CN109828297A - 一种多重粒子事件的检测方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多重粒子事件的检测方法，属于高能物理、光电信号处理和核检测领域，一种多重粒子事件的检测方法包括步骤：安置偶数个用于检测单粒子的闪烁探测器，并保持闪烁探测器之间的互斥关系，当多重粒子事件的不同属性满足触发条件时，符合处理电路输出触发信号，触发信号反馈至后端电路的传输接口，使后端电路开始进行计数或者进行其他事件处理动作，闪烁探测器继续以自由在线运行接收粒子。一种多重粒子事件的检测装置，包括单检测单元安置模块、粒子检测器模块、多事例时间符合模块、以及多重粒子事件信号读出模块，本发明的多重粒子事件的检测方法与装置，通过数字化设计使获得的信号束具有更强的容错性和稳定性，系统的抗干扰能力更强。

Description

一种多重粒子事件的检测方法与装置

技术领域

本发明属于高能物理、光电信号处理和核检测领域，尤其涉及一种多重粒子事件的检测方法与装置。

背景技术

粒子是指能够以自由状态存在的最小物质组成部分。最早发现的粒子是原子、电子和质子，1932年又发现中子，确认原子由电子、质子和中子组成，它们比起原子来是更为基本的物质组分，于是称之为基本粒子。以后这类粒子发现越来越多，累计已超过几百种，且还有不断增多的趋势；此外这些粒子中有些粒子迄今的实验尚未发现其有内部结构，有些粒子实验显示具有明显的内部结构。看来这些粒子并不属于同一层次，因此基本粒子一词已成为历史，如今统称为粒子。粒子并不是像中子、质子等实际存在的具体的物质，而是它们的统称，是一种模型理念。

核物理中有许多同时发生或在短时间间隔内发生并有内在因果联系的相关事件称为符合事件。测量符合事件的电子学系统称为符合系统。相反的，有些测量要排除符合事件，这种系统称为反符合系统。这些系统主要由一组射线探测器并接到符合电路或反符合电路的输入端组成。两个并列的探测器所组成的两重符合，更多的则分别组成三重、四重等等多重符合系统。

在某些阻滞型的检测器中，一个高能粒子会在多个检测器单元内沉积能量，只有依次按先后顺序在几个检测器单元内沉积能量的粒子被选中，这种选通单粒子事件的方法也是通过时间符合来完成的。采用这种选通单事件的方式，极大地增加了系统抵御背景计数的能力，同时赋予了这种系统辨识方向的能力。

因此，针对上述技术问题，有必要针对能够获取的单光子多维信息，提供一种新的多重粒子事件的检测方法与装置，以克服上述缺陷。全面检测同时具有9N维信息的多重粒子事件。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提出一种多重粒子事件的检测方法与装置，通过数字化设计使获得的信号束具有更强的容错性和稳定性，系统的抗干扰能力更强。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种多重粒子事件的检测方法，包括步骤：

S1：安置偶数个用于检测单粒子的闪烁探测器；

S2：将闪烁探测器对准待检测区域，并保持闪烁探测器之间的互斥关系；

S3：将闪烁探测器的信号输出端与设定有多重粒子事件的触发条件的符合处理电路的输入端电连接；

符合处理电路对闪烁探测器输入的信号进行处理，判定多重粒子事件的不同属性是否满足触发条件，当多重粒子事件的不同属性满足触发条件时，符合处理电路的输出端输出多重粒子事件的触发信号；

S4：符合处理电路的输出端将触发信号反馈至后端电路的传输接口，使后端电路开始进行计数或者进行其他事件处理动作，闪烁探测器继续以自由在线运行接收粒子。

本发明优选地技术方案在于，多重粒子事件的触发条件是指多重粒子的能量信息符合，并且到达时间信息符合。

本发明优选地技术方案在于，符合处理电路采用符合探测的方式对光子进行检测；

符合探测是指闪烁探测器在预设的时间阈值内探测到两个互成180°的光子形成的符合线。

本发明优选地技术方案在于，步骤S4的后端电路计数是采用光子计数的方式。

本发明优选地技术方案在于，一次衰变事件产生的多个粒子中的单粒子被闪烁探测器检测到时，闪烁探测器记录其属性，其属性的集合是多重粒子事件中单粒子的检测单元属性集，该集合包含时间、动量、能量、位置、波长、偏振、脉冲样本中的一种或者几种。

本发明优选地技术方案在于，步骤S2中的闪烁探测器之间的互斥关系是每个闪烁探测器只与另一个唯一的闪烁探测器构成探测器对。

本发明优选地技术方案在于，利用选通单粒子事件进行符合判断的方式判断单独的多重粒子事件是否从属于同一个多重粒子事件。

本发明还提供一种多重粒子事件的检测装置，包括单检测单元安置模块，用于将多个检测器放置在光子经过的位置，并通过仿真实验，优化位置的选定，粒子检测器模块，以多视角的方式实现对单粒子的检测，粒子检测器模块的输入端与单检测单元安置模块的输出端相连，多事例时间符合模块，用于判断多光子事件是否属于一次多重粒子事件，判断的标准是在短时间窗内有多个单光子事件，多事例时间符合模块的输入端与粒子检测器模块的输出端相连，多重粒子事件信号读出模块，用于检测选通信号，读出感兴趣的其他信息，多重粒子事件信号读出模块的输入端与多事例时间符合模块的输出端相连。

本发明优选地技术方案在于，多事例时间符合模块包括时间窗模块、以及能量窗模块，时间窗模块的输入端与粒子检测器模块的输出端相连，时间窗模块的输出端与多重粒子事件信号读出模块的输入端相连，能量窗模块的输入端与粒子检测器模块的输出端相连，能量窗模块的输出端与多重粒子事件信号读出模块的输入端相连。

本发明优选地技术方案在于，时间窗模块包括生成模块、及作用模块，生成模块的输出端与作用模块的输入端相连。

本发明的有益效果为：

(1)通过数字化设计使获得的信号束具有更强的容错性和稳定性，系统的抗干扰能力更强。

(2)降低了设计成本，减少了系统的环节数目。

(3)系统的模块化程度更高，便于进行更改升级和矫正。

附图说明

图1是本发明多重粒子事件的检测方法的流程图；

图2是本发明多重粒子事件的检测装置的框图。

图中：

100、单检测单元安置模块；110、避光几何机构模块；120、弱源模块；130、射源支撑模块；140、射源动力学模块；200、粒子检测器模块；210、高能粒子转换模块；220、光子计数模块；230、光电倍增器模块；240、电转换模块；300、多事例时间符合模块；310、时间窗模块；311、生成模块；312、作用模块；320、能量窗模块；400、多重粒子事件信号读出模块；410、计数模块；420、重排显示模块。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明提供的一种多重粒子事件的检测方法，通过以事件的数据形式采集单光子信号，再利用时间符合选判多重粒子事件，采样其他相关信息，具体的方法步骤为：

S1：安置偶数个用于检测单粒子的闪烁探测器，其中，单粒子是指多重粒子事件中产生的一个粒子，与其他粒子事件独立。闪烁探测器包括闪烁晶体、光电转换器件、以及读出电子学模块，其中，闪烁晶体把伽马光子转换成可见光和软紫外光光子，光电转换器件把光信号转化为模拟电信号，读出电子学模块从模拟的电脉冲信号抽取事件的信息。光电转换器件是快速响应型，闪烁探测器具有探测效率高，时间分辨率好，能在常温下工作的优点。

S2：将闪烁探测器对准待检测区域，并保持闪烁探测器之间的互斥关系，其中，待检测区域是指发出高能粒子的区域，如正电子放射性核素湮灭产生伽马光子区域，闪烁探测器之间的互斥关系是每个闪烁探测器只与另一个唯一的闪烁探测器构成探测器对。

S3：将闪烁探测器的信号输出端与设定有多重粒子事件的触发条件的符合处理电路的输入端电连接，符合处理电路对闪烁探测器输入的信号进行处理，判定多重粒子事件的不同属性是否满足触发条件，当多重粒子事件的不同属性满足触发条件时，符合处理电路的输出端输出多重粒子事件的触发信号，其中，符合处理电路采用符合探测的方式对光子进行检测，符合探测是指闪烁探测器在预设的时间阈值内探测到两个互成180°的光子形成的符合线，多重粒子事件是指作为原因导致较短时间内伴随着多个单事件可以被检测到或者有概率地检测到的原始事件，多重粒子事件的触发条件是指多重粒子的能量信息符合，并且到达时间信息符合，时间信息符合是指多个单光子事件，在很短的时间内发生，具体的，多个单光子事件不少于6个，很短的时间内可以但不限于20ns，即认为这多个事件的时间信息满足时间触发条件，具体的，能量信息符合是指两个单伽马光子闪烁事件的能量值在伽马光子能谱的全能峰能窗内的事件，全能峰能窗可以但不限于471-551keV，

S4：符合处理电路的输出端将触发信号反馈至后端电路的传输接口，使后端电路开始进行计数或者进行其他事件处理动作，闪烁探测器继续以自由在线运行接收粒子。其中，处理动作包括检测位置、检测能量、检测角度等其他信息，多重粒子事件发生的位置是指导致多个粒子发生的原始事件的位置，后端电路计数是采用光子计数的方式。

本发明中，所要检测的事件是一次产生若干个单粒子的衰变事件，一次衰变事件产生的多个粒子中的单粒子被闪烁探测器检测到时，闪烁探测器记录其属性，其属性的集合是多重粒子事件中单粒子的检测单元属性集，该集合包含时间、动量、能量、位置、波长、偏振、脉冲样本中的一种或者几种。并且利用选通单粒子事件进行符合判断的方式判断单独的多重粒子事件是否从属于同一个多重粒子事件。

如图2所示，本发明提供的一种多重粒子事件的检测装置，包括单检测单元安置模块100，用于将多个检测器放置在光子经过的位置，并通过仿真实验，优化位置的选定，其中，单检测单元安置模块100包括避光几何机构模块110、弱源模块120、射源支撑模块130、以及射源动力学模块140，具体的，避光几何机构模块110用于对检测器进行避光封装，保证检测器完全处于无光照状态，弱源模块120用于提供微弱光辐照，并输出给粒子检测器模块200，射源支撑模块130用于支撑提供光照的射源，射源动力学模块140用于给射源移动提供动力，使射源照射不同的位置。

粒子检测器模块200，以多视角的方式实现对单粒子的检测，粒子检测器模块200的输入端与单检测单元安置模块100的输出端相连，粒子检测器模块200的设计采用孔状的检测几何和单光子响应时间较快的光电器件，用以检测单个N粒子事件的角度、时间(N-D)、位置(3N-D)、动量(3N-D)共9N维信息，其中，粒子检测器模块200包括高能粒子转换模块210、光子计数模块220、光电倍增器模块230、以及电转换模块240，具体的，高能粒子转换模块210用于吸收伽马光子，并把一个伽马光子的能量转化为一簇可见光或软紫外光光子，光子计数模块220用于对由高能粒子转换模块210得到的可见光和软紫外光光子进行计数，光电倍增器模块230，用于将可见光和软紫外光光子的能量吸收，经过光电转换与电子倍增，得到放大后的电信号输出给电转换模块240，电转换模块240对光电倍增器模块230输出的电信号进行前置放大处理，并进行模数转换，将模拟信号转换为数字信号，然后将数字化的闪烁脉冲输出给多事例时间符合模块300，通过电转换模块240进行数字化处理，数字信号相对于模拟信号具有较强的抗干扰性，提高系统稳定性和容错性，由于高采样率需要非常多的昂贵的芯片，采用数字化方法避免了高采样率，减少系统的环节数目，大大降低了成本。

多事例时间符合模块300，用于判断多光子事件是否属于一次多重粒子事件，判断的标准是在短时间窗内有多个单光子事件，多事例时间符合模块300的输入端与粒子检测器模块200的输出端相连，其中，较短时间窗可以但不限于6ns，多个单光子事件不少于200个，多事例时间符合模块300包括时间窗模块310、以及能量窗模块320，时间窗模块310的输入端与粒子检测器模块200的输出端相连，时间窗模块310的输出端与多重粒子事件信号读出模块400的输入端相连，能量窗模块320的输入端与粒子检测器模块200的输出端相连，能量窗模块320的输出端与多重粒子事件信号读出模块400的输入端相连，时间窗模块310包括生成模块311、及作用模块312，生成模块311的输出端与作用模块312的输入端相连，具体的，生成模块311用于计算得到的闪烁脉冲的时间差，设置合理的时间窗，并输出给作用模块312，作用模块312将时间差处于时间窗外的事件剔除，能量窗模块320对各闪烁脉冲进行积分计算得到其能量，根据能量分布设置能量窗，把能量值处于能窗外的事件滤除，时间窗与能量窗的设置因系统性能不同而异。

多重粒子事件信号读出模块400，用于检测选通信号，读出感兴趣的其他信息，多重粒子事件信号读出模块400的输入端与多事例时间符合模块300的输出端相连，其中其他信息为角度信息、时间信息、位置信息、以及动量信息等，具体的，多重粒子事件信号读出模块400包括计数模块410、及重排显示模块420，计数模块410用于对时间信息和能量信息都符合的多重粒子事件进行计数，重排显示模块420对符合的多重粒子事件进行重排，显示感兴趣的其他信息，例如角度、时间、位置、动量等。

从上述技术方案可以看出，各处理部分都模块化处理，调试时根据问题直接找出相应模块，对模块进行修正，易于修改校正，且节省元器件，进而降低造价成本。

结合图1及图2，通过几个具体的实施例，对本发明的多重粒子事件的检测方法与装置做进一步描述。本发明提出的多重粒子事件的检测方法与装置，其涉及到的参数、检测几何设计、时间符合处理需要根据与获取数据的特点进行调节以达到良好的时间分辨性能和较短的脉冲持续时间。此处列出所涉及的应用实施例处理数据的参数。

实例1：

此处列出本实施例处理数据的参数：

步骤(1)所用的实际装置为使用暗箱尺寸为1.6m×1.5m×1.5m。射源为多个能峰的正电子湮灭伽马光子60Co；

步骤(2)采用蓝光增强的硅光电倍增管，检测器采用环状结构；

步骤(3)符合时间约为2ns，符合判断采用离线式的时间符合处理；

步骤(4)搜集信息包含前50个粒子的时间、能量和位置信息。

实例2：

此处列出本应用实例2处理数据的参数：

步骤(1)所用的实际装置为使用暗箱尺寸为1.5m×1.6m×1.6m。射源为511kev的124I-NaI；

步骤(2)采用红光增强的光电倍增管，检测器采用平板结构；

步骤(3)符合时间约为10ns，符合判断采用在线式的时间符合处理，符合时采用级联判选，共100个粒子；

步骤(4)搜集信息包含所有100个粒子的时间、能量、角度和位置信息。

本发明的多重粒子事件的检测方法与装置可以用于辐射带电微粒的核技术，包括核检测、核分析、核医学仪器。

本发明的多重粒子事件的检测方法与装置能有效抵御无关粒子进入影响，特别适合于成像系统中的粒子选判和诊断系统中的粒子甄别。

本发明是通过优选实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本申请的权利要求内的实施例都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种多重粒子事件的检测方法，其特征在于：包括步骤：

S1：安置偶数个用于检测单粒子的闪烁探测器；

S2：将所述闪烁探测器对准待检测区域，并保持所述闪烁探测器之间的互斥关系；

S3：将所述闪烁探测器的信号输出端与设定有多重粒子事件的触发条件的符合处理电路的输入端电连接；

所述符合处理电路对所述闪烁探测器输入的信号进行处理，判定所述多重粒子事件的不同属性是否满足所述触发条件，当所述多重粒子事件的不同属性满足所述触发条件时，所述符合处理电路的输出端输出所述多重粒子事件的触发信号；

S4：所述符合处理电路的输出端将所述触发信号反馈至后端电路的传输接口，使所述后端电路开始进行计数或者进行其他事件处理动作，所述闪烁探测器继续以自由在线运行接收粒子。

2.根据权利要求1所述的多重粒子事件的检测方法，其特征在于：

所述多重粒子事件的触发条件是指多重粒子的能量信息符合，并且到达时间信息符合。

3.根据权利要求1所述的多重粒子事件的检测方法，其特征在于：

所述符合处理电路采用符合探测的方式对光子进行检测；

所述符合探测是指所述闪烁探测器在预设的时间阈值内探测到两个互成180°的光子形成的符合线。

4.根据权利要求1所述的多重粒子事件的检测方法，其特征在于：

所述步骤S4的后端电路计数是采用光子计数的方式。

5.根据权利要求1所述的多重粒子事件的检测方法，其特征在于：

一次衰变事件产生的多个粒子中的单粒子被所述闪烁探测器检测到时，所述闪烁探测器记录其属性，其属性的集合是多重粒子事件中单粒子的检测单元属性集，该集合包含时间、动量、能量、位置、波长、偏振、脉冲样本中的一种或者几种。

6.根据权利要求1所述的多重粒子事件的检测方法，其特征在于：

所述步骤S2中的所述闪烁探测器之间的互斥关系是每个所述闪烁探测器只与另一个唯一的所述闪烁探测器构成探测器对。

7.根据权利要求1所述的多重粒子事件的检测方法，其特征在于：

利用选通单粒子事件进行符合判断的方式判断单独的多重粒子事件是否从属于同一个多重粒子事件。

8.一种多重粒子事件的检测装置，其特征在于：

包括单检测单元安置模块(100)，用于将多个检测器放置在光子经过的位置，并通过仿真实验，优化位置的选定；

粒子检测器模块(200)，以多视角的方式实现对单粒子的检测，所述粒子检测器模块(200)的输入端与所述单检测单元安置模块(100)的输出端相连；

多事例时间符合模块(300)，用于判断多光子事件是否属于一次多重粒子事件，判断的标准是在短时间窗内有多个单光子事件，所述多事例时间符合模块(300)的输入端与所述粒子检测器模块(200)的输出端相连；

多重粒子事件信号读出模块(400)，用于检测选通信号，读出感兴趣的其他信息，所述多重粒子事件信号读出模块(400)的输入端与所述多事例时间符合模块(300)的输出端相连。

9.根据权利要求8所述的多重粒子事件的检测装置，其特征在于：

所述多事例时间符合模块(300)包括时间窗模块(310)、以及能量窗模块(320)；

所述时间窗模块(310)的输入端与所述粒子检测器模块(200)的输出端相连，所述时间窗模块(310)的输出端与所述多重粒子事件信号读出模块(400)的输入端相连；

所述能量窗模块(320)的输入端与所述粒子检测器模块(200)的输出端相连，所述能量窗模块(320)的输出端与所述多重粒子事件信号读出模块(400)的输入端相连。

10.根据权利要求9所述的多重粒子事件的检测装置，其特征在于：

所述时间窗模块(310)包括生成模块(311)、及作用模块(312)；

所述生成模块(311)的输出端与所述作用模块(312)的输入端相连。