一种航空综合辐射剂量测量系统

摘要

本发明提出一种航空综合辐射剂量测量系统，所述航空综合辐射剂量测量系统包括：探测器、信号处理模块、信号采集模块、FPGA模块和航空综合辐射剂量数据处理模块；探测器在接收到粒子有效剂量信号后产生电荷信号响应，输出至信号处理模块；将电荷信号响应放大并转换为可采样的模拟信号，输出至信号采集模块；采集模拟信号，并将模拟信号转换为数字信号，输出至FPGA模块，实现对探测器、信号处理模块和信号采集模块进行初始化配置和指令控制，并根据获取的数字信号计算入射粒子沉积能量精细能谱和综合探测粒子的辐射剂量，对入射粒子成分和中子进行鉴别，航空综合辐射剂量数据显示存储模块对FPGA模块上传的数据进行显示和存储。

说明书

技术领域

本发明属于航空飞行环境辐射测量领域，具体而言，尤其涉及一种航空综合辐射剂量测量系统。

背景技术

航空飞行环境辐射粒子主要源于银河宇宙线在大气及飞机中产生的各种次级粒子，航空辐照剂量主要以高品质因子辐照事件贡献为主，简单测量吸收剂量会严重低估航空辐照的当量剂量及有效剂量，因此还需要测量每个辐射事件的品质因子，同时保证测量覆盖航空辐照场中各种辐射要素，尤其中子是航空粒子辐照的重点监测内容。

目前，地面常用环境辐射剂量监测仪器能谱响应范围不到3MeV，不满足航空辐射监测需求。

发明内容

本发明的目的在于解决目前地面常用环境辐射剂量监测仪器能谱响应范围不满足航空辐射监测需求的问题，为实现上述目的，本发明提出一种航空综合辐射剂量测量系统；包括：探测器、信号处理模块、信号采集模块、FPGA模块和航空综合辐射剂量数据处理模块；

所述探测器，用于在接收到粒子有效剂量信号后产生电荷信号响应，输出至信号处理模块；

所述信号处理模块，用于将电荷信号响应放大并转换为可采样的模拟信号，输出至信号采集模块；

所述信号采集模块，用于采集模拟信号，并将模拟信号转换为数字信号，输出至FPGA模块；

所述FPGA模块，用于实现对探测器、信号处理模块和信号采集模块进行初始化配置和指令控制，并根据获取的数字信号计算入射粒子沉积能量精细能谱和综合探测粒子的辐射剂量，对入射粒子成分和中子进行鉴别，将数据发送至航空综合辐射剂量数据处理模块；

所述航空综合辐射剂量数据显示存储模块，用于对FPGA模块上传的数据进行显示和存储。

作为所述装置的一种改进，所述探测器包括半导体探测器，所述半导体探测器为Si探测器。

作为所述装置的一种改进，所述Si探测器采用多片叠层Si探测器，厚度不大于0.3mm。

作为所述装置的一种改进，所述信号处理模块包括峰保电路，所述峰保电路用于对模拟信号进行保持采样，所述模拟信号包括双指数信号。

作为所述装置的一种改进，所述信号采集模块包括ADC单元，所述ADC单元用于将模拟信号转换为数字信号。

作为所述装置的一种改进，所述FPGA模块包括信号处理采集控制单元、入射粒子沉积能量精细能谱计算单元、综合探测粒子的辐射剂量计算单元、入射粒子成分鉴别单元、中子探测单元和数据发送单元；

所述信号处理采集控制单元，用于对探测器、信号处理模块和信号采集模块进行初始化和基础配置，发送控制指令；

所述入射粒子沉积能量精细能谱计算单元，用于根据获取的数字信号计算对应的沉积能量dE：

dE＝k·ADC+b>

其中ADC为信号采集模块ADC单元进行模数转换后获取的数字信号，k为标定的数字信号与沉积能量dE的线性关系系数，b为拟合公式偏移常数；

所述入射粒子沉积能量精细能谱LET_i为：

LET_i＝dE_i/dX>

其中，dE_i为第i个粒子沉积能量，dX为单位探测器厚度；

所述综合探测粒子的辐射剂量计算单元，用于计算吸收剂量D_i、品质因子Q_i及当量剂量H_i；

所述第i个粒子吸收剂量D_i为：

D_i＝dE_i/m>

其中，m为探测器质量；

所述第i个粒子当量剂量H_i为：

H_i＝Q_i·dE_i/m>

其中，Q_i为第i个粒子的辐射品质因子，根据ICRP-60推荐品质因子参数：

Q_i＝1>i≤10keV·μm^-1>

Q_i＝0.32·LET_i-2.2if10keV·μm^-1≤LET_i≤100keV·μm^-1>

所述入射粒子成分鉴别单元，用于通过前端探测器测量dE_i与后面多片探测器获得入射粒子总能量E_i的乘积得到入射粒子原子序数z，从而对入射粒子成分进行鉴别；

所述中子探测单元，用于实现中子探测功能，当所述多片叠层Si探测器前后两片探测器有信号时为带电粒子辐射；当前后两片探测器无信号输出，而中间Si探测器有信号输出则是中子辐射。

所述数据发送单元，用于将入射粒子沉积能量精细能谱和综合探测粒子的辐射剂量、入射粒子成分鉴别结果和中子辐射数据发送至航空综合辐射剂量数据显示存储模块。

作为所述装置的一种改进，所述航空综合辐射剂量测量系统还包括GPS定位模块，用于实现对探测器的经纬度及高度信息的采集。

作为所述装置的一种改进，所述航空综合辐射剂量测量系统还包括电源模块，用于提供供电电压，所述电源模块通过电池供电，将电池的电压幅度转换为3.3V、5V或探测器工作高压。

本发明还提出一种航空综合辐射剂量测量方法，所述方法包括：

步骤1)所述系统上电后，所述FPGA模块的信号处理采集控制单元对探测器、信号处理模块和信号采集模块进行初始化和基础配置，发送启动指令；

步骤2)所述探测器在接收到粒子有效剂量信号后产生电荷信号响应，输出至信号处理模块；

步骤3)所述信号处理模块将电荷信号响应放大并转换为可采样的模拟信号，其中的峰保电路对模拟信号进行保持采样，输出至信号采集模块；

步骤4)所述信号采集模块的ADC单元采集模拟信号，并将模拟信号转换为数字信号，输出至FPGA模块；

步骤5)所述FPGA模块对探测器、信号处理模块和信号采集模块进行初始化配置和指令控制，根据获取的数字信号计算入射粒子沉积能量精细能谱和综合探测粒子的辐射剂量，对入射粒子成分进行鉴别，对中子成分进行探测；将数据发送航空综合辐射剂量数据显示存储模块；

步骤6)所述航空综合辐射剂量数据显示存储模块对FPGA模块上传的数据进行显示和存储。

根据所述方法的一种改进，所述步骤5)具体包括：

步骤5-1)所述入射粒子沉积能量精细能谱计算单元根据获取的数字信号计算沉积能量dE：

dE＝k·ADC+b>

其中ADC为信号采集模块ADC单元进行模数转换后获取的数字信号，k为标定的数字信号与沉积能量dE的线性关系系数，b为拟合公式偏移常数；

所述入射粒子沉积能量精细能谱为：

LET_i＝dE_i/dX>

其中，dE_i为第i个粒子沉积能量，dX为单位探测器厚度；

步骤5-2)所述综合探测粒子的辐射剂量计算单元计算吸收剂量D_i、品质因子Q_i及当量剂量H_i；

所述第i个粒子吸收剂量D_i为：

D_i＝dE_i/m>

其中，m为探测器质量；

所述每个粒子当量剂量H_i为：

H_i＝Q_i·dE_i/m>

其中，Q_i为第i个粒子的辐射品质因子，根据ICRP-60推荐品质因子参数：

Q_i＝1>i≤10keV·μm^-1>

Q_i＝0.32·LET_i-2.2if10keV·μm^-1≤LET_i≤100keV·μm^-1>

步骤5-3)所述入射粒子成分鉴别单元通过前端探测器测量dE_i与后面多片探测器获得入射粒子总能量E_i的乘积得到入射粒子原子序数z，从而对入射粒子成分进行鉴别；

步骤5-4)所述中子探测单元实现中子探测功能，当所述多片叠层Si探测器前后两片探测器有信号时为带电粒子辐射；当前后两片探测器无信号输出，而中间层Si探测器有信号输出则是中子辐射；

步骤5-5)所述数据发送单元将入射粒子沉积能量精细能谱和综合探测粒子的辐射剂量数据、入射粒子成分鉴别结果和中子辐射数据发送至航空综合辐射剂量数据显示存储模块。

本发明的优势在于：

1、本发明的航空综合辐射剂量测量系统辐射粒子在探测器中沉积能量响应范围60keV-100MeV，辐射粒子LET测量范围0.2keV/um–333keV/um，最大响应计数率10⁵/s；吸收剂量测量范围≥1.00nGy，当量剂量测量范围≥1.00nSv，吸收剂量率测量范围1.00nGy/h-1.00Gy/h，当量剂量率测量范围1.00nSv/h-1.00Sv/h；

2、本发明的航空综合辐射剂量测量系统能量响应范围宽，可获得辐射粒子LET精细能谱，每个粒子事件的时间、辐射品质因子、吸收剂量、当量剂量及剂量率；实现中子，X、γ、β、质子、介子、重离子等粒子的辐射剂量监测；

3、本发明的航空综合辐射剂量测量系统仪器测量动态范围广，实现地面(本底平均50nSv/h-200nSv/h)、航空(平均0.2uSv/h-20uSv/h)及航天等不同轨道高度的辐射剂量测量，满足特殊场所如核电站和核燃料后处理厂等，以及高危复杂辐射环境区域如核辐射泄漏区域(>1mSv/h)、核爆影响区域(>1mSv/h)的辐射环境监测需求；

4、本发明的航空综合辐射剂量测量系统具备RTC时间记录功能及GPS定位功能，可获取不同时刻、不同经-纬度及不同飞行高度环境辐射剂量分布数据；

5、本发明的航空综合辐射剂量测量系统仪器抗干扰能力强，工作期间支持锂电池充电，支持上位机在线实现数据实时处理显示；支持脱机工作，固存容量满足半年采样数据单机存储，仪器长期工作稳定；

6、本发明的航空综合辐射剂量测量系统重量小于500g，系统功耗小于1W，采用单机内置锂电池供电续航能力大于48小时。

附图说明

图1本发明的航空综合辐射剂量测量系统外观图；

图2本发明的航空综合辐射剂量测量系统内部电路结构框图；

图3本发明的航空综合辐射剂量测量系统软件控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。

本发明的航空综合辐射剂量测量系统具有小型化、能谱响应范围宽和测量动态范围广等特点，满足地面、航空和航天等不同高度辐射环境要素检测要求，能够综合探测X射线、伽玛射线、电子、质子、重离子和中子等多种粒子的辐射剂量。

本发明的航空综合辐射剂量测量系统能量响应范围宽，可获得辐射粒子LET精细能谱，每个粒子事件的时间、辐射品质因子、吸收剂量、当量剂量及剂量率；实现中子，X、γ、β、质子、介子、重离子等粒子的辐射剂量监测；

本发明的航空综合辐射剂量测量系统的能量响应范围为60keV-100MeV，LET谱范围为0.2-333keV/um，最大计数率10⁵/s；所述航空综合辐射剂量测量系统可检测的吸收剂量范围≥1.00nGy，当量剂量范围为≥1.00nSv，吸收剂量率测量范围1.00nGy/h-1.00Gy/h，当量剂量率测量范围1.00nSv/h-1.00Sv/h。所述航空综合辐射剂量测量系统功耗小于1W。

本发明的航空综合辐射剂量测量系统测量动态范围广，实现地面(本底平均50nSv/h-200nSv/h)、航空(平均0.2uSv/h-20uSv/h)及航天等不同轨道高度的辐射剂量测量，满足特殊场所，如核电站、核燃料后处理厂等，以及高危复杂辐射环境区域如核辐射泄漏区域(>1mSv/h)、核爆影响区域(>1mSv/h)的辐射环境监测需求。

如图1所示，为航天综合辐射剂量仪的外观，包括电源接口、开关按键、GPS天线和指示灯等。

如图2所示，所述航天综合辐射剂量仪可以用于对空间粒子的成分进行分析，系统包括：探测器模块、信号处理模块、信号采集模块、电源模块、FPGA模块、TF卡存储模块、GPS定位模块和航空综合辐射剂量数据处理模块；

所述探测器模块，包括半导体探测器，用于当粒子打到半导体探测器上时产生电荷响应，所述半导体探测器的数量为1个或多个，半导体探测器的种类包括Si探测器和闪烁体等。

所述信号处理模块用于将粒子打到探测器上产生的电荷信号响应放大并转换为可采样的模拟信号，包括双指数信号，所述信号处理模块对所述模拟信号直接采样或通过峰保电路进行保持采样。

所述信号采集模块用于将模拟信号转换为数字信号，采用ADC单元进行转换。

所述电源模块用于通过电池供电，将电池的电压幅度转换为3.3V、5V和探测器工作高压等其他电路模块需要的供电电压。

所述FPGA模块上电复位后对各模块进行初始化及相关配置，系统正常工作后，FPGA模块对探测器模块输出的带电粒子响应信号进行数据采样处理，获得信号幅值对应的每个粒子沉积能量信息；对每个粒子沉积能量信息数据进行计算处理，形成LET谱、吸收剂量和当量剂量等科学数据，并根据协议进行数据缓存；FPGA控制RTC芯片实现时间设置及自守时功能，并周期读取时间码，形成相关科学数据进行缓存；FPGA控制TF卡模块实现科学数据缓存及下行数据包读出功能；FPGA控制GPS定位模块，实现GPS模块上电初始化、在线配置、定位数据读取等功能，并对读取定位数据处理形成科学数据进行缓存。

所述FPGA模块包括信号处理采集控制单元、入射粒子沉积能量精细能谱计算单元、综合探测粒子的辐射剂量计算单元、入射粒子成分鉴别单元、中子探测单元和数据发送单元；

本发明的航空综合辐射剂量测量系统通过FPGA模块的信号处理采集控制单元对入射粒子脉冲信号进行采样，获取信号幅值信息；

所述入射粒子沉积能量精细能谱计算单元根据定标参数计算信号幅值对应的沉积能量dE，形成沉积能量精细能谱；

所述综合探测粒子的辐射剂量计算单元根据每个粒子沉积能谱dE_i计算入射粒子LET谱、吸收剂量D、品质因子Q及当量剂量H。入射粒子LET谱为：

LET＝dE_i/dX>

其中，dX取值传感器厚度；

所述综合探测粒子的辐射剂量计算单元，用于计算吸收剂量D_i、品质因子Q_i及当量剂量H_i；

计算吸收剂量D为：

D＝∑_idE_i/m>

其中，m为传感器质量；

当量剂量H为：

H＝∑_iQ_i·dE_i/m>

其中，Q_i为每个粒子的辐射品质因子，根据ICRP-60推荐品质因子参数：

Q_i＝1>i≤10keV·μm^-1>

Q_i＝0.32·LET_i-2.2>-1≤LET_i≤100keV·μm^-1>

所述入射粒子成分鉴别单元通过前端探测器测量dE_i与后面多片探测器获得入射粒子总能量E_i的乘积得到入射粒子原子序数z，从而对入射粒子成分进行鉴别；

所述综合探测粒子的辐射吸收剂量为针对航空复杂辐射场不同种类入射粒子综合探测的总吸收剂量D为：

D＝∑_iD_i＝∑_idE_i/m>

所述综合探测粒子的辐射当量剂量为针对航空复杂辐射场不同种类入射粒子综合探测的总当量剂量H为：

H＝∑_iH_i＝∑_iQ_i·dE_i/m>

本发明通过多片叠层探测器同时读出获得入射粒子在所有探测器中全部沉积能量，可以通过dE*E得到入射粒子原子序数z，从而对入射粒子成分进行鉴别；根据电离辐射物理Bethe-Block公式：

其中z为入射粒子原子序数，NZ是靶参数，对硅半导体传感器靶NZ为常量，当β＝v/c＜＜1时，

且满足

dE_i*E_i∝z²>

因此可以通过前端探测器测量dE_i与后面多片探测器获得入射粒子总能量E_i的乘积得到入射粒子原子序数z，从而对入射粒子成分进行鉴别。

所述中子探测单元根据带电粒子穿过探测器会发生电离效应沉积能量而在探测器中产生信号。由于中子不带电，不与探测器核外电子发生作用，主要与硅半导体探测器原子核通过弹性碰撞或非弹性碰撞而被监测。

本发明利用带电粒子与中子探测器作用特点，采用叠层探测器中第三层硅半导体探测器作为中子辐射剂量贡献监测器，当前后两片探测器任何一个有信号时认为是带电粒子辐射；当前后两片探测器无信号输出，而中间第三片探测器有信号输出则认为是中子辐射，从而区分中子剂量贡献。

此剂量仪测量剂量要素包括中子，X、γ、β、质子、介子和重离子等。

所述数据发送单元将入射粒子沉积能量精细能谱和综合探测粒子的辐射剂量数据、入射粒子成分鉴别结果和中子辐射数据发送至航空综合辐射剂量数据显示存储模块。

所述TF卡存储模块实现对处理后数据的存储功能，也可用其他存储模块如SD卡等。

所述GPS定位模块用于实现对探测器的经纬度及高度信息的采集。本设计采用现成商用GPS定位模块，FPGA通过SPI接口对GPS模块进行配置、探测器位置经纬度及高度信息获取。

如图3所示，所述航空综合辐射剂量数据显示存储模块用于对FPGA模块上传的数据进行处理、显示和存储，航空综合辐射剂量数据显示存储模块流程见图3。

基于上述系统，本发明还提供了一种航空综合辐射剂量的测量方法，所述方法基于粒子LET谱及总能量分析的粒子种类、吸收剂量、当量剂量的测量，包括：

步骤1)系统上电后，所述FPGA模块的信号处理采集控制单元对探测器、信号处理模块和信号采集模块进行初始化和基础配置，发送启动指令；

步骤2)所述探测器在接收到粒子有效剂量信号后产生电荷信号响应，输出至信号处理模块；

步骤3)所述信号处理模块将电荷信号响应放大并转换为可采样的模拟信号，其中的峰保电路对模拟信号进行保持采样，输出至信号采集模块；

步骤4)所述信号采集模块的ADC单元采集模拟信号，并将模拟信号转换为数字信号，输出至FPGA模块；

步骤5)所述FPGA模块对探测器、信号处理模块和信号采集模块进行初始化配置和指令控制，根据获取的数字信号计算入射粒子沉积能量精细能谱和综合探测粒子的辐射剂量，对入射粒子成分进行鉴别，对中子成分进行探测；将数据发送至航空综合辐射剂量数据显示存储模块；

步骤6)所述航空综合辐射剂量数据显示存储模块，用于对FPGA模块上传的数据进行处理、显示和存储。

航空综合辐射剂量数据处理模块可发送指令读取TF卡中的数据。

经过模拟测试和实验验证，本发明能够实现60keV-100MeV的能谱测量，从而实现地面及航空粒子成分分析、LET谱累积、吸收剂量和当量剂量计算累积功能。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。