閃爍體中子探測器系統(tǒng)及其數(shù)字化讀出系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及核探測技術(shù)與核電子學(xué)領(lǐng)域，且特別涉及一種閃爍體中子探測器系統(tǒng) 及其數(shù)字化讀出系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 中子和X射線都是人類探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的有效探針。與X射線不同，中子不帶 電，能夠輕易的穿過電子層。利用散射技術(shù)，使得中子成為目前研宄物質(zhì)結(jié)構(gòu)和動力學(xué)性質(zhì) 的最為理想的探針。散射后的中子需要使用位置靈敏度高的中子探測器接收，以獲得散射 中子的出射角度，為分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)提供有效信息。這樣的中子探測器具有高計數(shù)率、高探測 效率、大立體角、高定位精度和高η/ γ抑制比等特點。
[0003] 由于中子不帶電，一般利用核反應(yīng)法進(jìn)行探測。較為常用的有 a ) 7Li和6Li (n，a ) 3T反應(yīng)，它們與中子的反應(yīng)截面都比較大。其中基于3He氣體發(fā)展起來 的中子探測器是目前最常用，且技術(shù)較成熟的中子探測手段，如美國GE Energy公司生產(chǎn)的 高氣壓3He位置敏感正比計數(shù)器。近些年由于反恐形勢的需要和全世界3He的匱乏，使 3He 價格暴漲，近幾年3He氣體價格漲幅超過20倍，基于3He的探測器也就十分昂貴。目前許多 實驗室都在研發(fā)新型的中子探測器以滿足各種科學(xué)需要。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)中，中子位置探測器有一種是閃爍體中子位置探測器，利用中子敏感閃 爍體6LiF/ZnS(Ag)和兩層排布方向互相垂直的波移光纖陣列，實現(xiàn)對入射中子二維位置的 探測。該探測器具有中子探測效率尚、定位精度尚、η/γ抑制比尚和易大面積制作等優(yōu)點； 與目前其他中子探測器相比，還具有造價低廉的優(yōu)點。該探測器是目前比較理想的替代 3He 氣體中子探測器產(chǎn)品。結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括中子敏感閃爍體、波移光纖陣列和光電轉(zhuǎn) 換器件。所述的閃爍體由中子敏感材料、電離輻射靈敏材料等構(gòu)成，實現(xiàn)對入射中子的轉(zhuǎn)換 和閃爍發(fā)光；所述的波移光纖陣列由兩組排布方向互相垂直的波移光纖構(gòu)成，貼近閃爍體 表明放置，實現(xiàn)對閃爍體產(chǎn)生的閃爍光進(jìn)行收集和傳輸；所述的光電轉(zhuǎn)換器件連接在光纖 的兩端，對光纖傳輸過來的光子進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。
[0005] 光纖兩端通過光導(dǎo)材料或空氣耦合到光電轉(zhuǎn)換器件上。常用的光電轉(zhuǎn)換 器件有光電倍增管PMT(Photo Multiplier Tube)，半導(dǎo)體光探測器，電荷耦合原件 CO)(Charge-coupled Device)等。由于半導(dǎo)體光探測器和CO)價格昂貴，小面積制作時可 考慮使用，大面積情況下主要采用光電倍增管作為光電轉(zhuǎn)換器件。光纖兩端通過光導(dǎo)材料 或空氣耦合到光電轉(zhuǎn)換器件入射窗上，將一定波長的光子轉(zhuǎn)換為電信號，并傳輸給相應(yīng)電 子學(xué)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。通過對該電信號的分析，可以判斷處于何位置的光纖傳輸了多 少光子，從而推出閃爍體上產(chǎn)生中子核反應(yīng)的位置，即入射中子的位置。單個方向排布的光 纖陣列得到該方向維度上中子的位置信息，兩個垂直方向雙層光纖排列就可以得到入射中 子的二維信息。
[0006] 基于波移光纖陣列和光電轉(zhuǎn)換器件的位置讀出方法有光電倍增管陣列法，其基 本工作原理示意圖如圖2所示。在每組（一根或多根）光纖的后端分別連接獨立工作 的光電倍增管，每個光電倍增管得到對應(yīng)的光纖光信號，通過對所有光電轉(zhuǎn)換器件信號 的分析，如閾值甄別或電荷重心計算，得到位置信息。采用光電轉(zhuǎn)換器件陣列法需要多 個能夠獨立工作的光電倍增管，在大面積光纖陣列條件下可以采用帶多個獨立工作單元 的MAPMT(Multi_Anode Photo Multiplier Tube，多陽極光電倍增管），如日本濱松的 H8500等。這類光電倍增管采用金屬通道倍增極結(jié)構(gòu)，通常帶有2X2以上的工作單元。 結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸和造價上遠(yuǎn)小于相同工作單元數(shù)量的獨立型光電倍增管。實際應(yīng)用 中可以對MPMT每個工作單元的信號進(jìn)行單路讀出，也可以利用電阻鏈電荷分除法電路 DPC(Discretized Positioning Circuit)或均衡電荷分配電路 SCDC(Symmetric Charged Divi2sion Circuit)對輸出信號路數(shù)進(jìn)行壓縮。DPC和S⑶C讀出網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。
[0007] 在閃爍體中子位置探測器中，光電倍增管陣列法中的電阻鏈電荷分除法電路DPC 或均衡電荷分配電路SCDC，雖然對輸出信號的通道數(shù)能夠進(jìn)行壓縮，減少讀出通道數(shù)，減輕 電子學(xué)系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，同時也降低對空間資源和功耗的需求，縮減了建設(shè)成本。
[0008] 但在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)以上兩種方案具有如下的缺點：
[0009] 1、根據(jù)DPC和S⑶C讀出結(jié)果，描繪出像素點圖與理想效果相比較如圖4所示。從 圖中看到，圖像四周邊緣出現(xiàn)像素點模糊和像素點位置畸變，降低了整個系統(tǒng)的定位精度。 [0010] 2、在兩個方法中，尤其是DPC，隨光纖所對的陽極位置不同，輸出的電信號動態(tài)范 圍大。中子信號動態(tài)范圍本身就很大，輸入到電子學(xué)的動態(tài)范圍就更大，這對電子學(xué)要求更 加嚴(yán)格，如要求電子學(xué)系統(tǒng)具有很大的輸入動態(tài)范圍。
[0011] 3、在DPC方法中，對4路信號進(jìn)行一次處理，才能確定一次中子事例的擊中。在 SCDC方法中，則對16路信號進(jìn)行一次處理，才能確定一次中子事例的擊中。相對于單路讀 出，MPMT的讀出計數(shù)率下降到1/64,從而降低整個系統(tǒng)的計數(shù)率。
[0012] 4、電子學(xué)系統(tǒng)中通常采用電荷靈敏型前置放大器等電路對電荷信號處理，最后經(jīng) 過ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)碼。電荷積分時間常數(shù)較大，通常取μ 8量級。時間常數(shù)越大，能量分辨率 越高，η/γ抑制比越高，對定位精度越高；但計數(shù)率會顯著地降低。
[0013] 5、多陽極光電倍增管MPMT的各陽極間增益不一致，需要事先將MPMT標(biāo)定，然后 根據(jù)標(biāo)定的結(jié)果對ADC數(shù)碼進(jìn)行校正。校正實現(xiàn)起來較為復(fù)雜。
[0014] 由此可知，現(xiàn)有技術(shù)的中子探測器，系統(tǒng)定位精度、計數(shù)率不高，校正實現(xiàn)復(fù)雜度 較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述問題和/或其他問題，本發(fā)明提供了一種用于閃爍體中子探 測器的數(shù)字化讀出系統(tǒng)及具有該數(shù)字化讀出系統(tǒng)的閃爍體中子探測器系統(tǒng)。
[0016] 根據(jù)本公開的一方面，提供一種閃爍體中子探測器的數(shù)字化讀出系統(tǒng)，包括多個 模擬通道和多個數(shù)字通道，其中每個模擬通道包括：電流前放電路，用于對所述閃爍體中子 探測器產(chǎn)生的電信號進(jìn)行增益調(diào)整；
[0017] 甄別電路，用于對所述電流前放電路輸出的電流信號進(jìn)行積分成形，通過幅度甄 別將中子信號甄別出來和剔除γ信號并輸出方波信號；其中所述多個模擬通道分為至少 一組，每組包括至少一個模擬通道，每個數(shù)字通道接收一組模擬通道中所述至少一個模擬 通道輸出的方波信號并進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換從而輸出串行數(shù)字信號。
[0018] 根據(jù)一示例實施方式，所述電流前放電路包括共柵極輸入單元和與所述共柵極輸 入單元相連的電流傳輸器。
[0019] 根據(jù)一示例實施方式，所述電流傳輸器包括共源共柵電流鏡陣列。
[0020] 根據(jù)一示例實施方式，所述甄別電路包括RC積分電路、與所述RC積分電路相連的 CR-RC積分成形電路和比較器。
[0021] 根據(jù)一示例實施方式，所述共源共柵電流鏡陣列包括多組鏡像管、級聯(lián)管和控制 電流鏡選通的開關(guān)管，所述鏡像管、級聯(lián)管和開關(guān)管具有相同的寬長比，并由相同柵寬、相 同柵長的多個MOS管并聯(lián)而成。
[0022] 根據(jù)一示例實施方式，所述比較器包括預(yù)放大器、鎖存器、自偏置差分放大器、反 相器。
[0023] 根據(jù)一示例實施方式，其中每個數(shù)字通道包括：時鐘電路，用于將時鐘信號多倍分 頻為時間軸信號；同步電路，用于將來自模擬通道的方波信號與時鐘信號進(jìn)行同步；并串 轉(zhuǎn)換電路，用于將來自于所述同步電路的并行信號轉(zhuǎn)換為串行數(shù)字信號，其中所述串行數(shù) 字信號包括位置信息和時間信息。
[0024] 根據(jù)一示例實施方式，同步后的方波信號的上升沿與時鐘信號的上升沿對齊。
[0025] 根據(jù)一示例實施方式，所述時間軸信號的上升沿與時鐘信號的下降沿對齊。
[0026] 根據(jù)一示例實施方式，所述串行數(shù)字信號的起始位跨在所述時間軸信號的半周期 的跳變沿上。
[0027] 根據(jù)一示例實施方式，如果第N個模擬通道有方信號輸出，則在接下來的時間軸 信號的半周期內(nèi)的第N個時鐘信號位置有脈沖。
[0028] 根據(jù)本公開的另一方面，提供一種閃爍體中子探測器系統(tǒng)，包括：中子敏感閃爍 體；波移光纖陣列，包括兩組相互垂直排布的波移光纖，貼近所述中子敏感閃爍體表面設(shè) 置;MAPMT，與波移光纖連接；以及閃爍體中子探測器的數(shù)字化讀出系統(tǒng)，所述MPMT的每個 陽極對應(yīng)所述數(shù)字化讀出系統(tǒng)的一個模擬通道。
[0029] 根據(jù)一示例實施方式，還包括：處理模塊，配置為對數(shù)字化讀出系統(tǒng)輸出的串行數(shù) 字信號進(jìn)行同步和串并轉(zhuǎn)換，以及按時間順序記錄各模擬通道的中子過閾情況。
[0030] 根據(jù)一示例實施方式，所述處理模塊還配置為：進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，去除所有通道都沒 有中子過閾的記錄。
[0031] 根據(jù)一示例實施方式，所述處理模塊還配置為：將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中。
[0032] 根據(jù)本公開的技術(shù)方案，本發(fā)明的數(shù)字化讀出系統(tǒng)，通過進(jìn)行單路甄別，使得與中 子探測器構(gòu)成的整個系統(tǒng)具有計數(shù)率高、定位精度高、η/γ抑制比高、大面積制作容易、空 間資源消耗低。
【附圖說明】
[0033] 圖1為閃爍體中子探測器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034] 圖2為光電倍增