CN114966813A - 一种可用于快中子束流大面积成像的阵列型结构探测器 - Google Patents
一种可用于快中子束流大面积成像的阵列型结构探测器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种可用于快中子束流大面积成像的阵列型结构探测器，属于快中子探测技术领域。由阵列化的快中子转换体克服目前快中子成像技术中探测效率与空间分辨能力之间的矛盾，由硅光电倍增器实现闪烁光子的探测。该探测器工作电压低，探测效率高，空间分辨好。读出电路设计原理简单，可方便地根据需要做调整。硅光电倍增器易于集成、对光子具有优异的探测性能和成本低廉，有潜力用于更大面积物体的成像。
Description
技术领域
本发明属于快中子探测技术领域，具体涉及一种可用于快中子束流大面积成像的阵列型结构探测器。
背景技术
在对大型厚密封物体内部缺陷，特别是对其包裹着的低原子序数材料的组成的无损检测中，X射线成像与热中子成像并不能取得令人满意的结果，因此有必要发展具有更高穿透能力的快中子成像作为无损检测技术的补充。在以往的报道中，快中子成像中使用的探测器系统主要分为以下几类：(1)光敏元件(包括PMT(光电倍增管)、CCD相机、COMS相机)与中子-光子转换体，主要是富氢塑料转换体；(2)MCP(微通道板)与非晶硅阵列；(3)位置灵敏GEM(气体电子倍增器)与富氢转换体；(4)富氢转换体与成像板。这些系统都表现出探测效率与空间分辨的矛盾，克服该矛盾问题也是目前快中子成像领域研究的重点方向。
为了实现高探测效率、好空间分辨的大面积快中子成像，关键点和难点在于中子转换体的选择与成型和探测单元的成型及其读出电子学的设计。目前对快中子的测量主要基于与氢核的核反冲法，反应产生的反冲质子射程短，直接测量反冲质子要求中子转换体尽可能薄，就目前的材料而言，将导致极低的快中子转换效率，因此多采用间接测量。常用的中子转换体有：液体闪烁体与固体闪烁体。通过每个闪烁体单元包有反射层限制不同单元之间光学光子的串扰，使得在增加闪烁体厚度提高效率的同时能够尽可能保证好的空间分辨。常用的光子探测器有：CCD相机、PMT和硅光电倍增器(SiPM)等，前二者价格昂贵，不适用于大面积应用，后者价格便宜、易于集成，但对读出电子学的要求比较高。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可用于快中子束流大面积成像的阵列型结构探测器，能够解决现有技术不适于大面积成像以及空间分辨率低、探测效率低的技术难题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开了一种可用于快中子束流大面积成像的阵列型结构探测器，包括二维闪烁体阵列，在该二维闪烁体阵列的一端设有光导，在光导的另一端设置硅光电倍增器阵列；
二维闪烁体阵列产生的闪烁光子通过光导扩散并传输到位于光导末端的硅光电倍增器阵列经转换成电信号进行射线测量。
优选地，所述二维闪烁体阵列由若干个闪烁体单元叠加而成，每个闪烁体单元的径向外壁以及一个轴向外壁均涂覆胶水与二氧化钛的混合物，如图1所示，胶水用于固定闪烁体单元的位置，二氧化钛用于作为反射层；闪烁体主要有碳和氢两种元素组成，每个闪烁体单元内部富含氢原子。
进一步优选地，所述闪烁体单元的长度为30mm，横截面尺寸为1×1mm2。
进一步优选地，所述闪烁体单元选择具有高光产额且衰减时间短的闪烁体。
更进一步优选地，高光产额一般要求大于等于10000/MeV，衰减时间短一般指小于8ns。
优选地，所述光导采用K9光学玻璃。
优选地，硅光电倍增器阵列是将若干个硅光电倍增器集成在同一张PCB板上构成。
进一步优选地，所述硅光电倍增器由成百上千个尺寸为几十微米的单光子雪崩二极管单元阵列集成在同一个单晶硅片上构成。
更进一步优选地，所述每个单光子雪崩二极管串联几百千欧姆的电阻，所述电阻用于一个光子在光电二极管中发生雪崩后猝灭雪崩，使所述单光子雪崩二极管两端的电压恢复到初始工作偏压，以准备探测下一个入射的光子。
优选地，所述硅光电倍增器阵列采用电容型电荷分除的多路复用读出方法。
进一步优选地，根据位置的不同将硅光电倍增器阵列中硅光电倍增器的阳极连接一个或多个加权电容器，即将阳极信号分成与所连电容器数目相同的分信号，然后将这些分信号连接到四个位置信号输出通道P、Q、R或S的其中一个上输出。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开的可用于快中子束流大面积成像的阵列型结构探测器，由光导连接闪烁体阵列与硅光电倍增器阵列，由阵列化的快中子闪烁体克服目前快中子成像技术中探测效率与空间分辨能力之间的矛盾，由硅光电倍增器实现闪烁光子的探测。闪烁体能够将不带电粒子转换为带电离子或可被探测的光子，进一步通过在闪烁体单元之间涂二氧化钛以反射光子，防止闪烁光发生串扰影响对入射快中子位置的重建，降低系统的成像空间分辨能力。该探测器工作电压低，探测效率高、空间分辨好和测试时间短，另外硅光电倍增器价格较便宜，且集成工艺并不复杂，可根据需要自定义硅光电倍增器整列的尺寸，即有潜力在大面积成像中使用。
附图说明
图1为闪烁体结构示意图；其中，(a)为带有反射层的塑料闪烁体单元剖视图；(b)为(a)所示结构的右视图；
图2为本发明的可用于快中子成像的探测器系统的示意图；其中，1为二维闪烁体阵列；2为光导；3为硅光电倍增器阵列；
图3为本发明的所使用的闪烁体阵列的示意图；
图4为本发明的硅光电倍增器阵列的示意图；
图5为本发明的数据读出电路示意图；
图6为探测器样机实物图；
图7为探测器及电子学分体图；其中，4为封装的16×16SiPM阵列及其压缩电路，5为数据获取模块，6为前置放大模块；
图8为探测器样机在14MeV快中子源上测试得到不同阈值条件下的调制传递函数(MTF)曲线图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图2所示，本发明公开的可用于快中子成像的阵列型结构探测器，包括二维闪烁体阵列1，光导2和硅光电倍增器阵列3。在该二维闪烁体阵列1的一端设有光导2，在光导2的另一端设置硅光电倍增器阵列3；二维闪烁体阵列1产生的闪烁光子通过光导2扩散并传输到位于光导2末端的硅光电倍增器阵列3经转换成电信号进行射线测量.
所述闪烁体选用富含氢元素、具有高光产额且衰减时间短的闪烁体。
所述二维闪烁体阵列由无数小尺寸闪烁体单元叠加构成。参见图1，每个闪烁体单元径向外壁及其中一个轴向外壁均涂有胶水与二氧化钛的混合物，所述胶水固定闪烁体单元的位置，所述二氧化钛充当反射层，使所产生的光子被约束在当前闪烁体单元内，仅向所述当前闪烁体单元两端传输，每个所述闪烁体单元内部富含氢原子，以便快中子与所述氢原子发生弹性散射产生反冲质子，所述反冲质子沿其运动轨迹沉积能量并产生闪烁光子。
在对快中子进行探测的过程中，由于快中子自身呈电中性，无法对其进行直接测量。所以在对快中子进行探测时需要引入中子转换体，将快中子转换成可被直接探测的粒子，如带电粒子和光子。而快中子自身能量高，与大多数物质的作用截面都极小，所以探测快中子常采用的基于拥有较大作用截面的n-p反应，即与富含氢元素的快中子转换体中的氢原子核发生碰撞产生反冲质子。如需通过测量反冲质子间接测量快中子，需要保证转换体的厚度小于反冲质子的射程，这样的厚度将导致极低的探测效率。所以对快中子的测量往往是在测量反冲质子沉积能量产生的闪烁光子的基础上间接测得的，因此这里所选用的快中子转换体是富含氢元素的塑料闪烁体。
由于当前限制快中子成像技术应用的主要因素是快中子探测效率与系统分辨分辨的矛盾，该矛盾也是目前快中子成像领域的主要研究内容。本发明的方案：闪烁体的光产额决定沉积同等能量时所产生的闪烁光子数目的多少，同等条件下，越高的光产额更有利于粒子的测量。另外闪烁体短的衰减时间有效保证了闪烁体可工作在高频率的束流环境条件下。
结合以上讨论，为提高测效率与扩展探测器的应用范围，特选用具有高光产额、短衰减时间的塑料闪烁体。高光产额一般要求大于等于10000/MeV，衰减时间短一般指小于8ns。
本发明以如下具体实施例为例，设计的探测器所使用的闪烁体的发光衰减时间及光产额等参数如表1所示：
表1选用的闪烁体材料的发光衰减时间
| 属性 | EJ200 |
| 光产额(光子/MeV) | 10000 |
| 光衰减长度(cm) | 380 |
| 上升时间(ns) | 0.9 |
| 衰减时间(ns) | 2.1 |
| 最大发射波长(nm) | 425 |
如图2所示，当入射射线为快中子时，其以一定概率与闪烁体中的氢原子发生碰撞产生带正电的反冲质子，经模拟研究，反冲质子在闪烁体内部的射程约为0.5mm，反冲质子沿其运动路径沉积能量并产生闪烁光子。闪烁体厚度越大，快中子与其内氢原子发生作用产生闪烁光子的概率越大，即提高了快中子的转换效率。另外，闪烁体内部产生的闪烁光子是各向同性发射的，以快中子在闪烁体内部作用点处产生的光斑大小为基准，随着传输距离的增大，最终所观察到的光斑的尺寸也变大，快中子的空间特性降低。为缓解空间特性的下降，特采用横截面积为1×1mm2的闪烁体单元组成的闪烁体阵列，闪烁体单元之间使用二氧化钛充当反射层，限制光斑在中子入射方向的径向方向上的扩散，保证了快中子的空间特性，即提高了探测器的空间分辨能力。
具有足够大厚度的闪烁体阵列构理论上保证了系统的空间分辨与快中子转换效率，然而在实际中，随着长度的增加，串扰信号增强，因此需综合地进行考量。经理论研究发现，对于横截面积为1×1mm2的闪烁体单元，当其厚度不大于30mm时，探测器对入射快中子的探测效率可达到8％以上，同时串扰信号约为全部信号的1/7，影响较小。综合考虑了快中子转换效率与串扰信号的影响，最终确定组成所述闪烁体阵列的闪烁体单元的尺寸为1×1×30mm3，最终制成的闪烁体阵列如图3所示。
在所述探测器中，在闪烁体阵列与硅光电倍增器之间使用光导进行连接，其原理如下：
EJ200闪烁体自身折射系数为1.58，空气的折射系数约为1，闪烁光子在闪烁体端面的反射加剧，因此引用了折射系数约为1.52的K9玻璃，提高了光子在闪烁体端面的穿透概率，同时在将光子传递到另一端的硅光电倍增器时增强了闪烁光子的扩散。
在所述探测器中，采用硅光电倍增器作为光子探测器的原因如下：
如图4所示，硅光电倍增器是基于P-N二极管发展起来的一种固体探测器，可直接探测从近紫外到近红外的光。具有如下主要优点：量子效率高、工作电压低、不受磁场干扰、成本低和易于集成。适用于大面积的成像应用，可替代传统光电倍增管用于对闪烁光子实施测量。
如图5所示，硅光电倍增器阵列的读出电子学采用电容进行电荷分除的多路复用方法。根据位置的不同将硅光电倍增器的阳极连接一个或多个加权电容器，即将阳极信号分成与所连电容数目相同的分信号，然后将这些分信号连接到四个位置信号输出通道(P、Q、R、S)的其中一个上输出。以图5所示将16路输出压缩为4路输出的电路为例，阳极信号与加权值(即电容值)的关系可以表示为：
触发信号的幅度E二维位置(X,Y)与这四个位置信号存在如下关系：
E＝P+Q+R+S
以模拟结果为依据，并以上述电容型多路复用方法，最终制成图6所示的探测器样机，硅光电倍增器及其电子学如图7所示，其中1为集成在同意张PCB板上的16×16硅光电倍增器，2为数据输出模块，3为前置放大器。
探测器样机的性能测试是在中国工程物理研究院的14MeV D-T中子源上进行的，在平均快中子通量为1×105中子·cm-2·s-1的情况下，测的探测器净计数率为100230Hz，即该样机对快中子的探测效率约为4.0％。在快中子束流中辐照5分钟后，即可得到样品的辐射成像，对该结果进行离线处理后得到如图8所示的结果。在辐射成像中，普遍认为调制传递函数(MTF)的值为0.1时所对应的空间频率为系统的极限空间分辨，即该样机在阈值为25mV和50mV时空间分辨率分别为1.86mm和1.26mm。目前国际上快中子成像的空间分辨一般为1mm左右，探测效率也基本小于1％，这表明所研制样机可以缓解空间分辨与探测效率之间的矛盾。
基于上述探测器和读出电子学设计，本发明可用于快中子束流中进行成像，只需要较短的辐照时间，就能获得探测效率较高、空间分辨率较小的结果。另外由于硅光电倍增器易于集成，有潜力在大面积成像中发挥作用。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可用于快中子束流大面积成像的阵列型结构探测器，其特征在于，包括二维闪烁体阵列(1)，在该二维闪烁体阵列(1)的一端设有光导(2)，在光导(2)的另一端设置硅光电倍增器阵列(3)；二维闪烁体阵列(1)产生的闪烁光子通过光导(2)扩散并传输到位于光导(2)末端的硅光电倍增器阵列(3)经转换成电信号进行射线测量。
2.根据权利要求1所述的可用于快中子束流大面积成像的阵列型结构探测器，其特征在于，所述二维闪烁体阵列(1)由若干个闪烁体单元叠加而成，每个闪烁体单元的径向外壁以及一个轴向外壁均涂覆胶水与二氧化钛的混合物，如图1所示，胶水用于固定闪烁体单元的位置，二氧化钛用于作为反射层；每个闪烁体单元内部富含氢原子。
3.根据权利要求2所述的可用于快中子束流大面积成像的阵列型结构探测器，其特征在于，所述闪烁体单元的长度为30mm，横截面尺寸为1×1mm2。
4.根据权利要求2所述的可用于快中子束流大面积成像的阵列型结构探测器，其特征在于，所述闪烁体单元选择具有高光产额且衰减时间短的闪烁体。
5.根据权利要求1所述的可用于快中子束流大面积成像的阵列型结构探测器，其特征在于，所述光导(2)采用K9光学玻璃。
6.根据权利要求1所述的可用于快中子束流大面积成像的阵列型结构探测器，其特征在于，硅光电倍增器阵列(3)是将若干个硅光电倍增器集成在同一张PCB板上构成。
7.根据权利要求6所述的可用于快中子束流大面积成像的阵列型结构探测器，其特征在于，所述硅光电倍增器由成百上千个尺寸为几十微米的单光子雪崩二极管单元阵列集成在同一个单晶硅片上构成。
8.根据权利要求7所述的可用于快中子束流大面积成像的阵列型结构探测器，其特征在于，所述每个单光子雪崩二极管串联几百千欧的电阻，所述电阻用于一个光子在光电二极管中发生雪崩后猝灭雪崩，使所述单光子雪崩二极管两端的电压恢复到初始工作偏压，以准备探测下一个入射的光子。
9.根据权利要求1所述的可用于快中子束流大面积成像的阵列型结构探测器，其特征在于，所述硅光电倍增器阵列(3)采用电容型电荷分除的多路复用读出方法。
10.根据权利要求9所述的可用于快中子束流大面积成像的阵列型结构探测器，其特征在于，根据位置的不同将硅光电倍增器阵列(3)中硅光电倍增器的阳极连接一个或多个加权电容器，即将阳极信号分成与所连电容器数目相同的分信号，然后将这些分信号连接到四个位置信号输出通道P、Q、R或S的其中一个上输出。
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