多通道宇生缪子探测系统

1.本发明涉及缪子探测技术领域，尤其是一种多通道宇生缪子探测系统。


背景技术：

2.缪子是标准粒子模型中的一种，属于轻子范畴，带有一个单位负电荷。宇生缪子是由来自外太空的高能宇宙射线与大气中的原子分子发生碰撞后，产生的高能粒子进一步发送衰变产生的缪子。由于宇生缪子具有较好的穿透能力，因此可以通过探测宇生缪子来进行火山测量、冰川测量、地下勘矿、地下水勘测等。
3.目前的缪子探测技术局限于探测特定方向的缪子，所获得的探测结果信息量少，而且由于探测方向的局限性，所获得的探测数据有很大的本底噪声，使得探测精度受到影响。


技术实现要素：

4.针对上述由于缪子探测方向局限性带来的探测结果信息量少、本底噪声大等技术问题，本发明的目的在于提供一种多通道宇生缪子探测系统，包括：
5.探测模块；所述探测模块包括纵向塑料闪烁模组和多层横向塑料闪烁模组，所述纵向塑料闪烁模组和每层所述横向塑料闪烁模组分别包括多个塑料闪烁单元；各层所述横向塑料闪烁模组层叠；同一所述横向塑料闪烁模组内的相邻两个所述塑料闪烁单元之间的间隙能容纳一个所述塑料闪烁单元穿过，相邻两层所述横向塑料闪烁模组的朝向不同；所述纵向塑料闪烁模组中的各个所述塑料闪烁单元分别从各层所述横向塑料闪烁模组的间隙垂直穿过；所述塑料闪烁单元的两端均设有光电读出单元；
6.处理模块；所述处理模块用于从各所述光电读出单元获取检测信号，根据所述检测信号进行缪子轨迹重建。
7.进一步地，所述塑料闪烁单元包括：
8.塑料闪烁体；
9.反射膜；所述反射膜覆盖所述塑料闪烁体的侧面以及部分底面，在所述塑料闪烁体的底面形成没有被所述反射膜覆盖的缺口；
10.第一光电读出单元；
11.第二光电读出单元；
12.第一塑料端盖；所述第一塑料端盖安装在所述塑料闪烁体的一端，将所述第一光电读出单元固定在所述塑料闪烁体的一个底面的缺口处；
13.第二塑料端盖；所述第二塑料端盖安装在所述塑料闪烁体的另一端，将所述第二光电读出单元固定在所述塑料闪烁体的另一个底面的缺口处。
14.进一步地，所述纵向塑料闪烁模组中的所述塑料闪烁单元还包括：
15.第一有机玻璃块；所述第一有机玻璃块设置在所述第一光电读出单元与所述塑料闪烁体的一个底面的缺口之间；
16.第二有机玻璃块；所述第二有机玻璃块设置在所述第二光电读出单元与所述塑料闪烁体的另一个底面的缺口之间。
17.进一步地，所述塑料闪烁单元还包括：
18.铝箔；所述铝箔覆盖在所述第一塑料端盖的外部以及所述第二塑料端盖的外部；
19.黑色胶布；所述黑色胶布覆盖所述反射膜的外部、所述第一塑料端盖的铝箔外部以及所述第二塑料端盖的铝箔外部。
20.进一步地，所述第一塑料端盖与所述塑料闪烁体之间、所述第二塑料端盖与所述塑料闪烁体之间通过锡进行焊接。
21.进一步地，所述多通道宇生缪子探测系统还包括：
22.第一航空插头；所述第一航空插头安装在所述第一塑料端盖上，所述第一航空插头与所述第一光电读出单元连接；
23.第二航空插头；所述第二航空插头安装在所述第二塑料端盖上，所述第二航空插头与所述第二光电读出单元连接。
24.进一步地，相邻两层所述横向塑料闪烁模组的朝向相互垂直。
25.进一步地，所述根据所述检测信号进行缪子轨迹重建，包括：
26.根据所述检测信号确定各所述光电读出单元测得的信号强度；
27.将各所述光电读出单元映射至空间中的各空间点，从而确定各所述空间点各自对应的信号强度；
28.根据各所述空间点各自对应的信号强度进行轨迹拟合，从而确定缪子的轨迹。
29.进一步地，所述多通道宇生缪子探测系统还包括：
30.驱动模块；所述驱动模块用于驱动所述探测模块改变空间位置。
31.进一步地，所述多通道宇生缪子探测系统还包括：
32.显示模块；所述显示模块用于显示缪子轨迹重建结果。
33.本发明的有益效果是：实施例中的多通道宇生缪子探测系统设置了处于纵向不同高度、横向不同位置以及不同朝向的多个塑料闪烁单元，其中纵向塑料闪烁模组中的塑料闪烁单元能够用于探测横向运动的缪子，横向塑料闪烁模组中的塑料闪烁单元能够用于探测纵向运动的缪子，因此本实施例中的缪子探测系统能够探测空间中不同方向的缪子，能够获得空间中不同方向运动的缪子携带的信息，由于能够探测到横向运动的缪子，所获得的探测数据的本底噪声较小，容易获得较高的探测精度。
附图说明
34.图1为实施例中探测模块的结构图；
35.图2和图3为实施例中塑料闪烁单元的结构图；
36.图4为实施例中显示模块的显示效果图。
具体实施方式
37.本实施例中，多通道宇生缪子探测系统包括探测模块和处理模块。其中，处理模块可以是个人电脑、笔记本电脑或者专用的工业控制器。探测模块的结构如图1所示。
38.参照图1，探测模块包括纵向塑料闪烁模组和多层横向塑料闪烁模组，各层横向塑
料闪烁模组层叠。例如图1中，设有6层横向塑料闪烁模组10101、10102、10103、10104、10105和10106，每个横向塑料闪烁模组中都包括多个塑料闪烁单元，同一个横向塑料闪烁模组中的各个塑料闪烁单元相互平行，并且任意两个相邻的塑料闪烁单元之间的距离可以相同，这样同一个横向塑料闪烁模组便位于一个平面上。
39.本实施例中，纵向塑料闪烁模组和每个横向塑料闪烁模组分别包括多个塑料闪烁单元，每个塑料闪烁单元的基本结构是相同的。参照图2和图3，一个塑料闪烁单元包括塑料闪烁体200、第一光电读出单元300、第二光电读出单元、第一塑料端盖400和信号板500等结构。其中，塑料闪烁体是有机闪烁物质在塑料中的固溶体，通常由基质闪烁物质及移波剂组成。塑料闪烁体属于有机闪烁体，但不是有机晶体闪烁体，可用于α、β、γ、快中子、质子、宇宙射线及裂变碎片等的探测。塑料闪烁体易于制成极大块的透明体，易于加工成各种形状，具有不潮解、性能稳定、耐辐射、闪烁衰减时间短与价格低廉等优点。塑料闪烁体的主要成分为聚苯乙烯塑料掺杂一些荧光剂，缪子在穿过塑料闪烁体时会在其中沉积部分能量，激发闪烁体发光。
40.参照图2和图3，塑料闪烁体200的侧面和部分底面覆盖了反射膜，但是反射膜并没有覆盖全部底面，底面上没有被反射膜覆盖的部分形成一个缺口201，第一光电读出单元300被第一塑料端盖400固定在塑料闪烁体200的这个底面的缺口201处。第一光电读出单元300与塑料闪烁体200之间可以使用硅油作为光导，从而减少光损失和光在塑料闪烁体200内部发生全反射的概率。
41.图2和图3所示的是长条形的塑料闪烁单元其中一端的情况，由于塑料闪烁单元的结构是对称的，因此塑料闪烁单元的另一端可以参照图2和图3所示进行制作。
42.本实施例中，塑料闪烁单元的原理在于：可以使用光电倍增管或者硅光电倍增管(sipm)作为第一光电读出单元和第二光电读出单元。当空间中有缪子穿过塑料闪烁单元中的塑料闪烁体，缪子将与塑料闪烁体发生相互作用产生可被第一光电读出单元或第二光电读出单元探测到的信号。信号板500可以是航空插头标准的，因此图2和图3中所示的信号板500可以是第一航空插头，第一航空插头安装在第一塑料端盖上，第一航空插头与第一光电读出单元连接，在塑料闪烁单元的另一端设有第二航空插头，第二航空插头安装在第二塑料端盖上，第二航空插头与第二光电读出单元连接。图2和图3中，第一航空插头引出供电线401和信号线402连接到处理模块。第一光电读出单元或第二光电读出单元连同所连接的信号板500起到光电信号转换的作用，从而将缪子将与塑料闪烁体发生相互作用产生的光信号转换为计算机可读的电信号，将电信号发送至处理模块进行处理。塑料闪烁体为长度远大于直径的长条形结构，缪子穿过塑料闪烁体时的路径与塑料闪烁体的长度方向之间的夹角越接近90
°
，则缪子将与塑料闪烁体发生相互作用产生的光信号越明显，缪子穿过塑料闪烁体时的路径距离光电读出单元越近，则光电读出单元探测到的光信号越明显，因此第一光电读出单元或第二光电读出单元输出的电信号幅度和相位等参量中包含了缪子的运动信息，处理模块能够根据第一光电读出单元或第二光电读出单元输出的电信号分析重建缪子的路径。当塑料闪烁单元的方向为纵向，即塑料闪烁单元垂直于地面，则塑料闪烁单元能够捕捉到横向的缪子产生的信号，当塑料闪烁单元的方向为横向，即塑料闪烁单元平行于地面，则塑料闪烁单元能够捕捉到纵向的缪子产生的信号。
43.本实施例中，第一塑料端盖的外部以及第二塑料端盖的外部还覆盖了铝箔。反射
膜的外部、第一塑料端盖的铝箔外部以及第二塑料端盖的铝箔外部还覆盖了黑色胶布。通过设置反射膜和黑色胶布，可以避免缪子激发塑料闪烁体产生的光信号辐射到塑料闪烁单元之外造成信号失真，以及避免外界的光照射到塑料闪烁体造成干扰。
44.本实施例中，塑料闪烁单元的一种制作步骤如下：
45.1.将完整的塑料闪烁体(以下简称塑闪)(尺寸为10cm*10cm*60cm)放置于桌上，下方用黑胶布垫好(防止塑闪粘上灰尘，影响后续测试效果)，使用酒精对塑闪进行清洁消毒处理。
46.2.使用反射膜贴在塑闪表面除光电读出单元(塑闪两端的正方形截面)以外的位置即可，在封装时应尽量使反射膜贴紧塑闪表面，平整无气泡以期获得更好的反射效果(更高的计数率)。
47.3.在塑闪原先贴好反射膜的地方再贴一层黑色胶布，避免漏光(主要针对反射膜粘接头处产生的缝隙)。
48.4.另单独剪裁2张10*10cm左右的正方形反射膜，并以对角线的交点位置为中心，剪裁一个2cm*2cm的缺口(粘贴sipm用)，贴在塑闪两端的正方形截面上。5.剪一小块纳米胶贴在sipm的背面芯片位置，将其粘至塑闪正方形截面的缺口处。6.将电源线与航空插的部分进行焊接。(若无特别说明，以下焊接均以锡作为焊接材料)。
49.本实施例中，塑料闪烁单元中塑料端盖的封装步骤如下：
50.1.准备好电源线，将红色导线焊接至航空插的后端接口处，黄色导线焊接至航空插的2接口处。航空插后端使用六角螺母进行固定(固定至端盖带孔部分的孔洞处)，使电源线朝后伸出，与信号板进行焊接。
51.2.信号线的处理：该信号线中同轴线的内层与外层剥离开。将信号线中的外部导线与垫片进行焊接，内部导线与电源线接头的塑料端部分焊接，并在垫片上使用六角螺母将电源线接头固定在端盖的孔洞上，2线朝向端盖内部的一端与信号板焊接。
52.3.电源线的处理：准备黄色和红色的导线各一根(长度约12—15厘米)，将火线与零线的一端与塑料电源插头相连，将火线另一端与航空插后端焊接，将零线另一端与航空插后端焊接。在端盖内部将航空插使用六角螺母将电源线固定在孔洞上，电源线有卡扣的一端与信号板连接(可拆卸)。在确认各个连接部分没有松动后，使用3mm螺丝通过端盖上内部的孔洞，将端盖的上半部分与下半部分固定。至此端盖制作完成。将端盖外部贴上铝箔(遮光作用)，在加贴一层黑色胶布，将其与塑闪的两端进行固定，必要时可加贴黑色胶布。第一塑料端盖与塑料闪烁体之间、第二塑料端盖与塑料闪烁体之间通过锡进行焊接。
53.对于纵向塑料闪烁模组中的塑料闪烁单元，还可以在第一光电读出单元与塑料闪烁体的一个底面的缺口之间设置第一有机玻璃块，在第二光电读出单元与塑料闪烁体的另一个底面的缺口之间设置第二有机玻璃块。当塑料闪烁体的尺寸为10cm*10cm*60cm，第一有机玻璃块和第二有机玻璃块的尺寸可以为10cm*10cm*10cm。通过增加第一有机玻璃块和第二有机玻璃块，可以起到延长塑料闪烁体的作用，使得纵向塑料闪烁模组中的塑料闪烁单元能够有更大概率被缪子穿过，以弥补纵向塑料闪烁模组中的塑料闪烁单元少于横向塑料闪烁模组中的塑料闪烁单元造成的横向信号和纵向信号不平衡的问题。
54.本实施例中的塑料闪烁单元具有相同的基本结构，因此能够作为一个基本模块组成纵向塑料闪烁模组或者横向塑料闪烁模组。通过增加模组中塑料闪烁单元的数量，能够
扩展纵向塑料闪烁模组和横向塑料闪烁模组的规模，使得探测系统的规模控制、测量广度控制以及维护都非常便利。
55.本实施例中，参照图1，横向塑料闪烁模组10101、10102、10103、10104、10105和10106依次从上至下叠在一起，相邻两层横向塑料闪烁模组的朝向不同。具体地，参照图1中的坐标系，各横向塑料闪烁模组所在的平面与xy平面平行，如果横向塑料闪烁模组10101的朝向与x轴相同，那么横向塑料闪烁模组10102的朝向相对x轴偏离的角度可以是θ，横向塑料闪烁模组10103的朝向相对x轴偏离的角度可以是2θ，即从横向塑料闪烁模组10101数起，第n个横向塑料闪烁模组相对x轴偏离的角度可以是(n-1)θ。图1中，θ＝90
°
，即相邻两层横向塑料闪烁模组的朝向相互垂直。
56.参照图1，同一横向塑料闪烁模组内的相邻两个塑料闪烁单元之间的间隙能容纳一个塑料闪烁单元穿过，这样层叠起来的多个横向塑料闪烁模组所形成的整体中，存在可以供塑料闪烁单元穿过的间隙。
57.本实施例中，横向塑料闪烁模组10101、10102、10103、10104、10105和10106中的每个横向塑料闪烁模组分别包括3个塑料闪烁单元，当相邻两个横向塑料闪烁模组的朝向相互垂直，且同一个横向塑料闪烁模组中相邻两个塑料闪烁单元之间的间隔相等，那么这6个横向塑料闪烁模组层叠成的整体中，存在4个可以供塑料闪烁单元穿过的间隙。
58.本实施例中，纵向塑料闪烁模组102设有4个塑料闪烁单元，这4个塑料闪烁单元分别垂直穿过6个横向塑料闪烁模组层叠成的整体中的间隙。
59.图1所示的结构包括了处于纵向不同高度、横向不同位置以及不同朝向的多个塑料闪烁单元，其中纵向塑料闪烁模组中的塑料闪烁单元能够用于探测横向运动的缪子，横向塑料闪烁模组中的塑料闪烁单元能够用于探测纵向运动的缪子，因此本实施例中的缪子探测系统能够探测空间中不同方向的缪子，能够获得空间中不同方向运动的缪子携带的信息，由于能够探测到横向运动的缪子，所获得的探测数据的本底噪声较小，容易获得较高的探测精度。
60.本实施例中，处理模块在进行根据检测信号进行缪子轨迹重建时，具体可以执行以下步骤：
61.s1.根据检测信号确定各光电读出单元测得的信号强度；
62.s2.将各光电读出单元映射至空间中的各空间点，从而确定各空间点各自对应的信号强度；
63.s3.根据各空间点各自对应的信号强度进行轨迹拟合，从而确定缪子的轨迹。
64.本实施例中，可以建立空间坐标系，使得每个光电读出单元都对应空间坐标系中的一个坐标，并且每个每个光电读出单元所测得的信号强度作为相应坐标的赋值。将每个光电读出单元视为空间中的离散点，可以通过曲线拟合算法拟合出曲线，通过拟合出的曲线确定缪子的轨迹。
65.本实施例中，可以在多通道宇生缪子探测系统中设置显示模块，显示模块与处理模块连接，处理模块将缪子轨迹重建结果发送至显示模块，显示模块将缪子轨迹重建结果显示出来。显示模块的一种显示效果如图4所示，图4中所显示的是处理模块处理所得的一种缪子轨迹重建结果。
66.本实施例中，可以在多通道宇生缪子探测系统中设置驱动模块。参照图1，驱动模
块600可以是用于承载探测模块的支柱结构，驱动模块600可以通过改变自身长度来驱动探测模块改变在纵向的空间位置。当只设置一根支柱结构，驱动模块600可以驱动探测模块旋转，从而改变驱动模块600中各塑料闪烁单元的朝向，改变探测模块在横向的空间位置。通过设置驱动模块，能够在不改变探测模块的结构的情况下，使得探测模块中的各塑料闪烁单元位于不同的空间位置，从而探测到不同方向的缪子，获得更丰富的探测信息以及更低的本底噪音。
67.需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。
68.应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。
69.应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
70.此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。
71.进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、ram、rom等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本实施例所述的发明包括这些和其
他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。
72.计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。
73.以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。