专利名称：测定辐射方向性的组合物及方法
技术领域：
本发明涉及一种测定辐射方向性的方法。尤其是涉及一种使用张拉的亚稳态流体检测系统测定辐射方向性的方法。受美国政府支持作出的发明创造本发明得到政府支持，是在国防高级研究计划署授予的第HR0011-05-C-0141号合同下作出的。政府对本发明享受一定权利。
背景技术：
人的感观无法感知辐射。已经存在多种手持式和实验室用辐射检测和测量仪器， 例如盖格计数器。然而，这些设备不能提供关于入射辐射的方向性的信息。

发明内容
本发明提供测定入射辐射方向性的组合物和方法。有一种测定辐射方向性的方法，其涉及将一腔室内的张拉的亚稳态流体体积分割为多个区段，将该流体放置于辐射源附近，并检测腔室内多个区域或区段中的发生的辐射诱导空穴成核事件(cavitation nucleation events)，测定各个区段内反向区段的空穴数量比率，并根据上述多个区段内反向区段空穴比率测定辐射源的方向性。已经揭示了一种给出辐射源方向的信息的中子检测系统。可以使用一种声学张拉的亚稳态流体检测(ATMFD)系统检测辐射来源的方向，而不是依赖无法给出检测到的辐射来源信息的中子或其他辐射(例如光子)的相互作用。尽管ATMFD可用，但中子/辐射诱导空穴事件的发生概率是流体中张拉的负压力与中子/辐射通量的函数。在一个依赖于声学张拉的亚稳态流体的实施例中，压力曲线几乎与水平面呈轴对称，这样所有距离中心等距的点都具有基本上相同的负压。在该系统中， 空穴概率是中子/辐射通量的函数。由于来自辐射源的中子/辐射通量随着距离、下散射 (down scattering)的角度和吸收而降低，距离辐射源最近侧面区段具有更高的检测概率。 借助对空穴事件样本集的位置的检测，就可通过观察空穴事件发生位置的不平衡测定方向 fn息ο可通过记录产生的空穴诱导的冲击波到达检测壁上不同位置的时间来测定中子/ 辐射检测成核地点的位置。为了测定空穴诱导的冲击波的辐射源的位置，检测器中可以使用任意数量的换能器。只要能够获得方向信息，可以使用任何适宜数量的换能器。例如，4 个(外径大约为7mm)压电式换能器可用来检测由空穴事件产生的冲击波的到达。可在一个平面上设置至少2个，优选3个或更多的信号检测换能器，并在该平面之外设置一个或更多的信号检测换能器。然后可对来自这4个换能器的信号进行处理，得到需要的方向的信息。此外，还可通过在空穴事件发生期间或发生之后监测气泡的形状来获取方向的信息。这种由中子/辐射轰击ATMFD液体的声学张拉压力场中的原子核而产生的空穴气泡自身优先地以近似椭圆的形状沿着入射辐射的方向延伸。本发明中描述的优选ATMFD系统具有以下能力 在8个数量级上检测SW中子，
检测阿尔法粒子，
眷保持实质上对伽马光子的完全不灵敏性， 以大约90 %的固有效率工作， 提供入射辐射的实时方向的信息。已经用Pu(钚)基中子一伽马和光子光源进行了基准研究和合格性研究。本发明提供模型与实验框架，并演示ATMFD系统的操作。
附图简要说明

图1提供了 ATMFD共振腔的示意图，(a)具有多个与中空圆柱状换能器设置的碟式换能器，或(b)单独与多个换能器间隔设置。图2是在大约3. 5W和IOW时的腔内压力分布示意图。图3是MCNP输入台的不按比例的几何示意图。图4是长靶距丙酮和氟里昂-113中子通量比率的示意图。图5是信号处理前的冲击脉冲的屏幕快照示意图。垂直刻度约为500mV/div。水平刻度约为lOOms/div。图6是方向的信息分析的冲击脉冲的屏幕快照示意图。垂直刻度约为500mV/div。 水平刻度约为5μ s/div。图7是方向性自动化的实验设置的示意图。图8是利用离开腔室中轴线大约-20. 3cm并与Mic 1和Mic3成一条直线的PuBe 源的检测事件位置的轴向剖视图。图9是测定源方向士30度以内的示意图。实验结果与MCNP模拟的比较。图10是大约为4. 5W时从rz平面上看去所有记录的中子检测事件与COMSOL模拟
重叠的示意图。图11是大约为4. 5W时(a)和大约为IOW时(b)腔内压力分布示意图。图12是不按比例的MCNP输入的几何形状的示意图。图13是空穴冲击波的示波器描迹示意图。第一信号的垂直刻度大约为20mV，第二信号大约为200mV。水平刻度大约为50ms/div。图14是经过方向的信息分析的冲击脉冲屏幕截图示意图。图15是各个换能器在不同触发级别上记录的触发率示意图。图16是方向性自动化的实验设置示意图。图17是使用4通道100MHz、100M&i/S示波器人工采集的数据的示意图。图18是使用距离腔室中轴线-35. 5cm并与Mic 1和Mic 3在一条直线上PuBe源的空穴事件的位置示意图。图19是使用距离腔室中轴线+35. 5cm并与Mic 1和Mic 3在一条直线上PuBe源的空穴事件的位置示意图。图20是在xz平面上所见到的所有记录下来的空穴事件的示意图。使用Mics 1 和Mics 3采集数据，源在χ-轴上距腔室中心约-35. 5cm和35. 5cm。图21是空穴事件的径向分布示意图，分为两个部分(距源最近和距源最远)；(a) χ-轴上源距离腔室中心约-35. 5cm处取得的数据；(b)x-轴上源距离腔室中心约35. 5cm处取得的数据图22是ATMFD中一个指向入射辐射源(这里的中子来自Pu-Be同位素源)的拉长气泡的照片。
具体实施例方式在一个方法中，可由张拉亚稳态流体状态提供检测核粒子的能力，张拉亚稳态流体状态可通过特制的声学系统获得，例如声学张拉亚稳态流体检测器(ATMFD)。在张拉亚稳态流体中的辐射检测可通过由毫微微规模(femtoscale)的核子相互作用的宏观机械表现实现。入射核粒子可与动力学张拉亚稳流体相互作用，其中的分子间键足够脆弱，使得离子化核子的反冲产生纳米级蒸气空穴，直至该空穴增大至可见级别。离子化核子优先靠近入射辐射形成，从而能够首次提供确定入射辐射方向性的信息。本发明带来的进步在于更大的核粒子范围的检测，在超过8个数量级的能量范围内对中子进行检测，将固有检测效率提高到90%以上，以及较先前所及的可能性更加能够确定入射辐射的方向的信息。在一实例中，本发明提供一种组合物和一种方法，能够利用增强的信号处理和信号分析、精密的计算算法和按要求扩大检测器灵敏体积来增加确定方向的信息的准确性和精密度。可通过实验与理论模型建立的结合使用提升ATMFD系统。模型建立方法论包括通过COMSOL的模拟平台使用MCNP5和基于声学、结构和电磁耦合的复杂多物理学评估的基于蒙特卡洛的核粒子转移。已经使用包括Pu基中子一伽马源在内的多种特种核材料(SNM) 进行了基准研究和合格性研究。研究结果表明，ATMDF系统按照当前配置能够将辐射源的方向定位到至少在大约30度以内，置信度达到80 %或更高。
第一实施例张拉亚稳态流体中的辐射检测部分基于如下原理入射核粒子与张拉流体相互作用，张拉流体中的分子间键足够脆弱，使用核粒子能够在流体中触发局部化的爆发相变。张拉状态的液体是热平衡状态之下的亚稳态，与处于其正常沸点之上的热量过量状态的过热液体不同。流体中的张拉力与固体结构的拉伸类似。撕裂固体的分子间键所需要的能量会随着结构内张拉力的增加而减少。类似地，断裂液体分子之间的分子间键所需要的额外触发能量随着张拉亚稳态的增加而减少，最终导致张拉力拐点极限处爆发相变的自主触发。 在此状态界限之下，需要额外的能量触发张拉亚稳态流体的触发相变。该额外能量可通过与核粒子(例如中子、阿尔法粒子、光子、贝塔粒子、裂变产物等)甚至是可见光光子的相互作用提供。这一属性使毫微微规模核子级粒子放大到相对较大(χ 1013)的宏观规模，从而产生例如本发明所描述的基于声学张拉亚稳态流体的检测系统(ATMFD)的用于核工程和科学应用的新型低成本、超灵敏检测器。本发明的目的是通过与检测器流体的直接撞击实现MeV范围内的中子的方向性检测(例如由特种核材料如U、Pu、Cf、Am、Cm等发射的中子)。上述ATMFD方法看起来不仅能够检测入射辐射的能量和强度，还能够确定辐射源的位置信息，潜在应用领域十分广泛，包括出于国家安全辨识能够泄露实情的来自S匪的中子发射特征。由于中子诱导的检测事件会发生在张拉流体体积中最靠近源的区段部分， 因此可以在ATMFD系统中确定方向信息。中子诱导的检测事情的发生概率是检测器流体中的负压和中子通量及能量的函数。由于压力曲线是近乎轴对称的，所以检测事件的概率是中子通量和能量的函数。由于来自源的给定能量的中子通量随着距离的增加和向下散射的角度和吸收而减少，最靠近源的灵敏一侧体积具有最高的检测概率。通过对检测器内部这些检测事件所在位置的检测，使用者就能够确定辐射源方向信息。本发明提供一种改进的方向性测定机械处理方案。
符号说明ATMFD-声学张拉亚稳态流体检测器C0MS0L-C0MS0L MultiphysicsTMGPIB-通用接口总线(IEEE 488)GPS-全球定位系统LabVIEMTM-图形程序语言LET-线性能量转移(也记作dE/dx)PuBe-钚铍中子源PZT-锆钛酸铅Mic-麦克风MCNP5-蒙特卡洛η粒子版本5OD-外径SDD-过热微滴检测器SW-特种核材料TDOA-到达时差(也记作，t)TMFD-张拉亚稳态流体检测器Vl-最靠近源的灵敏体积(或区段)V2-最远离源的灵敏体积(或区段)XatMaxY-相对于触发点最高峰的时间XatMinY-相对于触发点最低峰的时间 ATMFD设计可使用任何适宜的腔室，只要该腔室可用于产生张拉亚稳态流体，优选声学张拉亚稳态流体，该流体中能够产生近乎轴对称的流体压力分布，使所有与中心轴等距的点都具有基本上相同的负压力，例如圆筒体。由于制造方面的原因，玻璃筒体沿外周及长度的厚度和直径可能会有轻微的偏差( 10-100微米类型)。这样导致共振腔的真实中心轴偏离中心线。这种偏离可产生径向和轴向上波动压力分布不对称。这些偏差可在系统特征化中先行考虑。例如通过在相关频率范围中的瞬时波动压力映射找到真实中心轴。对于实际使用的系统，来自几何中心轴的波动压力通常基本上相同，尽管可能会有一些偏斜，但其程度在可知范围内，这样在获取相关方向的信息时就可以进行调整。在一些实施例中，适宜的腔室具有以下特性它们可以受来自外部换能器的脉冲以在腔室中容纳的流体中产生标准声波的方式瞬时机械变形。在一些实施例中，腔室所具有的尺寸和形状允许直接辐射检测，能够在腔室的不同区域进行向下散射协助的气泡空穴事件的收集。压力波可由波动正压和负压构成，负压在张力拐点界限之上的范围内、但允许核粒子与液体分子相互作用时释放的能量触发相变，该相变也被称为气泡成核或空穴事件。通常，当上述流体为氟里昂-113时， 认为负压大约为-2. 5巴或存在来自例如Pu-Be源的S匪的 4MeV中子时更低。当丙酮为测试流体时，负压大约为-3. 5巴或更低。要求的负压值随外部中子能量变化，可以通过与已知能量的中子源进行比较而预先标定(例如来自加速器系统或阿尔法发射同位素源如 Am-Be、Am-Li、Am-B、Am-C、Am-Fl，及类似同位素等)。适宜的腔室可使用石英、玻璃(优选派热克斯玻璃)、陶瓷、聚碳酸酯和若干种金属，均如本领域所知。在一实施例中，共振声学腔可为外径大约为70mm、长150mm的圆柱状石英管，顶端和底端为半球形。图Ia展示了该 ATMFD的示意图。只要符合工作频率相关需要，还可以选择其他尺寸。腔室可注满流体并且通常是封闭的。可使腔室成为适合于在腔室的流体内聚焦声能的机构。可使用任何适宜的手段在腔室中的流体内聚焦声能，例如可以使用设置于测试流体顶部的中空玻璃或石英反射器和类似的置于腔室底部的中空玻璃或石英反射器。可以使用塑料、特氟隆、聚碳酸酯， 如果不让它们受到工作流体侵蚀的话。例如，可使用标准方法(机械或基于环氧胶的)将锆钛酸铅(PZT)制成的同心环形压电换能器固定在腔室外侧为声学共振腔提供动力。适宜的换能器可以使用任何能够在流体内诱导共振的材料制成，例如钛酸钡、锆钛酸铅(PZT)， 以及其他已知的材料。没有必要使用同心环形状的中空圆柱体。特别是对于大直径ATMFD 来说更是如此，因为圆形同心环形换能器尺寸越大采购越困难。另一种可选方案是，可如图 Ib所示将多个碟型，例如圆形、矩形或其他形状的换能器或如图Ia与中空圆柱体设置在一起，或是如图Ib各自设置。这种情况下，大约将4个此类碟型设置于给定平面作为驱动换能器。第5个换能器安装在较高处，并且尺寸可以极其微小一其用途是接收冲击信号。上述4个位于同一平面的换能器的作用不仅是提供驱动功率，同时也接收来自内爆气泡的冲击信号。上述两种情况中，都是给定材料的厚度和尺寸控制换能器的电容量和共振频率。 例如，对于中空环形换能器，电容量分别与环的高度直接成正比，与中空圆柱体的外径对内径之比的自然对数成反比。对于无论是在平面方向还是厚度方向上被极化的圆形碟状换能器来说，其电容量与直径的平方直接成正比并与其厚度成反比。这些换能器的最佳使用方式是其共振与测试小室外壳的机械共振相匹配。对于图1中所示的外径为70mm且长度为 150mm的测试小室来说，机械共振频率(注满丙酮)达到大约20kHz，环形换能器的电容量大约为20nF。对于图Ib中的碟式换能器，碟式换能器也应按70mm外径和大约为20nF的电容进行选择，但应对其尺寸进行选择，使其提供大约为20kHz的共振频率。对于较大直径的系统，机械共振大体与系统的直径按第一级近似成反比变化(例如对于外径为140mm的系统，机械共振可能会降至大约IOkHz)，因此换能器的电容量也必须进行相应调整，使换能器的共振频率同样接近10kHz，以便获得最大效率的驱动功率。可以通过在一个频率范围内测试小室在测试液中不同高度下的直接压力映射对系统的机构共振进行更为精确的估测 (即包括了多维3D效果的估测)，这样可以找到压力振动达到最高值的频率。或者，还可使用多物理建模和模拟方案，如后文介绍COMSOL多物理模拟平台的使用时所述。
可使用连结剂例如粘合剂将换能器固定在腔室之上。适宜的连结剂应具有适宜的阻抗，其基本上与产品的密度、介质中的声速、驱动换能器、接收来自高频振荡换能器机械脉冲的被驱动结构匹配。所选的连结剂要尽量降低声能散射和/或耗费，例如热散逸。作为举例，可使用环氧树脂将换能器固定在腔室壁上。使用环氧时要避免留下气泡，气泡会影响粘接性能。可将玻璃粉与环氧树脂混合以提供连结阻抗，但必须限制玻璃的用量才不至于削弱环氧树脂的粘接性能。还可使用一种叫做Mycast的产品固定换能器。室温下为液态的金属例如加林斯坦(galinstan)—一种GaJn* Sn的低共熔混合物，或其他具有极低蒸汽压力的液体，例如十四烷或甘油也可作为连结剂使用。声能可在这些连结剂中传导。盛装这些流体、将声能由换能器传导至玻璃壁的空腔的边缘可用环氧树脂或硅橡胶(RTV-类似物)水泥密封。很多种流体都可以在ATMFD中使用，这些流体包括丙酮、氟里昂、苯、异戊烷、硼酸三甲酯、水等类似物，都可考虑在本发明中使用。具有更高氢含量的检测流体可用来增加向下散射对中子通量比的影响，从而可增强长靶距(at large standoff)方向性测定精度。可以对ATMFD设备进行翻新，例如更换换能器或重新灌注腔室与换能器之间间隙的流体。操作时去除环氧树脂或重新灌注时必须十分小心，不能损坏易碎或易失效的PZT 换能器。操作设备时可使用线性放大器放大的正弦曲线信号，用来驱动可在径向或轴向上极化的压电换能器。压电材料在某一给定方向上拉伸后会在垂直于上述第一方向的方向上收缩。选择径向上极化的中空圆柱状PZT传感器的原因在于主要需要在径向上驱使扰动； 电极引线位于环的内外表面。对于电极引线位于唇边上的情况也可使用垂直极化中空圆柱状PZT。或者，还可将扁平碟式压电换能器组固定(机械固定或胶/环氧固定)到玻璃表面并单独或并行驱动。这种驱动换能器组具有双重目的首先是为ATMFD提供驱动功率， 其次是作为来自破裂空穴气泡的冲击波信号拾取装置；该冲击波信号被叠加到主驱动频率上。这种情况下，可免除对额外的小型麦克风的需要，或者，也可以继续使用以获得更多的关于ATMFD性能和方向性监测方面的声学信息。共振时，可利用该尺寸的石英/玻璃/陶瓷/金属腔室的机械变形产生由20kHz范围的振荡正和负(即亚真空)压力构成的持续声波。流体分子在负压力期间时，处于亚稳态，可产生来自入射辐射的核粒子轰击。
建模与模拟在ATMFD系统粒子轰击特性化中可使用两种模拟工具C0MS0L MultphysicsTM (以下简称为C0MS0LTM)，这是一种有限元多物理程序，以及MCNP5，这是一种核粒子代码。 C0MS0LTM数值模型可用来解决声学一结构相互作用的复杂多物理问题，包括超瞬时变化、结构动力学、强多维方面(strong multidimensional aspects)和电磁耦合。MCNP5可用来评估在3D空间和能量依存物理方面影响ATMFD灵敏体积上的中子/辐射运送和能量谱。
有限元模拟可利用C0MS0LTM的结构机械学模型建立共振声学腔室模型，包括应力应变和压电效果分析和声波传送模型以及电磁耦合。由于问题的复杂性，C0MS0LTM模型利用有限元方法解决频率方面的问题。使用乙二醇和丙酮的类似模型均已与实验数据进行了压力分布和频谱响应基准检查。ATMDF系统的模型为轴对称，围绕中心轴对称。模型使用约25ο的检测流体作为纯丙酮。图2展示了各个不同施加在PZT上的驱动功率与共振频率大约18. 78kHz的腔室灵敏体积的空间特性之间的关系。在当前的检测器配置中，腔室的灵敏体积可定义为为腔室的体积，其中的振荡负压波动为等于或低于-3. 5巴，这是在丙酮中快速检测(MeV)中子的负压力阈值。如图2所示，将驱动功率适当地由约4. 5W加倍到10W，导致灵敏体积由约50cm3到约100cm3。检测器中较大的灵敏体积不仅增加了有效检测效率，还允许更多的中子在腔室中的灵敏体积相互作用，但也增加了灵敏体积的径向尺寸，可用于增加方向的信息的精度信息并检测效率。
蒙特卡洛模拟可利用美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室开发的MCNP5代码估测核粒子传输。该模型包括ATMFD共振腔室和一距腔室中心轴20. 3cm的PuBe中子源(发射能量约为&10611/8)。该腔室可被建模为轴对称。包括反射器在内的适宜的结构材料可以是石英， 压电换能器可以是锆钛酸铅(PZT)，工作流体可以是丙酮(C3H60)。顶部反射器之上，顶部和底部反射器内和腔室之外的部分可以建模为空气。根据这一方法，如图3所示，在检测流体中定义两个区域灵敏体积。定义灵敏体积的圆柱体(r =约1. 25cm，h =约如!11)可被分割为两半，一半正对源(Vl)，一半背对源(V2)。 这两个半圆柱体形成中子计数体积。可使用裸PuBe源的中子通量谱，并且所有横截面都被评估为约300oK。所有评测都可计算到约以内的相对误差内。MCNP5模拟结果表明Vl相对于V2的中子通量高出约23%。通过比较由这两个灵敏体积对向的立体角和PuBe源，其自身的空间效应导致Vl的能量比V2高出-13%。相比之下，下散射导致Vl中快中子通量高出约10%。这表明随着源到检测器距离的增加，有效地减少并最终取消了空间效应可能带来的贡献，ATMFD中的检测仍将是优先的并且可辨别， 对最靠近源的区域有利。基于指数衰减定律的计算能够对下散射对中子通量比率的影响与灵敏体积大小之间的关系进行估算。加入第二流体氟里昂-113(通常用于基于亚稳态流体的检测系统) 进行比较。PuBe源发射的中子具有约4MeV的平均能量，在丙酮内有约5cm的平均自由程 λ，而在氟里昂-113中约为10cm。结果如图4所示。下散射对中子通量的影响随着灵敏体积的大小成比例增加。当源距离足够远时观察到可得到的方向信息增加的能力，从而立体角对中子通量幅度的影响变小。下散射的影响还取决于检测器流体的成分。如图4所示， 丙酮中下散射的影响大于氟里昂-113中的影响。这主要归功于丙酮中MeV中子具有更高的氢含量(因而更低的λ)。可使用其他具有更高氢含量的流体以增加下散射对中子通量比率的影响，进而在长靶距上提高方向性测定的精度。因此，诸如丙酮、氟里昂、苯、异戊烷、 硼酸三甲酯、水等类似的流体都可用于本发明。
自动化方向性解读的能力需要获取数百至数千个检测信号，然后迅速进行分析，在几秒到几分钟内得出具有足够可信度(例如> 75% )的结果。实际应用的系统中高度需要自动化。核粒子相互作用形成的内爆蒸汽空穴的剧烈溃陷产生的可以听到的喀嗒声在距离腔室数英尺之外就可以听到。可使用4个微小的可固定在共振腔外侧MHz响应压电换能器记录来自溃陷蒸汽空穴的可以听见的喀嗒声。基于硬件和LabVIEWTM的虚拟仪器软件的控制系统已被开发出来，用于记录这些检测事件和提取关于辐射源方向的信息。
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来自压电换能器的电信号可被送入一个三级巴氏(Butterworth)高通滤波器以消除优势驱动频率，从而将高频分量分离出来。然后可将来自滤波器的信号送入AgilentTM IOOMHz数字存储示波器，用以显示、存储和进一步的信号分析。实验中使用的真实信号屏幕截图见图4、5。信号中的峰值是记录的中子检测事件造成的，这些事件造成内爆蒸汽空穴， 进而导致被PZT换能器检测出来的辐射冲击信号。可以将基于LabVIEWTM的虚拟仪器(VI)作为图形用户界面设计出来，不仅用来控制ATMFD系统的操作，还用来收集和分析实验数据。可借助与示波器的GPIBl界面通过 LabVIEWTM虚拟仪器获取实验数据。在一个方法中，一旦由示波器获取了数据，虚拟仪器就会使用两种静态技术将获取的电信号作为中子检测事件而有效化。中子检测事件的有效化可利用冲击痕迹的两个特征。由图6可以看出，来自中子检测事件的冲击痕迹具有高频 (约250kHz)正弦脉冲形状。冲击痕迹的另一个特征是它们都是对称的。可对被称为歪斜度的冲击痕迹的对称性进行测量计算以测定该电信号是否为中子检测事件的电信号。这一技术利用了噪音的随机本性(电噪声和机械噪声均如此)，并有助于消除假阳性。第二种可以使用的技术是对两个冲击痕迹的相似度测量。在真实中子检测事件中，各个换能器冲击监测器记录的冲击痕迹应具有基本相同的形状。可对两个冲击痕迹的交叉相互关联，或称为滑动点积进行计算以测定两个个体冲击痕迹的匹配程度如何。该交叉相互关联方法还允许对两个冲击痕迹的到达时间差进行计算。到达时间差(τ)以图形的形式展示于图6。 然后可利用双曲线定位算法对到达时间差进行分析，以计算中共振腔中中子检测事件的位置。然后LabVIEWTM虚拟仪器利用中子检测事件的位置确定中子源的方向，并以图形形状展现给用户。为ATMFD设计的从中子检测事件到中子源方向确定的一体化检测系统可以在微秒(ms)时间级上近乎实时执行。
方向性性测定实验和结果如MCNP和C0MS0LTM模型中所述，实验设置使用外径约为6. 9cm的石英ATMFD腔室，其他形状如Pyrex玻璃制成的球形和圆锥形也实验成功。腔室内使用的液体为约25oC、 约20英寸Hg柱真空条件下的纯丙酮。使用波发生器(Agilent，型号33120A)和线性放大器(Piezo System公司出品，型号EPA-104)对腔室进行操作。得知共振频率约为18. 3kHz, 使用约96V驱动电压。使用记录冲击痕迹的示波器采集实验数据。使用LabVIEWTM程序控制示波器的操作、采集数据、并执行信号处理和分析。通过GPIB界面与示波器进行通信。在同一 XY平面上相互呈直角放置4个压电换能器，例外是第4个换能器按正Z分量放置，以允许3-D定位。整个设置如图7所示。用约ICi PuBe中子一伽玛源(发射能力约hl06n/s)、Mic 1和Mic 3进行实验， 伽玛源距轴上的腔室中心约-20. 3cm和20. 3cm。如图8所示，使用记录的TDOA计算成核事件的位置。由于系统的高品质因素，必须考虑腔室结构的微小变化导致几何中心与灵敏体积中心的微小差异。使用XY平面上的核事件的平均位置确定灵敏体积的中心。相应地进行位置调整。首先将图形分割为两个基本上大小相等的半球体体积。最靠近辐射源的体积 Vl中包含大约55. 2% (士2. 5% )的检测事件，仅有44. 8% (士2. 2% )的检测事件发生在 V2。给出的中子检测事件比率结果约为1.23(士0.07)。如前所述，MCNP给出的预测比率约为 1. 23。对中子检测事件的位置进行进一步分析以测定检测器能力，从而更好地解决辐射源的角方向。灵敏体积被分割为6个隔开的约600角区段。对每个区段内的中子检测事件总数进行计算，并与发生在反向区段内的中子检测事件的数量进行比较。类似地，向 MCNP模拟中加入灵敏体积中的中子通量的圆柱状网格计数。反向区段之间进行比较时， 观察到最靠近辐射源的区段包含约57. 8% (士4. 5%)的中子检测事件，距离辐射源最远的区段仅有约43. 2% (士3. 7%)的中子检测事件发生。得出的中子检测事件的比率为约 1.37(士0. 13)。再次注意到实验结果与理论模型估测结果在一个标准偏差内是相互关联的。为了调查ATMFD系统检测置于未知位置的辐射源的方向的能力而进行了研究。所有区段的反向区段的比率都经过计算并绘制于图9中，以便正确地测定正确的辐射源方向。指向源方向的区段具有出人意料的清晰的最大反向区段比率。合乎逻辑地，第二大反向区段比率发生在与源方向区段直接相邻的区段。给出的相邻区段的区段比率大约为 1. 16( 士 0. 11)。MCNP模拟预测的比率为约1. 18，处于实验结果标准偏差范围之内。分析结果表明ATMFD系统能够在30ο内以约80%的可信度对辐射源的方向进行定位。根据液体中压力幅值越大、中子诱导的成核事件的发生概率就越大这一原理，腔室内的压力场由分布密度和中子诱导的气泡成核地点分布图映射。利用Mic 1和Mic 3、距离轴上的腔室中心约-20. 3cm和20. 3cm的PuBe源进行了实验，使用防止检测器的方向性本质成为一个因素。检测事件地点的位置在RZ平面上绘制，并覆盖于C0MS0LTM模型预测的灵敏体积压力场之上。结果如图10所示。对结果的分析表明，中子诱导的检测事件主要发生在低于约-4巴的压力下，与此前测量的约3. 5巴的阈值相互关联。同样清楚的是基本上所有的中子检测事件都发生在距ATMFD中心线约1. 25cm的半径范围内。因此MCNP评测中使用的值约为1.25cm。这一工作演示了方向性性的测定，还表明可将ATMFD定制为对伽玛辐射不敏感， 以及通过将检测液改为氟里昂-113和硼酸三甲酯，ATMFD系统还可同时用于检测具有跨越 8个数量级的能量的中子，操作中达到几乎90%的固有检测效率。这一点是通过与氟里昂的Cl原子的(n，p)反应和与硼酸三甲酯中的硼原子的(n，阿尔法)反应实现的。描述了近乎实时测定入射辐射方向的方法。这里展示的实验证据表明中子检测事件的位置优先发生在检测器最靠近源的一侧，比率约为1. 23 (士0. 07)，与我们进行的基于蒙特卡洛的模拟(1.23 1)匹配。计算表明由最靠近源的灵敏体积到距离源最远的灵敏体积的立体角的增大构成了中子通量大约13%的减少。中子通过丙酮的下散射构成大约 10%的减少。即使源距离远到足以使立体角对中子通量幅度的影响可以忽略，仍然可以使用ATMFD技术固有地获得位置信息。这些相同的计算结果证明了随着灵敏体积的增加，由于下散射造成的中子通量减少也增加了，由此提供在长靶距下提高测定源方向的精度和准确度的方法。C0MS0LTM耦合的物理模拟与实验中子检测数据进行了基准检查，并且可以通过增加驱动功率从而产生原方向测定精度和准确的增加和提高的检测效率而具有对检测器灵敏体积进行修正的能力对中子检测事件位置的进一步分析可得到改进的借助相向的中子通量区段比率进行的方向性测定的方法。结果表明，按当前配置的ATMFD系统能够在约30ο内以约80% 的可信度测定辐射源的方向。
第二实施例
在另一实施例中，张拉的亚稳态流体状态提供了提升辐射检测的可能性。可利用定制的共振声学装置得到该亚稳态流体状态，得到声学张拉的亚稳态流体检测(ATMFD)系统。当前的中子检测器有时会体积庞大、昂贵，对不同的中子能群需要不同的检测系统，并且不适合于提供中子辐射自何方向到达的信息。ATMFD中的辐射检测是基于如下原理入射核粒子与动力学张拉的流体相互作用，其中的分子间键足够脆弱，即使能量在8个数量级或更多的基本粒子也能被检测出来，其固有效率远高于常规的检测系统。对于中子-核子相互作用的情况，由目标原子放出离子化反冲核在局部沉积通量，有效地引发蒸气核子的形成，使其由亚纳米级生长为可见级别，使记录入射辐射(中子、阿尔法粒子、光子)的时间和比例成为可能。核子优先地形成于入射辐射的方向。随后内爆的核子导致冲击波的产生，该冲击波不仅可以被直接听到，还可以对其使用到达时间差(TDOA)法在检测器的不同点上进行电子监测。由此引发的回旋的时空信息结合双曲线定位，不仅首次提供了入射中子辐射的速率，还提供了其方向性。可利用实验一理论建模的结合实现固有高效、低成本、结实的ATMFD系统的开发。 建模方法包括使用MCNP5的基于蒙特卡洛的核粒子传输，还有使用COMSOL的多物理模拟平台的复杂多维电磁一流体结构评估。利用LabVIEW软件的虚拟仪器(VI)控制算法编程实现了 ATMFD系统自动化。液体象固体一样可以承受张拉力(即液体在被撕裂前可以承受亚真空压力)。处于张拉状态的液体是在其热平衡状态之下的亚稳态，与处于其正常沸点之上的热量过热状态下的亚稳态液体有所不同。液体内的张拉力类似于固体结构的拉伸力(与压缩力相对)。 撕裂固体的分子间键所需要的能量随着结构的拉伸而减少。类似地，使液体分子间键断裂所需要的能量随着张拉力亚稳态的上升而减少；最终导致张拉力拐点(热动力学稳定性) 极限处自发地触发爆炸相变。爆炸相变可以在亚稳态液体的稳定极限之下触发。这种触发导致迅速成核和膨胀汽袋的爆炸性蒸发。三种在亚稳态液体中触发爆炸相变的方法为激光加热、核粒子(例如 中子)直接撞击和声学能量。以下重点讨论通过中子-核子直接撞击的触发方法。可通过机械方法或通过核粒子或激光器发射的光子启动爆炸相变。高能粒子特别是中子与液体分子单个核之间的直接撞击导致的快速、脉冲能量沉积可导致纳米级的触发和爆炸相变。直接撞击的脉冲能量沉积反冲的形式为热能，并在大约若干纳米尺度上沉积，导致蒸汽核子的形成。能量沉积范围取决于液体中反冲离子的阻止本领。如果热能沉积率足够高导致蒸汽核子大于临界尺寸，核子就会继续生长为宏观级别蒸汽气泡。临界半径通常在纳米尺度内并在若干纳秒内达到。发自激光光源的光子也可用来触发爆炸相变，但需要更大的量，因为与快中子(MeV)相比，可见光的个体光子具有相对较小的能量(大约为IeV)和较小的线性能量转移(LET)。例如，大约4MeV的中子与丙酮中的碳原子撞击后会向碳核转移大约0. 72MeV。这样释放出大约为36. 4MJ/kg的能量密度，其中体积由丙酮蒸汽气泡的临界半径确定(大约 30nm)。相比之下，对丙酮的蒸汽潜热大约为0.534MJ/kg。来自蓝光激光器(大约400nm) 的单个能量大约为2. 48eV的光子具有大约9. 6xlO-7MJ/kg的能量密度。对于可见光子，体积由可见光子的波长确定。这样，需要大约1. 3x109的蓝光(UV)光子才等于一个中子直接撞击的能量密度。
从张拉的亚稳态检测核粒子要求诱导适当级别的负压力。这与过热微滴检测器 (SOD)中使用的著名的“气泡室”有所区别，在“气泡室”中液体被置于其沸点以上的温度。 在根据本发明的实施例中，液体保持在室温。张拉的亚稳亚中的流体检测原理以结构的拉伸类推为基础。张拉力越大，就越容易将保持材料结合状态的键撕开。以类推的方法，对工作流体的分子和原子施加的负压力越大，就越容易将保持分子结合状态的键撕开(即促使局部气泡生成，该气泡可由纳米尺寸在溶解和内爆前生长为相对较大的若干毫米尺寸的气袋)。检测的灵敏度取决于施加的张拉力和来自给定入射核粒子的空间能量沉积值，或记作 dE/dx。
ATMFD设计如图11和图12所示的另一 ATMFD系统的实施例是一共振声学系统，由(外径大约为60mm，长150mm)圆柱状玻璃，优选Pyrex玻璃、同心固定的环形压电换能器驱动的共振腔室构成。由一线性放大器放大的正弦波形信号驱动压电换能器。设置于腔室顶部和底部的反射器通过形成压力驻波协助能量聚集。在该实施例中4个(外径大约7mm)碟形压电换能器被固定在腔室圆柱形部分的外壁上，用来检测在检测器的灵敏体积中产生的辐射诱导的空穴的冲击波谱。ATMFD的灵敏体积被定义为张拉(负)压力的幅度小于某一临界尺寸蒸汽核子可以通过入射核粒子与亚稳态分子撞击产生的能量沉积形成的阈值的区域。
建模与模拟ATMFD系统特征化时可以使用两个模拟工具C0MS0LMultiphysicsTM(以下简称为C0MS0L)- 一个有限元多物理程序和MCNP5- —个核粒子传传输代码。COMSOL能够将共振声学系统的声、液体和结构模型耦和到一起。MCNP可用来对影响ATMFD的灵敏体积中子通量和能量谱的依赖空间与能量结合的物理属性进行评估。
有限元模拟可开发出使用C0MS0LTM的基于有限元方法的数值模型进行频域分析，并可将模型获得的结果与实验数据进行比较。这里设置的多物理模型一并使用COMSOL的结构机械学模块，包括应力一应变和压电效应分析和声波传输模块与电磁耦合建模。我们假定系统为轴对称。在一实施例中将检测流体选为约25oC的纯丙酮。表1 中列出了丙酮的各种属性。
表1丙酮在25°C时的属性
密度伐g/m3)0. 786xl03粘度(Pa s)0. 308xl0_3声速(m/s)1174体积粘度(Pa s)约 1. 5xlCT3已经将一使用乙二醇作为液体的类似模型的压力分布和频谱响应与实验数据进行了基准检查。在本实施例中，我们保持与经过基准检查的模型相同的物理区域设置和边界条件，改变了液体的属性和系统的结构，并引入了结构流体阻尼。由于结构与液体之间尺寸的较大变化，液体与固体区域中的网格有限元的最大相对尺寸分别为大约0. 003和大约0. 017。网格结构包含了总计大约5237个元(element)。 已经使用更细的网格(大约20948个元素)检查了数值收敛。为了使系统驱动功率与腔室的灵敏体积之间的关系和相关性可视化，图11绘制出了共振频率大约为18. 85kHz时的振荡压力分布。如图11所示，ATMFD的灵敏体积可以通过驱动电压的变化而变化。各种其他的选择也变得可行(例如使用更高的模式或叠加)。可利用这种建模方法根据需要设计出具有理想检测灵敏度，并能够取得方向的信息的ATMFD。
蒙特卡洛模拟可以利用如图12所示的MCNP5代码建立核粒子传送评估系统模型。它由ATMFD 的共振腔室和PuBe中子源(发射能力大约为2X106n/s)构成。腔室基本上为轴对称。包括反射器在内的所有结构材料都可以是石英玻璃，压电换能器可以是锆钛酸铅(PZT)，代表性的检测流体可以是丙酮(C3H60)。位于顶部反射器之上的部分，顶部和底部反射器之内、 以及腔室之外被模型化为空气。如图12所示，在反射器流体内定义两个区域灵敏体积。定义整个灵敏体积的圆柱体(r =约1. 5cm, h =约km)被分割为基本相等的两半；其中一半面对源(Vl)，一半背对源(^)。两个半圆柱体形成中子记数体积。使用裸PuBe源的中子能谱，并且所有横截面均估值为约300OK。将源置于距离腔室中心轴约35. 5cm处，以符合实验配置。MCNP5模拟结果表明入射中子源方向的中子相互作用概率大约增加了 25%。这一结果确认了第一原理估算的估算结果。通过对两个灵敏体积对PuBe源的对向立体角进行比较，可以看出中子通量的空间效应大约为通量在Vl中高出V2约15%。相比这下，向下散射使Vl中快中子通量大约高出10%。这表明，即使源距离更远，由于有效地消除了中子通量的立体角依赖，在ATMFD(如本文所揭示)进行的检测由于有利于最靠近源一侧而仍然优先并且可辨别。
自动化操作核粒子相互作用形成的内爆蒸汽空穴溃陷导致距离腔室几英尺之外都可以听到的卡嗒声。可以使用固定在腔室外侧的压电换能器记录溃陷空穴发出的可以听到的卡嗒声。将冲击波到达各个换能器的时间记录下来就可以计算出到达时差(TDOA)。可以将换能器之间的TDOA与双曲线定位算法结合使用，计算出气泡空穴事件的实际发生位置。来自这些空穴事件的电信号首先被送入第三级巴氏(Butterworth)高通滤波器以除去主导的驱动频率，从而将高频部分分离出来。然后可将来自滤波器的信号送至示波器，例如AgiIentTMlOOMHz数字存储示波器用来显示、存储和进一步的信号处理。图13展示了实验中使用的真实信号的屏幕截图。图13中的第一频道展示了未经滤波的换能器信号。第二频道对应经过高通滤波器后的信号。信号中的峰值是明白无误的空穴脉冲记录结果。作为示波器的图形用户界面产生了 LabVIEWTM程序。使用LabVIEW程序时，示波器在触发频道上模拟信号在穿过预定阈值前一直运行。通过示波器的屏幕截图可以得到若干测量结果；XatMaxY(相对于触发点最高峰的时间，以μ s计)，fetMinY(相对于触发点最低峰的时间，以μ s计)，以及 Maximum(屏幕截图上记录的最大电压电平)。图14展示了使用的典型信号的真实屏幕截
16图。测量结果fetMaxY和fetMinY服务于两个目的。有了这些测量结果就可以计算信号之间的TD0A，并可以估算各个换能器记录的空穴脉冲频率。最大电压测量结果确保所有 4个频道上的空穴信号的高度都大于触发电平。每个空穴脉冲的TD0A、频率和最大电压值被用作约束值，以测定被分析的信号是否为空穴脉冲信号。
数据约束利用双曲线定位算法的数值分析设定TDOA约束。可利用LabVIEW计算机程序生成腔室内空穴事件的随机样本。然后利用空穴的位置计算各个换能器将记录的TD0A。然后用双曲线定位算法分析TD0A。设置数据集中TDOA的上约束，以调查哪些TDOA会导致映射于前述的腔室灵敏体积模型之外的空穴位置的结果。该结果如表2所示。因此大约为20 μ s 的TDOA上约束会产生腔室中心轴大约2cm以内的空穴结果，这与实验结果一致。
表2用于TDOA计算的数据约束
权利要求
1.一种测定辐射方向性的方法，包括产生一定体积的张拉的亚稳态流体；将上述一定体积的张拉的亚稳态流体置于一辐射源附近；在上述张拉的亚稳态流体中检测辐射诱导的空穴的位置；以及根据上述亚稳态流体内的辐射诱导的空穴测定辐射源的方向。
2.根据权利要求1所述的测定辐射方向性的方法，其中所述的一定体积的张拉的亚稳态流体具有包含至少一个对称轴的形状。
3.根据权利要求1所述的测定辐射方向性的方法，其中所述的张拉的亚稳态流体是声学张拉的亚稳态流体。
4.根据权利要求1所述的测定辐射方向性的方法，其中所述的检测辐射诱导的空穴的位置的步骤包括通过对安装在腔室上的多个信号检测换能器获取的信号进行处理来检测空穴诱导的冲击信号的到达延时。
5.根据权利要求1所述的测定辐射方向性的方法，其中所述的检测辐射诱导的空穴的位置的步骤包括通过对安装在腔室上的多个信号检测换能器获取的信号进行处理来检测辐射诱导的空穴，该处理过程还包括一个将偏差减少至最低的步骤。
6.根据权利要求1所述的测定辐射方向性的方法，其中所述的检测辐射诱导的空穴的位置的步骤包括通过对安装在腔室上的多个信号检测换能器获取信号进行处理来检测空穴诱导的冲击信号，该处理过程还包括一个将偏差减少至最低的步骤，该步骤包括检测来自上述信号检测换能器的信号是否超过了一个阈电压电平，其中该阈电压电平可通过对所有换能器的渐近响应比较来确定。
7.根据权利要求1所述的测定辐射方向性的方法，其中所述的检测辐射诱导的空穴的位置的步骤包括通过一双曲线定位法测定空穴的位置。
8.根据权利要求1所述的测定辐射方向性的方法，其中所述的检测辐射位置的步骤包括测定发生在腔室中至少两个区域的空穴比率。
9.根据权利要求1所述的测定辐射方向性的方法，其中所述的方法还包括对反向区段的空穴事件进行比较，不包括那些包括至少中心线垂直轴一部分的一定体积的空间内的事件数目。
10.根据权利要求1所述的测定辐射方向性的方法，其中所述的方法还包括利用压力差将空穴气泡的拉长放大，使其与能量转移至来自入射辐射的液体分子的方向一致。
11.根据权利要求1所述的测定辐射方向性的方法，其中所述的方法还包括监测空穴气泡成核事件的形状。
12.根据权利要求1所述的测定辐射方向性的方法，其中所述的测定辐射源的方向的步骤包括测定由辐射诱导的空穴气泡的拉长形状的主轴的步骤。
13.根据权利要求1所述的测定辐射方向性的方法，其中所述的方法还包括通过视觉测定拉长的空穴诱导的气泡的主轴的入射辐射的方向。
14.一种测定入射辐射方向性的设备，包括容纳流体的腔室；控制系统，其与使腔室变形的机构连通，两者共同工作以诱导并保持上述流体中的张拉的亚稳态，其中所述的张拉的亚稳态足以在流体分子受到入射核粒子轰击时使气泡成核；多个在腔室内间隔分布的信号检测换能器，这些信号检测换能器和用来测定流体体积内气泡空穴事件的位置的系统电子通信。
15.根据权利要求14所述的测定入射辐射方向性的设备，其中所述的腔室是密封的。
16.根据权利要求14所述的测定入射辐射方向性的设备，其中所述的腔室内的液体选自丙酮、氟里昂、苯、异戊烷、硼酸三甲酯、水，及其混合物。
17.根据权利要求14所述的测定入射辐射方向性的设备，其中所述的将腔室变形的机构还包括至少一个包括有压电材料的换能器。
18.根据权利要求14所述的测定入射辐射方向性的设备，其中所述的将腔室变形的机构还包括至少一个包括含有锆钛酸铅的压电材料的换能器。
19.根据权利要求14所述的测定入射辐射方向性的设备，其中所述的将腔室变形的机构还包括至少一个包括含有陶瓷的压电材料的换能器。
20.根据权利要求14所述的测定入射辐射方向性的设备，其中所述的将腔室变形的机构还包括至少一个包括含有钛酸钡的压电材料的换能器。
21.根据权利要求14所述的测定入射辐射方向性的设备，其中所述的将腔室变形的机构包括至少一个安装在腔室上的换能器，使得该换能器环绕中间平面或是位于对应需要的振荡张拉一压缩压力场的平面围绕腔室的外周。
22.根据权利要求14所述的测定入射辐射方向性的设备，其中所述的将腔室变形的机构包括多个安装在腔室上不连续的平面位置上，和所需的振荡张拉一压缩压力场对应。
23.根据权利要求14所述的测定入射辐射方向性的设备，其中所述的驱动换能器的共振频率和基本上近似于ATMFD腔室的共振频率匹配。
24.根据权利要求14所述的测定入射辐射方向性的设备，其中所述的将腔室变形的机构包括至少一个安装在腔室壁上的电气驱动的压电元件，所述压电元件能够在流体内引入正、负压力波动，从而产生共振和张拉的亚稳态，当流体分子受到入射核粒子轰击时，足以使气泡成核。
25.根据权利要求14所述的测定入射辐射方向性的设备，其中所述的多个在腔室内间隔设置、并与测定流体体积内空穴事件位置的系统电子通信的信号检测换能器包括至少4 个信号检测换能器。
26.根据权利要求14所述的测定入射辐射方向性的设备，其中所述的多个在腔室内间隔设置并与测定流体体积内空穴事件位置的系统电子通信的信号检测换能器还包括至少3 个处于同一平面的信号检测换能器和至少一个位于该平面之外的信号检测换能器。
27.根据权利要求14所述的测定入射辐射方向性的设备，其中所述的用来测定流体内气泡位置的系统包括一信号处理系统，该处理系统包括一将基线驱动频率信号去除的高通滤波器。
28.根据权利要求14所述的测定入射辐射方向性的设备，其中所述的用来测定流体内气泡位置的系统包括一信号处理系统，该处理系统对来自信号检测换能器的经过滤波后的信号进行比较，用定位算法测定信号检测换能器的气泡信号的到达延时，以测定腔室中内爆气泡的位置。
29.根据权利要求14所述的测定入射辐射方向性的设备，其中所述的用来测定流体内气泡位置的系统包括一信号处理系统，该处理系统测定腔室内气泡空穴的数量和位置。
30.根据权利要求14所述的测定入射辐射方向性的设备，其中所述的用来测定流体内气泡位置的系统包括一信号处理系统，该系统包括一能够捕获流体体积内的实时气泡信息的视觉监测系统，并由拉长的空穴气泡的主轴测定方向性。
31.根据权利要求14所述的测定入射辐射方向性的设备，其中所述的腔室具有的尺寸和形状使腔室不同区域允许向下散射协助的空穴事件的收集的方向检测得以进行。
全文摘要
本发明揭示一种测定辐射方向性的方法，该方法包括将靠近辐射源的张拉的亚稳态流体液体体积分割为多个区段，测定各自区段的反向区段比率，并根据该多个区段的反向区段比率测定辐射的方向性。该方法还包括通过在张拉压力的协助下拉长的气泡形状来测定入射辐射的方向性的方法，该些气泡形状指向与张拉的亚稳态流体检测系统中的核子相互作用的辐射粒子的方向。本发明还揭示了一种能够实施上述这些方法的设备。
文档编号G01T3/00GK102449505SQ201080020177
公开日2012年5月9日 申请日期2010年4月29日 优先权日2009年4月30日
发明者R·P·塔里雅克汗 申请人:R·P·塔里雅克汗