太空的辐射环境涵盖能量范围较广的各种辐射粒子。中子是不带电的中性粒子, 相比于其他类型的辐射粒子, 中子穿过生物组织的能力更强, 辐射生物效应(粒子对生物损伤的能力)较大, 严重地威胁宇航员的生命安全[1]。此外, 空间中子与航天器材料发生核反应, 产生的次级粒子会诱发多种辐射效应(包括单粒子效应、总剂量效应和位移损伤效应[2]), 使航天器材料的性能退化, 甚至失效, 损坏电子器件的功能, 对航天器的在轨运行造成严重的威胁。
20 世纪 30 年代后期, 国际上就开始对空间辐射环境的研究, 但是对空间中子的辐射贡献关注不够。和平号空间站[3]和 Cosmos 1887 卫星[4]获得的中子能谱如图1 所示, 可以看出, 低地球轨道中子辐射的能量范围非常宽, 从 0.025 eV (热中子)到几百MeV。在国际空间站舱内, 大部分是次级中子,只有小部分是来自地球大气的反照中子[5]。中子的辐射剂量当量较高, 约占总辐射剂量当量的 30%～60%[6]。美国航空航天局(NASA)通过在航天飞机上的测量, 发现在 51°倾角的轨道上, 银河宇宙线的辐射剂量占总剂量的50%, 地球辐射带的辐射剂量占总剂量的 35%, 中子辐射剂量占 15%～20%[7]。日本的空间研究机构宇宙开发事业团(NASDA)研制出“Bonner球”中子探测器(BBND) 1998 年 1 月开始在空间站进行中子测量。这是第一次利用“主动”探测器测量中子, 可以监测中子随时间的通量变化[8]。
图1 和平号空间站和Cosmos 1887卫星获得的微分中子能谱[3–4]
Fig.1 Differential neutron energy spectra obtained by the Mir Space Station and Cosmos 1887 spacecraft [3–4]
随着我国载人航天事业的发展, 对空间辐射损伤预警和防护的需求日益紧迫, 对空间中子的探测显得尤为重要。本研究针对复杂空间中子辐射环境的探测需求, 设计一种空间中子探测器, 采用层叠硅传感器结构, 利用核反冲法及核反应法进行中子的间接探测, 进而实现中子能谱的测量。该探测器搭载于天宫空间站梦天实验舱空间辐射生物学暴露实验装置上, 用于探测空间站轨道舱外的中子辐射环境。
1 科学目标和主要技术指标
空间中子探测器的主要科学目标有两方面: 1)实现空间站轨道舱外中子辐射环境的监测和数据积累; 2) 提供空间站在太阳粒子事件中中子辐射环境的实测数据, 为分析和评估空间站和宇航员遇到的中子辐射危害提供支持。
中子探测器的中子能量探测范围指标为 0.025 eV～10 MeV, 此范围内中子剂量当量约占全部中子剂量当量的 80%, 并且中子受屏蔽影响大, 不同位置中子通量的差别主要来自该能量范围的中子。
2 探测原理
中子不带电, 能够直接与原子核相互作用。原子核比原子小得多, 与带电粒子相比, 核力的范围非常短。在与原子核相互作用发生之前, 中子可以在材料中传播很远的距离。由于中子是不带电的强相互作用粒子, 所以不能直接探测, 只能通过测量中子在核作用中产生的次级效应来反推中子的性质。探测中子的方法主要有核反冲法、核反应法和活化法等。我们设计的中子探测器采用叠层硅传感器探测方案, 用于测量空间中子能谱, 其中快中子的探测采用核反冲法, 热中子的探测采用核反应法,其探头简化示意图如图2 所示。探测器包含 5 片硅传感器(编号为 A～E)和 Gd 薄膜, 硅传感器 A～C 用于快中子探测, 硅传感器 B～E 以及 Gd 薄膜用于热中子探测。
图2 硅传感器测量中子探头简化示意图
Fig.2 Simplified schematic diagram of the neutron probe in silicon sensor measurement
2.1 快中子探测
空间快中子的探测主要利用核反冲法。中子与原子核发生碰撞, 原子核从中子的初始能量中得到一部分能量, 从而形成反冲核, 中子改变原来的运动方向, 中子的能量损失转化为反冲核的动能, 使原子电离和激发[9]。由于反冲核是带电重离子, 所以能够被探测到。
本研究设计采用硅传感器进行中子探测, 中子在硅中发生弹性散射以及弹性散射之外的其他散射, 散射截面如图3 所示[10]。可以看出, 能量在170 MeV 以下的中子主要与硅发生弹性散射, 其过程如图4 所示。
图3 中子在硅中的弹性散射截面(蓝线)以及弹性散射之外的其他散射截面(红线)
Fig.3 Cross-sections of elastic (blue) and inelastic(red) scattering of neutrons in silicon
图4 弹性散射示意图
Fig.4 Schematic diagram of elastic scattering
弹性散射中, 反冲核的能量与中子动能的关系如下:
其中, Ea 为反冲核能量, En 为入射中子能量, α 为粒子入射方向与反冲核出射方向的夹角, A 为材料的相对原子质量。对于中子在硅中的弹性散射, 当 α为 0°或 180°时, 反冲核获得的能量最大, 约为入射中子能量的 13.3%。对于 100 MeV 的快中子, 在硅中沉积的最大能量约为 13.3 MeV。
空间辐射环境较为复杂, 因此需要去除带电粒子对探测器的干扰。探测器中传感器 A～C 用于中性粒子的探测, 利用中性粒子与传感器 B 的反应产生信号, 传感器 A 和 C 的信号用于反符合。当传感器 A 或 C 与传感器 B 同时产生信号时, 入射粒子是带电粒子, 则舍弃该探测信号; 当传感器 B 有信号,而传感器 A 或 C 无信号时, 入射粒子为中性粒子,则对该信号进行分析。我们设计传感器B测量的沉积能量范围为 60 keV～20 MeV, 可实现对能量高达100 MeV 中子的测量。
反符合处理能够去除带电粒子的影响, 除快中子外, γ 射线也能够在传感器 B 中产生信号。快中子与 γ 射线在传感器 B 中的沉积能谱如图5 所示, 可见沉积能量大于 1 MeV 的计数主要来自快中子。根据本研究仿真实验结果, 将传感器B测量的沉积能量范围设置为 60 keV～20 MeV, 可实现对能量高达100 MeV 中子的测量。快中子和γ射线都会与原子核作用而产生次级带电粒子, 所以无法在硬件上实现中子与 γ 射线的区分。中子与 γ 射线的区分参考嫦娥四号搭载的月表中子与辐射剂量探测仪(LND)使用的中子 γ 射线鉴别方法[11], 进而获得快中子的能谱信息。
图5 快中子和 γ 射线在传感器 B 上的沉积能谱
Fig.5 Deposition energy spectrum of fast neutrons and γ-rays on sensor B
2.2 热中子探测
本研究设计的中子探测器采用核反应法探测热中子。中子与原子核发生反应, 产生能量较高的带电粒子, 通过记录这些带电粒子实现对热中子通量的探测。采用两片硅传感器和厚 20 µm 的 Gd 薄膜组成的三明治结构, 用于测量热中子。Gd 与热中子的反应截面较大, 有利于减小探测器的尺寸[12]。热中子与天然 Gd 的反应截面约为 48800 barns, 其中157Gd 和 155Gd 的贡献占主要部分, 二者与热中子的反应截面分别为 254000 和 60700 barns, 自然丰度分别为 15.7%和 14.8%[13]。当入射的热中子被155Gd 或157Gd 俘获时, 处于激发态的 Gd 通过放出级联 γ 射线和内转换电子衰变到基态, 我们可以通过测量反应放出的 γ 射线或内转换电子来探测中子, 其反应式如下:
根据 ENDF-B VIII.0 数据库[10], 上述两个反应的反应截面如图6 所示。随着中子能量增加, Gd 与中子的反应截面整体上呈下降趋势。当入射中子能量在 0.01～1 eV 之间时, 反应截面迅速减小; 当入射中子能量在 1～300 eV 之间时, 反应截面变化起伏较大; 当入射中子能量大于 300 eV 时, 反应截面平稳下降。反应产生的内转换电子能量如表1 所示, 发射的内转换电子能量在 29～246 keV 之间时, 每俘获一个热中子, 大约发射出 0.5991 个内转换电子。强度最高的电子(能量为 71 keV)在 Gd 中的射程为 20.1µm, 在 Si 中的射程为 43.8 µm[14]。能量在 50 keV 以下的电子大部分被 Gd 和传感器死层吸收; 能量较高的电子能够穿透 Gd 薄膜, 并打到相邻的硅传感器 C 和 D 上。测量时, 传感器 C 和 D 测量的电子能量范围为 30～300 keV, 可实现对热中子的测量。
表1 Gd退激时产生的内转换电子[14]
Table 1 Internal conversion electrons generated when Gd is de-excited[14]
158Gd产生电子能量/keV 每中子产额156Gd产生电子能量/keV 每中子产额29 0.0982 39 0.0419 71 0.2680 81 0.0497 78 0.0617 88 0.0116 131 0.0341 149 0.0084 173 0.0146 191 0.0030 180 0.0031 198 0.0006 228 0.0040 246 0.0002总产额 0.4837 总产额 0.1154
图6 155Gd和157Gd与中子的反应截面[10]
Fig.6 Reaction cross-sections of 155Gd and 157Gd with neutrons[10]
为了去除外界带电粒子对传感器 C 和 D 信号的影响, 分别在其外部用传感器 B 和 E 的信号进行反符合。当传感器 B 或 E 有信号时, 传感器 C 或 D 产生的信号来自外部环境的带电粒子, 则舍弃该信号;当传感器 B 或 E 无信号时, 传感器 C 或 D 的信号来自热中子与 Gd 反应产生的带电粒子, 则对该信号进行分析。
3 载荷设计
3.1 探头设计
如图7 所示, 中子探头的外壳材料为金属铝,探头包括直径均为 20 mm, 厚度均为 500 µm 的硅传感器 A～E, 传感器 C 与 D 之间有 20 µm 厚的 Gd 薄膜, 传感器间距离尽可能小。除开口面, 探头的其他面采用 Gd 材料, 以便阻挡中子从其他方向进入传感器。各路传感器的沉积能量范围如表2 所示。
表2 中子探测器各传感器的沉积能量范围
Table 2 Deposition energy range of each sensor in the neutron detector
中子 输出信号传感器 沉积能量范围 备注B 60 keV～20 MeV 与传感器C的信号进行反符合, 由硬件电路实现, 不需要分析信号的幅度C 30～300 keV 核反应产生的电子沉积能量D 30～300 keV 核反应产生的电子沉积能量E >30 keV 与传感器D的信号进行反符合, 由硬件电路实现, 不需要分析信号的幅度快中子 B 60 keV～20 MeV 反冲核的沉积能量A >30 keV 与传感器B的信号进行反符合, 由FPGA软件实现, 可以给FPGA提供脉冲信号或幅度信号热中子
图7 中子探头整体(a)及剖面(b)示意图
Fig.7 Schematic diagram of the neutron probe as a whole (a) and its cross-section (b)
3.2 电子学设计
如图8 所示, 中子探测器的电子学部分主要包括前端调理放大模拟电路、数据采集处理的数字电路、通信接口电路以及供电电路。前端模拟电路包括前端电荷灵敏放大电路、滤波成形电路、主放大器和峰值保持电路, 数据采集处理电路通过 ADC完成模拟电路输出信号的模拟–数字转换, FPGA 将ADC 的输出数据进行处理、压缩和保存, 并与卫星平台通信。
图8 中子探测器电子学原理示意图
Fig.8 Schematic diagram of the electronics in the neutron detector
PA: 前端电荷灵敏放大电路; SH: 滤波成形电路; MA: 主放大电路; PH: 峰值保持电路; ADC: 模数转换器;UART: 通用异步收发传输器; D/A/C: 数据/地址/控制; SDRAM: 同步动态随机存取内存
硅传感器测量粒子能量沉积产生的电荷, 电荷信号形成的脉冲幅度取决于硅传感器输出的电荷量(量级为 mV/MeV)[15], 需要对该电荷信号放大之后进行分析。硅传感器中产生的电荷经电荷灵敏前置放大器放大, 得到电压脉冲信号, 此脉冲信号经过成形和放大处理后得到的信号可用于进一步的分析[16]。传感器 B, C 和 D 的信号成形放大之后分别进入峰值保持电路, 以便保持脉冲信号的峰值电压。经过峰值保持电路的信号输出至数据采集处理电路的 ADC 进行模数转换, 再由 FPGA 进行幅度分析。其中, 传感器 C 和 D 的信号各划分为 128 道,传感器 B 的信号划分为 256 道。传感器 A 和 E 的信号经成形放大以及峰值保持电路之后, 作为反符合信号输出至 FPGA。
传感器 A～C 用于快中子探测, 传感器 A 和 C 的信号用于与传感器 B 的信号进行反符合。当传感器A 或 C 与传感器 B 同时产生信号时, 入射粒子是带电粒子, 则舍弃该探测信号; 当传感器 B 有信号,而传感器 A 或 C 无信号时, 入射粒子为快中子, 则对该信号进行分析。传感器 B～E 用于热中子探测,传感器 B 的信号用于与传感器 C 的信号进行反符合, 传感器 E 的信号用于与传感器 D 的信号进行反符合。当传感器 B 或 E 有信号时, 传感器 C 或 D 产生的信号来自外部环境的带电粒子, 则舍弃该信号;当传感器 B 或 E 无信号时, 传感器 C 或 D 的信号为来自热中子与 Gd 反应产生的带电粒子, 则对该信号进行分析。
4 地面定标验证
在中国原子能科学研究院和中国计量科学研究院对中子探测器进行定标试验, 目标如下: 1) 确定和验证中子探测模块的测量范围; 2) 验证中子探测模块与数据采集单元接口的匹配性; 3) 验证数据采集单元对中子模块控制、信号采集和处理的正确性。
中子探测定标试验方案如图9 所示, 中子探头放置在中子辐射场内接受照射, 直流稳压电源给中子探测器供电, 计算机通过地面测试盒向装置发送命令, 中子探测器产生的数据通过地面测试盒传输至计算机保存。
图9 中子探测器定标试验方案
Fig.9 Scheme of calibration tests for neutron spectrum detection
4.1 中子定标方法
中子探测定标试验分两步进行: 1) 采用等效电荷法进行探测模块电子学的定标, 确定各道址与沉积能量的线性关系; 2) 利用放射源中子, 开展探测模块的定标。其中, 等效电荷法定标在电路调试完成后, 中子探头合盖前进行; 放射源中子定标在中子探头组装完成后进行。
1) 等效电荷法定标: 用于确定中子探头电子学电路的响应, 方案如图10 所示。模拟信号的输出端与中子探头电路前置放大器的输入端连接, 示波器测量中子探头峰值保持电路的输出信号。
图10 中子探测模拟源定标方案示意图
Fig.10 Schematic diagram of the calibration scheme for the neutron detection analog source
2) 放射源中子定标: 利用放射源中子剂量率稳定和准确的特性, 对中子探测器进行定标。在中国原子能科学研究院定标的中子放射源为 Am-Be 中子源, 所产生中子的能量范围为 0.025 eV～15 MeV。在中国计量科学研究院定标时, Am-Be 中子源经过重水和聚乙烯慢化, 照射探头的为热中子。Am-Be中子源的能谱如图11 所示。
图11 Am-Be中子源能谱[17]
Fig.11 Energy spectrum of the Am-Be neutron source[17]
4.2 定标试验结果
4.2.1 等效电荷法定标试验结果
图12 展示采用等效电荷法定标得到的沉积能量与中子各道址关系。传感器 B 为两路输出, 通过等效电荷法定标, 其输出信号幅度与沉积能量为线性关系, 测量的沉积能量范围为 33 keV～22.2 MeV,可满足 60 keV～20 MeV 快中子探测的沉积能量需求;传感器 C 测量的沉积能量范围为 55～750 keV, 传感器 D 测量的沉积能量范围为 30～650 keV, 可以满足30～300 keV 热中子测量的沉积能量需求。
图12 等效电荷法定标中子探测器各传感器沉积能量与道址的关系
Fig.12 Relationship between the deposition energy and the energy channels
4.2.2 放射源中子定标试验结果
图13 展示试验得到的传感器 C 和 D 的能谱。在中国计量科学研究院进行放射源定标时, 热中子入射到中子探头, 中子探测器的传感器 C 和 D 测量热中子。热中子与 Gd 发生核反应后, 产生内转换电子, 其中能量为 71 keV 的电子占主要部分, 电子被传感器 C 和 D 测量。
图13 热中子照射时中子探测器的传感器C和D测量的能谱
Fig.13 Energy spectrum measured by the sensor C and D in the neutron detector when irradiated by thermal neutrons
传感器 C 输出能谱的峰值计数在第 2 道与第 3道之间, 根据图12(c)中能道与能量的关系, 得到峰值的能量在 66.6～72.2 keV 之间, 与产生的电子能量71 keV 相符, 测量能量值的相对偏差小于 8%。
传感器 D 输出的峰值计数在第 13 道。根据图12(d)中能道与能量的关系, 传感器 D 测量的峰值能量为 69.4 keV, 与入射电子能量 71 keV 的相对偏差为 4%。
5 结论
本研究设计一种基于层叠硅探测器的空间中子探测器, 采用 5 层硅探测器及一层 Gd 薄膜, 利用核反冲法和核反应法实现对快中子和热中子的探测,从而获取能谱信息。采用等效电荷法和放射源中子,对中子探测器进行定标。结果表明, 探测器对中子的探测功能正常, 能够实现对 0.025 eV～10 MeV能量范围的中子探测。该探测器搭载于天宫空间站梦天实验舱空间辐射生物学暴露实验装置上, 该装置 2023 年 5 月随天舟六号货运飞船上行, 与梦天实验舱对接, 6 月 9—10 日经由机械臂抓取, 从货物气闸舱出舱, 成功地安装至舱外既定的暴露平台, 开机后工作正常[18]。该装置开机后, 空间中子探测器可持续地获取空间中子测量数据, 可为研究空间中子对生物体造成辐射效应的作用机理提供重要依据,也可为研究次级粒子对航天器电子元件造成的单粒子效应提供必要的空间环境参数。
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