我国拥有辽阔的海洋国土,其中蕴藏着丰富的矿产资源。深海矿产资源的探测与利用可以解决我国矿产资源的高对外依存度问题,具有重大的经济和战略意义。现有的深海资源探测多采用钻井、取样等非原位方式,成本高、效率低、实时性差。我国目前已建成多种深海原位探测平台,但具体的原位探测技术在资源探测种类、直接性等方面仍存在一定的局限性。 核辐射探测作为一种已在多个领域有着广泛应用的无损探测手段,可以为深海资源原位探测提供一种全新的研究切入点。中子作为研究物质的理想“探针”之一,在石油测井、浅海爆炸物检测、地外行星探测等领域中已有较多研究。然而,基于中子探测原理的深海资源原位探测仍是一个新的领域,原位探测的探测对象、基本原理和技术路线均有待分析和研究。此外,如何应对深海工作场景对原位探测设备提出的紧凑化、实时性探测需求也是亟待解决的问题。为此,本论文开展基于中子探测原理的深海资源原位探测谱仪技术的研究。 基于中子与物质相互作用原理的不同,本论文通过分析,确定了适用于不同探测对象的两种不同的原位探测谱仪技术路线:基于中子俘获原理的深海金属矿物原位探测技术和基于中子散射原理的深海可燃冰原位探测技术。进一步地,本论文构建了基于中子探测原理的深海原位资源探测蒙特卡罗仿真模型,模拟验证了基于中子俘获反应的俘获型谱仪对锰结核、富钴结壳的探测能力和基于中子散射的散射型谱仪对海底可燃冰的探测能力。同时,总结出了基于溴化镧、锗酸铋、锂玻璃闪烁晶体探测器的粒子能量、时间信息探测方法,并明确了谱仪对探测器性能指标的具体需求。在此基础上,深入分析了谱仪设计中的关键问题,提出了一种以紧凑化、复用化和模块化为核心设计思路的谱仪总体结构方案,为样机实现提供了清晰的技术路径。 为提升中子谱仪的原位探测和分析决策能力,本论文研究了原位数据处理算法,实现了谱仪原位标定和波形、能谱实时处理。本论文提出了一种基于参数自适应IIR(Infinite Impulse Response)低通滤波的能谱平滑算法,实现了高效的对称零面积变换能谱寻峰算法,实现对能谱数据的原位分析能力。本论文还研究了基于溴化镧晶体中138La本底的探测器自标定方法,解决了探测器原位能量标定的难题。 为了验证深海原位资源中子探测技术,本论文研制了俘获型和散射型探测谱仪的样机。样机采用水密性外壳与谱仪内芯独立分离的设计方案,其中内芯由紧凑型中子发生器、电子学模块、探测器三部分紧凑堆叠组成。基于模块化设计思路,电子学模块细分为前端电子学模块和数据处理模块两部分。针对前端电子学模块,通过并联读出的方式减少电子学通道数以精简结构、节省功耗,通过波形数字化的技术路线对探测器信号进行精确的采集分析,通过温度传感器搭配DAC(Digital-to-Analog Converter)的方式实现 SiPM(Silicon Photon Multiplier)光电转换器件的温度补偿以实现高稳定性的粒子能量测量。针对后端的数据处理模块,通过多通道低功耗ADC(Analog-to-Digital Converter)实现紧凑化的波形数字化采样,对核心处理器件FPGA(Field Programmable Gate Array)的选型和设计充分考虑低功耗的设计需求,满足数据处理模块紧凑型、低功耗设计需求。通过多组传感器、板载存储器实现谱仪的控制和配置。 经过测试,本论文设计研制的俘获型谱仪能量分辨率(FWHM)达到了3.2%@662 keV,已属于同类探测器中的先进水平,散射型谱仪的热中子探测效率达60%@2 A,满足了提出的指标,可以实现高效率的热中子探测。本论文还对所提出的基于138La本底的自标定方法进行了验证,结构表明,经过标定后可以实现小于1%@511 keV的测量误差,与地面实验室基于放射源的标定方法的性能相当。最后,本论文在实验室搭建了模型实验,通过实验及与仿真结果的对比,验证了两套谱仪的基本原理,同时也说明了本论文提出的仿真模型的准确性。 本论文所提出并研究的基于中子探测原理的深海资源原位探测谱仪弥补了现有原位探测手段的不足,在海底金属矿物和可燃冰的探测方面展现出较高的可行性。同时,该谱仪兼具低功耗、紧凑化的优点,并且具有原位实时能量标定、能谱分析的能力。本论文的工作不仅为后续基于中子探测原理的深海原位探测技术的深入探索奠定了基础,更为我国深海矿产资源的探测提供了新的方法和手段。