一种基于硅光电倍增器和数字化时间标记的伽马暴巡检仪的制作方法

文档序号:11947282阅读:249来源:国知局
一种基于硅光电倍增器和数字化时间标记的伽马暴巡检仪的制作方法与工艺

本发明涉及高能物理与粒子物理应用、天文物理装备和光电子学领域,尤其涉及一种基于硅光电倍增器和数字化时间标记的伽马暴巡检仪。



背景技术:

硅光电倍增器是一种由多个工作在计数模式下的雪崩二极管组成的阵列。该器件中组成阵列的微元(Mirco-Cell)是雪崩二极管,能够快速地响应作用光子。由于作用光子的数目在绝大多数应用中都大于1,因而有必要将雪崩二极管做成阵列,以响应不同数目的光子。在一个较短的时间周期内,响应光子的微元数目与射入光子数目的期望具有单调的对应关系。根据这种对应关系,测量微元数目能够间接地反映射入光子束的流强。

硅光电倍增器在闪烁光探测、微弱光探测、量子物理和高能物理实验中都具有广泛的应用价值。现有的伽马暴巡检仪主要采用低背景计数的真空管光电倍增器(Photo-Multiplier Tube,以下简称PMT)构成仪器中的光电转换器件。但由于光电倍增器尺寸较大,易碎,集成度和自动化程度低,使得已有的伽马暴巡检仪建造成本较高。另一方面,高速发展的硅光电倍增器(Si-PhotoMultiplier,以下简称SiPM)在应用于伽马暴巡检仪时背景计数太高,使其在相关辐射探测领域中的推广受到了巨大的限制。

由于已有的基于PMT的伽马暴巡检仪的成本过高,同时基于SiPM的伽马暴巡检仪背景计数过高,有必要提出一种背景计数小、结构更加灵活紧凑、成本低廉的基于硅光电倍增器和数字化时间标记的伽马暴巡检仪,获得更加准确的能量信息和事件时间信息。



技术实现要素:

有鉴于此,本发明的目的在于提供一种基于硅光电倍增器和数字化时间标记的伽马暴巡检仪,该系统能在雪崩二极管响应光子的最早阶段实现数字化,具有时间空间分辨率较好、背景计数小、结构更加灵活紧凑、成本低廉的特点,基于硅光电倍增器和数字化时间标记的伽马暴巡检仪,能够获得更加准确的能量信息和事件时间信息。

为实现上述目的,本发明提供一种基于硅光电倍增器和数字化时间标记的伽马暴巡检仪,包括以下模块:

量子光学探头模块100,用于将高能光子转换为可见光光子和软紫外光光子。从宇宙射线光子击中量子光学探头的闪烁晶体部分开始的1微秒时间内,量子光学探头模块将高能光子的能量转化为若干可见光光子和软紫外光光子。这些光子在透明材质的闪烁晶体中输运至出光玻璃,射入光电耦合面。量子光学探头模块100包括探头机械模块110,闪烁晶体模块120,出光光学模块130,反射光学模块140,防潮解模块150;

SiPM模拟信号模块200,用于将可见光光子和软紫外光子转化为若干电信号,这些多路电信号输出给后端的模数转换器进行处理。SiPM模块200包括SiPM亚像素模块210,SiPM亚像素封装模块220,增透光学层模块230;

多路通道符合电路模块300,用于过滤背景计数事件,采用时间符合的方法构建逻辑与门,同时激活所有通道的事件,才被认为是非背景事件。多路通道符合电路模块300包括阈值斩波电路模块310,加法电路模块320,延迟电路模块330,定时电路模块340,选通电路模块350,放大电路模块360;

闪烁脉冲信号处理模块400,提取多路通道符合电路模块300输出信号的时间、能量信息。其中包括:模拟数字转换电路模块410,时间标记数字电路模块420,脉冲幅度电路模块430,时钟电路模块440,时间属性封装电路模块450,压缩与传输接口模块460,出谱与显示模块470。

探头机械模块110,隶属于量子光学探头模块100,用于支撑闪烁晶体,并阻挡一部分X射线光子和紫外光光子,由成形金属构成,外形和闪烁晶体的外表面一致,在闪烁晶体的出光面镂空;

闪烁晶体模块120,隶属于量子光学探头模块100,用于吸收高能光子并转化为一簇可见光光子和软紫外光光子,由一种卤化稀土半导体构成,外表面除出光层以外封包反射光学模块140;

出光光学模块130,隶属于量子光学探头模块100,用于透射闪烁光子,由透光玻璃构成,形状大小和探头机械模块的镂空紧密粘合,能隔绝空气中的水汽与闪烁晶体接触;

反射光学模块140,隶属于量子光学探头模块100,用于反射闪烁光子,由反射薄膜材料构成,其外形大小和闪烁晶体除出光面的外表面吻合;

防潮解模块150,隶属于量子光学探头模块100,用于隔绝外部空气和水气,吸收闪烁晶体的湿气,包括涂覆在反射光学模块与探头机械模块之间的吸湿材料和粘合出光光学模块130和探头机械模块110的透明胶体材料。

SiPM亚像素模块210,隶属于SiPM模拟信号模块200,用于划分独立的探测微元,输出独立的亚像素光电信号,根据系统中存在的微元数目N,定义独立输出的亚像素光电信号为{S1, S2, ..., SN};

SiPM亚像素封装模块220,隶属于SiPM模拟信号模块200,用于将不同的亚像素模块对齐到同一高度,使所有的亚像素SiPM都能够紧密贴合出光光学模块130,由环氧树脂构成;

增透光学层模块230,隶属于SiPM模拟信号模块200,用于增加SiPM的吸收光子的数目,由增透光学薄膜构成,涂覆于SiPM表面。

阈值斩波电路模块310,隶属于多路通道符合电路模块300,微元的慢输出口通过比较电路进行斩波处理,保证其正性输出不超越量程,并具有等幅值特征;

加法电路模块320,隶属于多路通道符合电路模块300,根据阈值斩波电路模块310中的斩波信号,将斩波信号加和输出,当所有亚像素光电信号值都为1时,{S1, S2, ..., SN}的加和值为N,显示所有的亚像素模块都被光信号激活;

延迟电路模块330,隶属于多路通道符合电路模块300,将所有独立输出的亚像素光电信号直接加和并延迟10ns到20 ns;

定时电路模块340,隶属于多路通道符合电路模块300,接收加法电路模块的输出,若收到的电信号为N,定时电路定时20 ns 置N输出;

选通电路模块350,隶属于多路通道符合电路模块300,根据定时电路模块的输出选通放大电路模块,当定时电路模块输出为N时,选通放大电路模块360,当定时电路模块340输出不为N时,禁用放大电路模块360;

放大电路模块360,隶属于多路通道符合电路模块300,由选通电路模块350控制,对延迟电路模块330的输出信号进行幅值放大。

模拟数字转换电路模块410,隶属于闪烁脉冲信号处理模块400,该电路用于将闪烁脉冲进行模拟数字转换;

时间标记数字电路模块420,隶属于闪烁脉冲信号处理模块400,用于对到达的闪烁事件进行触发,并记录到达时间,从到达时间开始的死时间之内,不额外响应新的事件;

脉冲幅度电路模块430,隶属于闪烁脉冲信号处理模块400,根据事件到达时间计算每个事件的能量,并输出给事件属性封装电路模块450;

时钟电路模块440,隶属于闪烁脉冲信号处理模块400,通过连接晶振,从晶振中获取平稳的时钟信号,用于为数字电路提供数字化的时间信息;

时间属性封装电路模块450,隶属于闪烁脉冲信号处理模块400,用于事件属性的封装,该电路将每一个事件的时间信息和能量信息按照二进制编码为字节流,以时钟为二进制编码的边界,逐个输出给压缩与传输接口模块;

压缩与传输接口模块460,隶属于闪烁脉冲信号处理模块400,用于对每一个事件属性码元进行压缩与传输,该接口电路能够保证动态范围内的事件属性码元完整地到达出谱与显示模块470;

出谱与显示模块470,隶属于闪烁脉冲信号处理模块400,用于对事件属性进行直方图计数显示,由带计数功能的显示器驱动电路与显示器构成。

优选地,在上述的基于硅光电倍增器和数字化时间标记的伽马暴巡检仪中,所述的光束到达时间为光束开始的时间或者光束开始的时间加上一个恒定的常数,该常数适用于整个巡检仪系统的所有硅光电倍增器,事件处理的死时间内不响应任何事件。

优选地,在上述的基于硅光电倍增器和数字化时间标记的伽马暴巡检仪中,所述的硅光电倍增器是由工作在计数模式下的雪崩二极管构成的光电探测阵列,其中每一个雪崩二极管称为一个微元。

优选地,在上述的基于硅光电倍增器和数字化时间标记的伽马暴巡检仪中,所述的硅光电倍增器亚像素包含的微元数目M大于5,N个亚像素微元组成一个像素,一个像素包含MN个微元。

优选地,在上述的基于硅光电倍增器和数字化时间标记的伽马暴巡检仪中,所述的阈值斩波电路在亚像素信号超过阈值时,阈值斩波电路输出1,而在亚像素信号低于阈值时,阈值斩波电路输出0。

从上述技术方案可以看出,通过采用本发明的基于硅光电倍增器和数字化时间标记的伽马暴巡检仪,能在最早阶段实现闪烁脉冲的数字化。由于该系统不需要对探测器进行低温处理而免于暗计数影响,因此具有更佳的普适性和实用性。

与现有技术相比,本发明的有益效果是:

(1)时间空间分辨率较好;

(2)背景计数小;

(3)结构更加灵活紧凑;

(4)成本低廉。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的有关本发明的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于硅光电倍增器和数字化时间标记的伽马暴巡检仪的系统框图;

图2为本发明延迟链读出电路的示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种基于硅光电倍增器和数字化时间标记的伽马暴巡检仪,该系统能在雪崩二极管响应光子的最早阶段实现数字化,具有时间空间分辨率较好、背景计数小、结构更加灵活紧凑、成本低廉的特点,基于硅光电倍增器和数字化时间标记的伽马暴巡检仪,能够获得更加准确的能量信息和事件时间信息。

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详细地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,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的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

如图1所示,本发明公开的基于硅光电倍增器和数字化时间标记的伽马暴巡检仪,通过以多维的光子脉冲自身属性,采用微元的原始时空数据,再利用最优化过程获得的编码参数和函数形式作为时间标记,具体包括:

量子光学探头模块100,用于将高能光子转换为可见光光子和软紫外光光子。从宇宙射线光子击中量子光学探头的闪烁晶体部分开始的1微秒时间内,量子光学探头模块将高能光子的能量转化为若干可见光光子和软紫外光光子。这些光子在透明材质的闪烁晶体中输运至出光玻璃,射入光电耦合面。量子光学探头模块100包括探头机械模块110,闪烁晶体模块120,出光光学模块130,反射光学模块140,防潮解模块150。

SiPM模拟信号模块200,用于将可见光光子和软紫外光子转化为若干电信号,这些多路电信号输出给后端的模数转换器进行处理。SiPM模块200包括SiPM亚像素模块210,SiPM亚像素封装模块220,增透光学层模块230;

多路通道符合电路模块300,用于过滤背景计数事件,采用时间符合的方法构建逻辑与门,同时激活所有通道的事件,才被认为是非背景事件。多路通道符合电路模块300包括阈值斩波电路模块310,加法电路模块320,延迟电路模块330,定时电路模块340,选通电路模块350,放大电路模块360;

闪烁脉冲信号处理模块400,提取多路通道符合电路模块300输出信号的时间、能量信息。其中包括:模拟数字转换电路模块410,时间标记数字电路模块420,脉冲幅度电路模块430,时钟电路模块440,时间属性封装电路模块450,压缩与传输接口模块460,出谱与显示模块470。

探头机械模块110,隶属于量子光学探头模块100,用于支撑闪烁晶体,并阻挡一部分X射线光子和紫外光光子,由成形金属构成,外形和闪烁晶体的外表面一致,在闪烁晶体的出光面镂空;

闪烁晶体模块120,隶属于量子光学探头模块100,用于吸收高能光子并转化为一簇可见光光子和软紫外光光子,由一种卤化稀土半导体构成,外表面除出光层以外封包反射光学模块140;

出光光学模块130,隶属于量子光学探头模块100,用于透射闪烁光子,由透光玻璃构成,形状大小和探头机械模块的镂空紧密粘合,能隔绝空气中的水汽与闪烁晶体接触;

反射光学模块140,隶属于量子光学探头模块100,用于反射闪烁光子,由反射薄膜材料构成,其外形大小和闪烁晶体除出光面的外表面吻合;

防潮解模块150,隶属于量子光学探头模块100,用于隔绝外部空气和水气,吸收闪烁晶体的湿气,包括涂覆在反射光学模块与探头机械模块之间的吸湿材料和粘合出光光学模块130和探头机械模块110的透明胶体材料。

SiPM亚像素模块210,隶属于SiPM模拟信号模块200,用于划分独立的探测微元,输出独立的亚像素光电信号,根据系统中存在的微元数目N,定义独立输出的亚像素光电信号为{S1, S2, ..., SN};

SiPM亚像素封装模块220,隶属于SiPM模拟信号模块200,用于将不同的亚像素模块对齐到同一高度,使所有的亚像素SiPM都能够紧密贴合出光光学模块130,由环氧树脂构成;

增透光学层模块230,隶属于SiPM模拟信号模块200,用于增加SiPM的吸收光子的数目,由增透光学薄膜构成,涂覆于SiPM表面。

阈值斩波电路模块310,隶属于多路通道符合电路模块300,微元的慢输出口通过比较电路进行斩波处理,保证其正性输出不超越量程,并具有等幅值特征;

加法电路模块320,隶属于多路通道符合电路模块300,根据阈值斩波电路模块310中的斩波信号,将斩波信号加和输出,当所有亚像素光电信号值都为1时,{S1, S2, ..., SN}的加和值为N,显示所有的亚像素模块都被光信号激活;

延迟电路模块330,隶属于多路通道符合电路模块300,将所有独立输出的亚像素光电信号直接加和并延迟10ns到20 ns;

定时电路模块340,隶属于多路通道符合电路模块300,接收加法电路模块的输出,若收到的电信号为N,定时电路定时20 ns 置N输出;

选通电路模块350,隶属于多路通道符合电路模块300,根据定时电路模块的输出选通放大电路模块,当定时电路模块输出为N时,选通放大电路模块360,当定时电路模块340输出不为N时,禁用放大电路模块360;

放大电路模块360,隶属于多路通道符合电路模块300,由选通电路模块350控制,对延迟电路模块330的输出信号进行幅值放大。

模拟数字转换电路模块410,隶属于闪烁脉冲信号处理模块400,该电路用于将闪烁脉冲进行模拟数字转换;

时间标记数字电路模块420,隶属于闪烁脉冲信号处理模块400,用于对到达的闪烁事件进行触发,并记录到达时间,从到达时间开始的死时间之内,不额外响应新的事件;

脉冲幅度电路模块430,隶属于闪烁脉冲信号处理模块400,根据事件到达时间计算每个事件的能量,并输出给事件属性封装电路模块450;

时钟电路模块440,隶属于闪烁脉冲信号处理模块400,通过连接晶振,从晶振中获取平稳的时钟信号,用于为数字电路提供数字化的时间信息;

时间属性封装电路模块450,隶属于闪烁脉冲信号处理模块400,用于事件属性的封装,该电路将每一个事件的时间信息和能量信息按照二进制编码为字节流,以时钟为二进制编码的边界,逐个输出给压缩与传输接口模块;

压缩与传输接口模块460,隶属于闪烁脉冲信号处理模块400,用于对每一个事件属性码元进行压缩与传输,该接口电路能够保证动态范围内的事件属性码元完整地到达出谱与显示模块470;

出谱与显示模块470,隶属于闪烁脉冲信号处理模块400,用于对事件属性进行直方图计数显示,由带计数功能的显示器驱动电路与显示器构成。

以上的基于硅光电倍增器和数字化时间标记的伽马暴巡检仪中,所述的光束到达时间为光束开始的时间或者光束开始的时间加上一个恒定的常数,该常数适用于整个巡检仪系统的所有硅光电倍增器,事件处理的死时间内不响应任何事件。

以上的基于硅光电倍增器和数字化时间标记的伽马暴巡检仪中,所述的硅光电倍增器是由工作在计数模式下的雪崩二极管构成光电探测阵列,其中每一个雪崩二极管称为一个微元。

以上的基于硅光电倍增器和数字化时间标记的伽马暴巡检仪中,所述的硅光电倍增器亚像素包含的微元数目M大于5,N个亚像素微元组成一个像素,一个像素包含MN个微元。

以上的基于硅光电倍增器和数字化时间标记的伽马暴巡检仪中,所述的阈值斩波电路在亚像素信号超过阈值时,阈值斩波电路输出1,而在亚像素信号低于阈值时,阈值斩波电路输出0。

图1为本发明基于硅光电倍增器和数字化时间标记的伽马暴巡检仪的系统框图;图2为本发明延迟链读出时间的示意图。结合图1及图2,通过几个具体的实施例,对本发明的伽马暴巡检仪做进一步描述。本发明提出的伽马暴巡检仪系统,其涉及到的集合划分、函数衍生方式及其优先级顺序、编码系统、性能阈值参数需要根据所获取数据的特点进行调节以达到足够的统计性能。此处列出所涉及的应用实施例处理数据的参数。

实例1:基于硅光电倍增器和数字化时间标记的伽马暴巡检仪

此处列出本实施例1处理数据的参数:

模块100中采用的机械模块材质为铝,闪烁晶体为溴化镧铈,出光玻璃为环氧树脂,反射材料为硫酸钡粉末;

模块200中采用的亚像素模块在每个像素中的个数N=10;

模块300中采用的定时电路模块延迟时间长度为16 ns,阈值斩波电路的阈值电压为100 mV;

模块400中采用的传输接口为以太网接口,时钟周期为20 ns,出谱能量间隔为5keV。

实例2:基于硅光电倍增器和数字化时间标记的伽马暴巡检仪

此处列出本实施例2处理数据的参数:

模块100中采用的机械模块材质为塑料,闪烁晶体为碘化钠,出光玻璃为酚醛树脂,反射材料为特氟龙胶带;

模块200中采用的亚像素模块在每个像素中的个数N=15;

模块300中采用的定时电路模块延迟时间长度为12 ns,阈值斩波电路的阈值电压为120 mV;

模块400中采用的传输接口为USB接口,时钟周期为50 ns,出谱能量间隔为10keV。

实例3:基于硅光电倍增器和数字化时间标记的伽马暴巡检仪

此处列出本实施例3处理数据的参数:

模块100中采用的机械模块材质为铜,闪烁晶体为硅酸镱镥,出光玻璃为石英玻璃,反射材料为3M™ Enhanced Specular Reflector(增强镜面反射膜);

模块200中采用的亚像素模块在每个像素中的个数N=20;

模块300中采用的定时电路模块延迟时间长度为18 ns,阈值斩波电路的阈值电压为40 mV;

模块400中采用的传输接口为PCIe接口,时钟周期为20 ns,出谱能量间隔为50keV。

本发明涉及高能物理与粒子物理应用、核医学装备和生物医学诊疗领域,尤其涉及一种基于硅光电倍增器和数字化时间标记的伽马暴巡检仪系统。

通过对比可以看出,通过采用本发明的基于硅光电倍增器和数字化时间标记的伽马暴巡检仪,能在最早阶段实现闪烁脉冲的数字化。由于该系统不需要对探测器进行低温处理而免于暗计数影响,因此具有更佳的普适性和实用性。

与现有技术相比,本发明的有益效果是:

(1)时间空间分辨率较好;

(2)背景计数小;

(3)结构更加灵活紧凑;

(4)成本低廉。

对于本领域技术人员而言,显然本发明不限于上述示范性实施例的细节,而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下,能够以其他的具体形式实现本发明。因此,无论从哪一点来看,均应将实施例看作是示范性的,而且是非限制性的,本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定,因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外,应当理解,虽然本说明书按照实施方式加以描述,但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实施例中的技术方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

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