CN102798883A

CN102798883A - 一种基于光纤阵列的脉冲X/γ射线能谱的测量装置

Info

Publication number: CN102798883A
Application number: CN2012103344223A
Authority: CN
Inventors: 卢毅; 宋朝晖; 谭新建; 魏福利; 翁秀峰
Original assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Current assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2032-09-11
Also published as: CN102798883B

Abstract

本发明提供了一种基于光纤阵列的单脉冲X/γ射线能谱测量装置及方法，该装置包括具有不同厚度分布的台阶型或锥型衰减片、闪烁体、不同长度的光纤阵列、光电探测器和数据采集系统；其中衰减片、闪烁体光纤阵列输入端依次排列在射线入射的方向上，光电器件的信号输出端与数据采集系统的输入端通过信号电缆连接，光电器件、数据采集系统与射线源之间设置有屏蔽体，屏蔽体上设有允许光纤束通过的孔道。本发明可以实现对单次快脉冲特别是小束斑X/γ射线的能谱测量，并且将光纤束耦合至一只光电探测器上，通过光纤长度时延来获取多个能谱参数，降低了系统的复杂度，同时节约成本。

Description

一种基于光纤阵列的脉冲X/γ射线能谱的测量装置

技术领域

本发明涉及脉冲辐射探测技术领域，具体涉及一种测量单次快脉冲特别是小束斑X/γ射线能谱的测量装置及方法。

背景技术

脉冲射线能谱是指不同能量射线粒子的强度分布，其准确测量是脉冲辐射探测领域中的一项关键技术。脉冲射线由于其瞬时性、单次性，难以通过常规的能谱测量方法进行测量。

《一种用于测量高能脉冲X射线能谱的装置》(专利号201120012528.2)中提供了一种测量高能脉冲射线的装置，该装置原理亦基于衰减法，但其装置与本发明相比，由于其光电器件数量及系统尺寸限制，精度较低且不适用于小束斑情况，同时该装置基于射线束强度均匀分布的假设，对于射线束强度分布随角度变化的情况，则偏差很大。《测量脉冲型射线能谱的系统及方法》（专利号200810105432.3）中提供了一种基于散射及计数法的脉冲射线能谱测量方法，该系统要求脉冲射线源的重复性较好，对于单次脉冲的情况则不适用，另外该系统及方法适用于持续时间在微秒(10^-6s)量级的脉冲射线，对于纳秒级（10^-9s）甚至于皮秒级（10^-12s）的快脉冲也难以适用。

综上，小束斑脉冲射线束，对测量系统的尺寸要求较高，多个光电探测器构成的系统难以适用。同时由于射线束的单次性，需要在一次脉冲内获得其能谱，计数型探测系统也难以适用。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种针对小束斑，快脉冲的基于光纤阵列的脉冲X/γ射线能谱的测量装置及方法。

本发明的技术方案为：

一种基于光纤阵列的脉冲X/γ射线能谱的测量装置，包括一只光电探测器、数据采集系统以及沿射线束传播方向依次设置的衰减片、闪烁体，所述光电探测器与数据采集系统电连接，其特殊之处在于：还包括紧贴闪烁体后方设置的探测光纤束，所述的探测光纤束包括n根光纤；所述衰减片沿射线束入射方向的剖面整体上为楔形或锥形结构，且楔面或锥面经加工形成n只厚度不同的台阶；所述的n根光纤的输入端一一对应设置在衰减器每只台阶的后方位置，所述n根光纤的输出端与光电探测器相联。

上述n根探测光纤的输出端与光电探测器的光敏面耦合，所述n根探测光纤的长度从小到大分别为L₁…L_i…Ln，且满足条件：（L_i-L_i-1）×k＞t，其中k为单位探测光纤长度对光信号的延时时间，t为光电探测器对所述脉冲X/γ射线经过所述闪烁体作用后的响应时间。

上述衰减片在垂直于射线束方向上的截面为长方形，所述的探测光纤束沿所述长方形的长度方向排列为线阵，所述每根探测光纤沿所述长方形宽度方向的两侧设置有校正光纤，所述校正光纤输出端与光电探测器相联，所述脉冲X/γ射线直接入射闪烁体后再入射至校正光纤的输入端。

上述衰减片的前方和/或后方设置有准直器，所述准直器的材料为铅，其形状大小与衰减片相匹配，其厚度为20mm至50mm，所述准直器上设置有沿射线方向的孔道，所述孔道的数量和位置与探测光纤束相匹配。

上述光电探测器和射线源之间设置有屏蔽体，所述的屏蔽体上设有探测光纤通过的孔道。

上述的衰减片为铝、铁或铅。

上述的闪烁体与光纤、光纤与光电探测器之间填充有硅油或光学硅脂。

上述的脉冲X/γ射线持续时间在纳秒至皮秒量级。

一种利用权利要求1所述的基于光纤阵列的脉冲X/γ射线能谱的测量装置测量脉冲X/γ射线能谱的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

【1】确定衰减片的形状、厚度和探测光纤的布放位置；

【2】采用不同能量的单能射线源对测量装置每个通道进行标定，得到脉冲射线能谱的响应矩阵A，所述响应矩阵

A = [\begin{matrix} a_{11} & a_{12} & \cdot \cdot \cdot & a_{1 n} \\ a_{21} & a_{22} & \cdot \cdot \cdot & a_{2 n} \\ \cdot \cdot \cdot & \cdot \cdot \cdot & \cdot \cdot \cdot & \cdot \cdot \cdot \\ a_{n 1} & a_{n 2} & \cdot \cdot \cdot & a_{nn} \end{matrix}],

其中n为射线能谱的分布区段号或对应光纤的通道号，a_ij表示其中一个响应值；

【3】被测量脉冲X/γ射线至测量装置，经过n根不同长度的光纤输入至光电探测器进行光电转换后，数据采集系统得到信号矩阵I，所述能量沉积信号矩阵

I = [\begin{matrix} i_{1} \\ i_{2} \\ \cdot \cdot \cdot \\ i_{n} \end{matrix}],

其中i_i表示其中一个信号值；

【4】根据矩阵方程AX=I，求解得到待测能谱分布矩阵X，

X = [\begin{matrix} x_{1} \\ x_{2} \\ \cdot \cdot \cdot \\ x_{n} \end{matrix}],

其中x_i表示其中一个能谱值；

【5】对X进行归一化处理，得到待测脉冲γ能谱分布。

还包括归一化处理前的校正步骤；所述校正步骤具体如下：

在探测光纤束线阵的两侧分别设置校正光纤线阵，使校正光纤不经过衰减片衰减而直接接收闪烁体发射的光，采用校正光纤测得的射线强度代替该探测光纤前端的入射射线强度，然后对X进行归一化处理。

本发明的有益效果有：

1、本发明实现了针对小束斑、快脉冲（持续时间在纳秒~皮秒量级）X/γ射线能谱的测量。

2、本发明中射线束经过闪烁体后的光先后经过不同长度的光纤延时后，耦合进一只光电探测器进行探测，实现了所有光信号到电流脉冲信号的转换，电流信号由数据采集系统高速示波器直接记录，大大降低了系统的复杂度，同时结构紧凑。

3、本发明在每根探测光纤周围设置了校正光纤，校正光纤不经过衰减片衰减，直接接收闪烁体发射的光，采用校正光纤测得的射线强度代替该探测光纤前端的入射射线强度，可以进一步提高测量精度和准确度，同时也兼顾脉冲射线强度沿角度方向分布不均匀时的情况。

4、由于只需要一个光电探测器，所以节约成本。

附图说明

图1为本发明测量装置的原理示意图；

图2为楔形衰减片的主视图；

图3为楔形衰减片的侧视剖面图；

图4为锥形衰减片的主视图；

图5为锥形衰减片的侧视剖面图；

图6为探测光纤和校正光纤分布示意图；

附图标记如下：1-脉冲X/γ射线源，2-衰减片，3-闪烁体，4-光纤输入/输出端，5-光纤，6-光电器件，7-数据采集系统，8-信号传输，9-高压接入端，10-屏蔽体；

具体实施方式

本发明的基于光纤阵列的脉冲X/γ射线能谱的测量装置如图1所示，脉冲射线束经过台阶形衰减片，激发闪烁体发光后，探测光入射至探测光纤束的光纤输入端，经过光纤束传输至光电探测器，通过数据采集系统记录电信号参数。光电探测器可选用在高压下工作的光电倍增管，也可以选用其他的快响应光电探测器。在光电探测器和射线源之间设置有屏蔽体，屏蔽体开有供探测光纤通过的孔道。

作为一种优选方案，如图1所示，可以将全部光纤束的输出端集束后耦合进一只光电探测器的光敏面，并通过改变光纤之间的长度，使得不同光纤传输的信号到达光电探测器的脉冲时间不同，并且能够在数据采集系统上得以分辨，达到节省光电探测器及数据采集系统通道的目的，并降低测量系统成本，满足结构紧凑的要求。

假设n根探测光纤的长度从小到大分别为L₁……L_i……Ln，且满足条件：（L_i-L_i-1）×k＞t，其中k为单位探测光纤长度对光信号的延时时间，t为光电探测器对所述脉冲X/γ射线经过所述闪烁体作用后的响应时间。

光信号在光纤中传输时，光纤对光信号的延时约5ns/m，由于不同输入信号的光纤长度不同，因此各级信号到达光电探测器的时刻不同。对于ST401光电探测器对通道的响应时间约为4ns，因此将光纤之间长度差设为3m，即可保证不同的输入信号到达光电倍增管时能完全区分开，从而在示波器上得到一系列的脉冲信号波形，这种方法可适用的脉冲X/γ射线持续时间在纳秒至皮秒量级。

为了提高光收集效率，减少光路损失，可以在光纤闪烁体之间，光纤与光电器件之间填充光学硅油或光学硅脂等光耦合介质。

衰减片可以选用如图2和图3所示的楔形结构，在楔面上加工形成n只厚度不同的台阶，也可以选用如图4和图5所示的锥形结构，在锥面上加工形成n只厚度不同的台阶。衰减片的材料为铝、铁或铅等金属。

作为进一步的一种优选方式，如图6所示，衰减片在垂直于射线束方向上的截面为长方形，探测光纤束沿长方形的长度方向排列为线阵，并且在每根探测光纤沿长方形宽度方向的两侧设置有校正光纤，（图6中中间一列为探测光纤束，左右两列为校正光纤），校正光纤输出端也与光电探测器相联；校正光纤不经过衰减片衰减，直接接收闪烁体发射的光，采用校正光纤测得的射线强度代替该探测光纤前端的入射射线强度，可以进一步提高测量精度和准确度，同时也兼顾脉冲射线强度沿角度方向分布不均匀时的情况。为了屏蔽杂散射线，可在衰减片的前方和/或后方设置有准直器，准直器的材料为铅，其形状大小与衰减片相匹配，其厚度为20mm至50mm，准直器上设置有沿射线方向的孔道，孔道的数量和位置与探测光纤束相匹配。

下面结合具体实施例，给出装置的测量原理和方法。

在实施例中，脉冲γ射线源束斑大小

脉冲宽度约10ps，其能量分布在0~1MeV之间。闪烁体为ST401塑料闪烁体，直径

厚度3mm，距射线源2m。光电器件为ET公司生产的9815系列光电倍增管，数据采集系统为高速示波器。

衰减法测量脉冲X/γ射线能谱基本原理是使射线通过不同厚度的衰减物，改变射线的能谱分布，通过探测系统的响应求解出原始能谱。设脉冲X/γ射线的能谱分布为X，光电探测器的输出信号换算到闪烁体中的能量沉积I,理论计算或实验测量得到衰减物及探测系统对能谱的响应矩阵A，则可以通过AX=I求解出待测能谱分布X，写成线性方程组的形式如下

\{\begin{matrix} a_{11} x_{1} + a_{12} x_{2} + \cdot \cdot \cdot + a_{1 n} x_{n} = i_{1} \\ a_{21} x_{1} + a_{22} x_{2} + \cdot \cdot \cdot + a_{2 n} x_{n} = i_{2} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ a_{n 1} x_{1} + a_{n 2} x_{2} + \cdot \cdot \cdot + a_{nn} x_{n} = i_{n} \end{matrix}

上式中

A = [\begin{matrix} a_{11} & a_{12} & \cdot \cdot \cdot & a_{1 n} \\ a_{21} & a_{22} & \cdot \cdot \cdot & a_{2 n} \\ \cdot \cdot \cdot & \cdot \cdot \cdot & \cdot \cdot \cdot & \cdot \cdot \cdot \\ a_{n 1} & a_{n 2} & \cdot \cdot \cdot & a_{nn} \end{matrix}],

I = [\begin{matrix} i_{1} \\ i_{2} \\ \cdot \cdot \cdot \\ i_{n} \end{matrix}],

X = [\begin{matrix} x_{1} \\ x_{2} \\ \cdot \cdot \cdot \\ x_{n} \end{matrix}],

其中n为射线能谱的分布区段号或对应光纤的通道号，a_ij表示a_ij表示第j能段的单能射线通过第i层厚度衰减后在闪烁体中的能量沉积响应值，i_i表示能量沉积信号矩阵的其中一个信号值，x_i表示能谱分布矩阵其中一个能谱值，再对X进行归一化处理，即可得到待测脉冲γ能谱分布。

在具体实施例中，设计一个10级厚度分布的台阶型衰减片，并将待测射线能谱分为10段，即0~100keV，100~200keV，...，900keV~1MeV。设第i个能段的强度分布为x_i，则X=(x1,x2，...,x10)即为所求能谱分布。

在应用前需要采用不同能量的单能射线源对测量装置每个通道进行标定，利用一系列强度已知的单能源照射探测系统，得到探测系统的灵敏度即闪烁体能量沉积与输出信号的对应关系。在具体实施中，还可以用每一路校正光纤前端入射射线强度作归一化处理，以消除射线强度随角度分布不均匀的影响。

Claims

1.一种基于光纤阵列的脉冲X/γ射线能谱的测量装置，包括一只光电探测器、数据采集系统以及沿射线束传播方向依次设置的衰减片、闪烁体，所述光电探测器与数据采集系统电连接，其特征在于：还包括紧贴闪烁体后方设置的探测光纤束，所述的探测光纤束包括n根光纤；所述衰减片沿射线束入射方向的剖面整体上为楔形或锥形结构，且楔面或锥面经加工形成n只厚度不同的台阶；所述的n根光纤的输入端一一对应设置在衰减器每只台阶的后方位置，所述n根光纤的输出端与光电探测器相联。

2.根据权利要求1所述的基于光纤阵列的脉冲X/γ射线能谱的测量装置，其特征在于：所述n根探测光纤的输出端与光电探测器的光敏面耦合，所述n根探测光纤的长度从小到大分别为L₁…L_i…Ln，且满足条件：（L_i-L_i-1）×k＞t，其中k为单位探测光纤长度对光信号的延时时间，t为光电探测器对所述脉冲X/γ射线经过所述闪烁体作用后的响应时间。

3.根据权利要求1或2所述的基于光纤阵列的脉冲X/γ射线能谱的测量装置，其特征在于：所述衰减片在垂直于射线束方向上的截面为长方形，所述的探测光纤束沿所述长方形的长度方向排列为线阵，所述每根探测光纤沿所述长方形宽度方向的两侧设置有校正光纤，所述校正光纤输出端与光电探测器相联，所述脉冲X/γ射线直接入射闪烁体后再入射至校正光纤的输入端。

4.根据权利要求3所述的基于光纤阵列的脉冲X/γ射线能谱的测量装置，其特征在于：所述衰减片的前方和/或后方设置有准直器，所述准直器的材料为铅，其形状大小与衰减片相匹配，其厚度为20mm至50mm，所述准直器上设置有沿射线方向的孔道，所述孔道的数量和位置与探测光纤束相匹配。

5.根据权利要求4所述的基于光纤阵列的脉冲X/γ射线能谱的测量装置，其特征在于：所述光电探测器和射线源之间设置有屏蔽体，所述的屏蔽体上设有探测光纤通过的孔道。

6.根据权利要求5所述的基于光纤阵列的脉冲X/γ射线能谱的测量装置，其特征在于：所述的衰减片为铝、铁或铅。

7.根据权利要求5所述的基于光纤阵列的脉冲X/γ射线能谱的测量装置，其特征在于：所述的闪烁体与光纤、光纤与光电探测器之间填充有硅油或光学硅脂。

8.根据权利要求5所述的基于光纤阵列的脉冲X/γ射线能谱的测量装置，其特征在于：所述的脉冲X/γ射线持续时间在纳秒至皮秒量级。

9.一种利用权利要求1所述的基于光纤阵列的脉冲X/γ射线能谱的测量装置测量脉冲X/γ射线能谱的方法，其特征在于，包括以下步骤：

【1】确定衰减片的形状、厚度和探测光纤的布放位置；

A = [\begin{matrix} a_{11} & a_{12} & \cdot \cdot \cdot & a_{1 n} \\ a_{21} & a_{22} & \cdot \cdot \cdot & a_{2 n} \\ \cdot \cdot \cdot & \cdot \cdot \cdot & \cdot \cdot \cdot & \cdot \cdot \cdot \\ a_{n 1} & a_{n 2} & \cdot \cdot \cdot & a_{nn} \end{matrix}],

I = [\begin{matrix} i_{1} \\ i_{2} \\ \cdot \cdot \cdot \\ i_{n} \end{matrix}],

其中i_i表示其中一个信号值；

【4】根据矩阵方程AX=I，求解得到待测能谱分布矩阵X，

X = [\begin{matrix} x_{1} \\ x_{2} \\ \cdot \cdot \cdot \\ x_{n} \end{matrix}],

其中x_i表示其中一个能谱值；

【5】对X进行归一化处理，得到待测脉冲γ能谱分布。

10.根据权利要求9所述的测量脉冲X/γ射线能谱的方法，其特征在于，还包括归一化处理前的校正步骤；所述校正步骤具体如下：