CN104090293B - 基于延迟编码的光纤阵列中子位置灵敏探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于延迟编码的光纤阵列中子位置灵敏探测系统及方法，通过不同长度的光纤对中子与闪烁体作用发出的脉冲荧光信号进行延迟编码，使得不同长度的光纤传输的脉冲荧光信号到达后端光电探测器的时间不同。这样通过测量光电探测器输出的多个脉冲电流信号之间的时间差，再结合解码技术便可以确定是由哪几根光纤传输过来的脉冲荧光信号，最后以这几根光纤传输的信号大小为权重确定中子的作用位置，而时间信息则可以根据第一个脉冲电流信号的到达时间和获得的中子作用位置反推确定。采用这种方法可以使原来多路并行的信号读取方式转变为单通道串行的信号读取方式，从而使中子作用位置和时间联合测量系统大幅简化。

Description

基于延迟编码的光纤阵列中子位置灵敏探测系统及方法

技术领域

本发明属于射线探测技术，具体涉及一种基于延迟编码的光纤阵列中子位置灵敏探测系统及方法，用于中子辐射成像、材料诊断、中子散射相机、中子散射/衍射谱仪等领域的研究。

背景技术

中子位置灵敏探测是核物理实验中重要的测量内容，而且在材料研究、无损检测、中子辐射成像和航天等领域中作为有力的探索工具发挥着重要作用。为了满足不同的实验要求，多种不同种类的中子位置灵敏辐射探测技术得以广泛研究和开发，例如³He气体位置灵敏探测器、多丝正比室、中子灵敏闪烁体阵列探测器等。近些年，随着光纤技术和闪烁体技术的不断发展，光纤闪烁体光纤阵列与闪烁体耦合也成为一种能够实现中子位置灵敏探测的方法之一，并逐渐被广泛应用到不同的中子辐射探测实验中。由于光纤可以做成任意异型结构，而且可以做的很细，将光纤排列形成大面积的探测区域，如果只用光纤阵列进行中子探测，那么中子的探测效率很低，不利于探测，而闪烁体的加入能够提高中子的探测效率且可以做成较大面积，从而实现大面积高分辨率的中子辐射场测量，与其他类型的位置灵敏探测器相比具有独特的优势。

实现大面积、高空间分辨率的辐射灵敏区域，需要在中子灵敏闪烁体两侧利用多根细光纤紧密排列成两个相互垂直的光纤阵列。随着探测技术和探测要求的不断发展，测量的信息不再仅仅局限于射线作用位置的探测，作用时间的测量也日趋重要。为了实现中子作用位置和时间的联合测量，需要获取每一根光纤输出信号的脉冲波形。如果采用一根光纤与一个光电探测器一对一耦合的方式进行探测的话，系统的通道数将是巨大的，这就要求探测系统后端负责信号记录的电子学部分必须是高速并行的。目前高速并行的电子学系统非常复杂、昂贵，这也成为限制光纤闪烁体探测技术在中子位置和时间联合测量领域中的应用。

为了解决中子作用位置和时间联合测量系统对高速并行电子学系统的依赖性，编码技术被提出用于简化后端高速并行电子学系统的复杂度。后端电子学系统复杂度的简化关键依赖于采用何种编码方式。但目前所用的编码技术并没有从根本上改变后端信号并行读取的方式，随着实验规模的不断扩大，电子学系统仍然是十分复杂的。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于延迟编码的光纤阵列中子位置灵敏探测系统及方法，利用光纤延迟编码技术对中子与闪烁体作用发出的脉冲荧光信号进行编码，并设计了基于光纤延迟编码的中子位置灵敏探测系统结构，将原来多路并行的信号读取方式转变为单通道串行的信号读取方式，并且能够实现射线与闪烁体作用的位置与时间同时测量。

技术方案

一种基于延迟编码的光纤阵列中子位置灵敏探测系统，其特征在于包括两排移波光纤阵列1、第一定时光纤束2、第二定时光纤束4、第一延迟光纤束3、第二延迟光纤束5、中子灵敏闪烁体6、第一光电探测器7、第二光电探测器8、高速数据采集9和计算机10；两排移波光纤阵列1分别位于中子灵敏闪烁体6相对的两个平面，且相互垂直排列；其中一排的移波光纤阵列的一端经第一定时光纤束2和第一延迟光纤束3与第一光电探测器7耦合，另一端做抛光处理涂吸收层；另一排的移波光纤阵列的一端经第二定时光纤束4和第二延迟光纤束5与第二光电探测器8耦合，另一端做抛光处理涂吸收层；第一光电探测器7和第二光电探测器8的输出信号经过高速数据采集9采集后输入至计算机10；定时光纤束和延迟光纤束中的光纤与移波光纤阵列进行耦合的编码方式；第一定时光纤束2和第二定时光纤束4采用相同长度的光纤，第一延迟光纤束3和第二延迟光纤束5的长度按等长度差递增的光纤组成。

所述延迟光纤束的长度大于定时光纤束中的光纤长度。

所述移波光纤阵列与定时光纤束和延迟光纤束之间的光纤采用一对一的方式进行耦合。

所述移波光纤与定时光纤和延迟光纤之间利用微透镜连接提高光的耦合效率。

所述中子灵敏闪烁体6为发光衰减时间大于纳秒级的闪烁体。

所述闪烁体的厚度为3-5mm。

所述定时光纤束和延迟光纤束制作材料为对大芯径多模光纤。

所述光电探测器为MCP-PMT或Si-PMT。

所述高速数据采集系统9带宽大于1GHz。

一种利用所述探测系统的中子作用位置和作用时间判断方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：按照编码方式进行耦合，建立移波光纤阵列与定时光纤束和延迟光纤束之间每根光纤之间的一一对应关系；所述编码方式；第一定时光纤束2和第二定时光纤束4采用相同长度的光纤，第一延迟光纤束3和第二延迟光纤束5的长度按等长度差递增的光纤组成；

步骤2：实验获取中子与闪烁体作用发出的荧光经第一定时光纤束2和第一延迟光纤束3传输到第一光电探测器7上形成的第一多脉冲电流信号波形，以及中子与闪烁体作用发出的荧光经第二定时光纤束4和第二延迟光纤束5传输到第二光电探测器8上形成的第二多脉冲电流信号波形；

步骤3：根据实测的多个脉冲电流信号波形，计算相邻两个脉冲电流信号峰值之间的时间差，由时间差换算等效延迟光纤的长度；

步骤4：根据所述编码方式判断接收到闪烁体受中子激发发出的荧光的移波光纤，确定中子的作用位置；根据第一个脉冲电流信号的产生时刻扣除荧光经过定时光纤束所用的时间得到中子与探测系统的发生作用的时间。

有益效果

本发明提出的一种基于延迟编码的光纤阵列中子位置灵敏探测系统及方法，通过不同长度的光纤对中子与闪烁体作用发出的脉冲荧光信号进行延迟编码，使得不同长度的光纤传输的脉冲荧光信号到达后端光电探测器的时间不同。这样通过测量光电探测器输出的多个脉冲电流信号之间的时间差，再结合解码技术便可以确定是由哪几根光纤传输过来的脉冲荧光信号，最后以这几根光纤传输的信号大小为权重确定中子的作用位置，而时间信息则可以根据第一个脉冲电流信号的到达时间和获得的中子作用位置反推确定。采用这种方法可以使原来多路并行的信号读取方式转变为单通道串行的信号读取方式，从而使中子作用位置和时间联合测量系统大幅简化。

本发明的优点：

1、本发明利用光纤延迟编码技术使原本并行的信号测量系统简化为单通道串行系统，通过单路信号采集系统即可实现时间和位置的联合测量，在保持功能与基于光电探测器阵列的并行系统相当的同时，电子学系统得以大大简化，成本得到有效控制。

2、本发明工作中光电探测器输出的典型信号为多脉冲电流信号，与光电探测器暗发射等形成的单次脉冲信号有非常大的差别，利用该特性可以有效抑制暗发射等干扰问题，提高系统的信噪比。

3、本发明原则上对移波光纤阵列的排列方式并没有限制，中子作用位置与时间的测量仅取决于闪烁体荧光信号经定时光纤束和延迟光纤束传输抵达光电探测器的时间差，即主要依赖于定时光纤束和延迟光纤束的编码方式。两排移波光纤阵列可以排布在闪烁体两侧或一侧，可以相互垂直排列或成一定角度，可以紧密排列或松散排列。

4、本发明设计的系统结构和测量方法虽然主要针对中子射线作用位置的探测，但只要选择合适的闪烁体，同样可以实现质子、伽马射线以及其它射线粒子的位置灵敏探测。

附图说明

图1：基于延迟编码的光纤阵列中子位置灵敏探测系统示意图

图2：测量记录的信号为双脉冲信号

图3：测量记录的信号为三脉冲信号

图4：一种定时光纤束与延迟光纤束的编码排布方式

1-移波光纤阵列，2-第一定时光纤束，3-第一延迟光纤束，4-第二定时光纤束，5-第二延迟光纤束，6-中子灵敏闪烁体，7-第一光电探测器，8-第二光电探测器，9-高速数据采集，10-计算机。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明实施例的解决方案为：包括两排移波光纤阵列、两段定时光纤束、两段延迟光纤束、中子灵敏闪烁体6、两个光电探测器、高速数据采集9和计算机10；两排移波光纤阵列的一端分别经各自的定时光纤束和延迟光纤束与光电探测器耦合；另一端做抛光处理涂吸收层；两个光电探测器输出信号由高速数据采集9电子学模块测量后，被计算机10记录分析。

两排移波光纤阵列1垂直排列在闪烁体6两侧；其中一排移波光纤阵列与第一定时光纤束2和第一延迟光纤束3之间的光纤采用一对一的方式进行耦合，而且第一定时光纤束2和第一延迟光纤束3中的光纤是按照一定的编码方式与移波光纤阵列进行耦合；在移波光纤与定时光纤和延迟光纤之间利用微透镜连接提高光的耦合效率以提高后端光电探测器接收到的光子数，进而增强光电探测器输出电流信号的强度；所述的编码方式是利用第一定时光纤束2与第一延迟光纤束3中的光纤交替着与移波光纤阵列中的光纤进行一对一耦合，其中第一定时光纤束2采用相同长度的光纤组成；第一延迟光纤束3则长度按等长度差递增的光纤组成且长度均较定时光纤束中的光纤长度长。

另外一排移波光纤阵列与第二定时光纤束4和第二延迟光纤束5之间的光纤采用一对一的方式进行耦合，而且第二定时光纤束4和第二延迟光纤束5中的光纤是按照一定的编码方式与移波光纤阵列进行耦合；在移波光纤与定时光纤和延迟光纤之间利用微透镜连接提高光的耦合效率以提高后端光电探测器接收到的光子数，进而增强光电探测器输出电流信号的强度；所述的编码方式是利用第二定时光纤束4与第二延迟光纤束5中的光纤交替着与移波光纤阵列中的光纤进行一对一耦合，其中第二定时光纤束4采用相同长度的光纤组成；第二延迟光纤束5则长度按等长度差递增的光纤组成且长度均较定时光纤束中的光纤长度长。

所述的移波光纤阵列中的光纤可以紧密排列，也可以松散排布。

中子灵敏闪烁体6为纳秒甚至更快发光衰减时间的闪烁体，闪烁体的厚度为3-5mm；定时光纤束和延迟光纤束制作材料为对射线不灵敏的大芯径多模光纤；光电探测器为高灵敏度、低噪声、超快时间响应的光电探测器，如MCP-PMT、Si-PMT等；后端高速数据采集系统9带宽大于1GHz。

光电探测器输出的有效信号为几个脉冲电流信号；一般通过设置后端高速数据采集系统9的测量阈值，可将10个光电子经过光电倍增管输出的电流信号幅值设置为测量阈值，使得只有三根相邻光纤传输的荧光经过光电探测器后能够被记录下来。

所述中子位置灵敏探测系统的中子作用位置和作用时间判断方法为：首先确定按照上述的编码方式进行耦合时，移波光纤阵列与定时光纤束和延迟光纤束之间每根光纤之间的一一对应关系；之后实验获取1：中子与闪烁体作用发出的荧光经第一定时光纤束2和第一延迟光纤束3传输到第一光电探测器7上形成的第一多脉冲电流信号波形；实验获取2：中子与闪烁体作用发出的荧光经第二定时光纤束4和第二延迟光纤束5传输到第二光电探测器8上形成的第二多脉冲电流信号波形；

再根据实测的多个脉冲电流信号波形，计算相邻两个脉冲电流信号峰值之间的时间差，由时间差换算等效延迟光纤的长度，根据所述编码方式，判断是哪几根移波光纤接收到闪烁体受中子激发发出的荧光；最后以这几个脉冲电流信号的大小为权重确定中子的作用位置。而时间信息可以根据第一个脉冲电流信号的产生时刻扣除荧光经过定时光纤束所用的时间就是这个中子与探测系统的发生作用的时间。

图1中射线灵敏单元为中子灵敏闪烁体和闪烁体两侧相互垂直排布的移波光纤阵列。在中子射线辐照下，中子会与闪烁体发生作用产生次级带电粒子，次级带电粒子在作用位置附近沉积能量，使闪烁体材料激发发射荧光形成光脉冲，部分光子经过闪烁体耦合至移波光纤中，这些光子经过移波光纤中的移波剂作用后波长被改变，只有满足全反射条件的光子会被约束在移波光纤内部沿着光纤向两端传输。移波光纤一端经过抛光处理后涂光吸收层，而另一端则根据一定的编码方式与定时光纤束和延迟光纤束耦合。这样使得移波光纤中的光脉冲经过不同长度的光纤传输至同一个光电探测器中，光电转换后被高速数据采集记录下来并传至计算机中进行存储。

为了便于后续数据处理分析，合理设置高速数据采集系统的阈值，使只有三根相邻光纤传输的脉冲光信号经过光电探测器后被记录下来。这样记录的信号可以有两种情况：双脉冲信号和三脉冲信号，分别如图2和图3所示。由于记录的多个脉冲信号反应的是中子与闪烁体作用产生的同一荧光脉冲信号，脉冲信号之间的时间差取决于传输距离差。图2中之所以只有两个脉冲信号是由于被记录的信号来自两根定时光纤和一根延迟光纤。由于两根定时光纤长度相同，因此这两根光纤的信号叠加在一起荧光耦合至移波光纤中的距离差可忽略，而另一个信号则由延迟光纤传输过来。这两个信号之间的时间差Δt取决于这根延迟光纤与相邻两侧的定时光纤之间的长度差ΔL。而图3中之所以有3个脉冲信号是由于被记录的信号来自于两根延迟光纤和一根定时光纤。延迟光纤束中相邻的两根光纤的长度也是不同的，因此两根光纤中的光信号经过光电探测器后为两个分开的脉冲信号，另一个信号则由定时光纤传输过来的。这三个信号之间的时间差Δt₁和Δt₂取决于定时光纤与相邻两侧的延迟光纤之间的长度差ΔL₁和ΔL₂。通过改变定时光纤束长度、延迟光纤束中第一根光纤的长度和延迟光纤束之间的长度差，可以调节图2和图3中多个脉冲波形之间的时间差，实现利用多个脉冲波形之间的时间差对移波光纤阵列的每根光纤进行编码。

图4为定时光纤束与延迟光纤束采用的编码排布方式。定时光纤束的长度均为l₁，并且与移波光纤阵列中编号为奇数的光纤进行耦合；延迟光纤束的长度按照等长度差l递增，并且与移波光纤阵列中编号为偶数的光纤进行耦合，第一根延迟光纤与定时光纤的长度差为l₂。第2k根光纤延迟长度为l₁+l₂+k-1l，对应的延迟时间为5[l₁+l₂+k-1l]ns。假设l₂＝1m，l＝0.5m，则第2k根光纤与第2k-1根光纤即定时光纤之间信号的时间差为5+2.5k-1ns，而与第2k-1根光纤之间信号的时间差为2.5ns。定时光纤长度相同，而延迟光纤的长度不同，可以确保每一根移波光纤的编号唯一，并且可以实现时间的测量。光纤延迟编码的数量也是有限的容量是有限的，主要受限于两方面：其一为系统的定时精度，对于脉冲信号抵达时刻的判断与脉冲波形的质量以及电子学系统的时间分辨有关，目前利用纳秒级脉冲信号进行时间定时技术，定时精度可以达到几十皮秒量级，延迟编码时间差应大于该数值；其二为信号衰减，闪烁体发光波长通常在可见光范围，光纤对于可见光的衰减达到几百dB/km，射线粒子与闪烁光纤作用发光通常较弱，因此为保证信号强度，光纤长度通常控制在几十米长度范围之内。以定时时间间隔0.5ns，最长延迟光纤25m估计，可以实现对200多根光纤编码。

Claims (10)

1.一种基于延迟编码的光纤阵列中子位置灵敏探测系统，其特征在于包括两排移波光纤阵列(1)、第一定时光纤束(2)、第二定时光纤束(4)、第一延迟光纤束(3)、第二延迟光纤束(5)、中子灵敏闪烁体(6)、第一光电探测器(7)、第二光电探测器(8)、高速数据采集系统(9)和计算机(10)；两排移波光纤阵列(1)分别位于中子灵敏闪烁体(6)相对的两个平面，且相互垂直排列；其中一排的移波光纤阵列的一端经第一定时光纤束(2)和第一延迟光纤束(3)与第一光电探测器(7)耦合，另一端做抛光处理涂吸收层；另一排的移波光纤阵列的一端经第二定时光纤束(4)和第二延迟光纤束(5)与第二光电探测器(8)耦合，另一端做抛光处理涂吸收层；第一光电探测器(7)和第二光电探测器(8)的输出信号经过高速数据采集系统(9)采集后输入至计算机(10)；定时光纤束和延迟光纤束中的光纤与移波光纤阵列进行耦合的编码方式；第一定时光纤束(2)和第二定时光纤束(4)采用相同长度的光纤，第一延迟光纤束(3)和第二延迟光纤束(5)的长度按等长度差递增的光纤组成；通过不同长度的光纤对中子与闪烁体作用发出的脉冲荧光信号进行延迟编码，使得不同长度的光纤传输的脉冲荧光信号到达后端光电探测器的时间不同，这样通过测量光电探测器输出的多个脉冲电流信号之间的时间差，再结合解码技术便可以确定是由哪几根光纤传输过来的脉冲荧光信号，最后以这几根光纤传输的信号大小为权重确定中子的作用位置。

2.根据权利要求1所述基于延迟编码的光纤阵列中子位置灵敏探测系统，其特征在于：所述延迟光纤束的长度大于定时光纤束中的光纤长度。

3.根据权利要求1所述基于延迟编码的光纤阵列中子位置灵敏探测系统，其特征在于：所述移波光纤阵列与定时光纤束和延迟光纤束之间的光纤采用一对一的方式进行耦合。

4.根据权利要求1或3所述基于延迟编码的光纤阵列中子位置灵敏探测系统，其特征在于：所述移波光纤与定时光纤和延迟光纤之间利用微透镜连接提高光的耦合效率。

5.根据权利要求1或3所述基于延迟编码的光纤阵列中子位置灵敏探测系统，其特征在于：所述中子灵敏闪烁体(6)为发光衰减时间大于纳秒级的闪烁体。

6.根据权利要求1所述基于延迟编码的光纤阵列中子位置灵敏探测系统，其特征在于：所述闪烁体的厚度为3-5mm。

7.根据权利要求1所述基于延迟编码的光纤阵列中子位置灵敏探测系统，其特征在于：所述定时光纤束和延迟光纤束制作材料为对射线不灵敏的大芯径多模光纤。

8.根据权利要求1所述基于延迟编码的光纤阵列中子位置灵敏探测系统，其特征在于：所述光电探测器为MCP-PMT或Si-PMT。

9.根据权利要求1所述基于延迟编码的光纤阵列中子位置灵敏探测系统，其特征在于：所述高速数据采集系统(9)带宽大于1GHz。

10.一种利用权利要求1～9所述任一项探测系统进行中子作用位置和作用时间判断方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：按照编码方式进行耦合，建立移波光纤阵列与定时光纤束和延迟光纤束之间每根光纤之间的一一对应关系；所述编码方式是利用第一定时光纤束(2)与第一延迟光纤束(3)中的光纤交替着与移波光纤阵列中的光纤进行一对一耦合；利用第二定时光纤束(4)与第二延迟光纤束(5)中的光纤交替着与移波光纤阵列中的光纤进行一对一耦合；第一定时光纤束(2)和第二定时光纤束(4)采用相同长度的光纤，第一延迟光纤束(3)和第二延迟光纤束(5)的长度按等长度差递增的光纤组成；

步骤2：实验获取中子与闪烁体作用发出的荧光经第一定时光纤束(2)和第一延迟光纤束(3)传输到第一光电探测器(7)上形成的第一多脉冲电流信号波形，以及中子与闪烁体作用发出的荧光经第二定时光纤束(4)和第二延迟光纤束(5)传输到第二光电探测器(8)上形成的第二多脉冲电流信号波形；

步骤3：根据实测的多个脉冲电流信号波形，计算相邻两个脉冲电流信号峰值之间的时间差，由时间差换算等效延迟光纤的长度；

步骤4：根据所述编码方式判断接收到闪烁体受中子激发发出的荧光的移波光纤，确定中子的作用位置；根据第一个脉冲电流信号的产生时刻扣除荧光经过定时光纤束所用的时间得到中子与探测系统的发生作用的时间。