本發(fā)明屬于核輻射探測器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種閃爍體性能測試裝置及其一致性校正方法。

背景技術(shù)：

高能物理領(lǐng)域中的粒子或輻射無法被直接觀測，只有通過與物質(zhì)相互作用轉(zhuǎn)換成人類熟知的光信號或電信號才能被間接探測。核輻射探測器就是利用該原理來探測高能粒子或核輻射事件的裝置，目前已被廣泛應用于核物理實驗、核安全、核醫(yī)學、地質(zhì)探測和工業(yè)探傷等領(lǐng)域。作為應用最廣泛的核輻射探測器之一，閃爍體探測器一般由閃爍體、光探測器件和電子學部分組成；它利用閃爍體與輻射粒子相互作用產(chǎn)生熒光的原理，將熒光輸入到光探測器件進行光電轉(zhuǎn)換和信號放大，最后通過對電信號進行電子學處理得到輻射事例信息。因此在研制閃爍體探測器時，測量、篩選出光輸出性能優(yōu)良的閃爍體是保證閃爍體探測器工作性能的第一步。在某些應用領(lǐng)域(如核醫(yī)學成像裝置)，往往一臺設備需要成千上萬根閃爍體，因此閃爍體的性能測試變成了一項繁重的任務。

關(guān)于閃爍體的性能測試，國內(nèi)外的技術(shù)方案主要集中于測量某種閃爍體的某種性能，例如用單光電子法測量閃爍體的絕對光輸出；這類技術(shù)方案測量結(jié)果可靠、測量方法精密，但是測量操作過程繁瑣、測量設備結(jié)構(gòu)復雜；不僅使用環(huán)境有限，而且測量效率低，難以勝任大批量閃爍體性能的測量工作。在國家發(fā)明專利cn102353976a中公開了一種閃爍體性能測量裝置，能夠單次完成大量閃爍體性能的測量。但是該專利所涉及的光探測器件會受到某些環(huán)境因素(如溫度、電壓)的影響而造成閃爍體性能測量結(jié)果的不穩(wěn)定性；同時單次測量大量閃爍體時，由于一條閃爍體的閃爍光是由多個光探測單元探測到，然后將多個光探測單元的信號進行加和而得到對應于這條閃爍體光輸出的信號幅度，而且有部分全能峰的信號是伽瑪光子發(fā)生康普頓散射后，在兩條或兩條以上不同的閃爍體內(nèi)沉積能量所形成，所以，對應于一條閃爍體的能譜因為受到光探測單元增益的不一致性以及在不同的閃爍體中發(fā)生的康普頓散射的影響，全能峰峰位的精度就會受到限制，一般情況下，約為±5％，最好條件下也只能達到±3％，另外，由于各個光探測單元的增益不一致性以及康普頓散射的影響，所測閃爍體能譜的全能峰能量分辨也不準確，無法真實反映這條閃爍體對某個能量伽瑪射線的能量分辨率，所以專利cn102353976a中公開的裝置并沒有集成能量分辨率測試這一功能模塊。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對發(fā)明專利cn102353976a中公開的裝置存在的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種性能穩(wěn)定的閃爍體性能測試裝置及其一致性校正方法。本閃爍體性能測量裝置使用基本光探測器件靈活設計陣列探測器，獨立讀出、處理陣列探測器中分立光探測器件的輸出信號，再結(jié)合閃爍體測試盒的靈活應用，能夠同時獨立測試多根多種規(guī)格的閃爍體，且不受光串擾影響，能夠給出閃爍體精確的光輸出測量結(jié)果和能量分辨率測量結(jié)果，測試結(jié)果更為精確；溫度補償技術(shù)的引入使本測量裝置工作性能不受環(huán)境溫度變化的影響，測試結(jié)果更加穩(wěn)定；通過對陣列探測器進行一致性校正，實現(xiàn)了陣列探測器中每一個測量單元在光輸出測量結(jié)果以及能量分辨率測量結(jié)果上的均勻性；采用低壓穩(wěn)壓電源系統(tǒng)、降低電源紋波，本測量裝置不僅不受市電不穩(wěn)的干擾，同時操作安全簡單、開關(guān)機方便快捷，大大提升了閃爍體測試效率。

技術(shù)方案：

本閃爍體性能測量裝置包括機械箱體、電源系統(tǒng)、m*n陣列探測器、前置放大系統(tǒng)、m*n通道數(shù)據(jù)采集板卡、溫度監(jiān)控系統(tǒng)和閃爍體測試盒。其中：

機械箱體用于裝載各部件；

電源系統(tǒng)主要包括兩個可調(diào)穩(wěn)壓電源，與各部件、開關(guān)相連并給各部件供電；

m*n陣列探測器由m*n個光探測器件按照一定的間隔拼湊而成，用于同時獨立測量m*n根待測閃爍體，得到每個待測閃爍體的能量信息；

前置放大系統(tǒng)將m*n陣列探測器輸出的m*n路獨立信號進行獨立放大成形、差分輸出至m*n通道數(shù)據(jù)采集板卡；

m*n通道數(shù)據(jù)采集板卡接收前端電子學系統(tǒng)輸出的m*n路差分模擬信號并進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，之后對每路數(shù)字信號實時尋峰并完成每路數(shù)字化信號積分。最后將每路信號的積分數(shù)據(jù)傳輸至計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；同時數(shù)據(jù)采集板卡完成探測器的溫度采集功能并傳輸溫度信號至計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；

溫度監(jiān)控系統(tǒng)用于監(jiān)測環(huán)境溫度變化并進行溫度補償校正，提升測量裝置在不穩(wěn)定環(huán)境中的工作穩(wěn)定性；

閃爍體測試盒用于裝載待測閃爍體，與陣列探測器緊湊接觸，使待測閃爍體位置固定；

對測量裝置m*n個測量單元進行光輸出結(jié)果一致性校正以及能量分辨率一致性校正，實現(xiàn)每個測量單元之間的一致性。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

本測量裝置可同時獨立測試m*n根閃爍體，避免了被測閃爍體之間的串光干擾現(xiàn)象，測量結(jié)果更加精確；在閃爍體單獨測量與同其他閃爍體同時測量兩種測量狀態(tài)下，光輸出測量結(jié)果差異優(yōu)于±1.0％、能量分辨率測量結(jié)果穩(wěn)定性優(yōu)于±0.5，相比發(fā)明專利cn102353976a中公開的裝置有著大幅的改進；

本測量裝置中一個光探測單元僅探測到一根閃爍體發(fā)出的光，一根閃爍體發(fā)出的光也僅被一個光探測單元探測到；因此被測閃爍體的測試全能峰峰位精度只與該被測閃爍體及其光探測單元有關(guān)，不受其他光探測單元干擾；同時該被測閃爍體的測試全能峰峰位精度不受伽馬射線經(jīng)康普頓散射在其他閃爍體中沉積能量的影響，因為與該被測閃爍體對應的光探測單元只能探測到由該被測閃爍體發(fā)出的閃爍光；所以本測量裝置對閃爍體的全能峰峰位測試精度很高，優(yōu)于±1.0％，相比發(fā)明專利cn102353976a中公開的裝置有著大幅的改進。

本測量裝置在溫度變化的環(huán)境中長時間連續(xù)進行閃爍體性能測量，測量結(jié)果穩(wěn)定性良好，優(yōu)于±2％；

本測量裝置中m*n個測量單元一致性優(yōu)于±1.0％，因此在使用本測量裝置時，只需對其中某一個測量單元進行光輸出測量標定即可完成對整個測量裝置的測量結(jié)果標定；

本測量裝置采用獨立的光探測單元對獨立的閃爍體進行測量，因此還可以對所測能譜全能峰的能量分辨率進行有效的測量與校準，為閃爍體提供高精度的能量分辨率測試，以便于對閃爍體從光輸出以及能量分辨率兩個方面進行篩選，相比發(fā)明專利cn102353976a中公開的裝置是一項功能增強。

本測量裝置工作穩(wěn)定性不受市電波動的干擾，同時操作安全簡單、開關(guān)機方便快捷，大大提升了閃爍體測試效率。

附圖說明

圖1為閃爍體測試結(jié)構(gòu)圖(用于防止光串擾)；

圖2為測量裝置陣列探測器及電子學系統(tǒng)布局平面結(jié)構(gòu)圖；

圖3為前置放大系統(tǒng)布局結(jié)構(gòu)圖；

圖4為單路讀出技術(shù)示意圖；

圖5為閃爍體性能測試裝置結(jié)構(gòu)示意圖；其中，1——機械盒體；2——電源系統(tǒng)；3——散熱系統(tǒng)；4——前置放大系統(tǒng)；5——陣列探測器；6——m*n通道數(shù)據(jù)采集板；7——閃爍體測試盒；9——閃爍體取出盒；

圖6為閃爍體測試工具結(jié)構(gòu)示意圖；

(a)閃爍體測試盒；(b)閃爍體取出盒。

具體實施方式

假定上述m＝n＝8，假定上述光探測器件為硅光電倍增管(sipm)，以下是本測量裝置研制的具體實施形式：

機械箱體1裝載閃爍體性能測量裝置的全部部件，并起避光作用。

電源系統(tǒng)2分兩個電源模塊。電源模塊一為超低紋波可調(diào)穩(wěn)壓電源，為陣列探測器和前置放大系統(tǒng)供電；電源模塊二為低紋波開關(guān)電源，為數(shù)據(jù)采集板卡和溫度監(jiān)控系統(tǒng)供電。本發(fā)明采用低紋波電源模塊降低測量裝置的系統(tǒng)噪聲，將噪聲干擾較大的數(shù)據(jù)采集卡進行獨立供電，旨在降低測量裝置系統(tǒng)內(nèi)部干擾。在裝置調(diào)試完成后，為陣列探測器供電的可調(diào)穩(wěn)壓電源設置為用戶不可調(diào)狀態(tài)，因此無需因供電電壓改變而重新標定測量裝置。電源系統(tǒng)不存在高壓電源，保證了整個系統(tǒng)的安全性，因此測量裝置使用過程中無需花費過多時間用于升降高壓。

陣列探測器5由64個硅光電倍增管(sipm)按照等間距d拼湊成8*8探測器陣列。陣列探測器表面貼覆一層很薄的高透光率材料作為光學保護膜。待測閃爍體放入如圖7所示帶孔槽8的測試盒7中避光一段時間后，(如圖1所示)將測試盒倒扣在陣列探測器5上，閃爍光通過測試盒底部的光學透光片被sipm探測到，測試盒孔槽中心位置與陣列探測器5sipm一一對齊。閃爍體與透光片通過空氣耦合(透光片的折射率n透光片＝1.46，空氣的折射率為n空氣＝1.0)，由于光的折射，閃爍光從空氣進入透光片后，在透光片內(nèi)的折射角θ≤43.23°。光在厚h1的透光片內(nèi)部傳輸時橫向發(fā)散傳播的長度為d1＝h1·tan(θ)。透光片是測試盒的一部分，用于裝載閃爍體和光傳輸；因此從機械強度的角度考慮，透光片不宜太薄，厚度需滿足h1≥1mm。

圖1中sipm2是閃爍體b2的測試單元，在無光串擾狀態(tài)下，閃爍體b2與sipm2之間的光輸出與光探測是一對一的。因此sipm之間的間距d滿足：d≥d1＝h1·tan(θ)≥0.9mm時，sipm2將不會探測到閃爍體b1和b3發(fā)出的光。

光學保護膜主要起保護陣列探測器和透光的作用，因此保護膜的厚度h2可盡量薄以至于光在穿過保護膜過程中的發(fā)散可被忽略。

通過上述結(jié)構(gòu)設計，在光傳輸與探測的過程中消除了光串擾：閃爍體b2發(fā)出的光只被sipm2探測到，sipm2也只能探測到閃爍體b2發(fā)出的光。

與此同時，不僅閃爍體與sipm的光傳輸探測是一一對應的，陣列探測器各sipm測量單元采用單路讀出技術(shù)(如圖4所示)，在測試信號的電子學處理與獲取過程中避免了信號干擾。

在圖7中，閃爍體測試盒7的孔槽尺寸與被測閃爍體尺寸一致，主要用于隔光和防止光串擾，調(diào)節(jié)孔槽的大小可以滿足不同規(guī)格的閃爍體測試；而閃爍體取出盒的孔槽截面尺寸與閃爍體一致，深度小于被測閃爍體的高度。當閃爍體測試完畢后，將測試盒7與取出盒9合在一起上下翻轉(zhuǎn)，可將被測閃爍體在保持測試編號順序的前提下輕松取出。

當測量裝置調(diào)試完成后，陣列探測器供電電壓將設置為用戶不可調(diào)節(jié)狀態(tài)，因此測量裝置出廠標定狀態(tài)可長期保持，不需對測量結(jié)果進行頻繁標定。

測量裝置陣列探測器及電子學系統(tǒng)布局平面結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，其中，端口1用于陣列探測器與轉(zhuǎn)接板之間的信號傳輸以及位置固定；端口2用于轉(zhuǎn)接板與信號處理板之間的信號傳輸與位置固定；端口3用于信號處理板與數(shù)據(jù)采集板之間的信號傳輸，通過信號線連接；位于轉(zhuǎn)接板上的端口2中心位置與位于數(shù)據(jù)采集板上的端口3中心位置在空間布局上一一對齊，這種布局在“4×16”路輸出信號轉(zhuǎn)“1×64”路接收信號過程中起空間過渡作用；如圖3所示，將四塊信號處理板分別插在轉(zhuǎn)接板四個不同位置的端口2處，就會使位于四塊信號處理板的端口3與位于數(shù)據(jù)采集板的四個端口3在空間上一一對齊，從而避免了由于信號處理板與數(shù)據(jù)采集板之間信號線的過度扭曲而帶來的信號干擾。

圖3為前置放大系統(tǒng)布局結(jié)構(gòu)圖；其中，四塊信號轉(zhuǎn)接板平行對齊插入，與陣列探測器4×16信號輸出方式一一對應；四塊信號處理板分別插在四塊轉(zhuǎn)接板的不同端口位置處，平行交錯布局；信號處理板的信號輸出端口將與數(shù)據(jù)采集板的四個信號輸入端口在空間相對位置上一一對齊。

如圖2所示，前置放大系統(tǒng)4獨立放大成形64路來自陣列探測器的能量信號并差分輸出至數(shù)據(jù)采集板6，避免了信號處理過程中互相干擾。64通道前置放大系統(tǒng)由四個16通道信號處理板構(gòu)成；8×8陣列探測器64路能量信號以4×16方式讀出，而64通道數(shù)據(jù)采集板以1×64方式差分讀入信號；為避免信號線的過度彎折扭曲給信號傳輸過程帶來干擾，將陣列探測器同前置放大系統(tǒng)通過四塊信號轉(zhuǎn)接板進行銜接，結(jié)構(gòu)布局如圖2和圖3所示。轉(zhuǎn)接板的引入，實現(xiàn)了信號傳輸端口間的空間銜接，同時使得前置放大系統(tǒng)4交錯布局，便于進行電子學系統(tǒng)散熱。

64通道數(shù)據(jù)采集板6接收前置放大系統(tǒng)4輸出的64路差分信號進行數(shù)字化，并將數(shù)字信號傳輸至計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；同時接收并傳輸溫度信息至計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。最終由計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對測量信息進行整理、分析、生成測量報表。

在計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中對測量裝置進行溫度補償校正、能譜一致性校正、尋峰擬合、光輸出測量結(jié)果標定以及對能量分辨率結(jié)果進行一致性校正。

溫度監(jiān)控系統(tǒng)3由散熱系統(tǒng)、溫度傳感器和溫度補償算法組成。溫度監(jiān)控系統(tǒng)工作原理如下：由散熱系統(tǒng)(由進風口、出風口、散熱風扇組成)對測量裝置電子學系統(tǒng)進行散熱；由溫度傳感器監(jiān)測陣列探測器的實時工作溫度并將溫度信息傳送至數(shù)據(jù)采集板，最終被計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收；觀測測量信息隨溫度的變化關(guān)系并據(jù)此對測量結(jié)果做如下溫度補償校正：ecorrect＝emeasure(1+ft·δt)(其中，ecorrect——校正以后的測量信息；emeasure——校正以前的測量信息；ft——測量信息隨溫度變化系數(shù)；δt——溫度變化)?？紤]到陣列探測器中64個sipm的差異性以及單路讀出技術(shù)，每個測量單元的溫度變化系數(shù)并不相同，因此對64測量單元分別進行溫度補償校正。經(jīng)過溫度補償校正后，測量裝置對閃爍體的測量結(jié)果不受環(huán)境溫度變化以及裝置內(nèi)部電子學系統(tǒng)發(fā)熱的影響。

各測量單元間的輕微差異將導致同一閃爍體在各測量單元上得到的光輸出測量結(jié)果存在一定的差異。在完成溫度補償校正的基礎上，對測量裝置進行光輸出測量結(jié)果一致性校正。在校正過程如下：暗環(huán)境中，結(jié)合放射源使用陣列探測器每一個測量單元(每一測量單元包括一硅光電倍增管和對該硅光電倍增管采集信號進行處理的前置放大系統(tǒng)中和多通道數(shù)據(jù)采集板中的信號處理電路)測量同一根閃爍體，記錄每一個測量單元的測量峰位pmeasure-i，測量峰位平均值由公式(1)得到：

一致性校正系數(shù)ai由公式(2)得到：

據(jù)此對本測量裝置的測量能譜進行如公式(3)所示校正：

epoutput-i＝epmeasure-i·ai............................(3)

其中，epmeasure-i——一致性校正前的能譜數(shù)據(jù)，epoutput-i——一致性校正后的能譜數(shù)據(jù)。對每個測量單元能譜中的每一道數(shù)據(jù)進行如公式(3)所示的一致性校正，不僅滿足峰位測量結(jié)果的一致性(poutput-i＝pmeasure-i·ai)，同時保持能量分辨率測量結(jié)果不受影響。

經(jīng)過該項校正后，使用任一單元測量同一根閃爍體，峰位測量結(jié)果poutput-i一致，而光輸出測量結(jié)果(phoutput-i＝g·poutput-i)同樣一致。

閃爍體探測器的能量分辨率er由探測器的本征能量分辨率der和閃爍體的本征能量分辨率ser兩部分組成，即因此，閃爍體在本裝置中的能量分辨率測量結(jié)果由測量單元的本征能量分辨率uer和閃爍體的本征能量分辨率ser兩部分組成，即陣列探測器中64個sipm的差異以及64獨立讀出通道的差異造成了測量裝置中64個測量單元在本征能量分辨率上的差異性，因此將會導致同一閃爍體在本裝置不同位置處的能量分辨率測量結(jié)果不一致。針對該問題，本裝置進行了64個測量單元本征能量分辨率的一致性校正，消除了測量單元的差異給閃爍體的能量分辨率測量結(jié)果所帶來的影響。校正方法如下：

在放射源照射下，用64個測量單元分別測試同一根閃爍體，記錄相應的能量分辨率測量值ermeasure-i(i＝1,2,…,64)，且ermeasure-i滿足關(guān)系式(4)同時推導關(guān)系式(5)成立。

那么本測量裝置64個測量單元的本征能量分辨率差異可用關(guān)系式(6)表示：

為消除各測量單元的本征能量分辨率差異對同一根閃爍體的能量分辨率測量結(jié)果所帶來的影響，對能量分辨率測量輸出結(jié)果進行如關(guān)系式(7)所示校正：

經(jīng)過峰位一致性校正和能量分辨率結(jié)果一致性校正后，使用陣列探測器任一單元測量同一根閃爍體，峰位測量結(jié)果、光輸出測量結(jié)果以及能量分辨率測量結(jié)果一致。

公知方法中并沒有對測量裝置進行一致性校正，因此需要對測量裝置每個位置的光輸出進行標定，而且各位置的標定系數(shù)不一致。而本測量裝置完成溫度補償校正、一致性校正的基礎上，只需對陣列探測器的某一測量單元進行標定就可以完成對整個測量裝置的標定。標定過程如下：在某能量放射源的照射下，將已知光輸出的閃爍體(標準閃爍體)通過測試夾具放在陣列探測器上進行測量，得到該放射源的全能峰位道址p0；假設標準閃爍體的光輸出為6000ph/mev，在相同放射源照射下，測量峰位道址px對應的光輸出為

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明精神和原則之內(nèi)，所做任何修改、等同替換、改進等均應包含在本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。