CN105980885B - 基于SiPM的辐射检测系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种利用基于硅光电倍增器(SiPM)的辐射检测器检测环境中的辐射的系统和方法的技术。基于SiPM的辐射检测系统可以包括多个检测器组件，每个检测器组件包括响应于进入闪烁体的电离辐射而向相应的SiPM提供光的至少一个闪烁体。所述辐射检测系统可以包括逻辑器件和促进报告、校正和其他过程的多个其他电子模块。所述逻辑器件可适于处理来自SiPM的检测信号以实现不同类型的辐射检测程序。所述逻辑器件还可适于利用通信模块将检测到的辐射报告给指示器、显示器和/或用户接口。

Description

基于SiPM的辐射检测系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请主张2013年11月26日提交并且题为“SiPM-BASED RADIATION DETECTIONSYSTEMS AND METHODS”的美国临时专利申请No.61/909,311的权益，通过引用的方式将其作为整体并入到本文中。
技术领域
本发明的一个或多个实施例总体上涉及辐射检测系统，并且更具体地，例如，涉及用于利用基于SiPM的传感器检测辐射的系统和方法。
背景技术
闪烁辐射检测器已经常规上使用上世纪30年代开发的光电倍增真空管(PMT)技术。然而，PMT耗费劳动力，制造成本高，并且在机械冲击、磁干扰、高电压(例如，1000V或更高)要求、以及由于在制造过程中暴露于环境光而导致的光电阴极退化方面具有若干缺点。
已经尝试利用不那么脆弱的类似部件取代PMT，但是这种取代通常遭受灵敏度降低、高等级的热漂移、和/或大规模、复杂并且昂贵的电子放大电路之苦。因此，需要一种实施起来相对便宜、对于恶劣环境相对稳固和/或不受影响，并且适于以与基于PMT的技术相当的整体检测器灵敏度进行操作的改进的用于检测辐射的方法。
发明内容
公开了用于利用基于硅光电倍增器(SiPM)的辐射检测器检测环境中的辐射的系统和方法的技术。在一个实施例中，基于SiPM的辐射检测系统可以包括多个检测器组件，每个检测器组件包括响应于进入闪烁体的电离辐射而向相应的SiPM提供光的至少一个闪烁体。所述辐射检测系统可以包括逻辑器件和多个其他电子模块以促进报告、校正和其他过程。所述逻辑器件可适于处理来自SiPM的检测信号以实现如本文所述的不同类型的辐射检测。所述逻辑器件还可适于利用通信模块将检测到的辐射报告给例如指示器、显示器、和/或用户接口。
在一个实施例中，系统包括一个或多个闪烁体；适于从所述一个或多个闪烁体接收光的至少一个SiPM；以及配置为与所述至少一个SiPM通信的逻辑器件，其中，所述逻辑器件适于：从所述至少一个SiPM接收检测信号；根据所述至少一个SiPM的操作模式处理所述检测信号；以及从根据所述操作模式处理的检测信号确定检测事件。
在另一个实施例中，一种方法包括：从至少一个SiPM接收检测信号，所述至少一个SiPM适于从一个或多个闪烁体接收光；根据所述至少一个SiPM的操作模式处理所述检测信号；以及从根据所述操作模式处理的检测信号确定检测事件。
在另一个实施例中，一种系统包括：两个或更多个闪烁体；沿着所述两个或更多个闪烁体的表面布置的吸收体材料；适于从所述两个或更多个闪烁体接收光的至少一个SiPM；以及配置为与所述至少一个SiPM通信的逻辑器件，其中，所述逻辑器件适于：从所述至少一个SiPM接收检测信号；根据所述至少一个SiPM的操作模式处理所述检测信号；以及从根据所述操作模式处理的检测信号确定检测事件。
在另一个实施例中，一种方法包括：从至少一个SiPM接收检测信号，所述至少一个SiPM适于从两个或更多个闪烁体接收光，其中，沿着所述两个或更多个闪烁体的表面布置吸收体材料；根据所述至少一个SiPM的操作模式处理所述检测信号；以及从根据所述操作模式处理的检测信号确定检测事件。
本发明的范围由通过引用的方式并入到该部分的权利要求限定。通过考虑下文中对一个或多个实施例的详细描述，将向本领域技术人员提供对本发明的实施例的更完整的理解以及其附加优点的实现。现在将对附图进行参考，将首先简要描述附图。
附图说明
图1A示出了根据本公开实施例的SiPM组件的框图。
图1B示出了根据本公开实施例的SiPM像素的框图。
图1C示出了根据本公开实施例的SiPM像素的框图。
图1D示出了根据本公开实施例的SiPM读出电路的框图。
图1E示出了根据本公开实施例的基于SiPM的辐射检测系统的框图。
图1F示出了根据本公开实施例的基于SiPM的辐射检测系统的框图。
图2示出了根据本公开实施例的基于SiPM的辐射检测系统的框图。
图3示出了根据本公开实施例的基于SiPM的辐射检测系统的框图。
图4示出了根据本公开实施例的基于SiPM的辐射检测系统的框图。
图5示出了根据本公开实施例的识别光谱。
图6示出了根据本公开实施例的基于SiPM的辐射检测系统的框图。
图7示出了根据本公开实施例的各种中子吸收概率。
图8A示出了根据本公开实施例的基于SiPM的辐射检测系统的框图。
图8B示出了根据本公开实施例的基于SiPM的辐射检测系统的框图。
图9示出了根据本公开实施例的基于SiPM的辐射检测系统的框图。
图10示出了根据本公开实施例的基于SiPM的辐射检测系统的框图。
图11示出了根据本公开实施例的基于SiPM的辐射检测系统的框图。
图12示出了根据本公开实施例的基于SiPM的辐射检测系统的框图。
图13示出了根据本公开实施例的基于SiPM的辐射检测系统的框图。
图14示出了根据本公开实施例的基于SiPM的辐射检测系统的框图。
图15示出了根据本公开实施例的基于SiPM的辐射检测系统的框图。
图16示出了根据本公开实施例的基于SiPM的辐射检测系统的框图。
图17示出了基于PMT的辐射检测系统的图。
图18示出了根据本公开实施例的基于SiPM的辐射检测系统的框图。
图19示出了根据本公开实施例的基于SiPM的辐射检测系统的框图。
图20示出了根据本公开实施例的基于PMT的辐射检测系统的图和基于SiPM的辐射检测系统的框图。
图21示出了根据本公开实施例的基于SiPM的辐射检测系统的框图。
图22示出了根据本公开实施例的基于SiPM的辐射检测系统的框图。
图23示出了根据本公开实施例的基于SiPM的辐射检测系统的框图。
图24示出了根据本公开实施例的基于SiPM的辐射检测系统的框图。
图25示出了根据本公开实施例的、用于提供基于SiPM的辐射检测和报告的各种操作的流程图。
通过参考下文的详细描述，会最好地理解本发明的实施例及其优点。应当理解，相同的参考符号用于识别一副或者多幅附图中示出的相同元件。
具体实施方式
本公开的各种实施例的核心在于一种最近可用的集成电路，其将击穿现象应用于像素化的硅晶片，使得能够组合来自像素的信号并形成硅光电倍增器(SiPM)。随着要对普遍存在的碘化钠(NaI(Tl))检测器发射的蓝色波长敏感的大规模生产的硅的进步，SiPM如今可以与常规的PMT相比大大降低的产品成本适用于辐射检测领域。
本文描述的实施例基于硅光读出电路的最近可用性，所述硅光读出电路提供与常规PMT相当的增益、对蓝色波长类似的灵敏度(量子效率)、不易受机械冲击或者磁干扰的单体硅设计、低电压操作(24.5V-32V)，并且其能够在环境光中进行组装而光电阴极不会退化。
本文描述的最基本的实施例基于耦合到至少一个闪烁体的一个或多个SiPM(例如，SiPM芯片、像素或组件)，由此，可以通过各种方式来组合来自每个SiPM的信号以匹配给定应用。尤其重要的方面包括相对小的光读出电路，与SiPM集成的电子器件以及整体稳固、紧凑的设计。
在一些实施例中，与PMT和常规的半导体结构(例如，盖革(Geiger)模式雪崩光电二极管(APD)设备)相比，本文描述的SiPM对波长约为420nm的蓝光的灵敏度提高。根据光子探测效率(PDE)给出SiPM的灵敏度，所述PDE被定义为被触发的微单元的数量与所述设备的整个表面上的入射光子的数量的比。PDE是入射光的波长和SiPM的偏置电压的函数。在下面的等式中，量子效率(QE)是被定义为从光敏表面发射的光电子的数量和入射光子的数量的比率的材料特性，ε是在给定偏置电压V下发生雪崩事件的概率，以及F是有源硅相对于分离有源区域的迹线所占据的表面积或填充系数。
PDE(λ,V)＝QE(λ)·ε(V)·F
本文描述的SiPM典型地在420nm下具有至少25％的PDE，并且PDE可以根据给定应用所需的增益而变化。常规的半导体结构(例如，包括常规的SiPM)在相对不合意的波长下具有峰值PDE，从而其对于本文描述的特定应用不尽如人意。例如，常规的半导体结构具有在显著更高(例如，不太合意的-例如～500nm)的波长下约为40％更低的PED，并且/或与两倍于本文描述的偏置电压的偏置电压(例如，70V或更高)相关联。另外，本文描述的实施例的击穿电压的温度依赖性通常小于常规半导体结构的一半(例如，21.5mv/℃对56mV/℃)，从而在相对恶劣的环境中提供了更高的温度稳定性。关于常规PMT，PMT的QE/PDE是可比较的，但是使用的偏置电压通常在1500V的数量级(本文描述的SiPM的实施例为24V至32V或者更低)。如本文所指出的，PMT还对磁场敏感，这就需要昂贵的镍铁合金用于磁屏蔽。
表面安装的SiPM允许可呈现许多不同的一般形状的非常紧凑的设计。PMT本身的厚度至少为60mm，并且通常要厚得更多，与这种PMT的现有设计相比，SiPM(例如，SiPM芯片、印刷电路板(PCB)及关联的连接器)的厚度(不包括耦合的闪烁体)可以小于10mm。例如，SiPM芯片的厚度可以为约1mm，或者例如在0.5mm至2mm之间，并且可选的封装(例如，PCB、连接器、支撑结构、封装外壳以及其他封装结构)的厚度可以为9mm，或者在2mm至30mm之间，这取决于各种封装要求。
用于SiPM的PCB通常包括/支持至少一个SiPM芯片(例如，具有多个单独的SiPM像素)、电压滤波器和连接器/接口。该PCB还可以包括温度探头、用于稳定的LED、电压源和用于反馈控制和稳定的逻辑器件(例如，微控制器)。图1A示出了根据本公开实施例的SiPM组件的框图。如图1A所示，单个PCB可以包括一个或多个SiPM芯片以满足特定应用的具体性能标准。每个SiPM芯片都可以包括如图1B和1C示出的一个或多个SiPM像素。
图1B示出了根据本公开实施例的典型的SiPM像素130B的框图。SiPM像素130B包括在响应于光子132的半导体(例如，硅)二极管结构的两端电阻耦接的阴极134和阳极136。如图1D更加详细地示出的以及本文更全面地描述的，可以在阴极134和阳极136两端建立偏置电压以帮助SiPM像素130B提供与光子132的能量基本上成比例的响应。图1C示出了根据本公开实施例的另一个实施例的SiPM像素130C的框图。例如，在一些实施例中，SiPM像素130C可以包括电容耦合至响应于光子132的半导体(例如，硅)二极管结构的快速输出138。如图1D更加详细地示出的以及本文更全面地描述的，可以在SiPM像素130C的阴极134和阳极136两端建立偏置电压以帮助SiPM像素130C提供与光子132的能量基本上成比例的响应(例如，在阴极134处)和/或在快速输出138处的快速响应(举例来说，例如，具有在100ps到1ns范围内的上升时间和在300ps到3ns范围内的脉冲宽度)。
图1D示出了根据本公开实施例的SiPM读出电路100E的框图。如图1D所示，读出电路可以被配置为提供SiPM像素的阴极134和阳极136两端的滤波的偏置电压。在一些实施例中，SiPM像素130D可以包括通过变压器T1耦接至其他读出电子器件(图1D未明确示出)的快速输出136。图1D还示出了耦接至阴极134并将放大的输出Vout提供至其他读出电子器件的放大器(例如，运算放大器)。例如，其他读出电子器件可以包括模数转换器、放大器、滤波器、微处理器、其他模拟和/或数字电子器件和/或耦接至印刷电路板的其他部件，例如，关于图1E的基于SiPM的辐射检测系统100E所描述的那些部件。在一些实施例中，SiPM读出电路100E可以按照例如图1D所示的一般组织方式包括多个电阻器R、电容器C、变压器T、电源电压(例如，Vcc和Vee)和/或放大器U，以提供总体操作模式或者对操作模式的选择。在其他实施例中，SiPM读出电路100E可以包括不同组织方式的部件，例如，在无需用于快速输出138的读出电路的情况下提供偏置电压，或者，例如提供可调节的偏置电压和/或放大，如本文所述那样。
图1E示出了根据本公开实施例的包括由PCB 105支撑的SiPM 104的基于SiPM的辐射检测系统100E的框图。如图1E所呈现的实施例所示，基于SiPM的辐射检测器101可以包括适于检测源120产生的电离辐射122并将检测报告给如本文所述的其他设备或者用户的各种不同部件。在一些实施例中，系统100E可以通过聚集检测数据以提供由系统100E检测的辐射的累积剂量、光谱图、或材料标识并随后将辐射数据传输到显示器来报告辐射的检测。在其他实施例中，系统100E可以通过激励LED指示器和/或将警报或者通知信号传输到通知系统的部件(例如，警报器、或者电开关或继电器)来报告检测。
在图1E所示出的实施例中，基于SiPM的辐射检测器101包括闪烁体102和耦接至PCB 105的SiPM 104。如本文更加全面地描述的，可以利用适于与电离辐射122相互作用以产生光子、反过来又可由SiPM 104检测(例如，转换为电信号)所产生的光子的各种不同结构和材料来实现闪烁体102。如本文所述，SiPM 104可以实现为适于将进入像素的光子(例如，其波长对应于闪烁体102发射的波长)转换为逐像素的电信号的任何一种基于硅的像素化半导体设备。例如，PCB 105可以是常规的印刷电路板并可适于提供对SiPM 104的电接入(例如，通过各种金属迹线和/或连接器106)以及提供对SiPM 104和/或闪烁体102的物理支撑。连接器106可以实现为适于支持至PCB 105的模拟和/或数字耦接的相对小(例如，相对于用于接入PMT的连接器来说)的电连接器。
可选的，检测器101可以包括适于促进SiPM 104的操作及到其的电接入的各种部件。例如，检测器101可以包括将在闪烁体102内产生的光子(例如，闪烁体光子)引导到SiPM104的界接表面的光导103和/或反射体107。在各种实施例中，光导103可适于补偿闪烁体102和SiPM 104之间的表面失配，并且反射体107可适于向SiPM 104反射闪烁体光子。在一些实施例中，例如，可以替代的备选地或者附加地将反射体107布置在闪烁体102的整个源侧表面上，和/或将其延伸或者以其他方式调适成阻挡外部光子进入闪烁体102和/或到达SiPM 104。
如图1E所示，类似地，可选部件可以包括快门109和耦接至PCB 105和/或由壳体108支撑的各种电气和/或电子部件。在一些实施例中，快门109可以实现为适于选择性地阻挡或者大量地减少电离辐射122的一个或多个分量的机械的或者可移除的辐射屏蔽件。例如，快门109可以利用能够基本上阻挡α、β和相对低能量的γ辐射进入闪烁体102，但是允许中子和/或高能量的γ辐射进入闪烁体102的高Z(high-Z)材料来实现。在各种实施例中，例如，快门109可以由逻辑器件110电子地致动(例如，打开和/或关闭)。例如，快门109可以耦接到壳体108/由壳体108支撑，并且壳体108可适于提供相对于快门109的类似或有差异的辐射屏蔽。在一些实施例中，快门109和/或壳体108可以至少部分地利用铅和/或钨板、箔和/或如本文所述的其他结构来实现。在一些实施例中，壳体108可适于保护系统100E免受与太空或大气飞行关联的环境条件、和/或其他户外环境条件(举例来说，例如，地面结构上的静止或铰接安装)的影响。在其他实施例中，壳体108可适于手持使用。
例如，根据期望的应用和/或闪烁体102、SiPM 104、印刷电路板105和/或连接器106(例如，检测器器组件)的总体尺寸，逻辑器件110、存储器111、用户接口114、通信模块112、显示器116以及如果可选地包括在检测器101中的其他组件118中的每一个都可以耦接至PCB 105或者壳体108。在其他实施例中，例如，这样的部件中任何一个或者任何一组可以在检测器101的外部实现，和/或以分布式或分组的方式(例如，多个逻辑器件110操作检测部101，或多个检测器101由单个逻辑器件110操作)实现。
在一些实施例中，逻辑器件110可以实现为任何合适的处理器件(例如，微控制器、处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他逻辑器件)，系统100E可利用所述处理器件来执行适当的指令，例如，用于使用闪烁体102和SiPM 104检测辐射的软件指令和/或信号处理操作。另外，逻辑器件110可以利用各种信号处理器件来实现，例如，模数转换器(ADC)、触发器输入、定时电路和本文所述的其他信号处理器件。
在各种实施例中，逻辑器件110的至少某些部分或某些功能可以是单独系统的其他现有逻辑器件的一部分或者由所述其他现有逻辑器件实现，所述单独系统例如，服务器、个人电子设备(例如，移动电话、智能电话、平板设备、膝上型计算机、台式计算机)、和/或可用于处理，报告，或作用于系统100E检测到的辐射的任何其他设备。在其他实施例中，逻辑器件110可适于与各种外部逻辑器件及关联部件界接并通信和/或以分布式的方式执行各种操作。
一般来说，逻辑器件110可以适于与系统100E的其他部件界接并通信以执行本文所述的方法和过程。例如，逻辑器件110可适于执行本文所述的总计数操作、光谱法，或稳定/校准方法。在一个实施例中，例如，逻辑器件110可适于使用通信模块112将辐射检测报告给显示器116并显示剂量量或者警告通知，或者显示光谱图的图像。在另一个实施例中，例如，逻辑器件110可适于使用通信模块112建立与入口辐射检测系统的有线或无线通信链路，并报告检测到的辐射的计数、能量、瞬态特性和/或其他特性。
存储器111通常与至少一个逻辑器件110通信或者被配置为与至少逻辑器件110通信，并且可以包括一个或多个存储器设备(例如，存储器部件)来存储信息，包括辐射检测数据、校准数据、其他类型的传感器数据、和/或软件指令。这样的存储器设备可以包括各种类型的易失性和非易失性信息存储设备，例如，RAM(随机存取存储器)、ROM(只读存储器)、EEPROM(电可擦除只读存储器)、闪速存储器、磁盘驱动器和/或其他类型的存储器。在一个实施例中，存储器111可以包括能够从系统100E中移除并用于将存储的数据传送到其他系统以进一步处理和检查的便携式存储器设备。
通信模块112可被配置为促进系统100E的各个部件之间(例如，逻辑器件110和存储器111和/或显示器116之间)和/或各种外部设备(例如，无线接入点、个人电子设备、服务器、和/或其他检测器)之间的通信和界接。例如，诸如用户接口114和显示器116的部件可以通过通信模块112向逻辑器件110发送数据和从逻辑器件110接收数据，所述通信模块112适于管理各个部件之间的有线和/或无线通信链路。因此，通信模块112可以支持本地系统联网的各种接口、协议和标准，例如，控制器局域网络(CAN)总线、本地互连网络(LIN)总线、媒体导向系统传输(MOST)网络或ISO 11738(或ISO总线)标准。
在一些实施例中，例如，逻辑器件110可适于经由通信模块112与远程用户接口、通知系统或其他检测系统进行通信，以聚合来自多个系统或传感器的报告和/或实施特定的检测和/或通知方法。因此，通信模块112可以包括无线通信部件(例如，基于IEEE 802.11的WiFi标准、蓝牙TM标准、ZigBeeTM标准、或其他适当的短程无线通信的标准)、无线宽带部件(例如，基于WiMAX技术)、移动蜂窝部件、无线卫星部件、或其他适当的无线通信部件。通信模块112还可以被配置为经由有线通信部件(例如，以太网接口)与有线网络和/或设备界接。
用户接口114为用户提供与检测器101的交互，并且其可以包括一个或多个按钮、指示器(例如，LED)、键盘、轨迹球、旋钮、操纵杆、显示器(例如，液晶显示器、触摸屏显示器)、和/或适于接收用户输入和/或提供用户反馈的其他类型的用户接口。在一个实施例中，用户接口114可以包括电源按钮、振动马达、指示辐射检测事件(例如，计数)的LED、和/或用于提供检测事件的可听指示的扬声器(例如，可视、可触知和/或可听的指示器)。在各种实施例中，用户接口114可用于输入各种不同的系统配置设置，例如，如本文所述的稳定/校准参数。在一些实施例中，用户接口114可用于查看一个或多个报告、图表、和/或系统100E捕获的和/或根据本文描述的各种操作处理的其他辐射检测数据。
显示器116可被配置为呈现、指示或以其他方式传送警告、通知、计数、剂量率、和/或辐射检测的其他报告(例如，由逻辑器件110生成)。显示器116可以利用电子显示屏幕来实现，例如，液晶显示器(LCD)、阴极射线管(CRT)、或各种其它类型的一般已知的视频显示器和监视器，包括触敏显示器。显示器116可适于呈现辐射检测数据、图表、图像、报告或如本文所述的其他信息。
其他部件118可包括各种稳定/校准设备(例如，温度传感器/探头(例如，热电偶、红外温度计))、LED或激光二极管(例如，以提供已知的光子源)、环境光传感器、电压调节器和/或滤波器、可变电压源和/或如本文所述的可用于促进稳定或校准的其他类型的设备。逻辑器件110可以利用来自这样的传感器的传感器数据来检测与检测器101相关的稳定/校准参数，从而产生检测辐射的更可靠的报告。在一些实施例中，其他部件118可以包括GPS、加速度计、罗盘、和/或能够感测PCB 105或检测器101的位置和/或方位的其他方位传感器。其他部件118可以附加地包括实现为电池、电源适配器、充电电路、电源接口、功率监视器和/或提供静止或移动电源的其他类型的电力供应源的电源模块。在一些实施例中，电源模块可适于提供不可间断的电力和/或电力调节，以保护检测器101的连续操作。
如上所述，检测器101可形成较大的辐射检测(例如，检测并通知)系统的一部分。图1F示出了根据本公开实施例的基于SiPM的辐射检测系统100F的框图。如图1F所示，检测系统100F可以是检测系统100E的分布式形式，例如，其包括通过一个或多个通信链路和/或网络156与服务器152和各个个人电子设备通信的多个检测器101-1–n，个人电子设备例如，移动设备156和/或个人计算机154。在一些实施例中，例如，检测器101-1–n可被定向为从多个方向检测单个源发射的辐射，或者可被放置在分离的位置以形成一般的辐射检测网络。可预期其他分布式辐射检测系统和功能。
在一个实施例中，移动设备156和/或个人计算机154可适于向一个或多个用户呈现远程用户接口。远程用户接口可适于显示由检测器101-1–n生成并传送的辐射检测数据和/或报告，并且可适于通过使用例如如本文所述的触摸屏界面、键盘、鼠标和/或其他类型的常规用户接口设备接受用户输入。移动设备156可实现为移动电话、智能电话、平板电脑、汽车计算机、和/或其他移动个人电子设备。个人计算机154可以实现为台式计算机、固定的终端设备、网络使能的电视、家庭娱乐中心、和/或其他相对静止的个人电子设备。
在一些实施例中，网络150可代表广域网、局域网和/或其他网络和/或网络的组合，包括因特网，并且检测器101-1–n可适于直接通过网络150和/或间接通过服务器152与各种个人电子设备建立通信链路。在其他实施例中，网络150和各种通信链路可以代表特设的(ad-hoc)无线和/或有线网络、专有网络、和/或混合网络，并且检测器101-1–n可适于与检测系统100F的各个设备建立各种类型的通信链路。
在各种实施例中，服务器152可以是实现为检测和/或通知系统的至少一部分的主机或其他类型的联网计算机或分布式联网计算机组。在一些实施例中，服务器152可适于从检测器101-1接收辐射检测数据并随后将相应的检测数据选择性地报告给联网设备。例如，服务器152可适于将检测器101-1发送的一个或多个通知或报告分发给其他设备(例如，移动设备156和/或个人计算机154)和/或用户。
在另外的实施例中，例如，可以在检测器101-1–n和/或系统100F中的其他设备之间分发数据，以提供适于更复杂的符合处理(例如，取决于检测器的空间分布的处理)的检测器排列，允许一个检测器或者检测器的子集执行数据收集功能，以抑制对已知要出现的源(例如，医疗资源/患者)和/或其他操作模式的警报。
本文所述的每个检测系统根据某些性能标准进行操作并且可以以某些性能标准来表征。检测器组件(例如，与SiPM耦合的闪烁体)的性能标准可以包括：(1)针对单个事件的SiPM像素的使用百分比；(2)SiPM中的增益/串扰卷积；(3)SiPM在附接的闪烁体上的光学覆盖面积；(4)附接的闪烁体的光输出；(5)附接的闪烁体的光衰减时间；以及(6)附接的闪烁体的绝对效率/灵敏度(尺寸)。
使用百分比是指处于恢复状态的SiPM的像素的数量与SiPM中的像素的总数的比率。例如，在一些实施例中，SiPM中的每个像素的恢复时间为150ns或者更少。在各种实施例中，例如，恢复时间可处于10ns到150ns或者10ns到300ns的范围内，并且可以通过形成SiPM的硅结构的不同技术的使用、通过不同偏置电压的使用、通过偏置电压源的不同衰减常数的使用，和/或通过SiPM的其他操作特性的变化，根据期望的操作模式选择恢复时间。可以将恢复时间定义为像素从击穿状态(例如，由入射光子导致)并且充电返回到其初始偏置状态所需要的时间段。在一些实施例中，恢复时间可以是像素的偏置电压下降到低于该像素的击穿电压并且充电返回到初始偏置电压电平(例如，像素充当充电电容器)的时间。
在恢复时间的初始部分期间，当像素低于击穿电压时，该像素不能对后续事件作出响应。在恢复时间的随后部分，当偏置电压等于或者高于击穿电压，后续事件可以进行登记，但是由于较低的像素/电容器充电状态，所以以较低的充电量(例如，产生较小振幅的输出信号)。在高计数率环境中，或者在耦合的闪烁体是高光输出闪烁体的情况下，相对长的恢复时间将导致SiPM中的低能量偏置拖尾。因此，有利的是，构建每个事件不触发过多像素但是仍然提供足够的信号以在任何预期的电子噪声上都可靠的登记事件的检测器组件(具有(一个或多个)SiPM的闪烁体)。在典型的操作中，期望的使用百分比可以在15到20％之间，并且可以选择SiPM、闪烁体和/或(一个或多个)光导的几何形状以促进期望的使用百分比。在一些实施例中，例如，使用百分比可以与恢复时间成反比地变化，并且在没有显著的偏置拖尾的风险的情况下，期望的使用百分比可以处于30％到50％的范围内。
在SiPM中，增益和像素-像素串扰相关。增益通过下面的等式与偏置电压相关：
其中，CPixel指单个像素的电容，VBias是施加的电压，VBR是击穿电压(例如，典型的为24.5V)，并且e是单个电子的电荷。对于本文中的各个等式的发展的进一步讨论，参见Licciulli F等，“A Novel Technique for the Stabilization of SiPM Gain AgainstTemperature Variations”，IEEE Transactions on Nuclear Science，第60卷(2013年4月)，第606-611页。VBias和VBR的差是增益的重要参数，因为其他参数依赖于固定的材料特性。
随着偏置电压的增加，雪崩的概率也增加，并且存储在每个像素中的电荷越高；因此，当放电发生时，有更多的电子能够使得通过硅内的电子-电子相互作用释放光子。这些光子可以迁移到初始像素的外面并通过硅传播。由于雪崩概率较高，所以较低能量的迁移光子会导致相邻像素中的不是由来自附接的闪烁体的光子发起的雪崩，将其称为串扰。串扰的高发通常降低检测器组件的可能的上范围/上计数率。因此，有利的是，将SiPM阵列构建得使得不需要为克服电子噪声而使增益太高，但是允许上范围的足够的开销。上范围/上计数率通常与预期的或者期望的操作模式相关。例如，小的、寻呼机大小的设备将具有灵敏度较低的、较小的闪烁体，但是可预期达到高速率，而较大的设备将最可能包括灵敏度高得多的、较大的闪烁体，但是由于其物理限制而可能无法达到高速率。在某些实施例中，例如，对于相对灵敏的闪烁仪来说，上范围/上计数率可以约为10mR/hr。在其他实施例中，例如，对于类似于盖革计数器的仪器来说，上范围/上计数率可以高达约10R/hr。举例来说，例如，针对特定闪烁体体积和/或期望的辐射环境，可预期其他上范围/上计数率，并且其他上范围/上计数率可以包括例如可在1mR/hr和10mR/hr之间、10mR/hr和1R/hr之间、1R/hr和10R/hr之间、和/或其他范围的可选择的上范围/上计数率。
闪烁体的光输出是闪烁体有用性的主要贡献，并且其以若干方式影响耦合的SiPM的操作。表1呈现了选择的闪烁体的特性。高分辨率闪烁体通常在小的发射范围内具有高光产额并且以及针对高本证效率(与入射光子相互作用的概率)的足够的密度/Z值。对于非常明亮的闪烁体来说，可能需要在若干SiPM之间分散来自闪烁体的光以保持每个SiPM的使用百分比为低。
表1：一般闪烁体的特性
闪烁体的光衰减时间影响使用百分比，这是因为其与像素的恢复时间相关。当具有～150ns的恢复时间的每个像素时，衰减时间比其长的闪烁体将允许像素恢复以及较小的平均使用百分比。给出下面组合的例子：
表2：闪烁体-SiPM组合的情景
光读出电路(例如，PMT、SiPM)相对于闪烁体的尺寸增加了检测器组件的一层复杂性。常规的试探法是读出电路的横截面尺寸大于耦合的闪烁体的横截面尺寸。由于其发射波长和折射率，NaI(T1)能够在没有显著的光/分辨率损耗的情况下容忍读出电路和检测器的尺寸之间的一些失配，而其他闪烁体(LaBr3和其他闪烁体)尽管光波长类似但是非常不容忍失配。因此，将SiPM表面区域和其耦合的闪烁体相匹配或者提供将闪烁体的光接口与SiPM表面区域相匹配的装置(例如，光导或者锥形的晶体)通常是重要的。使闪烁体的表面区域不被覆盖或者没有反射器或某些形式的到读出电路的光学接口，这与好的做法是相违背的。因此，所有闪烁体的表面区域应当由反射器覆盖(例如，如果利用厚的漫发射器材料，例如，PTFE和/或Gore DRPTM可能的话)或者由尺寸正确匹配的SiPM阵列覆盖。在某些实施例中，应当增加SiPM阵列的面积(例如，SiPM芯片的数量或尺寸)以与闪烁体的表面面积相匹配，例如，当电或经济地保证这种增加时。
绝对效率和灵敏度是典型的相关术语和/或性能标准。可以至少部分地通过平均Z值(例如，闪烁体材料的每个原子的电子/质子的平均数)和密度来确定闪烁体的绝对效率，并且可以将其定义为与闪烁体相互作用的光子(例如，辐射量子)与从源发射的光子的数量的比率。绝对效率应当与本征效率进行对比，本征效率可定义为与闪烁体相互作用的伽马的数量和可能已经与闪烁体体积相互作用或者进入闪烁体体积的伽马的数量的比例。应当理解，评级可针对与选择的闪烁体相互作用的电离辐射量子的任意特定类型来评级绝对效率。
通常将灵敏度给定为每单位时间每单位剂量对检测器的计数的数量(cps/μSv)。对于辐射检测的目的，使绝对效率和灵敏度最大是有利的。然而，当使用SiPM时，这将与光产额和衰减时间卷积来确定检测器组件的检测的上限/上范围/上计数率。耦合太大的闪烁体将向小SiPM阵列提供太多灵敏度并且SiPM的上范围/上计数率将受到限制，而太小的检测器的灵敏度差，但是给出非常高的上范围/上计数率。
将对康普顿散射(非相干散射)的物理现象的简要说明给出为对下述等式的说明：
高能量光子E(例如，伽马)与原子相互作用导致某种能量mc2的电子与低能量的散射光子E'一起发射。散射光子E'的角度θ与入射光子能量的能量成比例。由于电场效应对于带电粒子具有高制动力，所以电子的能量完全局部地的沉积在闪烁体中，并且第二闪烁体可以检测第二、散射的光子，以尝试确定伽马的完整能量或者朝向辐射源的方向。如果组合两个检测器中的能量，则和等于入射伽马能量。在等式中，没有说明方位角，只有旋转，所以当重新排列等式时可以产生概率锥。这允许朝向源的方向已知或者至少被近似。
总计数器/热量计
基于SiPM的辐射检测器的基本应用是模拟连接到单个PMT的标准大体积闪烁体，如图2所示。大体积闪烁体提供比较小的闪烁体更好的灵敏度和高的能量响应(具有高能量伽马的同位素)，并且通常用于常规的基于PMT的检测器中。常规的基于PMT的检测器对机械冲击、振动、磁、RF和湿气进入敏感，并且需要高电压分压器、管插座和管基座。
基于PMT的检测器的基本结构是通过某些光耦合材料附接到PMT的反射器包裹的闪烁体(微扰NaI(Tl)的PTFE或者特氟隆TM带)。然后将闪烁体部分封装在形成对PMT气密密封的铝罐中(图中未明确示出)。将镍铁高导磁率合金管置于PMT上以提供磁屏蔽和RF屏蔽，利用从PMT入口通过引脚的跨线焊接就位，所述镍铁高导磁率合金管的端部具有相对较大的插口。
相应的SiPM设计的一般结构包括置于PCB(参见图1)上并且利用光耦合材料附接到反射器包裹的闪烁体的一个或多个SiPM芯片。然后将检测器组件置于铝罐中并且给予检测器组件气密密封以防止湿气进入。仅有的连接器出口可以是相对窄的多导体线，在某些实施例中，所述多导体线可包含用于放大器、微控制器、调节器、滤波器和其他器件的接地、电压，数字信号线，以及SiPM阵列的一个或多个模拟输出。对该设计的修改可以包括用于允许X射线或者低能量的伽马检测的铍窗口，用于将较大的闪烁体表面区域安装到较小的表面区域的SiPM阵列的光导，用于稳定的辐射源，或者其他变型。耐用性的变型可以包括盖子中的弹簧加载的闪烁体，以在冲击期间辅助光学耦合。利用这种设计，常规的总计数闪烁体检测器在功能上由更小更便宜的设计复制。
康普顿抑制
一般来说，基于SiPM的辐射检测器可以包括任意数量的透视隔离的“逻辑”检测器，其中，可以组合来自逻辑检测器的检测信号以使能如本文所述的特定操作模式。在某些实施例中，每个逻辑检测器可以实现为独立的检测器组件，即，具有其自己的闪烁体和SiPM。在其他实施例中，逻辑检测器可以实现为耦接到对应于每个逻辑检测器的SiPM像素的子集的单个闪烁体。例如，可以将耦合到单个闪烁体的SiPM阵列或芯片划分为SiPM像素群组或图案，其中，每个群组或图案的像素对应于可基本上独立于其他逻辑检测器被操作的逻辑检测器。具有适于使用单个闪烁体的基于SiPM的逻辑检测器的辐射检测器可以实现得比使用多个闪烁体和/或PMT的实施例紧凑得多。另外，SiPM像素的群组或图案的形状可以在逐个像素的基础上选择或者编程地调整，以使能组成的辐射检测器的特定操作模式。
例如，由选择的SiPM像素/芯片群组或图案使能的一个操作模式是由图3所示的前视检测器组件所示出的抗康普顿屏蔽模式。图3示出了根据本公开实施例的基于SiPM的辐射检测系统的框图。具体来说，图3描述了包括至少两个逻辑检测器的SiPM像素/芯片的群组的4x4正方形阵列的几何形状示例。在图3所示的实施例中，主要检测器包括中心的4个群组SiPM像素/芯片，其作为单个逻辑检测器，并且辅助检测器包括在围绕中心的外部区域上的12个群组SiPM像素/芯片，其也作为单个逻辑检测器。在各种实施例中，例如，每个群组或者每个逻辑检测器可以耦接到其自己的闪烁体，或者整个阵列可以耦接到单个闪烁体。在替代实施例中(例如，当用作总计数检测器时)，可以将所有的16个群组合并为一个逻辑检测器，其中，将所有事件相加到一起。
在一个实施例中，抗康普顿屏蔽模式特征表示为排除事件(例如，从记录的事件中排除)的过程，其中，入射伽马进入一个逻辑检测器，沉积一些能量，并随后发射第二较低能量的伽马，该第二较低能量的伽马随后在其他逻辑检测器中被完全或者部分吸收。该排除过程有助于使可用于识别辐射源的伽马签名中的光峰变得清楚。在某些实施例中，可以使用高纯度锗(HPGe)检测器和锗酸铋(BGO)或碘化铯(CsI)闪烁体作为主要检测器(例如，与用作相对低成本的辅助检测器的一个或多个SiPM耦合)来执行排除过程。
图4示出了根据本公开实施例的基于SiPM的辐射检测系统的框图。具体的，图4是图3的检测器组件的侧截面图，并且其示出了在主要检测器A、辅助检测器B和SiPM读出电路C的背景中的6个可能的事件，其中，SiPM读出电路C被逻辑地划分成如图3所示的16个群组。
在事件1中，来自外部源的伽马射线只进入辅助检测器B。不在识别光谱(例如，记录的事件的能量光谱)中对事件1进行评分/累加，这是因为不能确定该伽马在辅助检测器B中沉积了它所有的能量还是部分能量。这潜在地降低了绝对效率/灵敏度，但是也有助于抑制对识别光谱的康普顿连续谱(例如，图5中在约650keV处的峰值左侧的识别光谱的部分)贡献。
在事件2中，来自外部源的伽马射线进入主要检测器A并通过在主要检测器A中沉积一些能量的康普顿散射事件相互作用。散射的低能量伽马离开进入到辅助检测器B并沉积它的一些或者全部能量。事件2触发两个逻辑检测器，并且逻辑鉴别器(在图4中未示出)可适于阻止与事件2相关的数据在识别光谱中被评分/记录。这抑制了对识别光谱的康普顿连续谱贡献。
在事件3中，来自外部源的伽马射线进入主要检测器A并通过在主要检测器A中沉积一些能量的康普顿散射事件相互作用。散射的较低能量的伽马离开组件在任何检测器中都不进一步进行相互作用。尽管不能确定该伽马在主要检测器A中沉积了它的所有的能量还是部分能量，但是在识别光谱中将事件3评分为在不同时抑制相当数量的非康普顿连续谱检测事件的情况下不能被抑制的康普顿连续谱的一部分。另外，因为主要检测器A被辅助检测器B同心地包围，所以可以抑制与主要检测器A关联的很大部分的康普顿连续谱，并且从而可以将事件3评分为，与如果例如对事件1进行了评分相比，其对识别光谱擦产生负面影响的风险较小。
在事件4中，来自外部源的伽马射线进入主要探测器A并且沉积其所有的能量。在识别光谱中对事件4进行评分，并且事件4贡献了可用于识别辐射源的识别光谱的那部分。
在事件5中，来自外部源的伽马射线进入辅助探测器B并通过在辅助检测器B中沉积一些能量的康普顿散射事件相互作用。散射的较低能量的伽马离开进入到主要检测器A并沉积它的一些能量或者全部能量。事件5触发两个逻辑检测器，并且逻辑鉴别器可适于防止与事件5关联的数据在识别光谱中被评分。这抑制了对识别光谱的康普顿连续谱贡献。通常，因为散射的伽马的飞行时间在短距离可忽略不计，所以事件5与事件2不可区分。
在事件6中，来自外部源的伽玛射线通过检测器组件外部的康普顿散射事件相互作用，并且散射的较低能量的伽马进入到主要检测器A并沉积其所有的剩余能量。与对事件3的描述类似，在识别光谱中将该事件评分为在不同时抑制相当数量的非康普顿连续谱检测事件的情况下不能被抑制的康普顿连续谱的一部分。通常，由于散射的伽马的飞行的时间短，所以事件6与事件3或4不可取分。
抗康普顿屏蔽模式的目的是使峰值与康普顿的比率(PCR，有些类似于信噪比)最大。例如，图5示出了在662keV处的Cs-137的满能量峰值的高度与低于477keV的康普顿连续谱的高度的比率。通过减少康普顿分散进出主要检测器A的被评分的量，比率增大，允许全能量峰值的更高的保真度。
常规上，类似的仪器作为基于大型实验室的设计而存在，其不能容易地运输或者加固以广泛应用。包括可配置的逻辑检测器的基于SiPM辐射检测器的实施例：相对紧凑、固有地坚固耐用、制造相对便宜、不需要昂贵和沉重的磁屏蔽、不需要高压电路、是基于闪烁的辐射检测器并且即使在操作期间也容易重配置，因此除了被用于更标准的检测任务之外，它们还可以在抗康普顿屏蔽模式中使用进行识别任务。
在一些实施例中，逻辑检测器的类似布置可用于改进准直的辐射检测器的操作并降低其制造成本，所述准直的辐射检测器包括围绕它们的(一个或多个)闪烁体的铅或者钨屏蔽，以试图完全吸收从辐射检测器的侧面或者背面进入的伽马。
方向性
康普顿散射是一种用于确定朝向辐射源的方向的机制。通过将多个检测器组件和/或逻辑检测器的位置设置得紧密接近并且将它们耦接到符合电路，任何两个检测器之间的康普顿散射事件可用于确定朝向辐射源的大体方向。图6示出了在这种操作模式中的检测器阵列的示例。
图6示出了根据本公开实施例的基于SiPM的辐射检测系统的框图。在图6示出的实施例中，方向性模式将正方形网格阵列划分为被视为4个单独的检测器组件/逻辑检测器的四分体。任何两个四分体之间的符合事件将导致接收事件的信号处理器/微处理器基于这两个事件的能量和定时响应确定入射伽马的角度。例如，信号处理器/微处理器可适于构建在许多事件上入射角图，并且将数据组合与来自GPS、罗盘和/或加速度计的定时的响应进行组合，以确定朝向辐射源的绝对方向并向用户指示所述绝对方向。在各种实施例中，在方向性模式中的基于SiPM的辐射检测器可适于选择检测器组件/逻辑检测器的一维、二维或者三维阵列，或者这些的反复组合，以帮助构建入射角图。
稳定
可以以多种不同的方式来定义设备稳定或校准(例如，操作模式的类型)。最常见的定义是增益稳定，其中，选择或者调整设备和/或制造参数以使得特定的伽马峰值将出现在能量光谱内的特定位置。这种形式的稳定通常涉及偏置电压或者放大器增益中的调整。通常，通过增益稳定反馈回路的调整来处理这种类型的增益。第二种定义是参数稳定，其中，能量分辨率或者噪声阈值的信号特性在外部热应力下保持不变。这包括调整滤波器系数、比较器的阈值、下水平鉴别器及其他参数。利用SiPM，增益稳定对可靠操作来说是绝对必要的，但是在不同时解决参数稳定的情况下不能获得最佳性能。
增益稳定反馈回路
为了补偿峰值位置和温度反馈，可以使用广义反馈回路。在一些实施例中，这样的反馈回路可以用软件、微处理器、和/或另一类型的逻辑器件来实现。提供了示出SiPM增益的公式(例如，参见Licciulli)，其中，Cpixel是单个像素的电容，VBias是偏置电压，VBR是击穿电压，并且e是单个电子的电荷。
根据下式，击穿电压VBR与温度相关，其中，VBR0是在某初始温度下的击穿电压，β是温度系数(例如，为20mV/℃)，并且T0是在校准过程中初始饱和温度的温度。
VBR(T)＝VBR0[1+β(T-T0)]
经扩展，增益和温度的关系如下。
单个峰值的关系由下式给出，其中，SPixel是由SiPM中的单个像素激活而产生的电压，NPixel是由某外部刺激激活的像素的数量，FG是来自信号处理电子器件的可调节增益，并且P是产生的事件的峰值位置(例如，估计的能量)，其是温度和偏置电压的函数。
P(T,VBias,FG)＝Spixel·Npixels·G(T,VBias)·FG
在校准阶段期间，利用在饱和温度(T0)下的SiPM、恒定VBias、以及设为一致的电子增益FG来测量事件的峰值位置，其被指定为P0。提供反馈回路功能作为优化算法，其目的是通过调整VBias或FG，将M的值调为1。
可通过对能量光谱(例如，由已知辐射源提供)中持久的伽马射线峰值的识别来执行单个元件或阵列的稳定。来自K-40、Mn-54、Cs-137、Na-22或其他同位素的弱外部辐射场在背景光谱中提供这种持久伽马射线峰值。用记录为极限的其峰值位置观察峰值用于将来的比较。由于SiPM或者SiPM/闪烁体组合随温度漂移，所以该峰值将随之移动。微处理器可适于追踪该峰值的移动并调整SiPM的偏置电压或者精细增益以根据反馈回路进行补偿。
还可以或者可替代地利用温度探头来执行单个元件或阵列的稳定。这可以通过在各种温度下循环和时间饱和以产生温度-增益-电压响应图的环境室内中校准仪器来执行。例如，温度探头可以位于检测器阵列的像素之间，在SiPM载板的下面、或者位于与传感器元件热平衡的空腔中的某处。由于温度探头向反馈控制回路提供温度数据，所以可以修改电子增益FG和偏置电压VBias中的一个或者上述二者。
闪烁衰减的信号形状
可以利用闪烁检测器衰减的信号形状来执行单个元件或阵列的稳定。例如NaI(Tl)、CsI(Tl)、LaBr3(Ce)、CeBr3、CLYC及其他的闪烁体由于复杂的带隙级结构而表现出多种衰减模式。该结构可受到温度变化的影响，其中，对发生特性衰减的比例进行修改，以给出闪烁衰减时间中的明显变化。当使用DSP或者脉冲快照/波形捕获时，通常会观察到脉冲形状的变化。一种优化算法利用该特性控制反馈回路。
多种方法可用于采集可用于识别温度变化的信号特性。SiPM提供能量输出(阴极信号)，所述能量输出提供对脉冲形状的影响最小的闪烁体的典型的脉冲波形，以使得耦接到SiPM的信号处理器可以获得多种信号特性和测量值，包括上升时间、脉冲宽度、下降时间、峰值幅度、脉冲积分等等。根据闪烁体的类型，这些特性可以用在确定闪烁体的温度的算法中。在SiPM与附接的闪烁体热平衡的情况下，该温度也是SiPM的温度。通常，SiPM比附接的闪烁体具有小得多的热容量。
相同的SiPM可具有用于快速定时的额外能力(电阻和二极管之间的AC耦合信号的脉冲宽度<4ns，或者，在其他实施例中，在0.5和10ns之间)，其中，所述SiPM适于提供仅可用于定时的非常精确的脉冲开始；该信号不一定与伽马事件的能量成比例。定时信号可用于基于快速信号中的脉冲开始时间的时间差以及闪烁体衰减的一个或多个脉冲特征来测量闪烁体晶体本身的温度。
例如，校准程序可以包括在存在外部辐射源(例如，Cs-137或者另一个外部辐射源)的情况下使检测器组件温度循环，所述外部辐射源提供感兴趣的伽马峰值，在该点，只有位于该伽马峰值内的事件被询问它们的信号特性。在各种温度阶段(例如，包括-20℃至60℃的范围之间)，可以对这些信号特性进行测量并使用变量筛选进行统计分析以确定主效应(例如，由于温度而产生的扰动)。对于NaI(TI)来说，脉冲宽度和温度之间的关系是已知的；因此，可以构建脉冲宽度与温度的统计图，并且可以通过公知的关系和/或算法内插来提供稳定信号所必需的对VBias或FG的修改。
在对辐射信号的典型的信号处理中，来自ADC的数字化的信号数据的时序流可以具有各种滤波器参数，应用所述各种滤波器参数的目的是使给定伽马事件能量(最常见的是Cs-137@662keV)的分辨率最大化/优化。由于脉冲形状改变(例如，由于温度漂移)，滤波器系数可以在有效性方面变化，通常降低视在分辨率、在原本高斯峰形状上增加前导或者拖尾边缘。可在校准过程中产生适用于在不同温度下的滤波器系数的集和，并且随后根据在设备操作期间测得或者导出的温度选择所述滤波器系数的集和，以提供有助于稳定的滤波器的即时改变。
例如，在一些实施例中，可以将波形输入与期望的波形输出进行比较，并且可以调整滤波器系数以在波形输入上操作时使二者相等。为了构建一种用于适当调整滤波器系数的算法，根据SiPM的温度依赖性，可以构建在特定温度下的捕获的波形输入和输出的图。这些波形可能与外部辐射源相关，包括Cs-137、Mn-54、Na-22、K-40或者可在设备操作期间存在的其他同位素。在一个实施例中，可以将辐射检测器放置在气候室中并且在各种温度下(例如，包括-20℃至60℃的范围之间)时间饱和，其中，在每个温度下，存储与针对选择的外部辐射源在感兴趣的特性光峰区内发生的事件相对应的波形(例如，作为算法的输入)。一旦限定了整个温度范围，该算法可用于产生依赖于温度的滤波器系数表。该表可用于提供如本文所述的有助于稳定的滤波器的即时改变。
可使用上述方法的组合来执行单个元件或阵列的稳定。因为其提供稳定的伽马峰值，而该稳定的伽马峰值将有助于辐射检测器的增益稳定，所以利用直接温度测量和从闪烁脉冲宽度的推导，可以有效地利用外部源。通过直接温度测量或者从闪烁脉冲宽度的推导出的温度测量可用于滤波器系数选择以组合增益和参数稳定化，从而进一步地改进性能。例如，通过推导出的闪烁体的温度，可以将耦合到闪烁体的SiPM的温度确定为例如直接对应，或者确定为例如通过校准过程确定的已知温度梯度的函数。
快速中子检测
中子通常以特定中子源的能量分布特性发射。例如，单能中子源包括AmBe、PuBe、RaBe和D-T发生器。遵循瓦特分布的源包括Cf-252、U-235裂变和其他源。对于工业应用来说，使用单能中子源是常见的，但是来自这些源的中子的高能量是难以检测的，这是因为相互作用的概率随着中子能量的增加而减小。图7示出了这一点并且描述了对数尺度上作为能量的函数的吸收概率。然而，通过中子散射的物理现象：质子反冲检测，检测的第二模式可用。
当中子撞击结合氢核时，如在液体闪烁体和一些聚乙烯基(PVT)型的闪烁体(例如，作为第一离散中子检测器组件的一部分)的情况下，聚合物链的刚性迫使分子振荡，分子振荡激发活性体点位(PPO、POPOP等)，活性体点位然后通过闪烁去激发。在这种碰撞的事件下，中子转移动能，而不被吸收。随后根据有效的随机角度分布散射较低能量中子。接近第一检测器组件的第二离散中子检测器组件将允许检测散射的中子的机会。事件之间的时间将为中子在两个检测器图心之间飞行的物理时间。
中子碰撞事件不引起与PVT或者液体闪烁体中的伽马根本不同的反应；从而利用质子反冲的常规的中子检测方法依赖于试图识别产生的脉冲的特性的细微差别的脉冲形状鉴别方法。这些常规的方法通常在中子能量<250keVee(当在相同尺度上考虑如电子/伽马的多个粒子类型时，末尾的ee表示“电子等价”)时失败。图8A示出了常规试验装置的问题。在图8A中，伽马和中子都可以在两个闪烁体之间的距离之间自由穿行。由于具有相似的电子响应，所以难以可靠地从伽马射线中区分中中子。图8B示出了类似的实验装置，但是在两个闪烁体之间设有高Z吸收体(铅或钨)。在图8B中，散射的伽马射线被高Z材料衰减，而中子自由传送到第二闪烁体，这允许基于符合事件(例如，对应于快速中子检测操作模式)而不是基于两个检测器组件中的脉冲形状判别的简单得多的判别过程。
当利用光电倍增管实现时，这种类型的中子检测器必须非常大，这可能会使中子散射的结果严重偏斜。随着SiPM和多通道ADC的引进，可以将这种类型的中子探测器制作得小得多、更紧凑，允许基于电子定时而不是基于脉冲形状鉴别的更好的中子-伽马鉴别。图9示出了这种设计(例如，对应于快速中子检测操作模式)的实施例的举例说明。
图9示出了根据本公开实施例的基于SiPM的辐射检测系统的框图。在图9中，高Z吸收体材料将4个PVT闪烁体在空间上隔开。SiPM或者SiPM阵列连接到每个闪烁体，信号信息被传送到一组符合检测电子设备，其可以包括一个或多个多通道ADC和FPGA。例如，ADC可适于对来自每个SiPM的信号脉冲执行同步采样，并且耦接的FPGA可适于从采样脉冲的上升时间中选出时间信息。彼此在非常小的时间窗口(例如，<10ns)发生的事件可以认为是符合的。如果SiPM具有快速定时(在阳极和二极管部之间的AC耦合信号的～4ns宽的脉冲)的能力，那么快速定时信号可直接用于甚至更小的时间窗口的时间戳。
整体的伽马-中子检测
当使用通过中子激活的瞬发伽马的原理时，通过仅检测伽马的方式而实现无需脉冲形状鉴别的伽马-中子检测(例如，对应于快速伽马-中子检测操作模式)是可能的。当中子与吸收体材料(包括氧气、钆或其他中子吸收体)相互作用时，大量特征能量的伽马可以各向同性地并同时地通过残余核去激发而发射。将中子吸收体材料置于伽马检测器的外部并且将其有策略地沿着闪烁体放置，闪烁体足够大以完全捕获发射的伽马，在数个伽马检测器之间的符合事件可以表示中子捕获事件。SiPM允许非脉冲形状判别的伽马-中子检测器实现为具有基于PMT的检测器所不具有的新颖的几何形状和绝对效率。
图10示出了根据本公开实施例的基于SiPM的辐射检测系统的框图。具体的，图10示出的系统100示出了中子检测器(例如，中子检测器1001)的一个实施例的操作。例如，入射中子1022可以进入中子吸收体材料1070并由吸收体核中的一个捕获。随着核去激励，在多个方向同时突发发射伽马1024，其中部分伽马射线被闪烁体材料吸收。该闪烁体材料可以是PVT、碘化钠或其他材料。闪烁体捕获至少部分伽马1024，并将它们转换为大量的低能量光子，SiPM收集所述低能量光子并将其传送到符合电子器件。在空间上分离的多个逻辑检测器中发生的事件将指示中子捕获事件。如果SiPM能够快速定时，则快速定时信号可用作符合电子器件所用的触发，而不需要完整的信号处理(例如，否则通常将需要快速ADC、DSP和/或FPGA电子器件)，从而提供了便宜的非光谱法中子检测。通过将数个检测器1001或者检测器阵列1001连接到共同的符合电子器件，可创建较大的中子检测器(例如，具有更高的绝对效率)。
图11示出了根据本公开实施例的基于SiPM的辐射检测系统的框图。具体的，图11示出了系统1100，其示出了中子检测器(例如，中子探测器1101)的另一个实施例的操作，该中子检测器结合了图9的检测器901和图10的检测器1001的方面(例如，对应于快速康普顿抑制伽马-中子检测操作模式)。例如，当伽马与数个逻辑检测器立即相互作用时，并且当不希望检测伽马的康普顿散射时，如图11所示，屏蔽两个逻辑检测器之间的区域是可能的。入射中子1122将进入中子吸收体材料1170并由吸收体核中的一个捕获。随着核去激励，在多个方向同时突发发射伽马1124，其中部分伽马被闪烁体材料吸收。该闪烁体材料可以是PVT、碘化钠或其他材料。闪烁体捕获至少部分伽马1124，并将它们转换为大量的低能量光子，SiPM收集所述低能量光子并将其传送到符合电子器件。在空间上分离的多个逻辑检测器中发生的事件将指示中子捕获事件。经历闪烁体内的康普顿散射的伽马将仍然在闪烁体中沉积能量，触发快速信号，但是将不大可能穿过高Z吸收体(钨、铅等)1160以及利用散射的低能量的伽马触发相邻的检测器。如图11所示，在某些实施例中，例如，入射中子1122可以首先通过屏蔽材料1172以限制或以其他方式修改中子通量能量分布，或者以屏蔽伽马或者来自检测器1101的其他电离辐射(例如，噪声源)。
利用脉冲形状判别(PSD)(例如，对应于脉冲形状伽马-中子检测操作模式)的伽马-中子检测也可以利用基于SiPM的辐射检测器。例如，能够在伽马和中子相互作用之间进行脉冲形状判别(PSD)的塑料闪烁体(聚乙烯基/PVT)可以利用SiPM阵列，从而提供对伽马和中子辐射都敏感的检测器。快中子可以在PVT中与氢原子相互作用，并产生其脉冲形状不同于由伽马相互作用产生的脉冲形状的闪烁。在某些实施例中，这种检测器可以实现为同时使用快信号和慢信号来检测脉冲形状和/或事件。利用PMT实现的类似的检测器通常不能适于同时使用快信号和慢信号。
中子光谱测量
中子光谱仪可以利用类似于图11的检测器1101的设计来实现(例如，对应于中子光谱仪操作模式)。例如，图12示出了系统1200，该系统1200示出了中子光谱仪检测器(例如，中子检测器1201)的实施例的操作，该中子光谱仪检测器可以是图11的检测器1101的修改形式。例如，检测器1201包括高Z吸收体1260，但是省略了吸收体1170和屏蔽材料1172，而是替换的包括设于逻辑检测器的堆叠平面之间的高Z屏蔽装置1262，以消除轫致辐射(例如，通过中子与材料碰撞发射的中子)的贡献并形成可能穿透堆叠中的不同深度的任何伽马。在伽马检测器的情况下，检测器1201将类似于康普顿望远镜，其中，入射伽马射1222-2和散射伽马射线1224-2表示由检测器1201中的每个逻辑检测器检测出的典型类型的准直的伽马事件。在中子检测器的情况下，检测器1201被布置为通过质子反冲相互作用获得尽可能多的有关入射中子能量的信息。在每个相互作用/事件中，中子(例如，入射中子1222-1、散射中子1224-1和1226-1)在闪烁体中沉积一些能量。后续的相互作用沉积更多的能量，并且将在时间上符合(例如，利用依赖于在检测器元件之间的飞行的中子时间的鉴别器)。符合事件的加和估计入射中子1222-1的能量，其可用于识别中子源材料(例如，可以产生中子光谱图)。
中子成像
中子成像器也可以利用类似于图11的检测器1101的设计来实现(例如，对应于中子成像操作模式)。例如，图13示出了系统1300，该系统1300示出了中子成像检测器(例如，中子检测器1301)的实施例的操作，该中子成像检测器可以是图11的检测器1101的修改形式。例如，检测器1301包括高Z吸收体1360，但是省略了吸收体1170和屏蔽材料1172，而是替换的包括高Z屏蔽装置1362，高Z屏蔽装置1362整个地包围检测器1301的有源部分，以减少伽马事件。在一些实施例中，可以将逻辑检测器布置在类似于像素化焦平面阵列的逻辑检测器的平面中。闪烁体材料对中子敏感，其中，典型的材料要求是该材料包括例如硼、锂-6或钆(例如，硼酸化PVT、锂掺杂的PVT、碘化锂或钆掺杂的铝石榴石)。
在各种实施例中，每个逻辑检测器可以适于独立动作，因此在这样的实施例中，就没有必要确定符合。耦接的电子器件从而可适于作为许多分离的计数单元而操作。例如，在一个像素中检测到的事件可以将该像素的记录加1，并且产生的像素记录的组合可以呈现为类似于从CT或X射线胶片获得的灰度图像，其中，每个像素的值对应于灰度图像中的强度。例如，中子成像可用于大结构的无损测试，并且SiPM像素阵列的使用极大的减少了获得这种成像所需的时间(例如，与中子胶片技术相比)，这同时有助于减少对成像器的操作者和/或对被成像的结构的剂量，和/或对于相同的图像细节需要较低活性的中子源，这增加了对环境/公众的安全性。
测井
闪烁辐射检测器用于石油和钻探行业，用于刻画在其中进行钻孔的大地的成分。由于钻探设备和劳动力成本非常高，保持检测器的正常运转非常重要。这样的检测器通常经受高温、大的机械冲击和大量的磁干扰，因此，常规的基于PMT的检测器相对不可靠并且经常导致停机。
如上所述，基于SiPM的辐射检测器本身坚固耐用，相对地不受电磁干，并且能承受巨大的机械和温度冲击。此外，基于SiPM的辐射检测器要紧凑得多，而且，即使当检测器的一部分出现故障时，也可以可靠地工作。例如，包括多个逻辑检测器的增益稳定的基于SiPM的辐射检测器可用作总计数器/量热计，以获得伽马能谱。如果其中的一个逻辑检测器(例如，SiPM或者耦合的闪烁体)发生故障，则关联的电子器件适于关闭/断开检测器的故障部分的电力并且利用该检测器的剩余的起作用的部分保持操作。这种操作模式可称为加固操作模式。
在基于SiPM的辐射检测器包括中子吸收闪烁体材料的实施例中，检测器可以替代对机械振动尤其敏感的基于He-3或者BF3的中子检测器管。因为如图2所示的基于SiPM的检测器的减小的尺寸，所以通常可以将独立的基于SiPM的中子和伽马检测器或者多个基于SiPM的伽马检测器放置在常规上由单个基于PMT的伽马检测器使用的相同空间内。
便携式辐射检测
如在ANSI N42.32和N42.33标准中描述的个人辐射探测器(PRD)常规上由低成本外壳中的辐射传感器、高压电源、微控制器和显示器组成。常规的PRD只能显示计数率或剂量率。检测器组件通常是盖革-米勒管或耦合到光电倍增管的闪烁体。基于SiPM的PRD比这两种常规的实现方式要小，并且不需要HV电源。在一些实施例中，闪速型(flash)ADC可用于将SiPM提供的脉冲的能量范围进行分割，以促进剂量率的能量校正。微控制器可适于聚合计数并提供显示和警报功能。闪烁体可以是NaI(Tl)、CsI(Tl)或者尺寸设计成满足针对给定应用的特定灵敏度和高端剂量率限制的其他类型的材料。
如在ANSI N42.48标准中描述的光谱学个人辐射检测器(SPRD)常规上由低成本外壳中的辐射传感器、高压电源、信号处理器和显示器组成。常规的SPRD能够显示计数率或剂量率，能够识别源放射性同位素和光谱。检测器组件通常为半导体(CZT)或耦合到光电倍增管的闪烁体。一些基于SiPM的SPRD不需要高压电源。在一些实施例中，ADC可用于获取事件信号，将获取的事件信号传送到DSP或者FPGA并由所述DSP或者FPGA处理，然后存储为能量谱。闪烁体材料(例如，NaI(Tl)、CsI(Tl)或其他)应该能够使得在662keV的能量分辨率<8.0％，以促进于核素识别。可以根据灵敏度和上剂量率/上计数率范围要求，调整阵列中的SiPM像素/芯片的数量和闪烁体的尺寸。
如在ANSI N42.34标准中描述的放射性同位素识别装置(RID)通常由外壳中的大的高分辨率的辐射传感器、高压电源、信号处理器和显示器组成。检测器组件通常是纯度锗或CZT，或耦合到光电倍增管的闪烁体。基于SiPM的RID可实现为具有先前描述的任意一个或者所有能力(例如，总计数、康普顿抑制和方向性)。闪烁体材料可以是NaI(Tl)、LaBr3(Ce)或者能够使得在662keV的能量分辨率<8.0％的其他闪烁材料。
在某些实施例中，基于SiPM的PRD、SPRD和RID可以实现为具有屏幕、LED警报器、振动马达、扬声器、GPS、信号处理电子器件、低电压便携式电源以及例如可以通常也可以在常规的智能手机发现的其他部件。在其他实施例中，基于SiPM的PRD、SPRD和RID可适于耦接到(例如，与其形成通信链路)智能手机并使用智能手机的电子器件执行警报、记录、回顾、光谱法和信号处理的各种功能。这至少部分通过组成的SiPM的相对低电压的操作来使能。基于SiPM的PRD、SPRD和RID从而可实现为依赖于外部电子器件(举例来说，例如，在常规的智能电话中发现的电子器件)以使能特定的操作模式，这使得它们的设计相对简单并且制造成本低。在进一步的实施例中，基于SiPM的PRD、SPRD和RID可实现为与便携式电子设备(例如，智能电话)集成。在各种实施例中，基于SiPM的PRD、SPRD或RID可以紧凑的实现为耦合至SiPM和偏置电压源的闪烁体。可选的，信号处理器或者其他逻辑器件可以包括在如本文所述的SiPM组件中。
在板上进行信号处理的实施例中，电子器件可以包括ADC、FPGA和/或用于管理信号处理的ASIC。检测器组件可适于与便携式电子设备(例如，智能电话)通过USB或其他有线连接，或通过蓝牙TM或其他无线连接进行通信。在使用有线连接的实施例中，检测器组件可适于利用便携式电子设备的电源，在这种情况下，检测器组件可不具有其自身的电源(例如，电池和充电电路)。在一些实施例中，便携式电子设备可适于执行软件程序以获得并解析来自检测器组件的数据，并随后显示例如剂量率、计数率、警报，回顾功能以及从来自检测器组件的数据导出的光谱识别结果。
在在耦接的便携式电子设备(例如，智能电话)上执行信号处理的实施例中，可能需要有线连接满足于特定操作模式相关的数据处理所需的数据吞吐量。检测器组件电子器件可以包括微控制器和ADC，所述微控制器用于执行稳定、调整偏置电压、以及存储和获取校准信息，所述ADC用于将来自SiPM的信号数字化。可通过有线连接将数据(数字化的信号、校准数据、和/或其他数据)传送到便携式电子设备。检测器组件可以包括或可以不包括其自身的电源。便携式电子设备可以实现为具有低级编程能力，以处理由检测器组件提供的数据以及产生能量谱和警报事件。在一些实施例中，便携式电子设备可适于显示剂量率、计数率、警报，执行回顾功能，并显示识别结果。已知的识别结果的数据库(例如，为了比较的目的)可以存储在本地，或者可以通过网络访问。
入口监视
当行人、车辆、和/或包裹通过入门或出口(例如，入口)转到相关的结构(例如，机场、港口、娱乐场所或者其他公共场所的入门/出口)，或者到包裹转运和/或邮寄处理中心或卸下时，通常有固定设置的入口监视器对其进行监视。在静止设计中使用的闪烁体的体积通常较大以使灵敏度最大。对于非光谱检测器来说，可以使用大的塑料/PVT闪烁体，这是因为它们比晶体闪烁体便宜得多；代价是光产额低并且识别保真度较差。大体积晶体闪烁体(主要是NaI(Tl))及其昂贵并且它们的最大尺寸受到物理限制。与大面积或者多个小面积的PMT相比，SiPM阵列实现起来更紧凑得多并且更便宜。
图14示出了根据本公开实施例的基于SiPM辐射检测系统的框图。具体而言，图14示出了系统1400，系统1400示出了基于SiPM的入口检测器(例如，入口检测器1480)的实施例，所述入口检测器包括多个基于SiPM的辐射检测器(例如，检测器1401)。如图14所示的检测器1401可以包括闪烁体(PVT、NaI(Tl)或者其他)、用于将闪烁体几何匹配到SiPM阵列的光导、SiPM阵列、支撑SiPM阵列并且包括应用所需的电子器件的PCB以及连接器，其中，检测器组件借助工厂校准和密封的封装安置，该封装可以安装在入口检测器1480的背板中，该背板成形为满足特定应用规定的绝对效率/灵敏度要求。
在入口检测器1480是计数入口的实施例中，PCB可以包括偏压控制器、用于稳定化的温度探头、用于能量开窗的闪速式ADC、以及用于数据处理和系统控制的微控制器。在入口检测器1480是光谱入口的实施例中，PCB可以包括偏压控制器、用于稳定化的温度探头、高速ADC，和用于进行信号处理、稳定化和数据处理的FPGA/ASIC。在这两个实施例中，背板可以包括机械阵列，由此将检测器安装在用户可维修的支架中。系统CPU适于聚合检测器阵列中的每个像素的数据，执行警报和记录功能、和/或执行识别。在一些实施例中，检测器1401可以实现为本文所描述的检测器组件(包括用于中子检测的检测器组件)的任何一个或其组合。此外，入口检测器1480内的各个检测器可由本文所述的检测器组件中的任何一个或其组合来实现。
这些实施例利用了较小、较便宜的检测器，并且将它们组合为用于容易维护的大阵列(例如，通过替换个别检测器)，从而消除了对现场服务技术人员或者非常大的检测器的就地存储的需要。另外，当其中的一个检测器1401发生故障时，入口检测器1480可以在灵敏度不明显降低并且当对检测器服务时无需迫使门户关闭的情况下，仍然能够操作。
图15示出了根据本公开实施例的基于SiPM辐射检测系统的框图。具体而言，图15示出了系统1500，系统1500示出了基于SiPM的入口检测器(例如，入口检测器1580)的实施例，所述入口检测器包括多个基于SiPM的辐射检测器(例如，检测器1501)，但是，其中大体积的闪烁体与任一端的SiPM(例如，布置在闪烁体的相对表面的一对SiPM)相配合。例如，如图所示，检测器1501可以包括任一端连接到光导以校正几何失配的大PVT闪烁体、以及SiPM阵列、PCB、偏压控制器、温度探头和耦接到每个光导的连接器。例如，系统CPU可以包括多通道ADC、和/或用于信号处理的FPGA/ASIC、以及用于数据处理的其他逻辑器件。在一些实施例中，SiPM的快速信号输出可用于时间鉴别和能量位置校正。在光从事件发生的位置传输到光接口期间，PVT会发生显著的光的自衰减。通过将任一端的SiPM的快速信号特性用作检测器内的事件位置的标识，可以校正衰减，从而在无需数字化和延迟线放大的情况下提高检测器的分辨率。在类似于图14的检测器1480的某些实施例中，入口检测器1580可以包括一个或多个检测器1501(例如，垂直地并排)。
在各种实施例中，例如，通过限制闪烁体的尺寸和/或入口检测器中的检测器的数量，图14和15所示的设计可适于实现便于个人携带的入口检测器。在其他实施例中，便于个人携带的入口检测器可实现为图16所示的单端形式。
图16示出了根据本公开实施例的基于SiPM辐射检测系统的框图。具体而言，图16示出了系统1600，系统1600示出了基于SiPM的正门检测器(例如，正门检测器1680，1682，1684)的实施例，所述正门检测器包括多个基于SiPM的辐射检测器(例如，检测器1601)。在这种形式的正门检测器中，阵列必须使重量最小，并且使灵敏度在10cm到200cm的垂直范围内最大。检测器1601可以包括闪烁体(PVT，NaI(Tl)或者其他)，光导、SiPM阵列、以及具有偏压电路的PCB、微控制器(校准参数/电压控制)以及连接器。在分布式门户检测器1680，1682，1684中，两个或更多个检测器1601(例如，1680和/或1682)可以与系统CPU 1684通信。系统CPU可以包括适于将来自每个信号检测器的信号数字化的多通道ADC、用于信号处理的FPGA/ASIC、以及用于执行和控制记录、报警、占用检查和背景稳定化的其他逻辑器件。
阿尔法(α)/贝塔(β)/伽玛(γ)检测
各个辐射事件的第一计数器是具有紧挨着辐射α源的硫化锌的简单薄片。α粒子将撞击该薄片，发射可以单独计数的离散闪光(450nm)。如图的框图1700所示，常规的闪烁体α探针由金属外壳、一些光发射器、以及用于记录光的PMT组成，其中，所述金属外壳具有由镀铝聚酯薄膜窗口(用于保护闪烁体、轻度的RF屏蔽、以及允许不透光的密封件)覆盖的ZnS(Ag)片的开口。常规检测器的物理尺寸和朝向通过PMT的使用决定。
基于SiPM的α检测器的使用允许调整检测器的尺寸、方向和灵敏度以适合特定需要。例如，图18和19分别示出了系统1800,1900，所述系统1800,1900示出了基于SiPM的α检测器1801,1901(例如，对应于α检测器操作模式)的实施例。如图18和19所示，检测器1801和1901可以包括SiPM和光扩散器。在典型的操作中，α源发射粒子，粒子穿过镀铝聚酯薄膜开口，并与硫化锌片相互作用。蓝光随后从相互作用的点各向同性的发射，其中的一部分进入硫化锌和反射器之间的空隙。通过使用保持角度不变并使发射的次数最少的光学定向的镜面反射器(铝箔，银-聚合物镜，等)，将光引导到扩散器。灯泡型光扩散器收集入射光并将引导所述入射光投向SiPM。在某些实施例中，光扩散器对于检测器的操作来说可能不是必需的，并且基于期望的最大检测范围，单个SiPM可由多个SiPM的阵列代替。
鉴于SiPM的增益非常高以及收集的光的数量低，图18-19示出的实施例将具有宽范围的灵敏度，并且γ或者β的相互作用少，这与目前技术的基于PMT的设备非常类似，但是图18-19示出的实施例的封装小的多并且便宜的多。在某些实施例中，检测器1801和/或1901可适于替代现有的基于PMT的检测器，并且SiPM的输出可以是模拟的并在现有的PMT的范围内以与现有的电子设备工作。在可替代的实施例中，通过包括电源、脉冲处理和微控制器以无论是通过电缆还是无线的将例如计数率提供到外部数据记录装置中，完整的校准可包括在每个检测器1801,1901中。
可利用被设计为对β辐射敏感而对γ辐射不那么敏感的探针来检测发射存在于污染的表面上的同位素(Sr-90/Y-90)的β射线。利用薄PVT辐射检测器，在给定的低阻抗值材料的情况下，每单位质量的γ的相互作用的概率非常低。然而，单个带电电子(例如，β粒子)的制动能力非常高。在实践中，由于很多β发射同位素的平均路径长度只有几厘米或者更小，所以这些探针通常靠近源。由两种一般类型的探针用于该检测方法：图20示出的“棒”型和图21示出的“桨”型(其中，外壳还可以包括图19所示的手柄)。
图20示出了根据本公开实施例的基于SiPM辐射检测系统的框图。具体而言，图20示出了框图2000，框图2000示出了三个“棒”型β检测器(例如，基于SiPM的β检测器2001A和2001B，以及基于PMT的β检测器2001X)。棒型检测器通常由位于用作环境光阻断器的镀铝聚酯薄膜窗口的后面的非常薄的PVT闪烁体、保护屏、以及检测器的弱RF屏蔽罩组成。在常规的检测器2001X中，PMT提供从PVT读出的光，其中，信号缓存在PCB上。插座提供接地，高电压，以及任何有源部件所需的电压。在基于SiPM的检测器2001A和2001B(例如，对应于β检测器操作模式)中，外壳非常小，不包括对PMT的磁屏蔽，并且仅需要低电压连接器。
图20示出了SiPMβ检测器的两个实施例：一个具有光导以使需要的SiPM的数量最少(2001A)，一个不具有光导(2001B)，这可基于例如光导的成本、额外的/较大SiPM芯片的成本、和/或期望的检测器的尺寸/长度，来选择是否具有光导。在这两个实施例中，β辐射将通过聚酯薄膜窗口进入到检测器，并在PVT中相互作用，并且PVT将发出由SiPM收集的蓝光。来自SiPM的信号随后将被传送回如本文所述的数据记录器。β辐射与SiPM的直接相互作用一次将仅激发几个像素，这通常在PVT/SIPM检测器组件的噪声范围内。
与棒型的操作类似，桨型提供了用于检测的更宽广的表面区域。图21示出了系统2100，系统2100示出了桨型SiPMβ检测器(例如，基于SiPM的β检测器2101)的实施例。在各种实施例中，β辐射通过聚酯薄膜窗计入到PVT中并在PVT中相互作用。由事件产生的光退出PVT，并且反射器引导光投向光扩散器。光扩散器随后将光集中到SiPM上。在某些实施例中，光扩散器对于检测器的操作来说可能不是必需的，并且基于期望的最大检测范围，单个SiPM可由多个SiPM的阵列代替。通常，PVT将还会经历一些伽马射线的相互作用，但是通过设计中使用的给长薄的PVT(例如，0.1”),可减少假阳性检测。
基于SiPM的辐射检测器也可以实现为β-γ检测器(例如，对应于β-γ检测器的操作模式)，其中，所述检测器组件包括两种类型的闪烁体，在存在一种或者另一种电离辐射类型时，每一种类型的闪烁体都被选择为闪烁。在各种实施例中，因为PVT轻，生产成本低廉，并且在很少散射γ的厚度对β粒子具有高的制动力，所以选择PVT为β型闪烁体。可基于期望的灵敏度和封装，从多个替代中选择γ型闪烁体。某些闪烁体是吸湿性的(例如，NaI(Tl)和CsI(TL))，并且需要进行特别的封装以防水，而其他闪烁体是不吸湿的(例如，GOI)，并且任何的铝石榴石闪烁体类型(例如，YAG，LuAG，GAG，GYGAG，等等，这些都统称为xAG)不需要为了气密性而进行的附加封装。
图22示出了根据本公开实施例的基于SiPM辐射检测系统的框图。具体而言，图20示出了框图2200，框图2200示出了两个“棒”型β-γ检测器(例如，基于SiPM的β-γ检测器2201A和2201B)。具有吸湿闪烁体的检测器2201A，包括气密性的封装以保护闪烁体。在一些实施例中，气密性封装实现为铝壁壳体，具有位于壳体和石英窗之间以及壳体和光导之间的气密密封。在β粒子的情况下，β进入聚酯薄膜窗口并且在PVT中相互作用。β触发的光传输通过石英窗和无机闪烁体，在光导中集中，并随后由SiPM收集。在γ粒子的情况下，γ穿过聚酯薄膜窗口，可能与PVT相互作用，但是最有可能的是通过无机闪烁体并仅在无机闪烁体中相互作用。光随后退出光导并由SiPM收集。组合的β-γ源(例如，Cs-137)将产生两方面的影响，并且在一些实施例中，结果将在读出电子设备中叠加。
具有非吸湿性闪烁体的检测器2201B不需要气密性封装，所以检测器可以做得更紧凑。在β粒子的情况下，β穿过聚酯薄膜窗口并与PVT相互作用。β触发的光随后传输通过无机闪烁体，在光导中集中，并由SiPM收集。在γ粒子的情况下，γ穿过聚酯薄膜窗口，可能与PVT相互作用，但是最有可能的是在无机闪烁体中相互作用。光随后退出光导并由SiPM收集。组合的β-γ源(例如，Cs-137)将产生两方面的影响，并且在一些实施例中，结果将在读出电子设备中叠加。对于剂量率调查工具，与X射线、γ射线和电子相关的品质因数都为1，所以任何同时进行的β和γ的检测将被报告为适当的剂量，并且将呈现与通过常规的基于PMT的手段获得的结果类似的结果。
理想情况下，对于两个闪烁体的光能级在SiPM应当相等，以允许在校准期间进行单个增益设置。然而，在某些实施例中，保持这两个闪烁体的光能级在读出电子设备的动态范围内的不同区域以使得可以通过峰值幅度的方法区别各个例子是有可能的并且是有利的。在其他实施例中，通过将来自SiPM的快速信号输出用作启动信号/触发器，并且通过将慢信号输出用作停止信号/触发器，可以区分粒子。慢信号将与通常依赖于材料的闪烁体的光输出和衰减时间成正比。例如，例如，PVT具有约为2ns的衰减时间，而NaI(Tl)具有约230ns(例如，BGO～300ns)的衰减时间。脉冲上升时间在由脉冲处理电子设备检测/数字化之后可以类似和/或不可区分，但是脉冲宽度将会非常不同。脉冲宽度与快速信号时间的比较将会给出信号类型之间的明显区别。读出电子设备(例如，ADC，FPGA，ASIC，或其他类型的逻辑器件)可以适于使用这种比较以将每个事件关联到一个或者其他闪烁体，从而提供一种用于从γ检测中区分出β检测的方法。
与β检测器的设计类似，在聚酯薄膜窗口和PVT之间增加ZnS(Ag)层将提供α和β的检测能力(例如，对应于α-β检测器操作模式)。图23示出了系统2300，系统2300示出了桨式α-β检测器(例如，基于SiPM的α-β检测器2301)。在α辐射的情况下，与仅α探针的情况类似，α粒子通过聚酯薄膜窗口并且将其能量沉积在ZnS(Ag)中。α粒子是在该层充分衰减，并且不与PVT相互作用。来自ZnS(Ag)的光传输穿过PVT，并且反射器将其引导投向扩散器，并最终由SIPM检测。在β辐射的情况下，β通过聚酯薄膜窗，并将部分能量沉积在ZnS(Ag)中，并将剩余的能量沉积在PVT中。来自ZnS(Ag)和PVT的光被反射器引导投向扩散器并最终由SiPM检测。发射α和β辐射的源(例如，钍和镭源)将同时产生两方面的影响，并且在一些实施例中，结果将在读出电子设备中叠加。
理想情况下，光能级应相等以允许对两个信号的共同增益操作。在一些实施例中，可以选择PVT材料的类型和/或厚度以调整PVT光输出和/或ZnS(Ag)光输出的透射率。通常，PVT材料和/或厚度的适当选择可以使光输出至少与幅度/事件处于相同的级别。在某些实施例中，由于具有单粒子探针，所以光扩散器对于检测器的操作来说可能不是必需的，且基于期望的最大检测范围或者计数的特定吞吐量，单个SiPM可由多个SiPM的阵列代替。
光纤检测器组件
可以通过光纤，将通过中子、γ射线、带电粒子或其他类型的电离辐射得到的闪烁光发送到系统中的一个或多个SiPM。利用SiPM实现的光纤检测器组件与PMT相比，更便宜、更小、耐机械冲击、具有增强的位置灵敏度、对磁场相对不敏感、并且更加容易的放置在大阵列中。另外，SiPM和光纤之间的耦接比光钎和常规PMT之间的耦接更容易实现。
例如，光纤检测器组件中的纤维可以传输来自外部闪烁体的闪烁光，或者可以传输来自嵌入到纤维本身内部的6LiI(Eu)闪烁体的光。图24示出了系统2400，系统2400示出了光纤检测器(例如，基于SiPM的光纤检测器2401)，其中，光纤包括嵌入的闪烁体。光纤检测器组件可用于将大量的离散的闪烁体封装(嵌入或耦接)为相对小的体积。例如，图14的正门检测器1408成形为以更容易的通过闪烁体和它们的SiPM之间的光纤耦接来实现的方式放置多个闪烁体。在另一个实施例中，如本文所述，通过增加特定体积中的离散检测器组件的数量可以改进方向性检测。
在一些实施例中，基于SiPM的光检测器可以代替一个或多个雪崩光电二极管(APD的)而使用。与APD相比，基于SiPM的光检测器对温度的敏感度降低，增益增加(例如，从APD的100-1000增益增加至SiPM的3.0E6，这允许SiPM利用较长距离上的较小信号可靠的操作)，并且以更低的电压操作。
图25示出了过程2500的流程图，以提供根据本公开的实施例的基于SiPM辐射检测。在一些实施例中，图25的操作可以实现为由用于实现基于SiPM的辐射检测系统的一个或多个逻辑器件执行的软件指令。更一般的，图25的操作可以利用软件指令、电子设备硬件(例如，电感器、电容器、放大器、或其他模拟和/或数字部件)、和/或与基于SiPM的辐射检测系统一起使用的机械硬件的任意组合来实现。应当理解的是，可以以不同于图25示出的实施例的顺序或者安排来执行任何步骤、子步骤、子过程或过程2500的块。另外，在某些实施例中，例如，可以基本上同时执行与过程2500类似的任何数量的过程，以在整个分布式检测系统中产生相变检测的多个实例。尽管参考系统100E描述了过程2500，但是过程2500可以根据不同于系统100E的系统来执行，并且可以包括对模块和/或部件的不同选择和/或可以包括不同数量的模块和/或部件。
在块2502，基于SiPM的辐射检测过程包括：从SiPM接收检测信号。例如，系统100E的逻辑器件110可适于从SiPM 104接收检测信号，以启动本文描述的操作模式和/或检测器组件中的任意一个或其组合。在某些实施例中，如本文所述，辑装置110可适于从SiPM接收快速定时信号。
在块2504，基于SiPM的辐射检测过程包括：根据SiPM的操作模式处理在块2502接收到的检测信号。例如，系统100E的逻辑器件110可适于接收选择康普顿抑制模式的用户输入(例如，从用户接口接收)，并且逻辑器件110可以随后根据应用于如本文所述的初级和次级逻辑检测器的符合标准来处理在块2502接收到的检测信号。在某些实施例中，该过程可以包括如本文所述的简单的转换为数字信号和/或累加。
在块2506，基于SiPM的辐射检测过程包括：通过在块2504根据操作模式处理的检测信号确定检测事件。例如，系统100E的逻辑器件110可适于通过忽略从次级逻辑检测器接收的基本上符合的检测信号和/或不符合的检测信号来确定检测事件，由此完成如本文所述到的康普顿抑制(或定向)的过程。在某些实施例中，所述确定可以包括：根据特定过程、得到的能量带、滤波器系数、和/或如本文所述的其他过程，忽略和/或包括检测事件。
通过提供紧凑、耐用和相对低电压的辐射检测系统，本公开的实施例比常规的基于PMT、基于APD以及基于高电阻的半导体设备提供安全装置的实质上更宽的范围和更强的监控能力。另外，因为本公开的实施例可适于根据选择性的操作模式检测辐射，所以可通过安装相对少的检测系统来提供较宽的范围，从而相对于常规的检测系统可大幅度的降低成本。
在合适的情况下，本公开提供的各种实施例可以利用硬件、软件或硬件和软件的组合来实现。同样在合适的情况下，在不背离本公开的精神的前提下，本文提出的各种硬件组件和/或软件组件可以组合为包括软件、硬件和/或二者的复合组件。在合适的情况下，在不背离本公开的精神的前提下，本文提出的各种硬件组件和/或软件组件可以分离成包括软件、硬件或二者的子组件。另外，在合适的情况下，可以预期的是软件组件可以实现为硬件组件，反之亦然。
根据本公开的软件(例如，非临时性指令、程序代码和/或数据的软件)，可以存储在一个或多个非临时性计算机可读介质中。还可以预期的是，本文提出的软件可以利用一个或多个通用或专用计算机和/或计算机系统、联网的计算机和/或以其他方式来实现。在合适的情况下，本文所描述的各个步骤的顺序可以改变、组合为复合步骤、和/或分离为子步骤，以提供本文所述的功能。
上文描述的实施例是示例性的而不是限制本发明。还应当理解的是，根据本发明的原理，可以作出许多修改和改变。因此，本发明的范围仅由下面的权利要求书限定。

Claims (20)

1.一种系统，包括：
一个或多个闪烁体；
适于从所述一个或多个闪烁体接收光的至少一个SiPM；以及
被配置为与所述至少一个SiPM通信的逻辑器件，其中，所述逻辑器件适于：
从所述至少一个SiPM接收检测信号；
将所述至少一个SiPM划分为多个逻辑检测器；
根据应用于多个逻辑检测器中的相邻逻辑检测器的符合标准处理所述检测信号；
通过忽略基本上不符合和不相邻的检测信号来从处理的检测信号确定检测事件；以及
从每对符合检测事件的能量和定时响应确定每对符合检测事件的入射角。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述逻辑检测器布置成三维阵列，并且其中每个入射角都是三维投影。
3.根据权利要求1所述的系统，进一步包括被配置为与所述逻辑器件通信的绝对方位传感器和显示器，其中，所述逻辑器件适于：
从所述方位传感器接收所述至少一个SiPM和/或所述一个或多个闪烁体的绝对方位；
利用所述绝对方位从所述入射角推导出绝对方向；以及
向所述显示器提供所述绝对方向以向用户指示所述绝对方向。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述检测信号对应于具有已知的峰值位置的已知辐射源；并且其中，所述逻辑器件适于：
通过确定与每个检测信号关联的峰值位置处理所述检测信号；
通过将处理的检测信号累加到识别光谱来确定所述检测事件；
从所述识别光谱确定累加的峰值位置；以及
对所述至少一个SiPM应用调整后的偏置电压和/或电子增益，所述至少一个SiPM将累加的峰值位置基本上对准已知的峰值位置。
5.根据权利要求4所述的系统，进一步包括适于测量所述至少一个SiPM的温度的温度传感器，并且其中，所述逻辑器件适于：
接收所述至少一个SiPM的测量的温度；以及
根据所述测量的温度修改所述调整后的偏置电压和/或电子增益。
6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述逻辑器件适于：
通过确定每个检测信号的信号特性处理所述检测信号；
从所述信号特性确定所述一个或多个闪烁体的温度；以及
根据确定的温度修改所述至少一个SiPM的调整后的偏置电压、调整后的电子增益、和/或滤波器系数，以将所述累加的峰值位置基本上对准所述已知的峰值位置。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述逻辑器件被配置为：
划分所述至少一个SiPM以形成主要逻辑检测器和辅助逻辑检测器；
根据应用于主要逻辑检测器和辅助逻辑检测器的符合标准处理所述检测信号；以及
通过忽略从所述辅助逻辑检测器接收的基本上符合的检测信号和/或不符合的检测信号来确定所述检测事件。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述逻辑器件适于：
确定所述逻辑检测器中的一个发生故障；以及
断开发生故障的逻辑检测器的电力。
9.根据权利要求1所述的系统，进一步包括低压便携式电源，其中，所述逻辑器件适于：
基于来自所述至少一个SiPM的检测信号确定计数率、剂量率、能谱、识别光谱、和/或源放射性同位素。
10.根据权利要求9所述的系统，进一步包括通信模块，其中，所述逻辑器件适于：
利用所述通信模块形成与外部个人电子设备的通信链路；以及
控制所述外部个人电子设备以确定和/或显示计数率、剂量率、识别光谱和/或源放射性同位素中的至少一个。
11.一种方法，包括：
从至少一个SiPM接收检测信号，所述至少一个SiPM适于从一个或多个闪烁体接收光；
将所述至少一个SiPM划分为多个逻辑检测器；
根据应用于相邻逻辑检测器的符合标准处理所述检测信号；
通过忽略基本上不符合和不相邻的检测信号来从处理的检测信号确定检测事件；以及
从每对符合检测事件的能量和定时响应确定每对符合检测事件的入射角。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述逻辑检测器布置成三维阵列，并且其中每个入射角都是三维投影。
13.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
从所述方位传感器接收所述至少一个SiPM和/或所述一个或多个闪烁体的绝对方位；
利用所述绝对方位从所述入射角推导出绝对方向；以及
向所述显示器提供所述绝对方向以向用户指示所述绝对方向。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述检测信号对应于具有已知的峰值位置的已知辐射源，所述方法进一步包括：
通过确定与每个检测信号关联的峰值位置处理所述检测信号；
通过将处理的检测信号累加到识别光谱来确定所述检测事件；
从所述识别光谱确定累加的峰值位置；以及
对所述至少一个SiPM应用调整后的偏置电压和/或电子增益，所述至少一个SiPM将累加的峰值位置基本上对准已知的峰值位置。
15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括：
从适于测量所述至少一个SiPM的温度的温度传感器接收测量的温度；以及
根据所述测量的温度修改所述调整后的偏置电压和/或电子增益。
16.根据权利要求14所述的方法，进一步包括：
通过确定每个检测信号的信号特性处理所述检测信号；
从所述信号特性确定所述一个或多个闪烁体的温度；以及
根据确定的温度修改所述至少一个SiPM的调整后的偏置电压、调整后的电子增益、和/或滤波器系数，以将所述累加的峰值位置基本上对准所述已知的峰值位置。
17.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
划分所述至少一个SiPM以形成主要逻辑检测器和辅助逻辑检测器；
根据应用于主要逻辑检测器和辅助逻辑检测器的符合标准处理所述检测信号；以及
通过忽略从所述辅助逻辑检测器接收的基本上符合的检测信号和/或不符合的检测信号来确定所述检测事件。
18.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
确定所述逻辑检测器中的一个发生故障；以及
断开所述发生故障的逻辑检测器的电力。
19.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
基于来自所述至少一个SiPM的检测信号确定计数率、剂量率、能谱、识别光谱、和/或源放射性同位素。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括：
利用通信模块形成与外部个人电子设备的通信链路；以及
控制所述外部个人电子设备以确定和/或显示计数率、剂量率、识别光谱和/或源放射性同位素中的至少一个。
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