CN111610550A - 一种基于二维钙钛矿的多谱闪烁探测器系统及探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于二维钙钛矿的多谱闪烁探测器系统及探测方法。其中，探测器系统由闪烁探头模块(包含二维叠层钙钛矿和光电倍增器)、电子学处理器模块和数据处理模块组成。在探测过程中，闪烁探头接收光信号并将其转化为电信号，电子学处理器对信号进行滤波降噪等过程，数据处理模块对信号作积分、校验、误差分析等步骤后输出。本发明提供的探测器系统及探测方法可降低系统成本，增大探测光谱范围及提高系统时间能量分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及辐射探测技术领域，具体涉及一种基于二维钙钛矿的多谱闪烁探测器系统及探测方法。
背景技术
辐射探测器是指利用适当的探测介质作为与粒子相互作用的物质，将粒子在探测介质中产生的电离或激发转变为各种形式的直接或间接可为人们感官所能接收的信息的辐射探测装置。辐射探测器主要分为气体电离探测器、半导体探测器和闪烁探测器三大类。其中闪烁探测器是指在光照条件下进行辐射探测能够发出荧光的一类辐射探测器，主要由闪烁体、光的收集部件和光电转换器件组成。当粒子进入闪烁体时，闪烁体的原子或分子受激而产生荧光。利用光导和反射体等光的收集部件使荧光尽量多地射到光电转换器件的光敏层上并打出光电子。这些光电子可直接或经过倍增后，由输出级收集而形成电脉冲。
闪烁晶体在一定波长的光照条件下具有闪烁发光性能，一般用来作为闪烁探测器中的探测介质。常见的用于闪烁探测器上的闪烁晶体有硅酸钇(YSO)、硅酸钇镥(LYSO)、碘化钠(NaI)、碘化铯(CsI)、锗酸铋(BGO)和溴化镧(LaBr3)等。其中，闪烁晶体LaBr3具有优异的闪烁发光性能，其发光特性为非本征发光，通过掺杂稀土离子Ce3+，来获得高光产额、高密度和快衰减特性LaBr3:Ce晶体，掺入的Ce3+离子将作为发光中心来发光。完美的闪烁发光机制是空穴和空闲电子迅速地沿着电离轨迹导致4f-5d激发到Ce3+上，并且伴随着100％效率的5d-4f发射。但是在激发和发射过程中一些缺陷在闪烁的机制中发挥着重要作用，由于价带顶端的一个空穴不稳定，该空穴会被限制在两个阴离子之中形成Br2-，并且在这个过程中还会伴随着强烈的晶格弛豫。在发光过程中，合成的Vk中心更好，这是因为它可以通过热激发从一个点跳到另一个点。同时，一个自陷激子(STE)也会因为热激发移动到中子缺陷中去。因为它是中子，所以它的迁移速度比Vk中心更快。LaBr3:Ce晶体吸收了外界的X射线或者γ射线之后，会发生复杂的交互作用，产生大量的电子-空穴对。Ce3+离子的4f-5d之间的能量的间隙约为3.4e V，处于基质晶体的禁带之中。由于其跃迁属于允许电偶极跃迁，这样就使得晶体的衰减时间特别快，所以闪烁晶体LaBr3:Ce的衰减时间为19ns。
钙钛矿材料是一类分子结构式形如ABX3的晶体材料，这类材料具有优异的光电性能，其光电转化效率可达23％以上，且由于材料价格低廉，晶体制备成本低，可广泛应用于太阳能电池、发光二极管和光电探测器等领域。其中二维钙钛矿由于其更佳的结构稳定性以及半导体性质更加可调而在光伏和光电器件中展示出显著的优越性。
由于现有闪烁晶体价格昂贵，导致探测器的材料和加工制作成本居高不下，且一些闪烁探测器可探测光谱单一，探测效率低下，因此，需要寻求一种制作成本低廉、可探测多闪烁光谱、具有高探测效率的多谱闪烁探测器。
发明内容
针对现有闪烁探测器制作成本高、探测效率低以及不能多光谱探测这一现象，本发明提供一种基于二维钙钛矿的多谱闪烁探测器系统及探测方法，在降低探测器系统成本的同时，对探测器的探测效率、探测光谱范围以及系统时间能量分辨率等有进一步提升。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种基于二维钙钛矿的多谱闪烁探测方法，包括步骤：
S1：安置一个用于检测高能粒子的闪烁探测器；
S2：将闪烁探测器中基于二维钙钛矿的闪烁探头模块对准待检测辐射场；
S3：将闪烁探头模块的信号输出端与闪烁探测器中用于对信号进行进一步处理的电子学处理器模块的信号接收端电连接；
电子学处理器模块可对来自闪烁探头的信号作进一步处理，得到波形准确、噪声较低的信号；
S4：将电子学处理器模块的信号输出端与闪烁探测器的数据处理模块的信号接收端电连接；
数据处理模块可对来自所述电子学处理器的信号做进一步整合处理，得到闪烁探测输出信号。
优选地，基于二维钙钛矿的闪烁探头模块具体通过一种二维叠层钙钛矿晶体来接收辐射场中的辐射光信号。
优选地，步骤S2所述基于二维钙钛矿的闪烁探头模块可通过光电倍增器将辐射场中的光信号转化为电信号并将电信号进行放大输出，并将电信号放大后输出至所述电子学处理器中。
优选地，二维叠层钙钛矿晶体探测辐射信号的过程包括：
辐射光子投射到二维钙钛矿晶体表面并逐渐向晶体内部运动，最终在晶体内部停留从而形成能量沉积事件；
由于光子在晶体内运动的过程中受到晶体原子的作用而发生散射效应，从而导致晶体内部多闪烁事件的出现；
晶体中的多闪烁事件通过光电倍增器进行转化传输。
优选地，步骤S3所述电子学处理器模块主要接收来自所述光电倍增器的放大电信号，并对电信号进行滤波整形和降噪等处理，最后将信号输出至所述数据处理模块。
优选地，步骤S4所述数据处理模块接收来自所述电子学处理器模块的电信号，并对电信号进行积分、校验、误差分析等步骤，最终得到闪烁探测输出信号。
优选地，所述闪烁探测输出信号包括对多闪烁事件沉积能量的位置估计信息，沉积能量是指在所述闪烁探头进行辐射探测时，辐射光子会投射到二维叠层钙钛矿晶体表面，并逐渐向晶体内部运动，最终在晶体内部停留从而形成能量沉积事件；多闪烁事件是指由于光子在二维叠层钙钛矿晶体内运动的过程中受到晶体原子的作用而发生散射效应，从而导致晶体内部多个能量沉积事件的发生，也即出现了多闪烁事件。
本发明提供一种基于二维钙钛矿的多谱闪烁探测器系统，包括：
闪烁探头模块，用于探测辐射场中的光信号并对光信号进行放大输出；
电子学处理器模块，用于对来自闪烁探头模块的信号作进一步处理；
数据处理模块，用于对来自电子学处理器模块的信号作进一步整合处理，最终得到闪烁探测输出信号；
闪烁探头模块、电子学处理器模块和数据处理模块依次通过电子学器件进行电连接。
优选地，闪烁探头模块由二维叠层钙钛矿晶体和光电倍增器经过光学耦合而形成；
二维叠层钙钛矿晶体具体为A2PbC4(A＝PEA、OA，C＝Br、I)或CsPbX3(X＝Cl、Br、I)中的一种或几种的组合。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)相较于传统型闪烁探测器使用闪烁晶体作为探测物质而言，基于二维钙钛矿的多谱闪烁探测器使用钙钛矿晶体材料，材料价格低廉，晶体制备方法简便，总体具有更低的材料和加工制作成本。
(2)二维钙钛矿相较三维钙钛矿晶体材料而言，具有良好的本征结构稳定性，不易受到水分、空气或温度的作用而发生分解，且具有优异的光电转换性能。
(3)二维钙钛矿晶体材料的组分可通过掺杂的形式来改变元素离子半径和价态，以使材料的宏观物理特性发生改变，从而实现带隙连续可调的发光光谱这一特性，进而使本发明的探测器系统及探测方法可实现多光谱闪烁探测。
(4)本发明可获得较高的时间能量分辨率，通过数据处理模块可实现对多闪烁事件沉积能量信息更精确的位置估计。
附图说明
本发明将结合附图解释说明一种基于二维钙钛矿的多谱闪烁探测器系统及其探测方法。
其中：
图1所示为本发明的多谱闪烁探测过程流程图；
图2所示为本发明的多谱闪烁探测器系统结构示意图；
图3所示为本发明多谱闪烁探测器系统的闪烁探头结构示意图。
图中：100、闪烁探头模块；110、二维叠层钙钛矿晶体；111、二维叠层钙钛矿晶体探测光信号过程；120、光电倍增器；121、光电倍增器转化并放大信号过程；200、电子学处理器模块；210、电子学处理器处理信号过程；300、数据处理模块；310、数据处理模块处理数据过程；1、二维叠层钙钛矿晶体阵列；2、光电倍增器。
具体实施方式
为了详细描述本发明的目的，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。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围；本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
如图1所示，本发明提供的一种基于二维钙钛矿的多谱闪烁探测方法，通过以事件的数据形式探测并输出转化辐射信号，再利用数据处理模块对多闪烁事件沉积能量的位置信息进行估计，具体的方法步骤为：
S1：安置一个用于检测高能粒子的闪烁探测器，其中，可检测的高能粒子包括α、β、γ、X射线及中子等。
S2：将闪烁探测器中基于二维钙钛矿的闪烁探头模块100对准待检测辐射场，其中，待检测辐射场主要是指高能粒子所发出的辐射场。
S3：将闪烁探头模块100的信号输出端与闪烁探测器中用于对信号进行进一步处理的电子学处理器模块200的信号接收端电连接，其中，闪烁探头模块100可将辐射场中的光信号转化为电信号再经放大后输出至电子学处理器模块200中。电子学处理器模块200接收到放大信号后再对其进行滤波整形和降噪等过程，在保证信号信噪比的情况下将其输出至数据处理模块300。
S4：将电子学处理器模块200的信号输出端与闪烁探测器的数据处理模块300的信号接收端电连接，其中数据处理模块300用来接收来自电子学处理器模块200的信号并对其做进一步的积分、校验、误差分析等步骤，最终将所需要的多闪烁事件能量沉积的位置估计信息呈现出来。
如图2所示，本发明的基于二维钙钛矿的多谱闪烁探测器系统，主要包括闪烁探头模块以及后续进行信号再处理的电子学处理器模块和数据处理模块三部分。
如图3所示，本发明的多谱闪烁探测器系统中的闪烁探头模块包括二维叠层钙钛矿晶体阵列1和光电倍增器2两部分，且两部分经过光学耦合组合在一起。当辐射光子进入钙钛矿晶体时，晶体的原子或分子受激而产生荧光，利用光导使荧光尽量多地射到光电倍增器的光敏层上并打出光电子，这些光电子经过倍增后由输出级收集而形成电脉冲，从而实现光信号转化为电信号的信号放大转化过程。
实施例1：
一种基于二维钙钛矿(PEA)2PbBr4(苯乙胺铅溴)的多谱闪烁探测器系统及其探测方法：
探测器系统由闪烁探头模块、电子学处理器模块和数据处理模块通过电子学器件连接组成，其中，闪烁探头由二维叠层钙钛矿(PEA)2PbBr4晶体阵列和四边环形光电倍增器经过光学耦合而形成。
探测器的探测过程如下：闪烁探头模块中的二维钙钛矿晶体(PEA)2PbBr4接收来自辐射场中的辐射信号，当辐射光子进入晶体时，晶体的原子或分子受激而产生荧光。利用光导使荧光尽量多地射到光电倍增器的光敏层上并打出光电子，这些光电子经过倍增后由输出级收集而形成电脉冲，从而实现光信号转化为电信号的信号放大转化过程。而后电信号输出至电子学处理器模块，由电子学处理器模块对信号进行滤波整形和降噪等处理过程，最终将信号输出至数据处理模块。数据处理模块接收到来自电子学处理中心的电信号后，再进行积分、校验、误差分析等步骤，最终辐射信号在晶体中形成的多闪烁事件的沉积能量以位置信息估计的形式呈现出来，从而实现整个多谱闪烁探测过程。
实施例2：
一种基于二维钙钛矿(OA)2PbI4(辛胺铅碘)的多谱闪烁探测器系统及其探测方法：
探测器系统由闪烁探头模块、电子学处理器模块和数据处理模块通过电子学器件连接组成，其中，闪烁探头由二维叠层钙钛矿(OA)2PbI4晶体阵列和四边环形光电倍增器经过光学耦合而形成。
探测器的探测过程如下：闪烁探头模块中的二维钙钛矿晶体(OA)2PbI4接收来自辐射场中的辐射信号，当辐射光子进入晶体时，晶体的原子或分子受激而产生荧光。利用光导使荧光尽量多地射到光电倍增器的光敏层上并打出光电子，这些光电子经过倍增后由输出级收集而形成电脉冲，从而实现光信号转化为电信号的信号放大转化过程。而后电信号输出至电子学处理器模块，由电子学处理器模块对信号进行滤波整形和降噪等处理过程，最终将信号输出至数据处理模块。数据处理模块接收到来自电子学处理中心的电信号后，再进行积分、校验、误差分析等步骤，最终辐射信号在晶体中形成的多闪烁事件的沉积能量以位置信息估计的形式呈现出来，从而实现整个多谱闪烁探测过程。
实施例3：
一种基于二维钙钛矿CsPbBr3(铯铅溴)的多谱闪烁探测器系统及其探测方法：
探测器系统由闪烁探头模块、电子学处理器模块和数据处理模块通过电子学器件连接组成，其中，闪烁探头由二维叠层钙钛矿CsPbBr3晶体阵列和四边环形光电倍增器经过光学耦合而形成。
探测器的探测过程如下：闪烁探头模块中的二维钙钛矿晶体CsPbBr3接收来自辐射场中的辐射信号，当辐射光子进入晶体时，晶体的原子或分子受激而产生荧光。利用光导使荧光尽量多地射到光电倍增器的光敏层上并打出光电子，这些光电子经过倍增后由输出级收集而形成电脉冲，从而实现光信号转化为电信号的信号放大转化过程。而后电信号输出至电子学处理器模块，由电子学处理器模块对信号进行滤波整形和降噪等处理过程，最终将信号输出至数据处理模块。数据处理模块接收到来自电子学处理中心的电信号后，再进行积分、校验、误差分析等步骤，最终辐射信号在晶体中形成的多闪烁事件的沉积能量以位置信息估计的形式呈现出来，从而实现整个多谱闪烁探测过程。
实施例4：
一种基于二维钙钛矿CsPbI3(铯铅溴)的多谱闪烁探测器系统及其探测方法：
探测器系统由闪烁探头模块、电子学处理器模块和数据处理模块通过电子学器件连接组成，其中，闪烁探头由二维叠层钙钛矿CsPbI3晶体阵列和四边环形光电倍增器经过光学耦合而形成。
探测器的探测过程如下：闪烁探头模块中的二维钙钛矿晶体CsPbI3接收来自辐射场中的辐射信号，当辐射光子进入晶体时，晶体的原子或分子受激而产生荧光。利用光导使荧光尽量多地射到光电倍增器的光敏层上并打出光电子，这些光电子经过倍增后由输出级收集而形成电脉冲，从而实现光信号转化为电信号的信号放大转化过程。而后电信号输出至电子学处理器模块，由电子学处理器模块对信号进行滤波整形和降噪等处理过程，最终将信号输出至数据处理模块。数据处理模块接收到来自电子学处理中心的电信号后，再进行积分、校验、误差分析等步骤，最终辐射信号在晶体中形成的多闪烁事件的沉积能量以位置信息估计的形式呈现出来，从而实现整个多谱闪烁探测过程。
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 (9)
1.一种基于二维钙钛矿的多谱闪烁探测方法，包括以下步骤：
S1：安置一个用于检测高能粒子的闪烁探测器；
S2：将所述闪烁探测器中基于二维钙钛矿的闪烁探头模块对准待检测辐射场，探测辐射场的辐射；
S3：将所述闪烁探头模块的信号输出端与所述闪烁探测器中用于对信号进行进一步处理的电子学处理器模块的信号接收端电连接；
S4：将所述电子学处理器模块的信号输出端与所述闪烁探测器的数据处理模块的信号接收端电连接。
2.根据权利要求1所述的基于二维钙钛矿的多谱闪烁探测方法，其特征在于，所述基于二维钙钛矿的闪烁探头模块具体通过一种二维叠层钙钛矿晶体来接收辐射场中的辐射光信号。
3.根据权利要求1所述的基于二维钙钛矿的多谱闪烁探测方法，其特征在于，步骤S2所述基于二维钙钛矿的闪烁探头模块可通过光电倍增器将辐射场中的光信号转化为电信号并将电信号进行放大输出，并将电信号放大后输出至所述电子学处理器中。
4.根据权利要求1所述的基于二维钙钛矿的多谱闪烁探测方法，其特征在于，二维钙钛矿晶体探测辐射信号的过程包括：
辐射光子投射到二维钙钛矿晶体表面并逐渐向晶体内部运动，最终在晶体内部停留从而形成能量沉积事件；
由于光子在晶体内运动的过程中受到晶体原子的作用而发生散射效应，从而导致晶体内部多闪烁事件的出现；
晶体中的多闪烁事件通过光电倍增器进行转化传输。
5.根据权利要求3所述的基于二维钙钛矿的多谱闪烁探测方法，其特征在于，步骤S3所述电子学处理器模块主要接收来自所述光电倍增器的放大电信号，并对电信号进行滤波整形和降噪等处理，最后将信号输出至所述数据处理模块。
6.根据权利要求1所述的基于二维钙钛矿的多谱闪烁探测方法，其特征在于，步骤S4所述数据处理模块接收来自所述电子学处理器模块的电信号，并对电信号进行积分、校验、误差分析等步骤，最终得到闪烁探测输出信号。
7.根据权利要求6所述的基于二维钙钛矿的多谱闪烁探测方法，其特征在于，所述闪烁探测输出信号包括对多闪烁事件沉积能量的位置估计信息。
8.一种基于二维钙钛矿的多谱闪烁探测器系统，其特征在于：
包括闪烁探头模块，用于探测辐射场中的光信号并对光信号进行放大输出；
电子学处理器模块，用于对来自闪烁探头模块的信号进行进一步处理；
数据处理模块，用于对来自电子学处理器模块的信号进行进一步整合处理，最终得到闪烁探测输出信号；
所述闪烁探头模块、电子学处理器模块和数据处理模块依次通过电子学器件进行电连接。
9.根据权利要求8所述的基于二维钙钛矿的多谱闪烁探测器系统，其特征在于，所述闪烁探头模块由二维叠层钙钛矿晶体和光电倍增器经过光学耦合而形成；
所述二维叠层钙钛矿晶体具体为A2PbC4(A＝PEA、OA，C＝Br、I)或CsPbX3(X＝Cl、Br、I)中的一种或几种的组合。
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