中子闪烁体位敏探测器测试系统及方法与流程

本发明属于核物理探测领域。本发明为一种2D中子闪烁体位敏探测器测试系统，特别是涉及利用激光束模拟中子在闪烁屏上的光斑，对闪烁体位敏核探测器的各个通道进行测量测试，而不需要放射源或额外的其他探测器辅助测量位置等参照信息。

背景技术：

以新型闪烁体和光电读出结构为基础的中子探测器近几年发展迅速，特别以掺杂闪烁探测器为代表，然而中子闪烁体位敏探测器在探测-读出环节大多采用了光电倍增管等放大器件，由于生产工艺等客观原因，其各个读出通道的性能参数难以保持一致，导致闪烁体位敏探测器的性能参数在批量生产中难以获得较好的控制，因此在2D位敏核探测器的设计、研制、测试和生产制作过程中，需要对于探测系统各个通道的关键参数进行详细的测量。

2D中子闪烁体位敏探测器主要由闪烁屏、波移光纤、光电倍增管以及电子学模块组成，参杂物质的闪烁体吸收波长接近400，中子与闪烁体产生核反应，反应产生的和粒子在ZnS闪烁体中激发光电效应，产生的光子会在闪烁体介质层中部分出射并进入夹层中的波移光纤，随后转换为较长波长的光子，由光纤传输到多阳极光电倍增管的某个通道，光子经光电转换后产生电脉冲信号并获得放大增益，各个读出通道上的响应信号最终由数据获取系统记录，给出中子事例的位置和时间等信息，完成中子的探测。

目前国内大多数2D中子闪烁体位敏探测器没有专门的测试系统，对探测器本身的检测多半利用放射源/宇宙线等手段，使用其他探测器辅助测量待测闪烁体位敏核探测器的性能参数。这些方法存在测试系统复杂，效率低下。并且放射源相关管理法规严格，不少实验用的触发源还存在质量难以控制等缺陷，难以很好地满足检测闪烁体位敏核探测器的性能需求。例如，专用实验检测需要现场布置，检测系统具有长时期的不确定性，一旦测量需求和环境有所变化，实验就几乎要重新刻度，因此耗时较多，通用性较差，而且不同的实验环境之间难以横向对比。再者，放射源刻度除了受到放射源相关管理法规严格限制之外，往往还有活度/触发难以控制等缺陷，很难和测量需求做到良好的匹配。上述这些因素，使得传统的检测系统难以很好地对闪烁体探测器进行生产质量控制。

故急需一种可解决上述问题的中子闪烁体位敏探测器测试系统及方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种中子闪烁体位敏探测器测试系统，特别是涉及利用激光束模拟中子在闪烁屏上的光斑，对闪烁体位敏核探测器的各个通道进行测量测试，而不需要放射源或额外的其他探测器辅助测量位置等参照信息。

为了实现上有目的，本发明公开了一种中子闪烁体位敏探测器测试系统，包括脉冲光源模拟装置、光学处理模块、机械扫描平台和数据获取模块，所述脉冲光源模拟装置输出脉冲光信号，所述光学处理模块将所述脉冲光信号进行衰减、偏振、扩束处理后，通过一光纤准直器进行准直处理并固定至所述机械扫描平台上，且使所述脉冲光信号照射在待测的中子闪烁体位敏探测器的波移光纤的测试点上，脉冲光信号通过所述波移光纤输出光子到有多路通道的被测光电倍增管，所述数据获取模块获取所述被测光电倍增管放大后的被测信号。

闪烁体中子探测器不一致性来源于四个环节，分别是闪烁屏、光纤阵列、多阳极光电倍增管和电子学模块。其中电子学模块增益可以调节，因此批量生产要求对于探测器整机给出前三个环节具有对比性的增益分布，用于给电子学补偿提供参考。此外闪烁屏的不一致性相对确定，并且实际采用中子测量也不方便。因此对闪烁屏一般直接采用厂家参数，只简单以抽样检测的方法进行确认，评估大致的波动范围。而光纤阵列的传输效率与多阳极光电倍增管的增益不一致性则难以控制且较为显著，是检测系统详细分析的目标。鉴于对放射源的使用管理越发严格的社会情况，本发明通过建立一套基于脉冲激光的测试系统，激光信号直接输出到波移光纤上，即通过脉冲激光模拟中子激发闪烁体发出的光源，可以获得从波移光纤到光电倍增管各个通道的性能参数，实现在无放射源环境中，核探测器的检测和测试，避开放射源严格的管理法规限制。由于激光光源是成熟的工业产品，不受放射源管理法规的限制。激光脉冲输出稳定，可以很方便的精确调制出中子闪烁体位敏探测器各种参数(功率/脉冲宽度/频率等)，配合光学模块能替代中子在闪烁屏上的光斑，并适配不同测量环境的要求。配合机械扫描平台实现目标区域的精确位置扫描，即可高效快速的对多读出通道的光电元件进行细致测量，无论是在大批量生产还是小型研发测试中都有灵活的适应性和广泛的应用前景。

较佳地，所述中子闪烁体位敏探测器测试系统还包括参考光电倍增管，所述光学处理模块还包括分光器，所述光学处理模块将所述脉冲光信号进行衰减、偏振、扩束、分光处理以输出功率相同的两路脉冲光信号，一路脉冲光信号通过一光纤准直器固定至所述机械扫描平台上，且使所述脉冲光信号照射至所述测试点上，另一路所述脉冲光信号通过一光纤准直器准直处理后照射至所述参考光电倍增管，所述参考光电倍增管依据所述脉冲光信号输出参考信号，所述数据获取模块还获取所述参考光电倍增管输出的参考信号。

较佳地，所述机械扫描平台包括固定台和机械臂，所述固定台固定所述光纤准直器，所述机械臂带动所述固定台在相互垂直的两方向上移动以使所述脉冲光信号照射至所述测试点上。

较佳地，所述数据获取模块将获取的信号转变为电信号后进行放大、滤波成形、甄别、触发、计数处理后上传到上位计算机，并获得、记录对应读出通道的响应。

较佳地，所述中子闪烁体位敏探测器测试系统还包括控制模块，所述控制模块分别与所述机械扫描平台、脉冲光源模拟装置以及数据获取模块相连，并协调、控制所述机械扫描平台、脉冲光源模拟装置以及数据获取模块的动作。

较佳地，传输所述脉冲光信号的光纤为多模光纤，且所述光学处理模块和所述光纤准直器之间的多模光纤安装于一光纤弯曲消模装置上，所述光纤弯曲消模装置包括环形的内盘绕模具、以一定间距环绕于所述内盘绕模具上的外盘绕模具，所述外盘绕模具上开设有通孔，所述多模光纤缠绕于所述内盘绕模具后穿过所述通孔缠绕于所述外盘绕模具上，以使所述多模光纤形成缠绕于所述内盘绕模具上的小半径盘绕部分和缠绕于所述外盘绕模具的大半径盘绕部分。本方案使用双曲率盘绕的方法，以多模光纤作为传输介质，按照两种不同的半径对其进行预先盘绕。由于高次模的衰减半径大于基模，小半径盘绕部分可以提前将耦合进入光纤的高次模成分进行有效的衰减，过滤出对大半径弯曲不敏感的低次模。另一个较大半径的大半径盘绕部分消除上一环节可能激发的弯曲传输模。两者配合下，最终实现多模光纤对高次模的抑制和稳定输出。再者，本发明使得经过消模处理后的光信号，在不同位置光输出功率始终保持一致。小半径盘绕部分和大半径盘绕部分两者配合下，最终实现多模光纤对高次模的抑制和稳定输出，使得经过消模处理后的光信号，在不同位置，即使光纤有稍微弯曲，光输出功率始终保持一致。

本发明还公开了一种中子闪烁体位敏探测器测试方法，使用激光器输出稳定的脉冲光信号，将所述脉冲光信号进行衰减、偏振、扩束、准直处理后固定照射至待测的中子闪烁体位敏探测器的波移光纤的测试点上，脉冲光信号通过所述波移光纤输出光子到有多路通道的被测光电倍增管，获取所述被测光电倍增管的被测信号。

本发明通过建立一套基于脉冲激光的测试系统，激光信号直接输出到波移光纤上，代替探测器的闪烁体光源,可以获得从波移光纤到光电倍增管各个通道的性能参数，实现在无放射源环境中，核探测器的检测和测试，避开放射源严格的管理法规限制。由于激光光源是成熟的工业产品，不受放射源管理法规的限制。激光脉冲输出稳定，可以很方便的精确调制出中子闪烁体位敏探测器各种参数(功率/脉冲宽度/频率等)，配合光学模块能替代中子在闪烁屏上的光斑，并适配不同测量环境的要求。配合机械扫描平台的机械臂实现目标区域的精确位置扫描，即可高效快速的对多读出通道的光电元件进行细致测量，无论是在大批量生产还是小型研发测试中都有灵活的适应性和广泛的应用前景。

较佳地，将所述脉冲光信号进行准直处理前还进行分光处理以输出功率相同的两路脉冲光信号，一路脉冲光信号经过准直处理后照射至所述测试点上，另一路所述脉冲光信号经过准直处理后照射至一参考光电倍增管上，所述参考光电倍增管依据所述脉冲光信号输出参考信号，获取所述参考信号。

较佳地，将获取的信号转变为电信号后进行放大、滤波成形、甄别、触发、计数处理后上传到上位计算机，并获得、记录对应读出通道的响应。

较佳地，传输所述脉冲光信号的光纤为多模光纤，将所述脉冲光信号进行准直处理前还进行消模处理，消模处理的步骤包括；将所述多模光纤分为相连的前半部分和后半部分，将所述多模光纤的前半部分弯曲缠绕形成一环形的第一盘绕部分，将所述多模光纤的前半部分弯曲缠绕形成一环形的第二盘绕部分，所述第二盘绕部分的半径大于所述第一盘绕部分的半径，以使所述第二盘绕部分为大半径盘绕部分，所述第一盘绕部分为小半径盘绕部分，脉冲光信号耦合进所述多模光纤后，经所述小半径盘绕部分衰减所述脉冲光信号中的高次模成分并激发弯曲传输模后输送至大半径盘绕部分，在经过所述大半径盘绕部分过滤所述弯曲传输模以形成弯曲消模后的脉冲光信号。本方案使用双曲率盘绕的方法，以多模光纤作为传输介质，按照两种不同的半径对其进行预先盘绕。由于高次模的衰减半径大于基模，小半径盘绕部分可以提前将耦合进入光纤的高次模成分进行有效的衰减，过滤出对大半径弯曲不敏感的低次模。另一个较大半径的大半径盘绕部分消除上一环节可能激发的弯曲传输模。两者配合下，最终实现多模光纤对高次模的抑制和稳定输出。再者，本发明使得经过消模处理后的光信号，在不同位置光输出功率始终保持一致。

附图说明

图1是本发明所述中子闪烁体位敏探测器测试系统第一实施例中的结构示意图。

图2是本发明所述中子闪烁体位敏探测器测试系统第二实施例中的结构示意图。

图3是本发明所述光纤弯曲消模装置的结构示意图。

图4是本发明所述光纤弯曲消模装置另一角度的结构示意图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

参考图1，本发明公开了一种中子闪烁体位敏探测器测试系统200，包括脉冲光源模拟装置31、光学处理模块32、机械扫描平台33和数据获取模块34，所述脉冲光源模拟装置31输出脉冲光信号，所述光学处理模块32将所述脉冲光信号进行衰减、偏振、扩束处理后，通过一光纤准直器321进行准直处理并固定至所述机械扫描平台33上，且使所述脉冲光信号照射在待测的中子闪烁体位敏探测器35的波移光纤的测试点上，脉冲光信号通过所述波移光纤输出光子到有多路通道的被测光电倍增管，所述数据获取模块34获取所述被测光电倍增管的被测信号。其中，脉冲光源模拟装置31的光源采用半导体激光器，其输出功率为120mW，另外，实际中子探测时，闪烁体俘获的光子数只有8000到12000之间，功率很低，不适合没有电子学放大情况下的测量。所以激光器的输出功率可以适当调高，以压低本底漏光和为不同的测试场合提供合适的光强输出，经过衰减、偏振、扩束、准直等处理后，将激光功率稳定在待测元件合适的响应区间，并准确定位在期望照射位置上。其中，为了对光电倍增管各个通道进行标定，需将输出脉冲光信号的光纤固定在机械扫描平台33上，以使多路通道的被测光电倍增管的不同通道对应波移光纤平面的相应位置，以达到在测试时输出光斑精确对准某一通道的相应位置的要求，从而对整个波移光纤平面进行扫描，波移光纤面积大约为150mm×250mm。

工作时，使用脉冲光源模拟装置31的激光器输出稳定的脉冲光信号，将所述脉冲光信号进行衰减、偏振、扩束、准直处理后固定照射至待测的中子闪烁体位敏探测器的波移光纤的测试点上，脉冲光信号通过所述波移光纤输出光子到有多路通道的被测光电倍增管，获取所述被测光电倍增管的被测信号。

其中，所述机械扫描平台33包括固定台和机械臂，所述固定台固定所述光纤准直器321，所述机械臂带动所述固定台在相互垂直的两方向上移动以使所述脉冲光信号照射至所述测试点上。

其中，所述数据获取模块34将获取的被测信号转变为电信号后进行放大、滤波成形、甄别、触发、计数处理后上传到上位计算机(图中未示)，并获得、记录对应读出通道的响应。

继续参考图1，所述中子闪烁体位敏探测器测试系统200还包括控制模块36，所述控制模块36分别与所述机械扫描平台33和脉冲光源模拟装置31以及数据获取模块34相连，并协调、控制所述机械扫描平台32、脉冲光源模拟装置31和数据获取模块34的动作。控制模块36实现系统的操作调度，以自动完成扫描各个读出通道的测量。在扫描过程中，控制模块36根据机械扫描平台32和脉冲光源模拟装置31的状态信号协调两者的工作。在从一个测量点移动到下一个测量点的过程中，机械扫描平台32的就位信号未设置，控制模块36关闭脉冲光源模拟装置31的激光使能信号，停止脉冲输出。当机械扫描平台32就位信号被设置后，控制模块36关闭机械扫描平台32的运动使能信号，锁死输出光纤准直器321，开启激光使能信号。

较佳者，参考图3和图4，传输所述脉冲光信号的光纤为多模光纤，且所述光学处理模块32和所述光纤准直器321之间的多模光纤安装于一光纤弯曲消模装置100上，所述光纤弯曲消模装置100包括环形的内盘绕模具11、以一定间距环绕于所述内盘绕模具11上的外盘绕模具12和多模光纤15，所述外盘绕模具12上开设有通孔13，所述多模光纤15一部分缠绕于所述内盘绕模具11后另一部分穿过所述通孔13缠绕于所述外盘绕模具12上，以使所述多模光纤15形成缠绕于所述内盘绕模具11上的小半径盘绕部分和缠绕于所述外盘绕模具12的大半径盘绕部分。其中，由于光纤的纤芯直径很小，激光光束的光强分布在小尺度范围内存在精细起伏，外界震动引起的轻微摇晃很可能会引起馈送到光纤中的光成分不稳定，本实施例中采用芯径/外径为62.5μm/125μm的多模光纤。由于高次模的衰减半径大于基模，小半径盘绕部分可以提前将耦合进入光纤的高次模成分进行有效的衰减，过滤出对大半径弯曲不敏感的低次模。另一个大半径盘绕部分消除上一环节可能激发的弯曲传输模。两者配合下，最终实现多模光纤15对高次模的抑制和稳定输出。多模光纤15经过盘绕后，较高次模衰减殆尽，输出的光强趋于稳定，无论后续如何放置多模光纤外段部分，输出光强几乎没有变化。

其中，本具体实施方式中内盘绕模具11直径为82.5mm，多模光纤15盘绕7圈；外盘绕模具12直径为97.5mm，多模光纤15盘绕6圈。

继续参考图3和图4，所述多模光学处理模块100还包括设于所述内盘绕模具11内的中心圆柱10和固定所述中心圆柱10、内盘绕模具11和外盘绕模具12的底座17。

参考图3，所述光学处理模块100还包括形成于所述外盘绕模具12外侧的多个光纤固定条14。

综上，本发明将一多模光纤15分为相连的前半部分和后半部分，将所述多模光纤15的前半部分弯曲缠绕形成一环形的第一盘绕部分，将所述多模光纤15的后半部分弯曲缠绕形成一环形的第二盘绕部分，所述第二盘绕部分的半径大于所述第一盘绕部分的半径，以使所述第二盘绕部分为大半径盘绕部分，所述第一盘绕部分为小半径盘绕部分，脉冲光信号耦合进所述多模光纤15后依次经过所述小半径盘绕部分和大半径盘绕部分进行消模处理。

其中，将所述脉冲光信号进行弯曲消模的具体步骤为：脉冲光信号耦合进所述多模光纤15后，经所述小半径盘绕部分衰减所述脉冲光信号中的高次模成分并激发弯曲传输模后输送至大半径盘绕部分，在经过所述大半径盘绕部分过滤所述弯曲传输模以形成弯曲消模后的脉冲光信号。

较佳者，所述第二盘绕部分以一定间距弯曲环绕于所述第一盘绕部分外。

参考图2，不同于上述第一实施例，在该实施例中，所述中子闪烁体位敏探测器测试系统200a包括脉冲光源模拟装置31、光学处理模块32、机械扫描平台33、数据获取模块34、分光器37和参考光电倍增管38，所述脉冲光源模拟装置31输出脉冲光信号，所述分光器37一端接所述光学处理模块32并将衰减、偏振、扩束、分光处理后的脉冲光信号进行分光处理以输出两路功率相同的两路脉冲光信号分别至两所述光纤准直器321，一所述光纤准直器321被所述机械扫描平台33上固定，且所述脉冲光信号照射在待测探测器35的波移光纤的测试点上，脉冲光信号通过所述波移光纤输出光子到有多路通道的被测光电倍增管，所述数据获取模块34获取所述被测光电倍增管的被测信号。另一所述光纤准直器321处理后的脉冲光信号照射至所述参考光电倍增管38，所述参考光电倍增管38依据所述脉冲光信号输出参考信号，所述数据获取模块34获取所述参考光电倍增管38输出的参考信号和待测探测器35的被测光电倍增管输出的被测信号。其中，所述分光器37为1:1分光器。其中，多路通道的被测光电倍增管的不同通道对应波移光纤平面的相应位置，要求在测试时输出光斑精确对准某一通道的相应位置。波移光纤面积大约为150mm×250mm，连接准直器321的光纤在扫描运动过程中，几个待测点的响应幅度符合其光纤和光电倍增管的增益，反推获得的光输出功率与参考光电倍增管38进行比较，保证在各个测试点上达到测试效果。

其中，所述数据获取模块34将获取的被测信号和参考信号转变为电信号后进行放大、滤波成形、甄别、触发、计数处理后上传到上位计算机(图中未示)，并获得、记录对应读出通道的响应。

较佳者，继续参考图2，与第一实施例相同，在本实施例中，传输所述脉冲光信号的光纤为多模光纤，且所述光学处理模块32和所述光纤准直器321之间的多模光纤安装于一光纤弯曲消模装置100上，所述光纤弯曲消模装置100包括环形的内盘绕模具11、以一定间距环绕于所述内盘绕模具11上的外盘绕模具12和多模光纤15，所述外盘绕模具12上开设有通孔13，所述多模光纤15一部分缠绕于所述内盘绕模具11后另一部分穿过所述通孔13缠绕于所述外盘绕模具12上，以使所述多模光纤15形成缠绕于所述内盘绕模具11上的小半径盘绕部分和缠绕于所述外盘绕模具12的大半径盘绕部分。

工作时，使用脉冲光源模拟装置31的激光器输出稳定的脉冲光信号，将所述脉冲光信号进行衰减、偏振、扩束、分光、消模处理后输出功率相同的两路脉冲光信号，一路脉冲光信号经过准直处理后照射至所述测试点上，脉冲光信号通过所述波移光纤输出光子到有多路通道的被测光电倍增管，获取所述被测光电倍增管的被测信号。另一路所述脉冲光信号经过准直处理后照射至一参考光电倍增管上，所述参考光电倍增管依据所述脉冲光信号输出参考信号，获取所述参考信号。

本发明所述光学处理模块配合光学模块能很好地调制出强度合适测量的脉冲光信号输出，并且能扩展实现诸如用于标定光电倍增管能量刻度的单光子输出的各种触发模式，无论是在大批量生产还是小型研发测试中都有灵活的适应性和广泛的应用前景。并提供了一种可以测量闪烁体位敏核探测器时不需要额外的其他探测器辅助测量位置等参照信息的中子闪烁体位敏探测器测试系统。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。