一种复合型闪烁体γ谱仪制造技术

本发明专利技术涉及一种复合型闪烁体γ谱仪，属于射线探测技术领域。其基本结构是将一种闪烁体作为主晶体放置在中央位置，外围采用另一种发光衰减时间差异较大的闪烁体包围在主晶体周围，作为辅助晶体，用同一个光电倍增管与两个闪烁晶体耦合在一起，收集闪烁体中产生的闪烁光子。本发明专利技术中采用“内圆外环”的结构，闪烁光子可以直接从两个晶体中读出，同时辅助晶体紧紧包围主晶体的侧面，侧面出射的散射光子几乎都可以被探测到，侧面表面积较大，因此这种结构的反康效率相对较高。除了反康之外，侧面的辅助晶体还可以帮助去除来自于侧面入射的其他本底，大大提高主方向上的辐射探测能力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种复合型闪烁体γ谱仪，属于射线探测

技术介绍
闪烁探测器是利用闪烁体在辐射的作用下能够发光的特性来探测辐射的，闪烁体探测器主要由闪烁体、光电倍增管及相应的电子学系统三部分组成。典型的闪烁体探测器的结构如图1所示，其工作过程可以描述为：入射粒子进入闪烁体时，会在闪烁体中损耗能量，产生波长在可见光范围内或附近的闪烁光子，闪烁光子通过发射、折射等过程达到光电倍增管的光阴极上，之后在光阴极上转换成光电子，光电子在光电倍增管中传输并倍增，倍增后的电子运动向阳极，在输出回路中产生输出信号。通常，闪烁体产生的闪烁光子的数目与入射粒子在闪烁体中损耗的能量成正比，因此通过测量输出信号的大小可以得到入射粒子的能量。带电粒子与闪烁体发生相互作用沉积能量发出闪烁光子构成的光脉冲，该脉冲的时间特征可以用上升时间和衰减时间两部分组成，上升时间通常小于1ns。对于大多数的无机闪烁体，其上升时间远小于衰减时间。因此，可以近似使用衰减时间来描述时间特性，即可以用指数衰减来描述：其中：n(t)为从带电粒子入射到闪烁体的时刻起，t时刻单位时间内的闪烁体发射的光子数；nph为闪烁体发射的总光子数，它与在闪烁体中沉积的能量E成正比：nph＝Yph·E，其比例系数Yph又称为光产额，如NaI(Tl)晶体的Yph＝38/keV，LaBr3(Ce)晶体的Yph＝63/keV；τ0为闪烁体的发光衰减时间，它与闪烁体的种类有关，比如NaI(Tl)晶体的τ0＝250ns，CsI(Na)晶体的τ0＝630ns。此外，部分闪烁体的闪烁光由快、慢两种成分构成，需要用两个光脉冲的叠加来描述：其中，nf、ns分别是快、慢成分的总光子数；τf、τs是快慢成分的发光衰减时间，通常τf为ns级别，τs则在数十至数百ns，快慢成分与入射粒子类型及闪烁体类型都有关系，如某种型号的LaBr3(Ce)晶体中的τf＝15ns、τs＝63ns，其中快成分的光子数占总光子数的97％。在闪烁体中产生的闪烁光子会经过反射、折射等过程到达光阴极，在这个过程中，不同闪烁光子所需的传输时间依赖于闪烁光子所处的位置及方向，整体的时间可以用一个分布来描述，这里用ft(t)表示该分布。闪烁光子到达光阴极后转换成光电子，光电子在光电倍增管中传输、倍增，最终达到阳极，光电子从光阴极发射到被阳极收集所需的平均时间通常用电子渡越时间te来描述。由于各电子飞行轨迹不同，因为各电子的实际飞行时间各不相同，理论上应该服从平均值为te的一个分布，这个分布代表了光电倍增管的时间特性，这里用fe(t)表示这一分布。通常te根据不同的光电倍增管在几个ns至数十ns之间。每个光电子到达阳极被收集后，会在输出回路中形成一个脉冲信号。对于一个入射粒子，其在闪烁体中沉积能量产生的所有光子经过上述过程最终被收集形成的所以脉冲信号共同组成了该入射粒子沉积能量形成的波形，也即反映了整个过程中的时间分布，主要由三部分时间组成：闪烁体产生闪烁光子的时间，服从闪烁体时间响应分布n(t)；闪烁光子在闪烁体中的反射、折射等，服从传输时间分布ft(t)；光电子在光电倍增光中的传输时间，服从渡越时间分布fe(t)。因此，最终的输出波形也就可以用上述三个时间分布的卷积来描述，即：p(t)＝n(t)*ft(t)*fe(t)(3)γ射线入射到闪烁体内部，主要与闪烁体发生三种相互作用：光电吸收、康普顿散射、电子对效应。其中康普顿效应会产生一个反冲电子和一个散射光子，反冲电子的能量会很快沉积在闪烁体中，而散射光子有可能直接从闪烁体中出射，从而导致γ射线能量的不完全沉积，在能谱上就会形成一段连续的康普顿坪，如图2。如果存在多种γ射线，那么高能γ射线的康普顿坪会对低能γ射线造成很大的影响，从而严重影响探测器的探测能力。为了降低康普顿坪的影响，通常采取康普顿反符合的方法进行测量。传统的做法是在主探测器周围再放置一个反符合探测器，并建立适当的反符合电路。当主探测器与反符合探测器同时产生输出信号(康普顿散射产生的反冲电子在主探测器中沉积能量，散射光子进入反符合探测器)时，反符合电路无信号输出；当只有在主探测器中才产生输出信号，使符合装置产生输出信号。这种测量方式要求多套探测器同时进行测量，同时需要加入反符合电路进行信号符合分析，系统结构复杂，体积较大，不利于移动及便携式测量，成本昂贵。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种复合型闪烁体γ谱仪，基于两种不同的闪烁晶体及波形甄别技术，建立一套可以实现自身康普顿反符合的复合型闪烁体γ谱仪，可以实现在传统单一闪烁探测器的结构下实现康普顿反符合，大大降低传统反符合探测器的系统复杂度，有效提高γ谱仪的灵敏度。本专利技术提出的复合型闪烁体γ谱仪，包括主晶体、辅助晶体、光电倍增管、高压分压器、前置放大器、高速波形采样系统、脉冲波形分析器、第一多道分析器、脉冲高度分析器和第二多道分析器。所述的主晶体为圆柱形结构，放置在中央位置，辅助晶体为环形结构，包围在主晶体周围，二者共同构成复合晶体，两种晶体的发光衰减时间相差较大，复合晶体可以与辐射发生相互作用产生闪烁光子，复合晶体的端面和侧面覆盖有反射层，用于使闪烁光有效地传输到光电倍增管，复合晶体用于在γ放射源的照射下，产生闪烁光信号；所述的光学倍增管用于将接收的闪烁光信号转化为电信号，光学倍增管的底面通过光学耦合剂与复合晶体的底面实现耦合；也可以根据实际情况使用光导连接晶体与光电倍增管；所述的高压分压器用于将外部高压引入光电倍增管，高压分压器与光电倍增管相连接，为光电倍增管提供高压输入；所述的前置放大器用于接收光电倍增管中的电信号，并将该电信号放大，并将放大后的电信号发送至高速波形采样系统和脉冲高度分析器中；所述的高速波形采样系统用于实时采集来自前置放大器的每个电信号形成的脉冲波形，对脉冲波形进行模拟/数字变换，形成数字化波形，并将数字化波形发送至脉冲波形分析器；所述的脉冲波形分析器(PulseShapeAnalyzer，以下简称PSA)用于接收来自高速波形采样系统的数字化波形，进行分析，从中提取特征值，通过特征值的比较实现波形的甄别，以区分来自于主晶体和辅助晶体中的波形信号，根据康普顿反符合需求，从中筛选出在主晶体中发生能量沉积的波形信号，并将该信号发送至第一多道分析器；所述的第一多道分析器(Multi-ChannelAnalyzer，以下简称MCA)用于接收来自于脉冲波形分析器的信号，根据信号的能量大小将信号分布在不同的计数道中，从而形成反符合能谱；所述的脉冲高度分析器(PulseHeightAnalyzer,，以下简称PHA)用于接收来自前置放大器的电信号，通过对电信号中的脉冲幅度的分析，确定电信号的能量信息，并将能量信息发送至第二多道分析器；所述的第二多道分析器用于接收来自脉冲高度分析器的能量信息，根据能量大小将信号分布在不同的计数道中，从而形成测量能谱。本专利技术提出的复合型闪烁体γ谱仪，其优点是：本专利技术的复合型闪烁体γ谱仪，通过两种发光衰减时间不同的闪烁晶体对γ射线进行复合测量，除了传统的PHA和MCA之外，还基于不同沉积能量事件的波形差异，建立起脉冲波形分析方法，可以有效甄别出康普顿事件，实现探测器自身康普顿反符合，提高探测能力。相比于传统的多探测本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合型闪烁体γ谱仪，其特征在于包括主晶体、辅助晶体、光电倍增管、高压分压器、前置放大器、高速波形采样系统、脉冲波形分析器、第一多道分析器、脉冲高度分析器和第二多道分析器；所述的主晶体为圆柱形结构，放置在中央位置，辅助晶体为环形结构，包围在主晶体周围，二者共同构成复合晶体，复合晶体的端面和侧面覆盖有反射层，用于使闪烁光传输到光电倍增管，复合晶体用于在γ放射源的照射下，产生闪烁光信号；所述的光学倍增管用于将接收的闪烁光信号转化为电信号，光学倍增管的底面通过光学耦合剂与复合晶体的底面实现耦合；所述的高压分压器用于将外部高压引入光电倍增管，高压分压器与光电倍增管相连接，为光电倍增管提供高压输入；所述的前置放大器用于接收光电倍增管中的电信号，并将该电信号放大，并将放大后的电信号发送至高速波形采样系统和脉冲高度分析器中；所述的高速波形采样系统用于实时采集来自前置放大器的每个电信号形成的脉冲波形，对脉冲波形进行模拟/数字变换，形成数字化波形，并将数字化波形发送至脉冲波形分析器；所述的脉冲波形分析器用于接收来自高速波形采样系统的数字化波形，进行分析，从中提取特征值，通过特征值的比较实现波形的甄别，以区分来自于主晶体和辅助晶体中的波形信号，根据康普顿反符合需求，从中筛选出在主晶体中发生能量沉积的波形信号，并将该信号发送至第一多道分析器；所述的第一多道分析器用于接收来自于脉冲波形分析器的信号，根据信号的能量大小将信号分布在不同的计数道中，从而形成反符合能谱；所述的脉冲高度分析器用于接收来自前置放大器的电信号，通过对电信号中的脉冲幅度的分析，确定电信号的能量信息，并将能量信息发送至第二多道分析器；所述的第二多道分析器用于接收来自脉冲高度分析器的能量信息，根据能量大小将信号分布在不同的计数道中，从而形成测量能谱。...

【技术特征摘要】
1.一种复合型闪烁体γ谱仪，其特征在于包括主晶体、辅助晶体、光电倍增管、高压分压器、前置放大器、高速波形采样系统、脉冲波形分析器、第一多道分析器、脉冲高度分析器和第二多道分析器；所述的主晶体为圆柱形结构，放置在中央位置，辅助晶体为环形结构，包围在主晶体周围，二者共同构成复合晶体，复合晶体的端面和侧面覆盖有反射层，用于使闪烁光传输到光电倍增管，复合晶体用于在γ放射源的照射下，产生闪烁光信号；所述的光学倍增管用于将接收的闪烁光信号转化为电信号，光学倍增管的底面通过光学耦合剂与复合晶体的底面实现耦合；所述的高压分压器用于将外部高压引入光电倍增管，高压分压器与光电倍增管相连接，为光电倍增管提供高压输入；所述的前置放大器用于接收光电倍增管中的电信号，并将该电信号放大，并将放大后的电信号发送至高速波形采样系统和脉冲高度分析器中；所述的高速波形采样系统用于实时采集来...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾志，潘兴宇，程建平，李君利，马豪，曾鸣，张辉，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11