專利名稱：一種基于量子點的中子能譜測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及中子能譜測量，特別是一種基于量子點的中子能譜測量方法，屬于核技術及應用、放射醫(yī)學與輻射生物學、輻射防護等多學科交叉領域中的能量測量。
背景技術：
中子能譜信息能夠為屏蔽設計、輻射劑量監(jiān)測、探測器的選擇提供重要的信息，目前中子能譜信息的獲取方法通常有以下兩種(1)直接測量法。對單個中子能量進行直接測量，在統(tǒng)計的基礎上獲得中子能譜信息，其代表方法是中子飛行時間測量法。中子飛行時間測量法的優(yōu)點在于能量分辨高，但由于整個測量系統(tǒng)需要屏蔽和準直系統(tǒng)、范圍巨大的空間(通常飛行距離為8-9m)，復雜的電子學系統(tǒng)，所以中子飛行時間法只是針對特定的中子源進行中子能譜測量，沒有普適性；(2)間接測量法。利用對中子能量響應函數不同的探測器，將多個探測器放置于未知輻射場獲取多個探測器的讀數，通過建立方程組，使用反·卷積方法求解方程組，獲得中子能譜信息。目前設計對中子能量響應函數不同的探測器的方法是通過改變慢化體厚度的方法，如Bonner多球中子譜儀，或是采用反應閾值不同的材料，如多箔活化片法。根據這些方法設計的具有不同中子能量響應函數的探測器的數目較少(小于20個)，因此建立的方程組自由度較大，求解出中子譜能量分辨率較低。這種測量方法的優(yōu)點是測量系統(tǒng)具有移植性，能夠適用于大部分中子源的中子能譜測量。量子點的三維尺寸等于或者小于其激子波爾半徑，量子點呈現(xiàn)出特殊的光學性質和穩(wěn)定性，廣泛應用于生物學和醫(yī)學研究，作為發(fā)光材料，目前是顯示、照明等研究領域的熱點。量子點在輻射測量領域的也開始受到關注。但目前并未發(fā)現(xiàn)同時使用多種量子點組成的探測器用于中子能譜測量。

發(fā)明內容
本發(fā)明的技術解決問題克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于量子點的中子能譜測量方法，有效改善了中子能譜測量結果能量分辨率。本發(fā)明技術解決方案一種基于量子點的中子能譜測量方法，實現(xiàn)步驟如下(I)刻度量子點光學信號強度與中子能量的函數關系將待刻度的能量范圍劃分的為N個能群，N>20，第j個能群的能量為Ep其中j=l, 2，3…N，如將KT9MeV到650MeV能量范圍劃分為60個能群。中子探測器采用M種量子點，M>3，將M種量子點和量子點光學信號強度采集系統(tǒng)置于已知輻射場中，M種量子點所放置位置處的中子能量Ep這時量子點光學信號強度采集系統(tǒng)測量到第i種量子點光學信號強度Li (Ep，1=1，2，3吣1最終根據N個能群的中子能量和相應的M種量子點的光學信號強度，得到M種量子點光學信號強度對中子能量的響應函數，第i種量子點光學信號強度對中子能量的響應函數為Ri (Ej)。(2)測量未知福射場中量子點光學信號強度將M種量子點和量子點光學信號強度采集系統(tǒng)放置于未知輻射場中，量子點光學信號強度采集系統(tǒng)測量到第i種量子光學信號強度Li, Li的標準差為0 i ;(3)根據步驟(2)未知輻射場中所述量子點光學信號強度Li,以及步驟(I)中所述
量子點光學信號強度對中子能量響應函數Ri (Ej)，建立方程組及=^r(Ej)* RiUij) ■使用
反卷積方法求解方程組，獲得方程組解為F(EJ，F(xiàn)(Ej)為能量為的中子通量，F(xiàn)(Ej)即為中子能譜信息。所述M種量子點中的每個量子點的三維尺寸小于量子點的發(fā)射光譜中峰值處的波長。M種量子點中每兩種量子點的發(fā)射光譜中峰值波長相差超過10nm。例如選擇4種量子點，4種量子點發(fā)射光譜中峰值波長分別為400nm，500nm, 550nm, 600nm。所述量子點光學信號強度采集系統(tǒng)包括:M個光學分頻器、M個波長轉換劑、M個·光電倍增管、多道分析器和處理和存儲設備…種量子點產生的光學信號輸入M個光學分頻器，由M個光學分頻器分為M個光學信號，M個光學信號輸入M個波長轉換劑，M個波長轉換劑將M個輸入光學信號轉換為適宜接收波長范圍后至輸入M個光電倍增管，M個光電倍增管將光學信號轉換為M個電信號，所述M個電信號分別輸入至多道分析器，多道分析器將M個電信號轉換為數字信號后將數字信號輸入處理和存儲設備中，由處理和存儲設備對數字信號進行處理和存儲。所述M個光學分頻器中，第i個光學分頻器對應第i種量子點，可透過第i個光學分頻器的光譜的波長中值在第i種量子點發(fā)射光譜中峰值波長處，每個光學分頻器的可透過光譜的半高寬在IOnm以內。所述每個波長轉換劑的接收光子的波長范圍覆蓋所述的量子點發(fā)射光子波長范圍，波長轉換劑的發(fā)射的光子的波長范圍覆蓋所述光電倍增管能夠產生響應的光子波長范圍。所述步驟(3)中的反卷積方法包括最小二乘法、最大熵法、迭代法或神經網絡法。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的有益效果在于(I)本發(fā)明能量分辨率高Bonner多球譜儀由于慢化體尺寸和中心中子探測器都為熱中子靈敏型探測器等原因，其包含的Bonner球個數有限，并且實際的讀數中具有獨立成分個數少于Bonner球個數，因此所建立的方程組的自由度高，導致最終求解的中子能譜能量分辨率低。本發(fā)明使用的量子點作為中子探測器，由于量子點種類繁多，量子點種類遠遠超過Bonner球的個數，并且成本遠低于Bonner球，因此所建立的方程組的自由度較低，最終求解的中子能譜能量分辨率較其它間接中子能譜測量方法高。本發(fā)明能夠適用于從KT9-IOOMeV的中子能譜測量，尤其適合中子能譜測量。(2)本發(fā)明能夠適用于強脈沖中子源的能譜測量目前的間接中子能譜測量方法中Bonner多球是基于中子探測器所產生的電信號，由于電信號的時間分辨有限，在幾十US左右，因此在脈沖中子源的能譜測量過程中，當脈沖時間小于10 i! S時，電信號即無法分辨，這時Bonner球即無法測量中子能譜，即使在當脈沖時間大于IOy S時，如果單個脈沖產生的中子過多，產生的過多的電信號會阻塞電子學系統(tǒng)，導致測量過程中的計數丟失。本發(fā)明是采用量子點的光學信號反映中子能量信息，由于量子點的光學信號半衰期短，通常在幾十ns左右，并且產生的光學信號經過設計的光學分頻器過濾，因此在強脈沖中子源的中子能譜測量過程中不會出現(xiàn)計數丟失情況。(3)本發(fā)明能夠用于穩(wěn)態(tài)中子場的中子能譜測量(同位素中子源、直流運行狀態(tài)的加速器型中子發(fā)生器)，同樣可用于脈沖中子場的中子能譜測量(如脈沖運行狀態(tài)的加速器型中子發(fā)生器、脈沖運行狀態(tài)的托卡馬克裝置輻射場)。


圖I為本發(fā)明方法實現(xiàn)流程圖；圖2為本發(fā)明的應用實例中10_9MeV-650MeV劃分為60個能群的示意圖；圖3為本發(fā)明的應用實例中量子點響應函數示意圖；圖4為采用本發(fā)明的方法獲得的Am-Be中子源的中子能譜；·圖5為本發(fā)明的量子點的光學信號強度采集系統(tǒng)示意圖。
具體實施例方式如圖I所示，本發(fā)明通過使用若干種不同種類的量子點作為中子探測器，根據各種量子點對入射中子產生光學信號的差異，獲得入射中子的能譜信息等，能夠適用于從I(T9MeV-650MeV的中子能譜測量，尤其適合中子能譜測量。本發(fā)明實施例具體實施如下(I)刻度量子點發(fā)光信號強度與中子能量的函數關系將10_9-650MeV能量范圍劃分為60個能群，每個能群對應一種能量，如圖2所示。中子探測器采用21種量子點，21種量子點發(fā)射光譜的峰值波長分別為 300nm、320nm, 350nm、375nm、395nm、410nm、430nm、445nm、460nm、475nm、495nm、510nm、525nm、540nm、560nm、590nm、605nm、620nm、635nm、650nm、670nm。根據這21種量子點發(fā)射光譜的峰值波長設計量子點光學信號強度采集系統(tǒng)，量子點光學信號強度采集系統(tǒng)共有21種光學分頻器，這21種光學分頻器的可透光譜的中值波長分別為 300nm、320nm, 350nm、375nm、395nm、410nm、430nm、445nm、460nm、475nm、495nm、510nm、525nm、540nm、560nm、590nm、605nm、620nm、635nm、650nm、670nm。每種光學分頻器可透過的光譜半高寬在IOnm以內。然后將21種量子點和量子點光學信號強度采集系統(tǒng)置于已知輻射場中，21種量子點放置位置處的中子能量1_4^為第」個能群對應的能量，其中」=1",，#60，量子點光學信號強度采集系統(tǒng)采集21種量子點的光學信號強度分為L1 (Ep，L2 (Ep，L3(Ep……Lsi(Ej),M=21。例如量子點放置位置處中子能量為IMeV (第41個能群)時，量子點光學信號強度采集系統(tǒng)采集的光學信號強度分別為0. 0002/cm2,0. 0007/cm2,0. 0015/cm2,0. 00203/cm2、0. 0679/cm2,0. 1090/cm2,0. 1750/cm2,0. 2330/cm2,0. 3980/cm2,0. 4870/cm2,0. 5790/cm2、0. 6570/cm2,0. 8205/cm2,0. 9356/cm2,0. 9386/cm2,0. 9413/cm2,0. 9224/cm2,0. 8510/cm2、0. 7344/cm2,0. 5860/cm2,0. 1010/cm2。最終根據60個能群的中子能量和相應的21種量子點的光學信號強度，得到21種量子點的響應函數，如圖3所示。(2)測量未知輻射場中信號強度將這11種量子點和量子點光學信號強度采集系統(tǒng)放置于Am-Be中子源的輻射場，21種量子點光學信號強度采集系統(tǒng)采集的光學信號強度 Li 分別為 0. 0001/cm2,0. 0005/cm2,0. 0009/cm2,0. 0013/cm2,0. 0364/cm2,0. 05834/cm2、0. 09345/cm2,0. 1264/cm2,0. 2235/cm2,0. 2838/cm2,0. 3535/cm2,0. 4243/cm2,0. 5761/cm2、0. 7003/cm2,0. 7718/cm2,0. 8353/cm2,0. 9612/cm2、I. 0832/cm2、I. 0243/cm20. 9493/cm2、0. 2763/cm2。在測量過程中 Li 標準差 o 4 分別為 0. 00004/cm2,0. 0001/cm2,0. 0002/cm2、0. 0003/cm2,0. 00104/cm2,0. 00423/cm2,0. 01445/cm2,0. 0240/cm2,0. 0335/cm2,0. 0018/cm2、0. 0355/cm2,0. 0233/cm2,0. 0741/cm2,0. 104/cm2,0. 1802/cm2,0. 1435/cm2,0. 1702/cm2、0. 2032/cm2,0. 123/cm2,0. 1434/cm2,0. 0363/cm2。(3)根據步驟(2)中量子點光學信號強度采集系統(tǒng)采集的21種量子點光學信號
強度Li,以及步驟(I)刻度21種量子點的光學信號對中子能量響應函數R1(E)，R2(Ej)，
60
R3 (Ej)…R21 (Ej)，建立方程組A = Z；' ) * Ri{E)。
·
米用最大熵法解譜(ReginattoM, Goldhagen P. 1999. MAXED, a computer codefor maximum entropy deconvolution of multisphere neutron spectrometer data.Health Phys 77:579-583.)，在約束條件:厶+e, =Z/(([)/‘，(/(,)
/=1T- = M
cr,求S最大時解O (E)，S = -tiFiEj■■、) + Fdef (￡,.) + F(E 丨))
i=>F (Ej)''其中，N為60, M為21, Li為步驟(2)中的測量值，o i為Li的標準差，Gi為Li和
N
之間差異，嚴(Ej)為人為設定的中子能譜，其它參數同前。采用拉格朗日乘子法進行約束條件下優(yōu)化問題求解，上述問題等價于最大化勢函數Z ( X k)，X k為未知數。
NMM2MZUJ = -X)U5-U-入
j=lr=li=li=lX i是Z ( X k)最大時的解，\ i的獲取采用模擬退火方法。最終求解的中子譜F(Ej)可表示為!Uj) = FivU ;) exp(-￡ Ai Ri (Ej))
^=J其中Li為量子點光學信號強度采集系統(tǒng)采集的第i種量子點光學信號強度，使用最大熵法，求解方程組，獲得方程組解F(EJ，F(xiàn)(EJ為能量為&的中子通量，F(xiàn)(EJ即為中子能譜信息。獲得的F(Ej)與實際的Am-Be中子能譜比較如圖4所示。通過本發(fā)明獲得的中子能譜與實際中子能譜基本相同。如圖5所示，本發(fā)明的量子點光學信號強度采集系統(tǒng)示意圖，由光學分頻器(2_1、
2_2、2_3......2_M )、波長轉換劑(4_ I、4_2、4_3......4_M )、光電倍增管(6_ I、6_2、6_3......6_
M)、多道分析器8和處理和存儲設備10，此處的M本發(fā)明實施例為11。由量子點產生的光學信號I輸入光學分頻器(2_1、2_2、2_3……2_M)，光學分頻器2」輸出的光譜的波長中值在第i種量子點發(fā)射光譜中峰值波長處，可透過光學分頻器的光譜半高寬在IOnm以內，由光學分頻器輸出的光學信號(3_1、3_2、3_3……3_10輸入波長轉換劑(4_1、4_2、4_3……4_M)，波長轉換劑將輸入光學信號轉換為光電倍增管適宜接收波長范圍，波長轉換劑輸出的
光學信號(5_1、45_2、5_3......5_M)輸入光電倍增管(6_1、6_2、6_3......6_M),光電倍增管將
光學信號轉換為電信號(7_1、7_2、67_3……7_M)，光電倍增管輸出的電信號輸入多道分析器8，多道分析器8分析電信號(7_1、7_2、67_3……7_M)的強度，并將強度值轉化為數字信號(9_1、9_2、9_3……9_M)，多道分析器8將數字信號(9_1、9_2、9_3……9_M)輸入處理和存儲設備10中，處理和存儲設備10對數字信號(9_1、9_2、9_3……9_M)進行處理和存儲，處理和存儲后的數字信號(11_1、11_2、11_3……11_M)，即對應量子點光學信號強度(L1、L2、L3……LM)，其中Li即為第種量子點的光學信號強度，i=l, 2，3-M。本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業(yè)技術人員公知的現(xiàn)有技術。
·
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種基于量子點的中子能譜測量方法，其特征在于實現(xiàn)步驟如下 (1)刻度量子點光學信號強度與中子能量的函數關系 將待刻度的能量范圍劃分的為N個能群，N>20，第j個能群的能量為Ep其中j=l，2，3-N，如將KT9MeV到650MeV能量范圍劃分為60個能群。中子探測器采用M種量子點，M>3，將M種量子點和量子點光學信號強度采集系統(tǒng)置于已知輻射場中，M種量子點所放置位置處的中子能量Ep這時量子點光學信號強度采集系統(tǒng)測量到第i種量子點光學信號強度Li (Ej)，i=l, 2，3…M ;最終根據N個能群的中子能量和相應的M種量子點的光學信號強度，得到M種量子點光學信號強度對中子能量的響應函數，第i種量子點光學信號強度對中子能量的響應函數為Ri (Ej)。
(2)測量未知福射場中量子點光學信號強度 將M種量子點和量子點光學信號強度采集系統(tǒng)放置于未知輻射場中，量子點光學信號強度采集系統(tǒng)測量到第i種量子光學信號強度Li, Li的標準差為0 i ; (3)根據步驟(2)未知輻射場中所述量子點光學信號強度Li,以及步驟(I)中所述量子點光學信號強度對中子能量響應函數Ri (Ej)，建立方程組A =) * 1W\,)，使用反卷積方法求解方程組，獲得方程組解為F(EJ，F(xiàn)(Ej)為能量為的中子通量，F(xiàn)(Ej)即為中子能譜信息。
2.根據權利要求I所述的一種基于量子點的中子能譜測量方法，其特征在于所述M種量子點中的每個量子點的三維尺寸小于量子點的發(fā)射光譜中峰值處的波長。
3.根據權利要求I所述的一種基于量子點的中子能譜測量方法，其特征在于M種量子點中每兩種量子點的發(fā)射光譜中峰值波長相差超過10nm。
4.根據權利要求I所述的一種基于量子點的中子能譜測量方法，其特征在于所述量子點光學信號強度采集系統(tǒng)包括M個光學分頻器、M個波長轉換劑、M個光電倍增管、多道分析器和處理和存儲設備…種量子點產生的光學信號輸入M個光學分頻器，由M個光學分頻器分為M個光學信號，M個光學信號輸入M個波長轉換劑，M個波長轉換劑將M個輸入光學信號轉換為適宜接收波長范圍后至輸入M個光電倍增管，M個光電倍增管將光學信號轉換為M個電信號，所述M個電信號分別輸入至多道分析器，多道分析器將M個電信號轉換為數字信號后將數字信號輸入處理和存儲設備中，由處理和存儲設備對數字信號進行處理和存儲。
5.根據權利要求4所述的一種基于量子點的中子能譜測量方法，其特征在于所述M個光學分頻器中，第i個光學分頻器對應第i種量子點，可透過第i個光學分頻器的光譜的波長中值在第i種量子點發(fā)射光譜中峰值波長處，每個光學分頻器的可透過光譜的半高寬在IOnm以內。
6.根據權利要求4所述的一種基于量子點的中子能譜測量方法，其特征在于所述每個波長轉換劑的接收光子的波長范圍覆蓋所述的量子點發(fā)射光子波長范圍，波長轉換劑的發(fā)射的光子的波長范圍覆蓋所述光電倍增管能夠產生響應的光子波長范圍。
7.根據權利要求4所述的一種基于量子點的中子能譜測量方法，其特征在于所述步驟(3)中的反卷積方法包括最小二乘法、最大熵法、迭代法或神經網絡法。
全文摘要
一種基于量子點的中子能譜測量方法，通過使用若干種不同種類的量子點作為中子探測器，根據各種量子點對入射中子產生光學信號的差異，獲得入射中子的能譜信息等。本發(fā)明提出了一種新的能譜測量的新方法，適用于從10-9MeV-100MeV的中子能譜測量。
文檔編號G01T3/00GK102788990SQ20121028255
公開日2012年11月21日 申請日期2012年8月9日 優(yōu)先權日2012年8月9日
發(fā)明者吳宜燦, 宋逢泉, 宋鋼, 廖燕飛, 祝慶軍 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院