CN106405623A - 康普顿加和谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种康普顿加和谱仪，包括：主晶体；外围晶体，其设置在主晶体周围；屏蔽层，其覆盖外围晶体，并具有通向主晶体的开口；主晶体电子学系统，其耦合到主晶体；外围晶体电子学系统，其耦合到外围晶体；以及时间符合电路，其将来自主晶体电子学系统和外围晶体电子学系统的相同时间的信号相加。

Description

康普顿加和谱仪

技术领域

本发明属于射线探测领域，尤其是一种康普顿加和谱仪。

技术背景

传统的康普顿加和谱仪的结构包括一种分辨率较好的探头(如碘化钠闪烁体探头)和在其外面包裹的多个分辨率较差的探头(如塑料闪烁体探头或BGO探头)。当γ射线在碘化钠探头的主晶体边缘发生康普顿散射后一部分能量使主晶体产生荧光。几乎同时，散射光子进入BGO探头外围晶体也产生荧光。散射光子在BGO探头的独立电子学系统产生一个电脉冲，而进入主晶体的同一γ射线也在碘化钠探头的独立电子学系统中产生一个点脉冲。由于这两个电脉冲时间上几乎是同时的，利用符合电路的时间符合使两个信号都不进入用于计数的多道分析系统。也就是说，只有γ射线能量完全沉积在主晶体中外围晶体不产生信号输出时，主晶体信号才能进入多道分析系统形成一个有效的能量计数。

传统康普顿加和谱仪在降低康普顿坪的同时也遗漏了一部分有效计数。而且，康普顿加和谱仪本身立体角就比较狭小，能获得的计数有限，容易造成康普顿加和谱仪的计数统计涨落较大。因此，传统的康普顿加和谱仪对弱峰的识别能力差。特别是在工业应用的中子活化元素在线分析时，经常因计数过少造成检测结果方差过大，影响工业生产。

发明内容

针对现有技术中的问题，提出一种康普顿加和谱仪，包括：主晶体；外围晶体，其设置在主晶体周围；屏蔽层，其覆盖外围晶体，并具有通向主晶体的开口；主晶体电子学系统，其耦合到主晶体；外围晶体电子学系统，其耦合到外围晶体；以及时间符合电路，其将来自主晶体电子学系统和外围晶体电子学系统的相同时间的信号相加。

如上所述的康普顿加和谱仪，其中主晶体电子学系统和外围晶体电子学系统分别包括电连接的光电倍增管、前置放大器和信号调理电路。

如上所述的康普顿加和谱仪，其中主晶体和外围晶体各自通过光学耦合剂和光学玻璃分别耦合到主晶体电子学系统和外围晶体电子学系统的光电倍增管。

如上所述的康普顿加和谱仪，其中主晶体和外围晶体之间设有反射层。

如上所述的康普顿加和谱仪，进一步包括壳体，其容纳主晶体、外围晶体、屏蔽层、主晶体电子学系统、外围晶体电子学系统和时间符合电路。

如上所述的康普顿加和谱仪，其中主晶体为圆柱形溴化镧晶体，外围晶体为环形溴化镧晶体，外围晶体环绕主晶体；或者，主晶体为立方体溴化镧晶体，外围晶体为多个长方体溴化镧晶体，多个外围晶体围绕主晶体。

如上所述的康普顿加和谱仪，进一步包括多道分析电路，其连接到时间符合电路。

根据本发明的另一个方面，提出一种射线探测方法，包括：在主晶体接收入射的射线；将来自主晶体的光转换成第一电信号；同时，将来自外围晶体的光也转换成第二电信号；以及将相同时间的第一电信号和第二电信号相加。

如上所述的方法，进一步包括：记录第一电信号和第二点信号相加的信号；以及记录未经相加的第一点信号。

如上所述的方法，进一步包括：将来自主晶体的光转换成的电信号和来自外围晶体的光转换成的电信号分别进行放大和信号调理，转换成数字脉冲信号。

相较于普通闪烁体探测器，本发明的康普顿加和谱仪可以获得比可获得的最大晶体探测器更多的有效计数，并且因为康普顿光子和逃逸电子的重新加和回全能峰，全能峰峰谷比将有较大优化。根据本发明的优选实施例利用符合测量技术和最新的add-back技术使用新型溴化镧闪烁体探头构建的新型核辐射能谱探测器，在核衰变测量、在束谱学测量，中子活化元素分析等高精度核谱学测量中具有广泛的应用前景。

附图说明

通过下面结合附图给出的详细说明和随附的权利要求，本公开的前述特征以及其它特征将变得更加清晰。应理解的是，这些附图仅描绘了依照本公开的多个实施例，因此，不应视为对本发明范围的限制，将通过利用附图结合附加的具体描述和细节对本公开进行说明，在附图中：

图1是根据本发明的一个实施例的康普顿加和谱仪的结构示意图；

图2是根据本发明的一个实施例的康普顿加和谱仪使用圆柱形晶体的俯视示意图；

图3根据本发明的一个实施例的康普顿加和谱仪使用方形晶体的俯视示意图；以及

图4是根据本发明的一个实施例的射线探测方法示意图。

技术方案

现在，详细描述本发明的实施例，其示例在附图中表示，其中，相同的标号始终表示相同的部件。以下通过参考附图描述实施例以解释本发明。

在接下来的描述中，即使在相同的附图中，相同的附图标号用于相同的部件。在说明书中定义的内容，例如详细的构造和部件只是提供用于帮助全面理解本发明。因此，很明显，无需那些定义的内容来实现本发明。此外，由于已知功能或构造将在不必要的细节上模糊本发明，因此将不对其进行详细描述。

对于普通闪烁体探测器，闪烁体晶体的生长总有一定限度，晶体大小有一个上限，晶体边缘发生的康普顿散射和电子对效应的电子逃逸总是不可避免的。本发明的康普顿加和谱仪将由于康普顿散射和电子对效应造成的计数损失重新补充回全能峰，在康普顿加和谱仪基础上提高对全能峰的分辨率，并且进一步降低康普顿坪、反散射峰和逃逸峰。本发明的康普顿加和谱仪测量的能谱更加干净，更有利于进行后续的能谱分析。

图1是根据本发明的一个实施例的康普顿加和谱仪的结构示意图。如图1所示，康普顿加和谱仪100包括主晶体101、一个或多个外围晶体102和屏蔽层103。主晶体101可以为任意形状，优选为圆柱体或立方体。外围晶体102设在主晶体101周围。屏蔽层103覆盖外围晶体102并且不覆盖或部分覆盖主晶体101。屏蔽层103上设置有通向主晶体101的孔104，从而允许射线从孔104入射进入主晶体101而外围晶体102只能接收从主晶体101逃逸的射线，主晶体101被外围晶体102包裹，外围晶体102被环氧树脂124包裹。根据本发明的一个实施例，主晶体101和外围晶体102之间有光学耦合剂106，使从主晶体101逃逸出的射线进入外围晶体102，外围晶体102外有反射层105，如果射线在外围晶体102内形成的荧光到达外围晶体102侧壁，大部分荧光光子被反射层105反射回晶体，最终几乎所有荧光光子通过光学耦合剂106和光学玻璃107进入光电倍增管108和109的光阴极。

根据本发明的一个实施例，康普顿加和谱仪100进一步包括主晶体电子学系统和外围晶体电子学系统，用来分别定量探测进入主晶体101和外围晶体102的光子。根据本发明的一个实施例，主晶体电子学系统和外围晶体电子学系统都分别包括光电倍增管、前置放大器和信号调理电路。主晶体101和外围晶体102通过光学耦合剂106和光学玻璃107分别耦合到光电倍增管108和109的光阴极上。由此，在光电倍增管108和109上分别产生的电脉冲信号分别经过前置放大器110和111放大后，分别进入各自的信号调理电路112和113。信号调理电路112和113的输出分别连接到时间符合电路114后在进入多道分析电路115。根据本发明的一个实施例，康普顿加和谱仪100的主晶体101和外围晶体102及其各自的电子学系统都位于壳体120中。根据本发明的一个实施例，壳体120可以为金属套筒，前端有薄金属壳121后端有金属后盖122。金属后盖122中有接线孔123用以外接时间符合电路、多道分析电路和电源。壳体120、薄金属壳121、金属后盖122材质优选为铝。薄金属壳121厚度低于1mm，尽可能减少对入射射线的阻挡。

当γ射线穿过壳体120通过屏蔽层103的孔104进入探测器100后发生康普顿散射、光电效应、电子对效应等，将主晶体101的分子电离和激发。当主晶体101的分子退激时，产生4π立体角的荧光光子，最终通过光学耦合剂106和光学玻璃107进入主晶体的电子学系统。与此同时，如果γ射线入射在主晶体101的边缘，由于康普顿效应或电子对效应，部分康普顿散射光子和电子对效应产生的电子或正电子湮没形成的γ射线从主晶体101逸出进入外围晶体102产生荧光光子。如果射线在外围晶体102内形成的荧光到达外围晶体102侧壁，大部分荧光光子被反射层105反射回晶体，最终几乎所有荧光光子通过光学耦合剂106和光学玻璃107进入光电倍增管108和109的光阴极。

在主晶体101和外围晶体102产生的光子通过各自的电子学系统后，先打在各自光电倍增管108和109光阴极上形成光电子，经前置放大器110和111放大后进入信号调理电路112和113各自形成一个电子脉冲。这些电子脉冲进入时间符合电路114加和成一个电子信号，然后由多道分析电路收集形成一个能量计数。当然，如果射线能量完全沉积在主晶体101中，则主晶体内产生的光子直接由主晶体的电子学系统透明地通过时间符合电路114，进入多道分析电路115形成一个能量计数。

根据本发明的一个实施例，主晶体101可以为直径3英寸，高3英寸圆柱形溴化镧晶体，而外围晶体102为外直径6英寸，内直径3英寸，高3英寸的环形溴化镧晶体；或主晶体101为棱长3英寸立方体溴化镧晶体，外围晶体102为长6英寸，宽3英寸，高3英寸的长方体溴化镧晶体。溴化镧晶体对¹³⁷Cs能量667keV的全能峰的分辨率在3％左右，高于碘化钠晶体7％左右，是优选的方案。再具体而言，主晶体和外围晶体的材质为掺杂了5％正三价铈的整块溴化镧晶体。当然，主晶体和外围晶体都可以为碘化钠晶体；或者主晶体为碘化钠晶体而外围晶体为塑料闪烁体探头或BGO。

根据本发明的一个实施例，屏蔽层103的材质为1945年以前的老铅，使得材料本身发出的射线尽量少，降低自然本底。光学耦合剂106为硅油，而反射层为二氧化钛或氧化镁。

根据本发明的一个实施例，光电倍增管可以为打拿极型光电倍增管或MCP型光电倍增管。光电倍增管的阴极光阴极与主晶体或外围晶体的通过光学耦合剂和光学玻璃耦合。光学耦合剂和光学玻璃一起作为耦合介质将从主晶体或者外围晶体内部出射的荧光耦合到电子学系统内的光电倍增管的光阴极上。

根据本发明的一个实施例，信号调理电路将经过前置放大器放大后的信号转换为方波脉冲信号，其中方波脉冲信号的前沿反映信号的时间特性，而方波脉冲信号的幅度反映信号的强弱。信号调理电路还可以包括功率放大器。

根据本发明的一个实施例，主晶体和外围晶体的电子学系统选用相同的电子元件以保证具有相同的时间特性。信号调理电路还包括可调节的延时电路，用于保证两个电子学系统的时间特性一致。根据本发明的一个实施例，时间符合电路可以为一个加法电路，将时间特性相同的输入信号加和后输出。根据本发明的一个实施例，多道分析电路可以为多道分析仪，例如ORTEC公司的EASY-MCA-8K型多道分析仪。根据本发明的一个实施例，时间符合电路可以位于康普顿加和谱仪的壳体内，也可以位于康普顿加和谱仪的壳体外。

本发明采用了add-back技术，将在没有完全沉积在主晶体内的能量计数重新计入全能峰计数，增加了全能峰计数。在降低了康普顿坪和减少了康普顿坪对弱峰的干扰的同时，将全能峰因为电子逃逸失去的计数重新计入全能峰，减少了反散射峰逃逸峰对能谱的干扰，从而很好地解决康普顿加和谱仪计数少的问题。在本发明的优选实施例中，使用溴化镧晶体作为主晶体，大大提高了探测器的分辨率，优化了全能峰峰形，使能量较近的峰能够分离开，良好的分辨率干净的全能峰，较高的有效计数对能谱分析具有积极意义。主晶体和外围晶体的组合，使得探测器可以获得比单一最大晶体更多的有效计数，并且相较于单一晶体，因为康普顿光子和逃逸电子的重新加和回全能峰，全能峰峰谷比将有较大优化。这种溴化镧康普顿加和谱仪在核衰变测量、在束谱学测量，中子活化元素分析等高精度核谱学测量中具有广泛的应用前景。

图2是根据本发明的一个实施例的康普顿加和谱仪使用圆柱形晶体的俯视示意图。图3根据本发明的一个实施例的康普顿加和谱仪使用方形晶体的俯视示意图。如图2所示，主晶体101为圆柱体而外围晶体102为中空的圆柱体，套接在主晶体之外。如图3所示，主晶体101为立方体，侧面覆盖反射层103，四个长方体外围晶体102将主晶体101包裹起来。整个系统置于圆柱形金属壳体120内。每个外围晶体各自有一套外围晶体的电子学系统。每个外围晶体的电子学系统和主晶体的电子学系统是相同的，包括光电倍增管、前置放大器、和信号调理电路。这五套电子学系统连接到时间符合电路将信号进行相加后输出一个总的信号。

图4是根据本发明的一个实施例的射线探测方法示意图。如图4所示，探测方法400包括：在步骤410，在探测器的主晶体接收入射的射线；在步骤420，将来自主晶体的光转换成第一电信号；同时，将来自外围晶体的光也转换成第二电信号；在步骤430，将相同时间的来自主晶体的光转换成的第一电信号和来自外围晶体的光转换成的第二电信号相加；以及在步骤440，记录第一电信号和第二电信号相加的信号和来自主晶体的未经相加的第一电信号。

根据本发明的一个实施例，探测方法400进一步包括，将来自主晶体的光转换成的电信号和来自外围晶体的光转换成的电信号分别进行放大和信号调理，转换成数字脉冲信号。

Claims (10)

1.一种康普顿加和谱仪，包括：

主晶体；

外围晶体，其设置在主晶体周围；

屏蔽层，其覆盖外围晶体，并具有通向主晶体的开口；

主晶体电子学系统，其耦合到主晶体；

外围晶体电子学系统，其耦合到外围晶体；以及

时间符合电路，其将来自主晶体电子学系统和外围晶体电子学系统的相同时间的信号相加。

2.如权利要求1所述的康普顿加和谱仪，其中主晶体电子学系统和外围晶体电子学系统分别包括电连接的光电倍增管、前置放大器和信号调理电路。

3.如权利要求2所述的康普顿加和谱仪，其中主晶体和外围晶体各自通过光学耦合剂和光学玻璃分别耦合到主晶体电子学系统和外围晶体电子学系统的光电倍增管。

4.如权利要求1所述的康普顿加和谱仪，其中主晶体和外围晶体之间设有反射层。

5.如权利要求1所述的康普顿加和谱仪，进一步包括壳体，其容纳主晶体、外围晶体、屏蔽层、主晶体电子学系统、外围晶体电子学系统和时间符合电路。

6.如权利要求1所述的康普顿加和谱仪，其中主晶体为圆柱形溴化镧晶体，外围晶体为环形溴化镧晶体，外围晶体环绕主晶体；或者，主晶体为立方体溴化镧晶体，外围晶体为多个长方体溴化镧晶体，多个外围晶体围绕主晶体。

7.如权利要求1所述的康普顿加和谱仪，进一步包括多道分析电路，其连接到时间符合电路。

8.一种射线探测方法，包括：

在主晶体接收入射的射线；

将来自主晶体的光转换成第一电信号；同时，将来自外围晶体的光也转换成第二电信号；以及

将相同时间的第一电信号和第二电信号相加。

9.如权利要求8所述的方法，进一步包括：

记录第一电信号和第二点信号相加的信号；以及

记录未经相加的第一点信号。

10.如权利要求8所述的方法，进一步包括：将来自主晶体的光转换成的电信号和来自外围晶体的光转换成的电信号分别进行放大和信号调理，转换成数字脉冲信号。