CN112034505A - 一种闪烁体余辉精确测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种闪烁体余辉精确测量装置及方法，解决现有余辉测试装置存在余辉时间测量精度较低的问题。装置包括X射线屏蔽壳体、X射线发生机构、测试屏蔽壳体、探测器、时间处理单元；X射线发生机构包括光源、真空壳体、输入窗、光电阴极、聚焦极和阳极靶及光源控制电路，光源控制电路控制光源通断及向时间处理单元发送起始信号；光源外侧设有隔离密封套筒；真空壳体侧壁和X射线屏蔽壳体之间设X射线输出窗口；X射线屏蔽壳体、隔离密封套筒、真空壳体、X射线输出窗口形成腔体内充有绝缘散热介质；探测器设在测试屏蔽壳体内，用于向时间处理单元发送终止信号和获得待测闪烁体余辉的强度信息，时间处理单元用于获得待测闪烁体的余辉时间信息。
Description
技术领域
本发明涉及闪烁体余辉性能测量技术，具体涉及一种闪烁体余辉精确测量装置及方法。
背景技术
闪烁体在高能物理、石油勘探、工业检测以及医学中发挥着重要作用，它将高能射线或高能粒子的能量转化为紫外或可见光，是闪烁探测器的重要组成部分，决定了闪烁探测器的时间性能。将无机闪烁体与光电倍增管、硅光二极管或雪崩二极管耦合制成的晶体闪烁计数器，是核物理、高能物理和核医学中的一个极其重要的探测仪器。闪烁体的余辉是闪烁体的一个重要性能，例如在安检系统中余辉问题会影响成像的质量，降低图像的空间分辨率，在图像中引入模糊退化。因此，对闪烁体余辉性能进行精确测量具有重要的意义。
公开号为CN107861146A、申请号为201711428826.8的发明专利，公开了一种闪烁体的余辉测试装置。该装置中采用转动体实现对X射线的通断，具体通过射线发生器和待测闪烁体之间带有通孔的物体旋转来实现。公开号为CN110609314A、申请号为201911042918.1的发明专利，也公开了一种闪烁体的余辉测试装置，该装置中采用循环匀速转动连杆机构带动金属滑块对被测闪烁体接收射线的通断进行控制。但上述两种公开的测试装置均是测量余辉时间，以及均是采用金属机械快门来控制X射线的通断。由于机械快门的速度和精度都会受限，因此测试装置的时间分辨率不会很高，大约为毫秒量级。
发明内容
为了解决现有余辉测试装置采用金属机械快门控制X射线的通断，导致X射线的通断速度和精度受限，进而使得余辉时间测量精度较低的技术问题，本发明提供了一种闪烁体余辉精确测量装置及方法。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种闪烁体余辉精确测量装置，其特殊之处在于：包括X射线屏蔽壳体、X射线发生机构、测试屏蔽壳体、探测器、时间处理单元和计算机；
所述X射线发生机构包括设置在X射线屏蔽壳体内的光源、真空壳体、输入窗、光电阴极、聚焦极和阳极靶以及设置在X射线屏蔽壳体外的光源控制电路，光源控制电路用于控制光源通断以及向时间处理单元发送起始信号；
所述真空壳体为一端开口的筒状结构，输入窗设置在真空壳体的开口处，形成真空腔体；
所述输入窗、光电阴极、聚焦极、阳极靶沿光源的出射方向依次设置，且光电阴极设置在输入窗的内表面，聚焦极位于真空腔体内，阳极靶的末端伸出真空壳体，阳极靶的靶面倾角小于45°；
所述光源的外侧设有隔离密封套筒，隔离密封套筒的一端与X射线屏蔽壳体内壁连接，另一端与输入窗连接；
所述真空壳体侧壁和X射线屏蔽壳体之间设置有供X射线穿过的X射线输出窗口；
所述X射线屏蔽壳体内壁、隔离密封套筒侧壁、真空壳体外壁、X射线输出窗口侧壁之间形成的腔体内充有绝缘散热介质；
所述X射线屏蔽壳体和测试屏蔽壳体之间设有用于屏蔽杂散光及防止X射线泄露的准直屏蔽件；
所述探测器设置在测试屏蔽壳体内，用于获取测试屏蔽壳体内待测闪烁体经阳极靶出射的X射线照射后发出的荧光信息；所述探测器用于向时间处理单元发送终止信号，时间处理单元用于对起始信号和终止信号进行处理，获得待测闪烁体的余辉时间信息；所述探测器用于处理到达探测器的光子位置信息，获得待测闪烁体余辉的强度信息；
所述计算机与时间处理单元的输出和探测器的输出连接。
进一步地，所述时间处理单元包括时间测量模块和多道分析仪；
所述时间测量模块用于将起始信号和终止信号转化为数字信号并传输至多道分析仪，多道分析仪用于对数字信号进行处理，获得待测闪烁体的余辉时间信息并发送至计算机。
进一步地，所述探测器为基于MCP和位敏阳极的探测器，其包括微通道板和位敏阳极，微通道板最靠近位敏阳极的MCP输出端与时间测量模块连接；
所述位敏阳极用于处理光子位置信息，获得待测闪烁体余辉的强度信息并发送至计算机。
进一步地，所述X射线屏蔽壳体内设有用于检测绝缘散热介质温度的测温件。
进一步地，所述输入窗材质为石英或氟化镁或K9玻璃。
进一步地，所述光电阴极为CsI阴极或S20阴极或S25阴极或CsTe阴极或负电子亲和势阴极。
进一步地，所述聚焦极位于光电阴极和阳极靶的中间。
进一步地，所述真空壳体、输入窗和X射线输出窗口所形成的真空密闭腔的真空度小于1×10-5Pa。
进一步地，所述绝缘散热介质为绝缘散热油。
同时，本发明提供了一种基于上述闪烁体余辉精确测量装置的闪烁体余辉精确测量方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)光源控制电路控制光源输出光脉冲；并向时间处理单元发送一个时间起始信号；
2)光脉冲到达光电阴极后产生光电效应，产生电子；
3)光电阴极出射的电子在聚焦极的作用下加速聚焦到阳极靶，电子轰击阳极靶产生X射线脉冲；
4)X射线脉冲通过X射线输出窗口、准直屏蔽件进入测试屏蔽壳体内，测试屏蔽壳体内的待测闪烁体在X射线脉冲的照射下发光；
5)X射线输出脉冲关断后，探测器的MCP输出端向时间处理单元发送时间终止信号；时间处理单元将接收到的时间起始信号和从探测器得到的时间终止信号进行处理，得到待测闪烁体的余辉时间信息；
同时，探测器的位敏阳极处理到达探测器的光子位置信息，获得待测闪烁体余辉的强度信息；
6)计算机采集待测闪烁体的余辉时间信息和待测闪烁体余辉的强度信息。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明测量装置通过光源控制电路控制光源的通断，进而实现出射X射线的精确控制，使得余辉测量精度高；且X射线输出脉冲频率、输出脉冲宽度可调，且关断方便，精度高，可重复性强。
2、本发明测量装置通过光源调制的方式可以使X射线以超短脉冲(ps量级)输出，可产生任意波形形状的X射线脉冲，能够测量较短余辉时间(ns量级)的闪烁体余辉性能，相对于机械调制余辉测量装置，大大提升了测试能力。
3、现有闪烁体余辉测量装置只能测量余辉的时间信息，而本发明测量装置采用单个探测器可以同时得到闪烁体余辉的时间信息和强度信息，拓展了闪烁体余辉的可测试参数。
4、本发明测量装置相比较传统机械快门控制X射线通断的余辉测量装置，具有性能稳定、结构紧凑、携带方便、易于使用的特点。
附图说明
图1是本发明闪烁体余辉精确测量装置结构示意图；
图2是本发明闪烁体余辉精确测量装置中探测器结构示意图；
其中，附图标记如下：
1-光源控制电路，2-光源，3-隔离密封套筒，4-输入窗，5-光电阴极，6-聚焦极，7-真空壳体，8-阳极靶，9-阳极高压，10-X射线屏蔽壳体，11-X射线输出窗口，12-准直屏蔽件，13-聚焦极高压，14-待测闪烁体，15-探测器，16-探测器高压，17-时间测量模块，18-多道分析仪，19-计算机，20-测试屏蔽壳体，21-测温件，22-时间处理单元，23-带有光阴极的输入窗，24-微通道板，25-位敏阳极。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
如图1所示，一种闪烁体余辉精确测量装置，包括X射线屏蔽壳体10、X射线发生机构、测试屏蔽壳体20、探测器15和时间处理单元22；
X射线发生机构由光源2、光源控制电路11、真空壳体7、输入窗4、光电阴极5、聚焦极6、阳极靶8及X射线输出窗口11构成，光源2、真空壳体7、输入窗4、光电阴极5、聚焦极6、阳极靶8及X射线输出窗口11均位于X射线屏蔽壳体10内，光源控制电路11位于X射线屏蔽壳体10外。
真空壳体7为一端开口的筒状结构，输入窗4的一端密封连接于真空壳体7的开口处，形成真空腔体，输入窗4、光电阴极5、阳极靶8沿光源2的出射方向依次同轴设置，且光电阴极5设置在输入窗4的内表面；真空壳体7将光电阴极5、聚焦极6和阳极靶8密封在真空环境中，且阳极靶8的末端伸出真空壳体7，阳极靶8的靶面倾角小于45°，输入窗4、光电阴极5、聚焦极6、阳极靶8以及真空壳体7构成X射线管。本实施例中，阳极靶8的靶面倾角优选用12°。
真空壳体7侧壁与阳极靶8靶面相对位置开设第一X射线出口，X射线屏蔽壳体10与阳极靶8靶面相对位置开设第二X射线出口，X射线输出窗口11的两端分别与第一X射线出口、第二X射线出口密封连接。
X射线屏蔽壳体10内壁、隔离密封套筒3外壁、真空壳体7外壁、X射线输出窗口11侧壁形成的腔体内充满有绝缘散热介质，用于阳极靶8的散热和高压绝缘，本实施例中绝缘散热介质选择绝缘散热油。
光源2的外侧设有隔离密封套筒3，隔离密封套筒3的一端与X射线屏蔽壳体10内壁连接，另一端与输入窗4外壁连接，隔离密封套筒3将绝缘散热油、X射线管输入窗4及光源2隔离，保证光源2输出的光到达输入窗4的路径上不含其他介质。
光源2可为激光器或发光二极管，通过与其相配合的光源控制电路11可控制光源2输出，光源2输出脉冲宽度和输出频率可调，光源2发光波长和光电阴极5匹配选择。光源2出射光线的中心和输入窗4中心共轴，光源2位于输入窗4的外部并且保证一定的距离。
输入窗4材质可为光纤面板或石英或氟化镁或K9玻璃等高透光率材料，具体根据X射线管外部光源2发射波长和光电阴极5类型进行匹配选择。
光电阴极5可蒸镀在输入窗4内表面，光电阴极类型可为CsI阴极或S20阴极或S25阴极或CsTe阴极或负电子亲和势阴极。
聚焦极6位于光电阴极5和阳极靶8的中间，用于将光电阴极5出射的电子聚焦在阳极靶8，聚焦极6材料选用放气量小的金属，如不锈钢、可伐合金等。
阳极靶8用于接收光电阴极5出射的电子，材料可选用钨靶或钼靶等。阳极靶8靶面倾角为12°。
真空壳体7采用绝缘且放气量小的材料，如玻璃或陶瓷。
X射线输出窗口11采用原子序数较小的金属材料，如铍或铝等，厚度小于0.5mm。
输入窗4内壁、真空壳体7内壁和与X射线输出窗口11共同构成密闭的真空环境，且真空度小于10-5Pa。
光源控制电路11用于控制光源2通断，通过光源2的通断控制光电阴极的出射电子，进而能够控制X射线输出，并能够输出超短的X射线脉冲。
光源2和X射线管均位于X射线屏蔽壳体10内，X射线输出窗口11和X射线源屏蔽壳体密闭连接，确保X射线出射路径上不含绝缘散热油，X射线通过X射线输出窗口11出射后进入测试屏蔽壳体20内照射待测闪烁体14。为保证X射线管稳定工作，绝缘散热油中设置有测温件21，用于检测绝缘散热油的温度。
本实施例测量装置在测试屏蔽壳体20和X射线屏蔽壳体10之间的X射线出射光路上设置有准直屏蔽件12，测试屏蔽壳体20上设有X射线进口，准直屏蔽件12为套筒状结构，其与X射线输出窗口11的直径相适配且同轴设置，准直屏蔽件12一端连接于X射线屏蔽壳体10外壁的第二X射线出口处，另一端连接于测试屏蔽壳体20的X射线进口处；准直屏蔽件12材料可以为不锈钢或铜等高密度的材料，用于屏蔽杂散光以及防止X射线的泄露。
测试屏蔽壳体20内放置待测闪烁体14和探测器15，探测器15用于获取屏蔽壳体内待测闪烁体14经阳极靶8出射的X射线照射后发出的荧光信息。
如图2所示，探测器15采用基于MCP和位敏阳极的探测器，其结构主要由管壳壳体、带有光阴极的输入窗23、微通道板(MCP)24和位敏阳极25构成，为独立的真空密封体；微通道板(MCP)可以采用2块“V”型级联或3块“Z”型级联的方式，距离位敏阳极最近的MCP输出端引出一路信号电极，用于测试到达探测器15的光子时间信息，位敏阳极可以采用延迟线阳极或交叉条阳极，用于确定探测光子的位置信息。因此，本实施例可以通过一个探测器15同时获得闪烁体余辉的时间信息和二维强度信息。在其它实施例中，探测器15也可采用申请号201911301044.7的探测器结构或者具有快时间响应的PMT或APD或SiPM等。
光源控制电路11在用于控制光源2通断的同时，能够向时间处理单元22发送时间起始信号。探测器15的MCP输出端引出的信号电极提取到达探测器15的事件时间信息，探测器15的MCP输出端向时间处理单元22发送时间终止信号。时间处理单元22将接收到的时间起始信号和从探测器15得到的时间终止信号处理后得到闪烁体的余辉信息，时间信息的测试方法采用时间相关单光子计数方法。时间处理单元22包括时间测量模块17和多道分析仪18。
光源2发出的脉冲光照射光电阴极5发射光电子，光电阴极5出射的光电子在高压电场作用下轰击阳极靶8产生X射线，出射X射线照射闪烁体产生的荧光由探测器15探测。探测器15引出的MCP电极信号经过快速前置放大电路放大处理后进入时间测量模块17，并使时间测量模块17停止工作。这时时间测量模块17输出一个数字信号并在多道分析仪18的相应时间通道计入一个信号，表明检测到寿命为该时间的一个光子。经过多次重复以后，不同的时间通道累积下来的光子数目不同。从而得到待测闪烁体14的余辉时间性能，同时，探测器15的位敏阳极通过解码到达探测器15的光子位置信息，不断累积反演出闪烁体余辉的强度图。
本实施例测量装置还包括高压电源，用于向光电阴极5、聚焦极6、阳极靶8和探测器15提供工作时所需电压。高压电源包括位于X射线屏蔽壳体10外部的光电阴极高压、聚焦极高压13、阳极高压9，分别通过高压引线与光电阴极5、聚焦极6、阳极靶8连接，用于提供X射线管工作时光电阴极5、聚焦极6和阳极靶8所需电压；高压电源还包括位于测试屏蔽壳体20外部的探测器高压16，探测器高压16通过高压线和穿舱高压连接器与探测器15连接，用于向探测器15提供工作所需电压。
基于上述的测量装置，本实施例提供了一种闪烁体余辉精确测量方法，包括以下步骤：
1)光源2采用蓝光LED，在光源控制电路11的控制下，光源2输出较低频率的光脉冲，光脉冲间隔为100ms，光脉冲半高宽为1ns；在光脉冲关断的同时，向时间测量模块17送入一个起始信号，启动时间测量模块17开始工作；
2)光脉冲到达光电阴极5后产生光电效应发射光电子，光电阴极采用S20光阴极；
3)光电阴极出射的光电子在聚焦极的作用下加速聚焦到阳极靶8；
4)光电子到达阳极靶8的靶面，光电子在高压电场作用下轰击阳极靶8产生X射线脉冲，产生的X射线脉冲与轰击靶的电子脉冲一致；
5)产生的X射线脉冲通过X射线输出窗口11、准直屏蔽件12进入测试屏蔽壳体20，照射测试屏蔽壳体20内待测闪烁体14，待测闪烁体14在X射线脉冲的照射下产生荧光；
6)X射线输出脉冲关断后，探测器15探测到待测闪烁体荧光信息后从MCP输出端向时间测量模块17发送终止信号；
7)时间测量模块17将接收到的时间起始信号和从探测器15得到的时间终止信号转换为一个数字信号，时间测量模块17记录的时间信号进入多道分析仪18并进行处理，得到待测闪烁体14的余辉时间性能；
8)探测器15探测闪烁体余辉时间信息的同时，探测器15位敏阳极读出MCP输出电子云，通过读出电子学解码处理得到每一个光子的位置信息，经过采集时间内的积分后得到荧光的强度信息；
9)计算机19采集步骤7)输出的余辉时间性能数据和步骤8)输出的荧光的强度信息，并对采集到的数据处理，得到闪烁体余辉的时间信息和闪烁体余辉的二维强度信息。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。
Claims (10)
1.一种闪烁体余辉精确测量装置，其特征在于：包括X射线屏蔽壳体(10)、X射线发生机构、测试屏蔽壳体(20)、探测器(15)、时间处理单元(22)和计算机(19)；
所述X射线发生机构包括设置在X射线屏蔽壳体(10)内的光源(2)、真空壳体(7)、输入窗(4)、光电阴极(5)、聚焦极(6)和阳极靶(8)以及设置在X射线屏蔽壳体(10)外的光源控制电路(1)，光源控制电路(1)用于控制光源(2)通断以及向时间处理单元(22)发送起始信号；
所述真空壳体(7)为一端开口的筒状结构，输入窗(4)设置在真空壳体(7)的开口处，形成真空腔体；
所述输入窗(4)、光电阴极(5)、聚焦极(6)、阳极靶(8)沿光源(2)的出射方向依次设置，且光电阴极(5)设置在输入窗(4)的内表面，阳极靶(8)的末端伸出真空壳体(7)，阳极靶(8)的靶面倾角小于45°；
所述光源(2)的外侧设有隔离密封套筒(3)，隔离密封套筒(3)的一端与X射线屏蔽壳体(10)内壁连接，另一端与输入窗(4)连接；
所述真空壳体(7)侧壁和X射线屏蔽壳体(10)之间设置有供X射线穿过的X射线输出窗口(11)；
所述X射线屏蔽壳体(10)内壁、隔离密封套筒(3)侧壁、真空壳体(7)外壁、X射线输出窗口(11)侧壁之间形成的腔体内充有绝缘散热介质；
所述X射线屏蔽壳体(10)和测试屏蔽壳体(20)之间设有用于屏蔽杂散光及防止X射线泄露的准直屏蔽件(12)；
所述探测器(15)设置在测试屏蔽壳体(20)内，用于获取测试屏蔽壳体(20)内待测闪烁体(14)经阳极靶(8)出射的X射线照射后发出的荧光信息；所述探测器(15)用于向时间处理单元(22)发送终止信号，时间处理单元(22)用于对起始信号和终止信号进行处理，获得待测闪烁体(14)的余辉时间信息；所述探测器(15)用于处理到达探测器(15)的光子位置信息，获得待测闪烁体(14)余辉的强度信息；
所述计算机(19)与时间处理单元(22)的输出和探测器(15)的输出连接。
2.根据权利要求1所述闪烁体余辉精确测量装置，其特征在于：所述时间处理单元(22)包括时间测量模块(17)和多道分析仪(18)；
所述时间测量模块(17)用于将起始信号和终止信号转化为数字信号并传输至多道分析仪(18)，多道分析仪(18)用于对数字信号进行处理，获得待测闪烁体(14)的余辉时间信息并发送至计算机(19)。
3.根据权利要求2所述闪烁体余辉精确测量装置，其特征在于：所述探测器(15)为基于MCP和位敏阳极的探测器，其包括微通道板(24)和位敏阳极(25)，微通道板(24)最靠近位敏阳极的MCP输出端与时间测量模块(17)连接；
所述位敏阳极(25)用于处理光子位置信息，获得待测闪烁体(14)余辉的强度信息并发送至计算机(19)。
4.根据权利要1至3任一所述闪烁体余辉精确测量装置，其特征在于：所述X射线屏蔽壳体(10)内设有用于检测绝缘散热介质温度的测温件(21)。
5.根据权利要4所述闪烁体余辉精确测量装置，其特征在于：所述输入窗(4)材质为石英或氟化镁或K9玻璃。
6.根据权利要5所述闪烁体余辉精确测量装置，其特征在于：所述光电阴极(5)为CsI阴极或S20阴极或S25阴极或CsTe阴极或负电子亲和势阴极。
7.根据权利要1所述闪烁体余辉精确测量装置，其特征在于：所述聚焦极(6)位于光电阴极(5)和阳极靶(8)的中间。
8.根据权利要1所述闪烁体余辉精确测量装置，其特征在于：所述真空壳体(7)、输入窗(4)和X射线输出窗口(11)所形成的真空密闭腔真空度小于1×10-5Pa。
9.根据权利要求1所述闪烁体余辉精确测量装置，其特征在于：所述绝缘散热介质为绝缘散热油。
10.一种基于权利要求1至9任一所述闪烁体余辉精确测量装置的闪烁体余辉精确测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)光源控制电路(1)控制光源(2)输出光脉冲；并向时间处理单元(22)发送一个时间起始信号；
2)光脉冲到达光电阴极(5)后产生电子；
3)光电阴极(5)出射的电子在聚焦极(6)的作用下加速聚焦到阳极靶(8)，电子轰击阳极靶(8)产生X射线脉冲；
4)X射线脉冲通过X射线输出窗口(11)、准直屏蔽件(12)进入测试屏蔽壳体(20)内，测试屏蔽壳体(20)内的待测闪烁体(14)在X射线脉冲的照射下发光；
5)X射线输出脉冲关断后，探测器(15)的MCP输出端向时间处理单元(22)发送时间终止信号；时间处理单元(22)对接收到的时间起始信号和从探测器(15)得到的时间终止信号进行处理，得到待测闪烁体(14)的余辉时间信息；
同时，探测器(15)的位敏阳极(25)处理到达探测器(15)的光子位置信息，获得待测闪烁体(14)余辉的强度信息；
6)计算机(19)采集待测闪烁体(14)的余辉时间信息和待测闪烁体(14)余辉的强度信息。
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