍增管，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和激光光源，所述光電倍增管的信號輸出端分出兩路信號，一路與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入端通過信號電纜連接，另一路接入激光光源。

上述射線是兩個脈沖時間間隔為50ns-200ns的伽馬脈沖，每個伽馬脈沖的時間寬度為幾十納秒到幾百納秒，強(qiáng)度由強(qiáng)到弱，峰值強(qiáng)度最大相差3個量級。

上述閃爍體的衰減時間在ns量級。

上述激光光源的功率能達(dá)到光限幅器所采用的非線性光學(xué)材料的限幅閾值，激光光源選用的光的波長與閃爍體峰值波長之差大于50nm。

上述光限幅器為損傷閾值與限幅閾值之比大于4個量級的非線性光學(xué)材料，上述光限幅器在光限幅狀態(tài)時對閃爍體發(fā)光波長范圍的光的透過率為1％到0.1％。

上述濾光片是一種帶通濾光片，能透過閃爍體閃爍光波長范圍的光，對閃爍體峰值波長的透過率50％以上，而對激光光源對應(yīng)波長的光的透過率小于0.001％。

上述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由示波器記錄信道或高速數(shù)據(jù)采集電路構(gòu)成。

本發(fā)明還提供一種測量弱伽馬脈沖的閃爍探測系統(tǒng)的方法，包括以下步驟：

1)設(shè)計光電探測器：根據(jù)將要測量的脈沖輻射波形信號特征，對構(gòu)成探測器的器件進(jìn)行設(shè)計選型，對預(yù)標(biāo)定靈敏度范圍進(jìn)行計算，并按照預(yù)標(biāo)定范圍在相關(guān)輻射模擬裝置和放射源上對探測器的伽馬靈敏度進(jìn)行刻度；

2)搭建探測系統(tǒng)：閃爍體，光限幅器，濾光片，光電倍增管依次排列在射線入射的方向上，光電倍增管的信號輸出端分出兩路信號，一路與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入端通過信號電纜連接，另一路接入激光光源；

3)信號測量過程：

3.1)伽馬脈沖信號到達(dá)前，激光光源發(fā)射激光照射光限幅器，使之達(dá)到限幅狀態(tài)，由于濾光片的存在，激光照射在限幅器上散射的光不能到達(dá)光電倍增管的光電面，此時探測器不輸出信號；

3.2)當(dāng)兩個的由強(qiáng)到弱的伽馬脈沖到達(dá)閃爍體時，首先是強(qiáng)伽馬脈沖到達(dá)，由于光限幅器的限幅作用，強(qiáng)伽馬脈沖與閃爍體相互作用發(fā)出的光穿過光限幅器時被削弱2-3個量級，只有百分之一到千分之一的光能進(jìn)入到光電倍增管的光電面，此時光電倍增管探測到信號，同時此信號作為外部觸發(fā)信號傳輸?shù)郊す夤庠纯刂破潢P(guān)閉，激光器關(guān)閉，光限幅器的光限幅作用消失；

3.3)當(dāng)弱伽馬脈沖到達(dá)閃爍體時，此時光限幅器處于透明狀態(tài)，探測器探測到的信號是強(qiáng)伽馬脈沖之后的弱伽馬脈沖產(chǎn)生的信號。

上述觸發(fā)信號傳到激光器的時間與激光器關(guān)閉的時間不超過50ns。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、測量技術(shù)方面，實(shí)現(xiàn)了在強(qiáng)伽馬脈沖背景下測量弱伽馬脈沖的目的；

2、測量方法方面，采用了光限幅器以達(dá)到在ns量級控制光開關(guān)的作用，同時具有較高的消光比；

3、測量方法方面，采用了強(qiáng)伽馬脈沖信號觸發(fā)的方式控制激光光源的開關(guān)，減小了激光光源開閉的時間誤差。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置的示意圖；

圖2為富勒烯功率光限幅曲線；

圖3為富勒烯能量光限幅曲線；

圖4為未限幅前的輸出波形；

圖5為限幅后的輸出波形。

圖中，1-脈沖伽馬射線源，2-閃爍體，3-光限幅器，4-濾光片，5-光電倍增管，6-激光光源，7-數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

下圖結(jié)合附圖說明和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

如圖1所述，閃爍體為ST401塑料閃爍體，直徑φ50mm，厚度3mm，距射線源2m。光電倍增管為ET公司生產(chǎn)的9815系列光電倍增管，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為示波器。

當(dāng)伽馬脈沖到達(dá)之前，外部激發(fā)激光一直對準(zhǔn)光限幅器，此時幾乎沒有光進(jìn)入到光電倍增管，當(dāng)強(qiáng)伽馬脈沖到達(dá)時，探測器探測到信號的同時給控制激光一個關(guān)閉觸發(fā)信號，激光器關(guān)閉，光限幅器的光限幅作用消失，此過程在50ns以內(nèi)的時間完成，完成后探測系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，此時弱伽馬脈沖到達(dá)光電倍增管，弱伽馬脈沖的時間-強(qiáng)度關(guān)系轉(zhuǎn)化為電流信號傳輸?shù)绞静ㄆ鞅煌暾赜涗浵聛怼D4為未限幅前的輸出波形，未采用限幅器前，強(qiáng)伽馬脈沖的輸出波形峰值是弱伽馬峰的100倍以上，采集系統(tǒng)的量程不能兼顧強(qiáng)伽馬脈沖波形和弱伽馬脈沖波形的測量，圖5為限幅后的輸出波形，限幅后，強(qiáng)伽馬脈沖的輸出波形峰值和弱伽馬峰的峰值強(qiáng)度在10倍以內(nèi)，能被一個采集系統(tǒng)同時采集。

光限幅技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種用于激光防護(hù)的新型技術(shù)，其技術(shù)核心是發(fā)明并應(yīng)用了一些非線性光學(xué)材料(包括半導(dǎo)體材料，有機(jī)金屬化合物、液晶、富勒烯及其衍生物、納米材料、無機(jī)金屬團(tuán)簇化合物等)，這些材料的顯著特性是，在外來激光的作用下，隨著激發(fā)光強(qiáng)的增加，材料的吸收系數(shù)隨之增大，使光的透過率降低(一般對可見光和近紅外光有較強(qiáng)的限幅作用)。以富勒烯為例，文獻(xiàn)中研究的限幅方式可分為功率光限幅以及能量光限幅兩種，富勒烯功率光限幅曲線見附圖2，能量光限幅曲線見附圖3，兩種方式區(qū)別是激光光源提供激光的方式不同，功率光限幅為持續(xù)輻照，提供恒定的光功率，能量光限幅測試條件是在532nm波長下的激光，輻照時間8ns條件下的限幅曲線。兩種限幅方式下，富勒烯非線性光學(xué)材料的限幅原理相同：在可見光和近紅外這一寬廣的波段范圍內(nèi)，富勒烯分子的激發(fā)態(tài)吸收截面大于其基態(tài)吸收截面，在這一波段范圍內(nèi)的激光激發(fā)下，其吸收系數(shù)隨激光光強(qiáng)的增加而增大，光的透過率顯著降低，從而達(dá)到了限幅的作用。