一种航空综合辐射剂量测量系统技术方案

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种航空综合辐射剂量测量系统
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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(1)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LETi为：LETi＝dEi/dX(2)其中，dEi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Di、品质因子Qi及当量剂量Hi；所述第i个粒子吸收剂量Di为：Di＝dEi/m(3)其中，m为探测器质量；所述第i个粒子当量剂量Hi为：Hi＝Qi·dEi/m(4)其中，Qi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：Qi＝1ifLETi≤10keV·μm-1(5)Qi＝0.32·LETi-2.2if10keV·μm-1≤LETi≤100keV·μm-1(6)所述入射粒子成分鉴别单元，用于通过前端探测器测量dEi与后面多片探测器获得入射粒子总能量Ei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。本专利技术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(1)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：LETi＝dEi/dX(2)其中，dEi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Di、品质因子Qi及当量剂量Hi；所述第i个粒子吸收剂量Di为：Di＝dEi/m(3)其中，m为探测器质量；所述每个粒子当量剂量Hi为：Hi＝Qi·dEi/m(4)其中，Qi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：Qi＝1ifLETi≤10keV·μm-1(5)Qi＝0.32·LETi-2.2if10keV·μm-1≤LETi≤100keV·μm-1(6)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dEi与后面多片探测器获得入射粒子总能量Ei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。本专利技术的优势在于：1、本专利技术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1.0本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种航空综合辐射剂量测量系统，其特征在于，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；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。

【技术特征摘要】
1.一种航空综合辐射剂量测量系统，其特征在于，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；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。2.根据权利要求1所述的航空综合辐射剂量测量系统，其特征在于，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。3.根据权利要求2所述的航空综合辐射剂量测量系统，其特征在于，所述Si探测器采用多片叠层Si探测器，厚度不大于0.3mm。4.根据权利要求3所述的航空综合辐射剂量测量系统，其特征在于，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。5.根据权利要求4所述的航空综合辐射剂量测量系统，其特征在于，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。6.根据权利要求5所述的航空综合辐射剂量测量系统，其特征在于，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(1)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LETi为：LETi＝dEi/dX(2)其中，dEi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Di、品质因子Qi及当量剂量Hi；所述第i个粒子吸收剂量Di为：Di＝dEi/m(3)其中，m为探测器质量；所述第i个粒子当量剂量Hi为：Hi＝Qi·dEi/m(4)其中，Qi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：Qi＝1ifLETi≤10keV·μm-1(5)Qi＝0.32·LETi-2.2if10keV·μm-1≤LETi≤100keV·μm-1(6)所述入射粒子成分鉴别单元，用于通过前端探测器测量dEi与后面多片探测器获得入射粒子总能量Ei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，...

【专利技术属性】
技术研发人员：余庆龙，卢琪，孙越强，荆涛，张珅毅，张斌全，张伟杰，孙莹，
申请(专利权)人：中国科学院国家空间科学中心，
类型：发明
国别省市：北京,11