监测空间质子辐射有效剂量的探测器及探测器获取方法

摘要

本发明公开了一种监测空间质子辐射有效剂量的探测器，包括闪烁体，光电倍增管组件，沉积能量调节圈，沉积能量调节圈为被两个同心且具有不同大小立体角的内外圆锥面所截成的球壳，闪烁体外围活动设有若干个沉积能量调节圈，若干个沉积能量调节圈的外表面的半径不相等，通过调节沉积能量调节圈的外表面积和外表面半径的大小调节质子在闪烁体内沉积的能量，还公开了一种监测空间质子辐射有效剂量的探测器的获取方法以及利用监测空间质子辐射有效剂量的探测器进行空间质子辐射有效剂量监测的系统及方法，解决了利用实用量评估质子有效剂量和利用空间质子能谱计算有效剂量存在的困难，在空间辐射危害评价中具有重要应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及辐射监测技术领域，特别是涉及一种监测空间质子辐射有效剂量的探测器及探测器获取方法，以及空间质子辐射有效剂量的监测方法及系统。

背景技术

目前载人航天器的主要运行轨道为400km左右，该高度轨道上绝大部分质子的能量在几个MeV～400MeV之间，航天员的受照条件可近似认为各向同性。0.1MeV～400Mev的质子约占空间电离辐射总量的87％，是造成宇航员辐射伤害的重要源项。

目前国内、国际上对质子辐射剂量监测采用的方法分为主动测量方法与被动测量方法，所用探测器有组织等效电离室、正比计数器、荧光探测器等，所监测量是吸收剂量与剂量当量。而且，现有对质子的剂量监测主要是针对吸收剂量与剂量当量，用于评估随机性效应发生几率的有效剂量的实时监测还未有涉及。

利用空间质子能谱可计算出质子辐射有效剂量，空间质子从4π方向入射，目前精确测量4π方向空间质子能谱还存在较大困难。国内探测器只能在某一方向、某一确定大小立体角内测量几个能段的质子通量信息，难以满足空间电离辐射剂量评估需求。国外综合28颗卫星的监测结果得到的质子最新辐射模型为AP9，其中低高度质子通量偏差达到10倍。而且辐射模型AP9本身并不完善，主要体现在：1.这些卫星的轨道并没有覆盖整个近地空间，监测区域上存在空白；2.这些模型是平均、静态模型，不能反映真实辐射带的复杂结构细节，及涨落较大的动态变化；3.这些测量都是对单种粒子进行的。

对于光子和中子，可由定义的可测量—实用量来评估有效剂量，如用于场所监测的周围剂量当量H*(10)，用于个人监测的个人剂量当量Hp(10)，均可有效评估光子、中子辐射有效剂量。质子与物质的相互作用不同于光子和中子，一定能量的质子在物质中有确定的射程。低能质子射程短，对应的实用量为零， 但其有效剂量并不为零，这使得定义在ICRU球或人体组织内确定深度的实用量概念不能有效评估质子有效剂量。

对于民航飞行人员宇宙辐射的监测，目前已有美国联邦航空署FAA的CARI、欧洲的FLUKA等程序可直接模拟计算航空公司飞行人员受宇宙辐射的有效剂量。航空公司飞行人员最高飞行高度为26000m左右，因此CARI等程序能够计算的飞行高度上限为26000米左右；载人航天不同于民航飞行，目前载人航天器的主要运行轨道为400km左右，辐射环境不同于民航飞行航线上的辐射环境，超出了CARI等程序的适用范围，而且CARI等程序得到的是模拟计算的结果，与真实情况有差别，不能实现对有效剂量的实时监测。

为实现人体受辐射有效剂量的实时测量，现有技术中有通过蒙特卡洛模拟，计算出组织或器官模型中多个点的吸收剂量平均值作为整个组织或器官的平均吸收剂量，然后通过蒙卡模拟计算在该组织器官中找到一个点，该点的吸收剂量与整个组织或器官的平均吸收剂量值相等，然后将探测器放于该点，探测器测得的结果代表了整个组织或器官的平均吸收剂量。最后根据有效剂量的计算公式计算得到有效剂量，有效剂量的计算公式为：

$E=\underset{T}{\Sigma }{w}_T\underset{R}{\Sigma }{w}_R{D}_{T,R}=\underset{T}{\Sigma }{w}_T{H}_T$

其中，w_T是组织或器官T的权重因子，w_R是辐射R的权重因子，D_T，R是组织或器官T内的平均吸收剂量。该方法存在以下缺点：(1)模拟计算是在拟人体模上进行的，为得到正确的监测结果，拟人体模必须制作的和真实人体非常接近，这难以做到；(2)整个测量装置包括了拟人体模，体积、重量太大，实际应用不方便，在某些对测量装置小型化要求较高的场合如载人航天器中难以实际应用；(3)代表整个组织或器官平均吸收剂量的点可能会随入射粒子能量不同而不同，不适用于所有能量，导致最终测量结果不准确；(4)整个装置需要较多探测器，形成较多的测量通道，非常复杂，并且只要一个探测器发生故障，整个装置就无法使用，整个测量装置稳定性差。

鉴于通过实用量评估质子有效剂量与通过空间质子能谱计算有效剂量所存在的困难和目前空间质子辐射有效剂量实时监测领域的空白，设计能够直接测量空间质子辐射有效剂量的探测器对于保障宇航员辐射安全十分关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种监测空间质子辐射有效剂量的探测器及探测器获取方法、和一种空间质子辐射有效剂量监测系统及方法，该监测系统及方法采用有探测器获取方法获取的监测空间质子辐射有效剂量的探测器能够直接监测空间质子辐射有效剂量，解决了利用实用量评估质子有效剂量和利用空间质子能谱计算有效剂量存在的困难，在空间辐射危害评价中具有重要应用价值。

为实现上述目的，本发明提供了一种监测空间质子辐射有效剂量的探测器，包括：

闪烁体，所述闪烁体为球形闪烁体；

光电倍增管组件，所述光电倍增管组件通过光导与所述闪烁体相连接；

沉积能量调节圈，所述沉积能量调节圈为被两个同心且具有不同大小立体角的内外圆锥面所截成的球壳，所述球壳的内表面半径与所述闪烁体的半径相等；

所述闪烁体外围活动设有若干个所述沉积能量调节圈，若干个所述沉积能量调节圈的外表面的半径不相等，通过调节所述沉积能量调节圈的外表面积和外表面半径的大小调节质子在所述闪烁体内沉积的能量。

可选的，所述闪烁体为塑料闪烁体，所述闪烁体的发射光谱峰值范围为395nm-425nm，折射率为1.58，密度为1.05g/cm³。

可选的，所述光导的材质为有机玻璃，所述光导的外表面包设有反射层，所述反射层为二氧化钛。

可选的，所述闪烁体的外表面包设有反射层，所述反射层为二氧化钛。

可选的，所述沉积能量调节圈的材质为铜。

本发明的另一目的在于提供一种监测空间质子辐射有效剂量的探测器的获取方法，包括：

调节沉积能量调节圈的外表面积和外表面半径的大小；

利用蒙特卡洛程序计算探测器中闪烁体内质子沉积的能量W；

计算若干个能量点下沉积能量与有效剂量的转换系数r＝E_ISO/W；

判断沉积能量与有效剂量的转换系数r的最大偏差是否超过10％，获得判 断结果；

判断结果表示是时，重新调节所述沉积能量调节圈的外表面积和外表面半径的大小，并重新进行计算；

当判断结果表示否时，所述沉积能量调节圈的外表面积和外表面半径的大小所确定的探测器为监测空间质子辐射有效剂量的探测器，结束计算。

可选的，所述判断沉积能量与有效剂量的转换系数r的最大偏差是否超过10％，具体为：判断探测器能量响应曲线与ICRP116号报告质子有效剂量—注量转换曲线的偏差是否超过10％。

本发明的又一目的在于提供一种空间质子辐射有效剂量监测系统，包括：

监测空间质子辐射有效剂量的探测器，所述探测器包括闪烁体，所述闪烁体为球形闪烁体；光电倍增管组件，所述光电倍增管组件通过光导与所述闪烁体相连接；沉积能量调节圈，所述沉积能量调节圈为被两个同心且具有不同大小立体角的内外圆锥面所截成的球壳，所述球壳的内表面半径与所述闪烁体的半径相等；所述闪烁体外围活动设有若干个所述沉积能量调节圈，若干个所述沉积能量调节圈的外表面的半径不相等，通过调节所述沉积能量调节圈的外表面积和外表面半径的大小调节质子在所述闪烁体内沉积的能量；

与所述光电倍增管组件依次连接的前置放大器、主放大器、多道分析器及计算机，计算机用于获取所述探测器监测的数据。

本发明的又一目的在于提供一种空间质子辐射有效剂量的监测方法，利用空间质子辐射有效剂量监测系统进行监测，

所述监测方法包括：

获取探测器闪烁体内的沉积能量E_P；

获取质子在所述闪烁体内沉积能量为E_P时的探测器道数响应L；

获取空间质子辐射有效剂量监测系统监测时探测器L_i能道内的计数N_i；

根据有效剂量计算公式计算有效剂量，所述有效剂量公式为：E＝r×k×ΣN_iL_i；其中，r为沉积能量与有效剂量的转换系数r＝E_ISO/W，k为质子在所述闪烁体内沉积能量E_P与质子在所述闪烁体内沉积能量为E_P时的探测器道数响应L的转换关系：k＝E_p/L。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供 的监测空间质子辐射有效剂量的探测器的闪烁体采用球形闪烁体，能够实现4π方向质子辐射有效剂量的实时监测，探测器监测区域无限制，并且偏差小。发明提供的探测器能量响应曲线与ICRP116号报告质子有效剂量—注量转换曲线在10％误差内一致，可实现对有效剂量的直接测量，避免了利用人体模型监测所存在的误差，而且省去了制作人体模型的成本，以及克服了制作和真实人体十分接近的拟人体模所存在的困难。

本发明提供的空间质子辐射有效剂量监测系统，采用监测空间质子辐射有效剂量的探测器进行有效剂量的监测，能够在4π方向内对人体所受辐射有效剂量进行实时监测，探测器监测区域无限制，并且偏差小。提高了有效剂量监测的精度，使监测到的有效剂量更符合实际人体所受的质子辐射的有效剂量。并且该系统中并没有包含人体模型，减少了人体模型制作成本，缩小了整个监测系统的体积。

本发明提供的空间质子辐射有效剂量的监测方法，采用监测空间质子辐射有效剂量监测系统进行有效剂量的监测，通过蒙特卡洛模拟计算调节沉积能量调节圈的外表面积和外表面半径的大小以改变探测器中闪烁体内质子的沉积能量，并采集该闪烁体内质子的沉积能量，计算沉积能量与有效剂量的转换系数r，反复调节沉积能量调节圈的外表面积和外表面半径的大小以使沉积能量与有效剂量的转换系数r的最大偏差不超过10％，使探测器能量响应曲线与ICRP116号报告质子有效剂量—注量转换曲线在10％偏差内一致，以获得更符合实际的辐射有效剂量，利用本发明的监测方法监测的质子辐射有效剂量更精确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的监测空间质子辐射有效剂量的探测器的截面结构示意图；

图2为在ICRP116号报告发布的不同照射条件下质子有效剂量—注量转 换曲线图；

图3为本发明实施例提供的监测空间质子辐射有效剂量探测器的获取方法的流程图；

图4为本发明实施例提供的空间质子辐射有效剂量的监测方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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做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。

本发明提供了一种监测空间质子辐射有效剂量的探测器，如图1所示，包括：

闪烁体1，闪烁体1为球形闪烁体；

光电倍增管组件2，光电倍增管组件2通过光导3与闪烁体1相连接；

沉积能量调节圈4，沉积能量调节圈4为被两个同心且具有不同大小立体角的内外圆锥面所截成的球壳，球壳的内表面半径与闪烁体2的半径相等；

闪烁体2外围活动设有若干个沉积能量调节圈4，若干个沉积能量调节圈4的外表面的半径不相等，通过调节沉积能量调节圈4的外表面积和外表面半径的大小调节质子在闪烁体1内沉积的能量。

本实施方式提供的监测空间质子辐射有效剂量的探测器的闪烁体采用球形闪烁体，能够实现4π方向质子辐射有效剂量的实时监测，探测器监测区域无限制，并且偏差小。而且，本发明提供的探测器能量响应曲线与ICRP116号报告质子有效剂量—注量转换曲线在10％误差内一致，可实现对有效剂量的直接测量，避免了利用人体模型监测所存在的误差，而且省去了制作人体模型的成本，克服了制作和真实人体十分接近的拟人体模所存在的困难。

作为一种可选的实施方式，闪烁体为塑料闪烁体，闪烁体的发射光谱峰值范围为395nm-425nm，折射率为1.58，密度为1.05g/cm³。本实施方式中的闪烁体采用北京高能科迪科技有限公司生产的HND-S2型塑料闪烁体，由该型号闪烁体制成的半径为22.5mm的球形塑料闪烁体，HND-S2型塑料闪烁体的发 射光谱峰值范围较宽，为395-425nm，HND-S2型塑料闪烁体的相对发光效率为蒽晶体的50％-60％，快成分发光衰减时间为2.4ns，衰减长度>2m；该闪烁体折射率为1.58，密度1.05g/cm3，碳氢个数比为1.1:1，软化温度为75°～80°，该塑料闪烁体发光光谱峰值波长与H6533型光电倍增管组件的响应光谱峰值波长一致，使得该闪烁体能够与光电倍增管组件光谱响应配合良好，能够更准确的监测质子辐射的有效剂量。

作为一种可选的实施方式，为使闪烁体1发射的光能够均匀、有效地收集在光电倍增管组件2的光阴极上，采用光导3作为中间过渡，光导3的材质为有机玻璃，光导3的外表面包设有反射层，反射层为二氧化钛。本实施方式采用二氧化钛作为反射层，是因为二氧化钛与质子反应截面小，使模拟计算结果精确度高。

作为一种可选的实施方式，闪烁体1的外表面包设有反射层，反射层为二氧化钛。以增强闪烁体的反射效果。作为一种可选的实施方式，沉积能量调节圈2的材质为铜。铜对质子的阻止本领较高，选择铜作为沉积能量调节圈2材料，可减小探测器重量与体积。

本发明的另一目的在于提供一种监测空间质子辐射有效剂量的探测器的获取方法，如图3所示，包括：

步骤301：调节沉积能量调节圈的外表面积和外表面半径的大小；

步骤302：利用蒙特卡洛程序计算探测器中闪烁体内质子沉积的能量W；

步骤303：计算若干个能量点下沉积能量与有效剂量的转换系数r＝E_ISO/W；

步骤304：判断沉积能量与有效剂量的转换系数r的最大偏差是否超过10％，获得判断结果；

判断结果表示是时，重新调节沉积能量调节圈的外表面积和外表面半径的大小，并重新进行计算；

当判断结果表示否时，沉积能量调节圈的外表面积和外表面半径的大小所确定的探测器为监测空间质子辐射有效剂量的探测器，结束计算。

由该获取方法获得的探测器的能量响应曲线与ICRP116号报告质子有效剂量—注量转换曲线在10％误差内一致，可实现对有效剂量的直接测量，避免 了利用人体模型监测所存在的误差，而且省去了制作人体模型的成本，克服了制作和真实人体十分接近的拟人体模所存在的困难。

作为一种可选的实施方式，判断沉积能量与有效剂量的转换系数r的最大偏差是否超过10％，具体为：判断探测器能量响应曲线与ICRP116号报告质子有效剂量—注量转换曲线的偏差是否超过10％。

本发明的另一目的在于提供一种空间质子辐射有效剂量监测系统，包括：

监测空间质子辐射有效剂量的探测器，探测器包括闪烁体1，闪烁体1为球形闪烁体；光电倍增管组件2，光电倍增管组件2通过光导3与闪烁体1相连接；沉积能量调节圈4，沉积能量调节圈4为被两个同心且具有不同大小立体角的内外圆锥面所截成的球壳，球壳的内表面半径与闪烁体的半径相等；闪烁体1外围活动设有若干个沉积能量调节圈4，若干个沉积能量调节圈4的外表面的半径不相等，通过调节沉积能量调节圈4的外表面积和外表面半径的大小调节质子在闪烁体1内沉积的能量；

与光电倍增管组件依次连接的前置放大器、主放大器、多道分析器及计算机，计算机用于获取探测器监测的数据。

本发明提供的空间质子辐射有效剂量监测系统，采用监测空间质子辐射有效剂量的探测器进行有效剂量的监测，能够实现4π方向质子辐射有效剂量的实时监测，探测器监测区域无限制，并且偏差小。提高了有效剂量监测的精度，使监测到的有效剂量更符合实际人体所受的质子辐射的有效剂量。并且该系统中并没有包含人体模型，省去了人体模型制作成本，缩小了整个监测系统的体积。

有效剂量直接测量存在困难，但是可通过蒙特卡洛方法模拟计算得到。ICRP(国际放射防护委员会)于2010年发布的第116号报告基于最新拟人体模模拟计算得到了在不同照射条件下单位注量质子有效剂量，如图2所示。图中横坐标为质子能量，纵坐标为单位质子注量有效剂量，不同形状的点代表不同的照射条件，其中，AP为正面照射，PA为背面照射，LLAT为左面照射，RLAT为右面照射，ROT为旋转照射，ISO为各向同性辐射。

根据ICRP116号报告发布的有效剂量—注量转换系数，若已知空间质子能谱，可直接计算质子辐射有效剂量。MCNPX(Monte Carlo N-Particle eXtended) 程序由MCNP4B发展而来，结合了LAHET等程序，是对MCNP的一个扩展，最重要的部分是其中加入了对重带电粒子的输运。如图2所示，对于某一能量质子，根据ICRP(International Commission on Radiological Protection，国际辐射防护委员会)116号报告，单位注量各向同性质子辐射场有效剂量为E_ISO(单位：pSv)，根据MCNPX程序计算结果，由MCNPX程序中F6卡记录的质子在闪烁体内的沉积能量W(单位：MeV)，质子的沉积能量—有效剂量转换关系为：

r＝E_ISO/W

探测器质子的实时沉积能量—道数关系可由实验标定：

k＝E_p/L

L为质子在闪烁体内的实时沉积能量E_p时的探测器道数响应，即能道。实际测量有效剂量时，质子在探测器闪烁体内的总沉积能量为

$Ea=k\times \underset{i}{\Sigma }{N}_i{L}_i$

式中N_i为L_i能道的计数。根据探测器质子的沉积能量—有效剂量的转换关系，可得到有效剂量为

$E=r\times k\times \underset{i}{\Sigma }{N}_i{L}_i$

为准确测量有效剂量，质子的沉积能量—有效剂量转换系数r应为一常数，不随入射质子能量而改变，即在各种能量下，质子在闪烁体内沉积能量与有效剂量成正比。在闪烁体外围以不同面积、不同厚度的沉积能量调节圈，调节沉积能量调节圈的外表面积和外表面半径的大小来调节质子在闪烁体中沉积的能量W，反复调节，最终使在(20～400)MeV 11个能量点下质子沉积能量—有效剂量转换系数r最大偏差不超过10％，质子沉积能量—有效剂量转换系数r在80MeV的能量点处归一，探测器能量响应曲线与ICRP116号报告发布的质子有效剂量—注量转换曲线相似，通过探测器的能量响应来模拟有效剂量—注量转换系数的能量响应，最终获得质子辐射的有效剂量。

基于上述内容，本发明提供了一种空间质子辐射有效剂量的监测方法，利用空间质子辐射有效剂量监测系统进行监测，所述空间质子辐射有效剂量监测系统包括：

监测空间质子辐射有效剂量的探测器，探测器包括闪烁体1，闪烁体1为 球形闪烁体；光电倍增管组件2，光电倍增管组件2通过光导3与闪烁体1相连接；沉积能量调节圈4，沉积能量调节圈4为被两个同心且具有不同大小立体角的内外圆锥面所截成的球壳，球壳的内表面半径与闪烁体1的半径相等；闪烁体1外围活动设有若干个沉积能量调节圈4，若干个沉积能量调节圈4的外表面的半径不相等，通过调节沉积能量调节圈4的外表面积和外表面半径的大小调节质子在闪烁体1内沉积的能量；

与光电倍增管组件2依次连接的前置放大器、主放大器、多道分析器及计算机，计算机用于获取所述探测器监测的数据；

如图4所示，所述监测方法包括：

步骤401：获取探测器闪烁体内的沉积能量E_P；

步骤402：获取质子在闪烁体内沉积能量为E_P时的探测器道数响应L；

步骤403：获取空间质子辐射有效剂量监测系统监测时探测器L_i能道内的计数N_i；

步骤404：根据有效剂量计算公式计算有效剂量，有效剂量公式为：E＝r×k×ΣN_iL_i；其中，r为沉积能量与有效剂量的转换系数r＝E_ISO/W，k为质子在闪烁体内沉积能量E_P与质子在闪烁体内沉积能量为E_P时的探测器道数响应L的转换关系：k＝E_p/L。

本发明提供的空间质子辐射有效剂量的监测方法，采用监测空间质子辐射有效剂量监测系统进行有效剂量的监测，通过蒙特卡洛模拟计算调节沉积能量调节圈的外表面积和外表面半径的大小以改变探测器中闪烁体内质子的沉积能量，并采集该闪烁体内质子的沉积能量，计算沉积能量与有效剂量的转换系数r，反复调节沉积能量调节圈的外表面积和外表面半径的大小以使沉积能量与有效剂量的转换系数r的最大偏差不超过10％，使探测器能量响应曲线与ICRP116号报告质子有效剂量—注量转换曲线在10％偏差内一致，以获得更符合实际的空间质子辐射有效剂量，利用本发明的监测方法监测的质子辐射有效剂量更精确。

经过本发明的方法，通过MCNPX程序计算的结果如表1所示：

表1

在本实施方式中，判断沉积能量与有效剂量的转换系数r的最大偏差是否超过10％的步骤，用于判断探测器能量响应曲线与ICRP116号报告质子有效剂量—注量转换曲线的偏差在10％内一致。如表1和表2中通过本发明的空间质子辐射有效剂量的监测方法获得的计算结果可以看出质子沉积能量——有效剂量转换系数在80MeV处归一，该方法获得的探测器能量响应曲线与ICRP116号报告质子有效剂量—注量转换曲线基本一致，探测器可直接测量空间质子辐射有效剂量。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。