论文部分内容阅读
空间辐射环境是影响航天器可靠性和航天员健康的核心因素。随着航天事业的发展,尤其是载人航天和深空探测的开展,对空间中子的探测和效应提出了新的要求。由于辐射粒子的次级作用,航天器舱内中子的注量显著增加,舱内部分能区中子注量甚至于超过质子的注量。本文研制面向航天任务的宽能区中子探测技术,并开展相关的模拟仿真和测试。以Geant4为内核,更新中子响应相互作用模型参数,扩展中子响应能区,实现从热中子到高能中子宽能区的模拟。模拟D-T穿透率实验,模拟数据和实验值吻合较好,偏差在0.6%1.6%。基于搭建的模拟仿真平台,结合空间辐射粒子输运模型,扩展了银河宇宙射线模型、地球大气模型、地磁场模型等功能模块,实现了空间大气中子分布的模拟计算,获得了空间大气中子随不同高度的能谱和大气层顶的反照中子的谱分布,分析了太阳中子的输运过程及能谱。通过模拟仿真获得了航天器外部的初级空间辐射场特征,结合航天器模型参数,获得航天器舱内的次级辐射场及其中子能谱分布。在模拟分析涂硼中子探测器的电极、结构、材料、中子灵敏层厚度等结构性参数及电场、工作气压等工作条件参数的基础上,采用内壁涂同位素浓缩10B制作阴极的技术,研制10B正比计数器,大大提升了探测器探测效率。此外,利用增大正比计数管中子灵敏层面积的方法,采用14片双面涂硼环氧片,中子灵敏面积增加了3.15倍,实现了中子探测器灵敏度的大幅度提升。通过一系列改进后,坪长从80V（760840V）扩展到150V（750900V）;坪斜从12.4%/100V改进到7.58%/100V。在相同测试环境、同一中子源、工作电压均为800V下,正比计数器的中子计数率从19cps增加到50cps,灵敏度提高了2.63倍。此外模拟计算单能中子及241Am-Be源中子条件下高密度聚乙烯组合涂硼正比计数器的响应和探测效率。实验测试及模拟结果均表明,涂硼技术与增加灵敏面积相结合的方法大大提升了中子探测灵敏度。利用高密度聚乙烯材料具有含氢浓度高,中子慢化优势突出的特点,研究分析含氢材料中的中子输运过程,研发多球层组合中子测量技术。在模拟仿真分析的基础上,通过综合考虑,选用外径为5.5、8、13、22、28.5cm的高密度聚乙烯（（1.0177±0.028）g/cm3）作为中子慢化圆柱结构材料。将5个不同直径的圆柱型高密度聚乙烯慢化体与涂硼电离室嵌套组合成圆柱型Bonner探测器。其中子响应能区扩展到20MeV。高密度聚乙烯外直径为22cm时,圆柱型Bonner探测器的灵敏度到达8.702×10-15A/(cm-2·s-1)。此组合探测器技术参数与国际水平接近。模拟仿真探测器信号电流,与实验测量数据做对比分析,吻合较好并在实验值数据读取误差10%范围内相吻合。将中子能量区[1×10-9MeV,20MeV]以对数方式分成43个能区,通过Geant4模拟仿真获得圆柱型Bonner探测器的中子响应函数。运用MATLAB中的GRNN神经网络,将ORNL、IAEA的中子谱、单能谱、1/E谱等160个能谱作为预置谱进行训练解谱,实现了由探测器响应到中子辐射场反演解谱。将测量得到的Am-Be源下圆柱型Bonner探测器的电流信号作为输入值,解谱得到的Am-Be源中子能谱与ISO的Am-Be源结果相吻合,谱型一致,峰位重合,解谱平均偏差为0.75%。