专利名称：使用参考辐射的pmt增益控制系统的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及一种光电倍增管，更具体地，涉及一种用于控制光电倍增管(PMT) 的增益的过程。
背景技术：
光电倍增管(PMT)是一种灵敏的探测设备，用来测量光或将光转换成放大的电信 号。典型的光电倍增管包括排空的玻璃管和设置在所述管内的一系列电极。所述一系列电 极包括光电阴极(光源从所述光电阴极射入到管内)、聚焦电极、多个二次发射电极(作 为电子倍增器)和阳极(倍增的电荷在聚集在所述阳极)。当入射光子(入射光)撞击光电倍增管的光电阴极时，由于光电效应，光子激发出 光电子。从光电阴极发射的光电子通过电场加速，并且通过聚焦电极导引至电子倍增器。所 述电子倍增器(即，一系列倍增电极)通过二次发射的过程对光电子进行倍增。当倍增的 光电子到达阳极时，将它们作为电信号输出。具体来说，当加速的光电子撞击第一电子倍增极时，通过二次发射来发射二次电 子。这些二次电子与第一批光电子结合，并且向下一个二次发射电极加速。在连续的二次 发射电极上重复该过程。二次发射产生的级联效应导致了在每一个连续的二次发射电极上 都产生了大量的电子。即，在每一个连续的二次发射电极上都放大了电荷。当电子到达阳 极时，将这些电子作为放大的电信号输出。作为上述过程的结果，即使来自光电阴极的较小 光电流可以在光电倍增管的阳极处提供较大的输出电流。所述放大依赖于二次发射电极的 个数、加速电压、温度等等。光电倍增管被广泛应用在闪烁计数器(闪烁检测器)，来测量辐射源发出的电离 辐射。通过将光电倍增管与闪烁器相连就构建了闪烁计数器。当受到电离辐射激发时，所 述闪烁器产生光。光电倍增管检测并吸收由所述闪烁器发射的光，并且通过上述过程，光电 倍增管以放大的电输出脉冲的形式恢复光。可以通过电子计数器来对这些脉冲进行计数。 通过分析这些输出脉冲，可以获取脉冲分布或能量谱，将每个能级的分立峰值评定为脉冲 高度的分辨率。光电倍增器具有诸如内部增益高、敏感度高、响应快速、噪音低和频率响应高之类 的优势。然后，受诸如温度、PMT或闪烁体的老化速率、电源的不稳定、光电阴极的材质等影 响，光电倍增管的输出信号的增益稳定性可能出现波动。
发明内容
从一个方面说来，本发明公开涉及一种用于控制闪烁检测器的增益的方法，所述 方法包括使用参考辐射源和光电倍增管，以及基于参考辐射源来控制闪烁检测器的增益。 所述控制包括检测闪烁检测器增益的变化、确定增益的变化量、输出控制信号来补偿增益 的变化量、以及基于所述控制信号来稳定增益抵抗参考辐射源。另一方面，本发明公开涉及一种用于控制闪烁检测器的增益的增益控制系统，所述系统包括存储在存储器中的计算机可读指令，用于引起所述处理器检测闪烁检测器的中 医变化量；所述系统确定增益的变化量；所述系统输出控制信号来补偿所述增益变化量； 以及所述系统基于所述控制信号来稳定增益抵抗参考辐射源。本发明公开中的其他方面和优点根据下面的描述和所附权利要求是明白的。
图IA示出了示例参考铯源的示意图。图IB示出了示例参考钾源的示意图。图IC示出了示例参考镅-铍源的示意图。图ID示出了示例参考宇宙射线源的示意图。图2示出了根据本发明的一个或多个实施例的标称增益的脉冲高度谱和位移增 益的脉冲高度谱。图3示出了根据本发明的一个或多个实施例获取的实验示意图。图4A示出了根据本发明的一个或多个实施例获取的实验温度VS时间图。图4B示出了图4A实验的高电压VS时间图。图4C示出了图4A实验的计数速率VS时间图。图5示出了根据本发明的一个或多个实施例的增益控制系统。图6A示出了根据本发明的一个或多个实施例获取的实验温度VS时间图。图6B示出了图6A实验的分频器级别VS时间图。图6C示出了 6B实验的计数速率VS时间图。
具体实施例方式将参考附图描述本发明的具体实施例。在实施例的以下详细描述中，阐述了多种 具体细节以便提供对本公开的更加细致的理解。然而对于本领域普通技术人员显而易见的 是本公开页可以在没有这些具体细节的情况下实现。在其他示例中，没有详细描述公知特 征一避免使本公开含糊。通常情况下，当闪烁计数器的闪烁器中积累了一定量能量时，闪烁器产生光，并且 与闪烁器相连的光电倍增管通过光电效应和二次发射将光转换成电信号。然后电信号作为 具有一定高度(幅度)的脉冲在光电倍增管的阳极输出。可以将输入能量和输出脉冲高度 之间的转换因子定义为增益。本发明公开的一个或多个实施例控制和稳定该增益，所述增 益可能由于诸如温度、光电倍增管或闪烁器的老化速率、闪烁效率、光电倍增管和闪烁器之 间的光学接触等之类的因素而波动。在一个或多个实施例中，增益控制过程是对已知的参考源进行增益稳定的过程， 例如，闪烁计数器(或相似仪器)中光电倍增管累积实质上相同输入能量的已知能量的伽 马射线发射源或电离辐射源。例如，参考源可以位于闪烁器的表面上。使用该参考源，根据 一个或更多实施例的增益控制过程补偿了光电倍增管中的增益波动。可以使用的参考辐射 源的示例包括铯(Cs)源、钾⑷源、镅-铍(AmBe)源和宇宙射线。这四种辐射源在图IA-D 中以图表的形式列出，但是对于本领域技术人员来说，本发明公开的范围显然不局限于任 何特定的伽马射线发射源。χ轴表示伽马量子的能量，y轴表示具有确定能级(幅度)的伽马两字的数目，以每秒钟的计数为单位(cps)。如图IA-D所示，每一种源都表现出可用作参 考点的清晰的峰。通过监测参考辐射源幅度谱中峰值位置的改变，根据一个或更多实施例 的增益控制过程可以探测到峰值位置的改变，并能对增益的改变进行补偿，换句话说，就是 将峰值恢复到原始或“正常”位置。参考源可以与主辐射源、分离的辐射源或宇宙射线相同。然而，在一些应用(如背 向散射)中，能量谱依赖于可以使用所述主辐射源作为参考的过程。在这样的情况下，参考 辐射源具有比主输入源更小的伽马射线流量，而但是发射出具有更高能量的伽马量子。由 于闪烁器的闪光强度依赖于伽马量子的能量，主辐射源和参考辐射源之间能量的偏移使得 可以实现参考辐射源信号从光电倍增管的总输出信号中的分离。通过从总输出信号中提取 参考辐射源信号(“参考峰值”)，尽管存在其他外界因素的影响，仍然可以对光电倍增管的 高电压电源进行调节，以便保持参考信号恒定。例如在诸如闪烁计数器之类的检测器中，碰撞闪烁器的每一个伽马量子产生一定 强度的闪光，所述闪光强度与伽马量子的能量相关。光电倍增管把这种闪光转换成电脉冲。 所述闪光强度和光电倍增管的产量确定了该脉冲的幅度。保持增益恒定意味着在闪烁器中 累积的能量的恒定级别导致相同幅度的光电倍增管电脉冲，尽管外界或环境因素可能会影 响检测器的灵敏度。如上所述，可以将增益定义为输入能量和输出光电倍增管脉冲幅度之间的比例系 数。在一个或更多实施例中，如果脉冲幅度由于某种原因增加到一定的较高阈值，增益控制 过程减少光电倍增管的高压以使脉冲幅度恢复正常；另一方面，如果脉冲幅度下降到一定 的较低阈值，增益控制过程增加光电倍增管的高压使之恢复正常。因此，如果不考虑增益变 化的特定原因，增益控制系统可以对增益的变化起作用。更具体地说，在一个或更多实施例中，增益的稳定可由以下方法实现定义表示分 段计数速率的阈值、计算各段之间的比率和改变光电倍增管的电源电压来补偿增益改变。 例如为了说明，图2示出了低频(L)和高频(H)的两个脉冲高度谱。谱图I示出了偏移增 益时的脉冲高度谱，谱图II示出了标称增益时的脉冲高度谱。两条垂直的线表示限定了低 频和高频的硬连接阈值。选择较低的阈值以便消除不必要的噪声。从图中可以看出，这意 味着那些幅度降到较低阈值的左边的脉冲(即幅度小于较低阈值的脉冲)被视为噪声，因 此不予考虑。在一个或更多实施例中，增益控制过程对在低频段(即两个硬连线阈值之间)所 产生的电脉冲和在高频段(即超过阈值上限)所产生的电脉冲数量进行计数。换句话说，增 益控制过程来自具有大于较低阈值但是小于较高阈值幅度的PMT的脉冲数量进行计数(即 图2区域A中的脉冲数量)，并且对来自具有大于较高阈值的幅度的PMT的脉冲数量进行计 数(即图2区域B中的脉冲数量)。可以这样选择阈值的值，使得在正常条件下，即检测器 灵敏度不受外部或环境因素影响的条件下，具有区域A中幅度的电脉冲的总数量与具有区 域B中脉冲幅度的电脉冲的总数量相等。如果因任何原因导致检测器灵敏度发生变化，从光电倍增管输出的电脉冲幅度也 发生变化。例如，如果光电倍增管的增益增加，电脉冲的幅度也会增加。参考图2作为示例， 这意味着高度谱I的峰将向更高的幅度偏移，即向右偏移。因此，具有区域A和区域B中幅 度的脉冲的数量将会改变。具体地说，区域A中的脉冲数量将减少，而区域B中的脉冲数量则会增加(换句话说，通过将图2顶部和底部的脉冲高度谱进行比较可以看出，高低频段的比值增加)。在一个或更多实施例中，为了使增益(或检测器灵敏度)恢复正常，增益控制 过程降低光电倍增管的高压，直到区域A中的脉冲个数变得和区域B中的脉冲数量相等为 止。这个过程使增益恢复到“正常”值或平衡点。另一方面，如果光电倍增管的增益降低，电脉冲的幅度也会降低。参考图2作为示 例，高度谱I的峰值将向更低幅度左移。因此，具有区域A和区域B中幅度的脉冲的数量将 会改变。具体的说，区域A中的脉冲数量将增加，而区域B中的则会减少(换句话说，通过 将图2顶部和底部的脉冲高度谱可以看出，高低频段的比值降低)。在一个或更多实施例 中，为了使增益(或检测器灵敏度)恢复正常，增益控制过程增加光电倍增管的高压，直到 区域A中的脉冲个数变得和区域B中的脉冲数量相等为止。这个过程使增益恢复到“正常” 值或平衡点。如上所述，高低频比率随着增益的增加而增加，并随着增益的降低而降低。因此， 在一个或多个实施例中，增益控制过程检测高低频比率的增加/降低，并响应于此产生控 制信号来降低/增加光电倍增管的电源电压。参考图2作为示例，这意味着使曲线下低频 段和高频段区域(即区域A和区域B)的面积相等。当区域A的面积实质上等于区域B的 面积时，这表示低频段中脉冲计数的数量变得实质上和高频段的脉冲技术数量相等，并且 增益恒定。为达到实验目的，在环境模拟室中监测来自辐射源(这种情况下是IyCi的铯) 闪烁计数器的计数速率。结果如图3所示。图中示出了温度、光电倍增管的电源电压和计 数速率随时间的变化之间的演变过程。在这个实验中，计数速率被定义为由辐射源产生的 超过一定阈值的脉冲数量。改变环境实验室的温度来监测光电倍增管的增益变化。正如 所预料的那样，温度的改变影响了增益和闪烁器的光输出。然后根据一个或更多实施例， 增益控制过程产生控制信号，并且基于所述温度改变而改变光电倍增管的电源电压，以便 保持计数速率恒定不变。因此，如图3所示，增益控制过程有效地将计数速率稳定在大约 4.635kHz。图4A-C示出了另一个实验。图4A示出了光电倍增管的温度随时间变化的图像， 图4B示出了光电倍增管电源电压随时间变化的图像，以及图4C示出了光电倍增管计数速 率随时间变化的图像。温度的变化再次影响了光电倍增管的增益和闪烁器的光输出。从图 4B可以看出，根据一个或更多实施例，增益控制过程改变光电倍增管的电源电压，从而使增 益保持恒定。图4C中所示的计数速率表示了参考辐射源产生的超过一定阈值的脉冲数量。 计数速率可以用过稳定性的度量，因为增加的增益导致更多的超过指定阈值的脉冲，以及 减少的增益则导致更少的脉冲。另外，在一个或多个实施例中，增益控制过程可以是自适应的，使得所述增益控制 过程基于某种标准表现出不同的反应。例如，如果增益远离平衡点，增益控制过程可配置为 反应较快，；如果增益靠近平衡点，则配置为反应较慢。在一个或更多实施例中，分频器可用 来实现自适应增益控制过程。增益控制过程的自适应程度或反应速度可以依赖于分配器的 级别来改变。为了说明目的，将参考图2解释利用分频器(在这种情况下分频器具有四个级别) 的自适应增益控制过程的示例。在一个或更多实施例中，分频器可以将来自区域A和区域B中的脉冲数量如下划分在第4级，区域A每隔一个电脉冲增加光电倍增管的高压，区域B 每隔一个电脉冲降低光电倍增管的高压；第3级，区域A中每隔四个电脉冲增加光电倍增管 的高压，以及区域B每隔四个电脉冲降低光电倍增管的高压；第2级，区域A中每隔八个电 脉冲增加光电倍增管的高压，以及区域B每隔八个电脉冲降低光电倍增管的高压；第1级， 区域A中每隔32个电脉冲增加光电倍增管的高压，以及区域B中每隔32个电子脉冲降低 光电倍增管的高压。对于本领域普通技术人员而言显而易见的是所述级别的个数可以基 于控制和灵活度的所需程度进行改变。根据一个或更多实施例，第4级提供更快的反应速度但是最差稳定性的控制。另 一方面，第1级提供最高稳定性的控制但是最低的反应速度。第2和第3级的反应速度和 稳定性处在第1和第4级之间。按照这种方式，根据一个或更多实施例的自适应增益控制 过程可以自适应地反应，即当增益远离平衡点时反应更快，而接近平衡点时反应更慢。例如 参考图2，如果区域A和区域B中的脉冲数量近似相等，由于增益已经在平衡点附近，可以使 用分频器的第1级，并且因此快速的反应时间不是急需的。另一方面，如果区域A和区域B 中的脉冲数量明显不同(意味着增益远离平衡点)，可以使用分频器的第4级，使得增益能 更快地恢复到平衡点。在图6A-C图示了根据一个或更多实施例的四级分频器的实验结果。图6A示出了 光电倍增管温度随时间的变化的曲线，图6B示出了分频器的级随着时间变化的曲线，图6C 示出了光电倍增管计数速率随着时间变化的曲线。温度的改变影响着光电倍增管的增益和 闪烁器的光输出。从图6B可以看出，根据一个或更多实施例，增益控制过程基于增益的变 化使用不同的分频器级。图6C中示出的计数速率表示参考辐射源产生的超过一定阈值的 脉冲数量。图6C也表示在温度快速改变的区域中，由于计数速率偏移较高，使用分频器的 第3和第4级；而在温度相对稳定的区域中，由于计数速率的标准偏差较小，使用分频器的 第1级。在其他实施例中，代替如上所述的不同级别，可以使得自适应增益控制过程是连 续可变的。这可以通过非线性反馈来实现，例如，控制信号(高电压调节)增加得比区域A 和B中计数速率之间的差别更快。本邻域普通技术人员应该理解，即使没有上述细节，也能实现增益控制过程的一 个或更多实施例。例如，页可以使用除了铯(Cs)、钾(K)、镅-铍(AmBe)和宇宙射线之外的 参考辐射源。另外，可以基于具体环境或应用来选择参考辐射源的类型。例如，如果想得到 高的能量积累，以便易于将参考信号和噪声分离，可以使用宇宙射线(宇宙射线也可以降 低实施成本，因为它们是天然的电离辐射源)。可选地，如果想要获得较快的响应时间，可以 代替地使用诸如钾(K)或镅-铍(AmBe)之类的源。另外，可以在作为光电倍增管增益控制系统的任意类型的计算机系统上实现增益 控制过程的一个或更多实施例。例如如图5所示，增益控制系统500包括处理器502及与 之相连的存储器504、存储装置506以及其他具有当今计算机功能的一些组成部分。存储器 504可以包括使增益控制系统500执行根据本发明公开的一个或更多实施例的光电倍增管 增益控制过程的指令。增益控制系统500也可以包括诸如键盘508和鼠标510之类的输入装置和诸如监 视器512之类的输出装置。增益控制系统500可以经由网络接口(未示出)与局域网(LAN)或广域网(如因特网)相连。本领域普通技术人员应该理解，这些输入和输出装置可以采取现在已知或随后发展的其他形式。另外，本领域普通技术人员应该理解，增益控制系统500的一个或更多个元件可 以位于远端位置，并且通过网络与其他元件相连。另外，可以在具有多个节点的分布式系统 中实现一个或更多实施例，其中本发明的每一个部分(例如入侵检测系统、响应重写器、服 务器、客户端)可以位于分布式系统中的不同节点。在一个或更多实施例中，所述节点与计 算机系统相对应。可选地，所述节点可以与具有相关联物理存储器的处理器相对应。可选 地，所述节点可以与具有共享存储器和/或资源的处理器相对应。另外，可以将用于执行本 发明实施例的软件指令存储在诸如数字视频盘(DVD)、光盘(CD)、软盘、磁带之类的有形计 算机可读介质或任意其他合适的有形计算机可读存储设备。本发明中实施例的优势包括以下一个或多个方面。本发明的一个或更多实施例可 以有效地控制光电倍增管检测器(如闪烁计数器)的灵敏度或增益，使得尽管有诸如温度、 光电倍增管或闪烁器的老化率、闪烁效率、光电倍增管与闪烁器之间的光接触等之类的外 部或环境因素的存在，灵敏度仍能保持相对恒定。有效地位置检测器的灵敏度使得光电倍 增管探测器能够获得更精确的测量。另外，本领域普通技术人员应该理解，本发明的实施例 可实施到各种不同的环境和应用中去。例如，本发明公开的一个或更多实施例可以用于从 光电倍增管检测器获得精确测量，所述光电倍增管检测器配置为测量原油或精炼液体的物 理参数(例如密度)。尽管只描述了少数的实施例，但是本领域的技术人员仍然能从中获得益处，他们 可设计出其他的不超出本发明范围的实施例。相应地，该范围应该仅限于以下附加的声明。
权利要求
一种用于控制闪烁检测器增益的方法，所述方法包括使用参考辐射源和光电倍增管；以及基于所述参考辐射源来控制所述闪烁检测器的增益，所述控制包括检测闪烁检测器增益的变化；确定增益的变化量；输出控制信号来补偿所述增益的变化量；以及基于所述控制信号，稳定相对于参考辐射源的增益。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述参考源是将实质上相同量的能量堆积到所述闪烁检测器的电离辐射源。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述增益是在闪烁检测器上堆积的能量与光电倍增管输出之间的比例系数。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述检测包括从光电倍增管的输出中提取参考辐射源的参考源信号。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述检测还包括 在标称增益时产生光电倍增管的脉冲高度频谱；定义脉冲高度频谱的低波段和高波段；对在脉冲高度频谱的低波段内光电倍增管输出的电脉冲进行计数； 对在脉冲高度频谱的高波段内光电倍增管输出的电脉冲进行计数； 计算高波段脉冲和低波段脉冲的标称比率；以及 监测标称比率的变化。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述确定包括 当检测到标称比率发生了变化，产生新增益的脉冲高度频谱；计算标称比率与新增益时高波段脉冲和低波段脉冲的新比率之间的变化量。
7.根据权利要求6所述的方法，其中通过标称比率和新比率之间的计算变化量来增加 或减小所述新增益，使得所述新比率变为实质上等于标称比率。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述稳定包括基于所述控制信号，通过增益的变 化量来改变光电倍增管的高电压。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述改变包括 当增益减小时，通过增益的变化量增强高电压；以及 当增益增加时，通过增益的变化量降低高电压。
10.根据权利要求1所述的方法，其中当增益变化增加时更快地执行所述控制；以及当 增益变化减少时更慢地执行所述控制。
11.一种用来控制闪烁检测器增益的增益控制系统，包括 存储器；处理器，可操作地与所述存储器相连；以及存储在所述存储器中的计算机可读指令，所述指令用于引起所述处理器基于所述参考 辐射源来控制闪烁检测器的增益，所述指令包括 检测闪烁检测器的增益变化；确定增益变化量；输出控制信号来补偿增益变化量；以及 基于控制信号稳定相对于参考辐射源的增益。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述参考源是将实质上相同量的能量堆积到所 述闪烁检测器的电离辐射源。
13.根据权利要求11所述的系统，其中所述增益是在闪烁检测器上堆积的能量与光电 倍增管输出之间的比例系数。
14.根据权利要求13所述的系统，其中检测包括从光电倍增管的输出中提取参考辐射 源的参考源信号。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述检测还包括 在标称增益时产生光电倍增管的脉冲高度频谱；定义脉冲高度频谱的低波段和高波段；对在脉冲高度频谱的低波段内光电倍增管输出的电脉冲进行计数； 对在脉冲高度频谱的高波段内光电倍增管输出的电脉冲进行计数； 计算高波段脉冲和低波段脉冲的标称比率；以及 监测标称比率的变化。
16.根据权利要求15所述的系统，所述确定包括当检测到标称比率发生了变化，产生新增益的脉冲高度频谱；计算标称比率与新增益时高波段脉冲和低波段脉冲的新比率之间的变化量。
17.根据权利要求16所述的系统，通过标称比率和新比率之间的计算变化量来增加或 减小所述新增益，使得所述新比率变为实质上等于标称比率。
18.根据权利要求11所述的系统，其中所述稳定包括基于所述控制信号，通过增益的 变化量来改变光电倍增管的高电压。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述改变包括 当增益减小时，通过增益的变化量增强高电压；以及 当增益增加时，通过增益的变化量降低高电压。
20.根据权利要求11所述的系统，其中当增益变化增加时更快地执行所述控制；以及 当增益变化减少时更慢地执行所述控制。
全文摘要
用于闪烁检测器的增益的方法包括使用参考辐射源和光电倍增管，并且基于参考辐射源来控制闪烁检测器的增益。所述控制包括检测闪烁检测器增益的变化；确定增益的变化量；输出控制信号来补偿增益变化；以及基于所述控制信号来稳定相对于参考辐射源的增益。用于控制闪烁检测器的增益控制系统包括存储在存储器中的计算机可读指令，用于引起处理器执行以下步骤检测闪烁检测器的增益变化；确定增益的变化量；输出控制信号来补偿所述增益的变化量；以及基于所述控制信号，稳定相对于参考辐射源的增益。
文档编号H01J43/30GK101989526SQ20101022891
公开日2011年3月23日 申请日期2010年7月9日 优先权日2009年8月4日
发明者亚历克斯·库利克, 亚历山大·约瑟夫·叶辛, 尼古拉·巴图林 申请人:思姆菲舍尔科技公司