CN112415620A - 伽马射线探测装置及系统 - Google Patents

Abstract

本公开实施例提出了一种伽马射线探测装置及系统，所述装置包括：探测器，设置为接收伽马射线，并将接收到的伽马射线转换为可见光光子，将可见光光子转换为第一电脉冲信号，并对所述第一电脉冲信号进行采样，得到采样数据；第一控制器，设置为接收所述采样数据，并将采样数据还原成离散脉冲信号，根据所述离散脉冲信号获取第二电脉冲信号。其中，所述探测器包括高速闪烁晶体；所述高速闪烁晶体，设置为接收伽马射线，并将所述伽马射线转换为可见光光子；其中，所述高速闪烁晶体为相对于碘化钠闪烁晶体的光输出不低于120％、衰减时间不高于100ns的闪烁晶体。

Description

伽马射线探测装置及系统

技术领域

本公开涉及地质资源勘探领域，尤其涉及一种伽马射线探测装置及系统。

背景技术

测井技术是石油勘探领域一种非常重要的技术手段，其通过电学、声学、放射学等多种方式，将电子技术和计算机技术结合在一起获取地层的各项物理参数，进一步通过数据解析获取油气信息。常见的测井技术包括电法测井、声波测井、核测井和核磁测井等，其中，核测井以物质的原子核物理性质为基础，根据岩石及其孔隙流体和井内介质的核物理性质研究钻井地质剖面，寻找煤、石油等矿藏，核测井包括自然伽马、密度、中子和地层元素等测井技术及配套的仪器设备。

在中子测井中，通常采用镅铍(AmBe)中子源和中子发生器作为激励源，使其与地层反应，得到返回的高能射线，比如伽马射线，进一步使用高能射线探测器探测返回的射线信息，经过进一步的数据解析可以获取相应的地层信息。一般而言，高能射线探测器使用闪烁晶体探测器。为了将高能射线转换为便于解析处理的电信号，通常采用闪烁晶体(或称为闪烁晶体)将高能射线转换为可见光，采用光电倍增管件将可见光转换为电信号，继而对电信号进行采样解析。常用的闪烁晶体包括碘化铯，碘化钠等闪烁晶体，常见的光电倍增管件包括光电倍增管(PMT)以及硅光电倍增管(SiPM)。首先，现有技术中使用的闪烁晶体多为碘化铯、碘化钠，二者的相对光输出约为85％、100％，与溴化镧闪烁晶体的相对光输出值178％左右相较而言较低，低光输出直接导致碘化钠和碘化铯等闪烁晶体探测器的能量分辨率性能弱于溴化镧闪烁晶体探测器；二者的衰减时间约为250ns、600ns，相比溴化镧闪烁晶体的衰减时间约18ns而言较长。现有技术中的闪烁晶体能够在低伽马射线剂量率(比如剂量率低于1mGy/h)下探测，但难以胜任高剂量伽马射线剂量率(比如剂量率大于1mGy/h)下的探测任务。其次，中子石油测井应用中需要分析中子发射出后短时间(5ms周期)内的射线能谱和计数谱，需要对辐射脉冲信号进行高速的数字化和分析。传统比较常见的数字化方法有两种，第一种是高速ADC直接数字化的方法，其需要首先对电脉冲信号信号进行整形展宽，然后再使用高速ADC(1GSps)进行数字化采样，然而，工程化实践中数字化一个脉冲想要获得比较准确的能量信息需要至少采集20个采样点，同时在高温(175℃)条件下工作的ADC芯片的采样率性能通常不是很高，并且成本很高，因此无法完成高速闪烁晶体脉冲信号的数字化，使其较难应用于石油测井中；第二种是峰值保持法，使用峰值保持电路将电脉冲信号的幅值锁定，然后使用ADC采集幅值，以获取脉冲的能量信息，峰值保持法虽然可以处理高速闪烁晶体的脉冲，但由于其存在峰值保持锁定建立及峰值保持电路恢复过程，其死时间很长，通常会达到几百微秒级别，这极度的限制了数字化部分的脉冲通过率(单位时间内处理脉冲的数量)，在石油测井中，脉冲事件的数量经常会爆发式的增长，常见的中子石油测井中，脉冲数量会达到100KCPS，平均每10us就会产生一个脉冲，峰值保持法的死时间会使数字化过程丢失很多脉冲信号，从而引起测量结果偏差。

另外，在测井中，探测器需要在地下高温高湿环境中进行工作，为了防止热量对探测器内部电子器件的影响，往往采用隔热层在探测器内部构件一个与外部环境隔离的独立空间，同时为了克服高湿的影响，该独立空间往往采取了各种密封措施。在此情况下，由于探测时接收到大量的射线，电子器件在信号采集时往往会释放出热量，造成独立空间内部的温度升高，当温度升高到一定程度时，将极大的影响采集信号的准确性，比如信号受温度影响会发生漂移，造成信号失真，探测器不能再继续工作。

发明内容

本公开实施例提供了一种伽马射线探测装置，包括：

探测器，设置为接收伽马射线，并将接收到的伽马射线转换为可见光光子，将可见光光子转换为第一电脉冲信号，并对所述第一电脉冲信号进行采样，得到采样数据；

第一控制器，设置为接收所述采样数据，并将采样数据还原成离散脉冲信号，根据所述离散脉冲信号获取第二电脉冲信号；

其中，所述探测器包括高速闪烁晶体；所述高速闪烁晶体，设置为接收伽马射线，并将所述伽马射线转换为可见光光子；其中，所述高速闪烁晶体为相对于碘化钠闪烁晶体的光输出不低于120％、衰减时间不高于100ns的闪烁晶体。

一种示例性的实施例中，上述装置还具有下面特点：

所述探测器还包括光电倍增管以及第二控制器；

所述光电倍增管，设置为将所述可见光光子转换为第一电脉冲信号；

所述第二控制器，设置为对所述第一电脉冲信号进行采样，将采样数据发送给所述第一控制器。

一种示例性的实施例中，上述装置还具有下面特点：

所述第二控制器包括比较器和转换器；

所述比较器，设置为将所述第一电脉冲信号的幅值与至少2个预设电压阈值比较，记录所述第一电脉冲信号的幅值等于任何一个预设电压阈值的时刻；

所述转换器，设置为将所记录的时刻经转换后发回给比较器；

所述比较器，还设置为接收经转换后的时刻，并将该转换后的时刻以及此时第一电脉冲信号的幅值作为采样数据发送给所述第一控制器。

一种示例性的实施例中，上述装置还具有下面特点：

所述光电倍增管的温度耐受范围为0-500℃。

一种示例性的实施例中，上述装置还具有下面特点：

所述装置还包括第三控制器，设置为调节并测量所述第二控制器的供电电压和/或第一电脉冲信号的增益。

一种示例性的实施例中，上述装置还具有下面特点：

所述装置还包括温度传感器，所述温度传感器与所述第三控制器连接，使得所述第三控制器通过温度传感器所采集的温度对第二控制器的供电电压进行调节。

一种示例性的实施例中，上述装置还具有下面特点：

所述装置还包括冷却器，所述冷却器设置为冷却所述第一控制器和所述第二控制器。

一种示例性的实施例中，上述装置还具有下面特点：所述装置还包括光导，所述光导位于所述高速闪烁晶体与所述光电倍增管之间。

一种示例性的实施例中，上述装置还具有下面特点：

所述探测器至少为两个，每一个探测器分别与所述第一控制器连接。

一种示例性的实施例中，上述装置还具有下面特点：

所述装置还包括外壳，所述探测器以及所述第一控制器容置于密封的所述外壳内。

本公开实施例提供了一种伽马射线探测系统，所述伽马射线探测系统包括中子源、总控制器以及伽马射线探测装置，所述总控制器通过通信线缆与所述伽马射线探测装置连接；

中子源，设置为产生中子射线，使得当所述中子射线遇到预定物质时激发出伽马射线；

其中，所述伽马射线探测装置包括：

探测器，设置为接收伽马射线，并将接收到的伽马射线转换为可见光光子，将可见光光子转换为第一电脉冲信号，并对所述第一电脉冲信号进行采样，得到采样数据；

第一控制器，设置为接收所述采样数据，并将采样数据还原成离散脉冲信号，根据所述离散脉冲信号获取第二电脉冲信号；

其中，所述探测器包括高速闪烁晶体；所述高速闪烁晶体，设置为接收伽马射线，并将所述伽马射线转换为可见光光子；其中，所述高速闪烁晶体为相对于碘化钠闪烁晶体的光输出不低于120％、衰减时间不高于100ns的闪烁晶体。

一种示例性的实施例中，上述系统还具有下面特点：

所述探测器还包括光电倍增管以及第二控制器；

所述光电倍增管，设置为将所述可见光光子转换为第一电脉冲信号；

所述第二控制器，设置为对所述第一电脉冲信号进行采样，将采样数据发送给所述第一控制器。

一种示例性的实施例中，上述系统还具有下面特点：

所述第二控制器包括比较器和转换器；

所述比较器，设置为将所述第一电脉冲信号的幅值与至少2个预设电压阈值比较，记录所述第一电脉冲信号的幅值等于任何一个预设电压阈值的时刻；

所述转换器，设置为将所记录的时刻经转换后发回给比较器；

所述比较器，还设置为接收经转换后的时刻，并将该转换后的时刻以及此时第一电脉冲信号的幅值作为采样数据发送给所述第一控制器。

一种示例性的实施例中，上述系统还具有下面特点：

所述光电倍增管的温度耐受范围为0-500℃。

一种示例性的实施例中，上述系统还具有下面特点：

所述装置还包括第三控制器，设置为调节并测量所述第二控制器的供电电压和/或第一电脉冲信号的增益。

一种示例性的实施例中，上述系统还具有下面特点：

所述装置还包括温度传感器，所述温度传感器与所述第三控制器连接，使得所述第三控制器通过温度传感器所采集的温度对第二控制器的供电电压进行调节。

一种示例性的实施例中，上述系统还具有下面特点：

所述装置还包括冷却器，所述冷却器设置为冷却所述第一控制器和所述第二控制器；

一种示例性的实施例中，上述系统还具有下面特点：所述装置还包括光导，所述光导位于所述高速闪烁晶体与所述光电倍增管之间。

一种示例性的实施例中，上述系统还具有下面特点：

所述探测器至少为两个，每一个探测器分别与所述第一控制器连接。

一种示例性的实施例中，上述系统还具有下面特点：

所述装置还包括外壳，所述探测器以及所述第一控制器容置于密封的所述外壳内。

本公开实施例的伽马射线探测装置和系统，能够实现对高通量伽马射线能量的快速获取，可以使得相邻电脉冲信号的间隔时间减少至100ns甚至更短，计数率可以高于1Mcps，相对于传统探测器探测相邻电脉冲信号的时间间隔以及计数率指标而言，效果提升明显。

附图说明

图1为本公开实施例的伽马射线探测装置的示意图。

图2为本公开实施例的伽马射线探测装置的平面布置示意图。

图3为本公开实施例的伽马射线探测装置的采样原理示意图。

图4为本公开实施例的另一个伽马射线探测装置的平面布置示意图。

图5为本公开实施例的又一个伽马射线探测装置的平面布置示意图。

图6为本公开实施例的又一个伽马射线探测装置的平面布置示意图。

图7为本公开实施例的又一个伽马射线探测装置的平面布置示意图。

图8为本公开实施例的又一个伽马射线探测装置的平面布置示意图。

图9为本公开实施例的伽马射线探测系统的示意图。

具体实施方式

下文中将结合附图对本公开的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

图1为本公开实施例的伽马射线探测装置的示意图，如图1所示，本实施例的伽马射线探测装置包括：

探测器，设置为接收伽马射线，并将接收到的伽马射线转换为可见光光子，将可见光光子转换为第一电脉冲信号，并对所述第一电脉冲信号进行采样，得到采样数据；

第一控制器，设置为接收所述采样数据，并将采样数据还原成离散脉冲信号，根据所述离散脉冲信号获取第二电脉冲信号；

其中，所述探测器包括高速闪烁晶体；所述高速闪烁晶体，设置为接收伽马射线，并将所述伽马射线转换为可见光光子；其中，所述高速闪烁晶体为相对于碘化钠闪烁晶体的光输出不低于120％、衰减时间不高于50ns的闪烁晶体。

其中，所述预定物质包括石油。

其中，伽马射线可由如下方式产生：由中子源产生中子射线，当所述中子射线遇到预定物质时激发出伽马射线。

光输出为闪烁晶体将高能射线转化为可见光光子的效率，是一个相对的值，比如业内通常以碘化钠晶体的光转化作为基准，记为100％，其它晶体的转化能力与碘化钠进行对比，能力强的大于100％，能力弱的小于100％。

一种示例性的实施例中，第一电脉冲信号是有堆积的，第二电脉冲信号是没有堆积的。一种示例性的实施例中，中子源可以为中子发射器。

一种示例性的实施例中，第一控制器可以用于同时控制中子源和探测器的工作状态。

一种示例性的实施例中，所述探测器还包括光电倍增管以及第二控制器；

所述光电倍增管，设置为将所述可见光光子转换为第一电脉冲信号；

所述第二控制器，设置为对所述第一电脉冲信号进行采样，将采样数据发送给所述第一控制器。

一种示例性的实施例中，第二控制器具有放大功能。

一种示例性的实施例中，所述第二控制器包括比较器和转换器；

所述比较器，设置为将所述第一电脉冲信号的幅值与至少2个预设电压阈值比较，记录所述第一电脉冲信号的幅值等于任何一个预设电压阈值的时刻；

所述转换器，设置为将所记录的时刻经转换后发回给比较器；

所述比较器，还设置为接收经转换后的时刻，并将该转换后的时刻以及此时第一电脉冲信号的幅值作为采样数据发送给所述第一控制器。

上述所记录的时刻是相对的时钟计数，通过转换可以转换成绝对时间。例如时钟计数是1000(即在时钟计数是1000时，第一电脉冲信号等于预设电压阈值)，可能转换成对应的10纳秒。

一种示例性的实施例中，所述光电倍增管的温度耐受范围为0-500℃。

一种示例性的实施例中，所述装置还包括第三控制器，设置为调节并测量所述第二控制器的供电电压和/或第一电脉冲信号的增益。

一种示例性的实施例中，所述装置还包括所述装置还包括温度传感器，所述温度传感器与所述第三控制器连接，使得所述第三控制器通过温度传感器所采集的温度对第二控制器的供电电压进行调节。

根据温度的变化，第三控制器可以调节第二控制器的参数。

一种示例性的实施例中，第一控制器、第二控制器以及第三控制器可以是电路板。第二控制器可以是预处理及采集电路，第一控制器可以拟合电路。第一控制器、第二控制器设置于同一块PCB板上。

一种示例性的实施例中，所述装置还包括冷却器，所述冷却器设置为冷却所述第一控制器和所述第二控制器。

一种示例性的实施例中，所述装置还包括光导，所述光导位于所述高速闪烁晶体与所述光电倍增管之间。

一种示例性的实施例中，所述探测器至少为两个，每一个探测器分别与所述第一控制器连接。这一方面可以防止探测装置在探测过程中某一探测器突然失灵，保证探测过程仍然可以进行，另一方面可以增加探测到的数据的多元性，两个探测器的数据可以互补，使得探测结果更加准确。

一种示例性的实施例中，所述装置还包括外壳，所述探测器以及所述第一控制器容置于密封的所述外壳内。

温度传感器监控外壳内部的温度，第三控制器用于获取温度传感器的数据以监控环境温度的变化。

本公开实施例的伽马射线探测装置和系统，能够实现对高通量伽马射线能量的快速获取，可以使得相邻电脉冲信号的间隔时间减少至100ns甚至更短，计数率可以高于1Mcps，相对于传统探测器探测相邻电脉冲信号的时间间隔以及计数率指标而言，效果提升明显。

图2为本公开实施例的伽马射线探测装置的平面布置示意图。如图2所示，包括一个第一控制器10、一个探测器30以及外壳60，其中，第一控制器10以及探测器30均容置于外壳60内，第一控制器10分别与中子源20以及探测器30连接，第一控制器10用于控制中子源20的工作状态，比如控制中子源20发射中子或者中断发射，第一控制器10同时用于控制探测器30并接收闪烁晶体探测器30所探测到的射线信号；中子源20可以根据第一控制器10的指令发射中子或者中断发射；探测器30可以根据第一控制器10的指令探测γ射线，将其转化为电信号并发射给第一控制器10进行处理。第一控制器10可以通过多个接口分别连接中子源20和探测器30，或者通过一个固定的接口再分别连接中子源20和探测器30。

第一控制器10可以配置为能够发射控制指令并处理电信号的任何处理器或者控制器，例如FPGA芯片或者微型处理器等。同时值得注意的是，为了适应石油勘探中井下的高温高磁环境，第一控制器10优选的采用耐高温材料制作，根据探测器种类的不同可以适当调整第一控制器10的类型进行匹配。

中子源20可以配置为能够产生中子的任何装置，比如同位素中子源、加速器中子源或者反应堆中子源，通常在放射性测井中优选中子发生器，其性能稳定且便于使用，能够获取理想的探测数据。在本公开的实施例中，中子源20优选的采用小型便携式中子源以方便安装并且降低成本。

探测器30可以配置为能够将γ射线转换为电信号的任何探测器，例如，闪烁探测器或半导体探测器等。当探测器30为闪烁探测器时，其可以包括闪烁晶体33、光电倍增管32以及第二控制器31，其中，闪烁晶体33和光电倍增管32相互耦合，第二控制器31与光电倍增管32连接，闪烁晶体33用于接收γ射线并将这些γ射线转换为可见光，光电倍增管32用于将可见光转换为电信号，第二控制器31用于采集这些电信号，第二控制器31也可以进一步对采集的电信号进行初步处理，比如去噪、数据打包等。

为了适应不同种类以及不同剂量率条件下的探测，探测器30优选地采用闪烁探测器，其中闪烁晶体33优选地为高速闪烁晶体，在本公开中，高速闪烁晶体指相对光输出不低于120％的闪烁晶体，或者指相对光输出不低于120％且衰减时间不高于100ns的闪烁晶体，其具有高光输出和短衰减时间的特点，比如溴化镧、氯化镧等闪烁晶体。值得注意的是，本公开中“相对光输出”是指相对于碘化钠闪烁晶体而言的光输出，在本领域中，当高能粒子入射并将能量沉积到闪烁晶体内时，会激发出大量具有不同能量的光子，在实际中，光子数和这些光子的平均能量很难同时测量，因此常用相对于碘化钠闪烁晶体的光输出来评价闪烁晶体的发光性能，在测定时，以标准尺寸(直径2.5cm，长2.5cm)的碘化钠闪烁晶体的发光为标准，即100％，给出被测闪烁晶体样品的相对值，测量时选用单能γ射源照射闪烁晶体，被测样品的尺寸与标准尺寸相同，与标准闪烁晶体的γ射线全能量吸收谱的峰值相比较得出。本公开中的“高光输出”和“短衰减时间”是针对现有技术而言相对的性能特点，例如，现有技术中常用的碘化钠闪烁晶体的相对光输出为100％左右，溴化镧闪烁晶体的相对光输出为178％左右，则溴化镧闪烁晶体具有相对的高光输出的特点；现有技术中常用的碘化钠闪烁晶体的衰减时间为250ns左右，溴化镧闪烁晶体的衰减时间为18ns左右，则溴化镧闪烁晶体具有相对的短衰减时间的特点。在本公开中，相对光输出优选地采用相对碘化钠闪烁晶体的光输出不小于150％的闪烁晶体，同时优选衰减时间不高于50ns的闪烁晶体，这是因为此性能的闪烁晶体有利于获得更准确的探测数据，防止信号堆积引起探测器死机或者信号采集时升温过快，同时衰减时间极大地制约了闪烁晶体将高能射线转化为可见光光子的能力，进而制约了信号采集的准确性。本领域技术人员可以根据具体的探测需求选择合适的光输出量和衰减时间参数，比如，当探测的射线为伽马射线且剂量率介于0.5-2mGy/h时，需要闪烁晶体能够兼顾进行探测，此时优选地采用高光输出量和短衰减时间的溴化镧闪烁晶体。通过选择衰减时间短的闪烁晶体实现对高能射线能量的快速获取，能够实现高通量(即为单位时间内获得的闪烁脉冲数量)的高能射线探测。

为了适应石油勘探中井下的高温高磁环境，光电倍增管32优选地采用耐高温PMT，例如可以在175℃或者更高的温度下正常工作的PMT。

第二控制器31可以配置为能够将电信号数字化的任何器件，比如PCB板电路控制器件或者不同的数字化模块，例如，可以利用MVT(Multi-VoltageThreshold，多电压阈值，简称MVT)数字化模块或者TOT(time over threshold)数字化模块等直接进行采样。完成采样后，第二控制器31可以将这些数字化信号发送至第一控制器10进行处理。

为了伽马射线探测装置能够以优良的状态兼顾探测不同剂量率条件下的伽马射线，还需要同时配置匹配的光电倍增管件和第二控制器，比如，由于闪烁晶体具有高光输出和短衰减时间的特点，在特定时间内对射线的转化效率较高，瞬时输出大量的可见光光子，需要匹配的光电倍增管件也具有较高的光子转化效率，同时由于短时间内将大量的可见光转换为电脉冲信号(或者称为电信号)，这些电脉冲信号极易出现堆积，采用传统的时间间隔采样方法无法准确的还原脉冲信息，因此可以选择MVT采样方法进行处理。

下面以第二控制器31采用多电压阈值采样进一步说明本公开如何在高光输出的条件下顺利完成电脉冲信号的采样，通常情况下，伽马射线被闪烁晶体转化后对应会产生如图3所示的电脉冲信号，该电脉冲信号的波形具有相对快速的上升沿和相对缓慢的下降沿，由于探测时，在同一时间会产生不计其数的电脉冲信号，这些信号堆积在一起，使用传统的等时间间隔采样的方法已经无法区分所采集的时间、电压信息对归属于哪个电脉冲信号，因此无法在这种情况下使用。而多电压阈值采样方法通过设置至少两个电压阈值，图3中为3个电压阈值，分别为V1、V2、V3，电脉冲信号越过这些电压阈值的时间将会被识别并转换为数字信号，比如采用比较器以识别电脉冲信号越过这些阈值的时刻，采用时间数字转换器将相应的时刻数字化。采用3个阈值的MVT采样方法将会产生6个采样点，这些采样点以电压时间对的形式被记录下来，比如，(V₁、T₁₁)、(V₂、T₂₁)、(V₃、T₃₁)、(V₃、T₃₂)、(V₂、T₂₂)和(V₁、T₁₂)，其中3对在脉冲的上升沿，3对在脉冲的下降沿。采用3个电压阈值时通常需要3个比较器实现，每个比较器对应一个电压阈值，用以识别电脉冲信号超过或低于该电压阈值的时刻，因此一个比较器同时会涉及到2个采样点，一个位于电脉冲信号的上升沿，一个位于电脉冲信号的下降沿。通过MVT采样可以很好的还原短时间到达的大量电脉冲信号的波形，极大地提高了信号采集的精准度。

基于此，第二控制器31可以配置为包括比较器以及转换器，其中，比较器可以配置为将探测器响应于所接收到的光子而输出的待测电脉冲信号的幅值与电压阈值进行比较，并输出对应的比较结果；转换器可以配置为根据比较结果记录时间点数据，并将记录的时间点数据提供给后端连接的第一控制器10进行数据分析处理，第一控制器将时间点数据拟合还原得到数字化的脉冲信号，并可以通过该数字化的脉冲信号获取电脉冲信号相关的信息，比如能量信息提取等。

当第二控制器31完成上述电脉冲信号的采样之后，可以根据时间数据以及电脉冲信号的幅度与其所对应的能量之间的关系进行数据分析处理，比如，脉冲信号还原、时间、能量、位置信息提取等，这属于本领域技术人员容易实现的，在此不再赘述。

外壳60由于需要进入高温高湿高磁的复杂地质环境中，因此需要外壳60配置为具有高强度性能、耐高温性能、密封性能以及磁屏蔽性能。具体地，高强度性能指外壳60在各种地下撞击中仍然可以保持不变形，保护内部容置的电子器件和闪烁晶体不受损害，这是本领域技术人员通过材质及强度实验可以确定的，在此不再赘述。耐高温性能指外壳60可以忍受500℃以下的温度，同时优选地外壳60具有低的导热系数，即外壳60优选地可以尽可能少的向内部进行热传递，尽可能长时间的避免使内部的器件升温过快。密封性能指外壳60可以避免外部液体或者蒸汽进入内部。外壳60优选地具有磁屏蔽性能，可以使内部尽量处于低的磁环境，从而使内部器件维持正常工作状态，这属于本领域技术人员容易理解的，在此不再赘述。

在本实施例中，基于高速闪烁晶体的伽马射线探测装置还可以配置为包括第三控制器40以及温度传感器50，其中，第三控制器40分别与第一控制器10、第二控制器31以及温度传感器50连接，第三控制器40配置为用于获取温度传感器50的数据以监控环境温度的变化，同时用于测量第二控制器31中的供电电压以及探测器的信号增益，第三控制器40获取的此类数据可以进一步发送至第一控制器10并接受第一控制器10的指令进行工作。第三控制器40可以是能够实现上述功能的任何器件，比如PCB板电路控制器件，第三控制器40还可以与第二控制器31集成于同一块PCB板上并实现上述功能。温度传感器50可以是本领域常用的任何温度传感器，用于监控外壳60内部的温度情况，在此不再赘述。

在本实施例中，上述实施例中的伽马射线探测装置还可以配置为与总控制器70一起形成伽马射线探测系统，其中，总控制器70为伽马射线探测系统的总控制中心，其与伽马射线探测装置中的第一控制器10之间通过通信电缆连接，该通信电缆可以穿过外壳60并与外壳60之间保持密封配合。总控制器70用于监控或者处理伽马射线探测系统的工作状态和/或向伽马射线探测系统的各个部件发送工作指令，比如，第一控制器10可以为上位机，从而储存、分析第一控制器10所发送的探测数据并且监控探测装置的部件工作状态，或者向探测装置发送指令以使探测装置开始或者暂停工作。总控制器70还可以控制第三控制器40，使其调节输出的电脉冲信号的增益，从而可以使得探测装置的探测结果更加准确。

图4为本公开实施例的又一个伽马射线探测装置的平面布置示意图，如图4所示，与图2的实施例相比，其中相同或者相似的部件通过增加“100”的附图标记进行标示，比如110为第一控制器，以下仅描述与图2的实施例相比不同之处。在图3的实施例中，闪烁晶体133和光电倍增管132之间设置了光导134，光导134可以将闪烁晶体133所转换成的可见光光子更集中的传递至光电倍增管132，有利于提高探测数据的准确性。光导134外围还可以设置不透光的屏蔽材料，从而使得光子只能从闪烁晶体133传递至光电倍增管132，减少光子的传递损失。

图5为本公开实施例的又一个伽马射线探测装置的平面布置示意图，如图5所示，与图2的实施例相比，其中相同或者相似的部件通过增加“200”的附图标记进行标示，比如210为第一控制器，以下仅描述与图2的实施例相比不同之处。在图4的实施例中，伽马射线探测装置的外壳260内设置有两个探测器230，两个探测器230分别与第一控制器210连接，第二控制器240分别与两个控制器231连接，每个探测器230的结构和功能均与图2中所述相同，第一控制器210和第二控制器240可以分别控制或者监控两个探测器230的工作，这一方面可以防止探测装置在探测过程中某一探测器突然失灵，保证探测过程仍然可以进行，另一方面可以增加探测到的数据的多元性，两个探测器的数据可以互补，使得探测结果更加准确。

图6为本公开实施例的又一个伽马射线探测装置的平面布置示意图，如图6所示，与图4的实施例相比，其中相同或者相似的部件通过增加“100”的附图标记进行标示，比如310为第一控制器，以下仅描述与图4的实施例相比不同之处。在图5的实施例中，闪烁晶体333和光电倍增管332之间设置了光导334，光导334可以将闪烁晶体333所转换成的可见光光子更集中的传递至光电倍增管332，有利于提高探测数据的准确性。光导334外围还可以设置不透光的屏蔽材料，从而使得光子只能从闪烁晶体333传递至光电倍增管332，减少光子的传递损失。

图7为本公开实施例的又一个伽马射线探测装置的平面布置示意图，如图7所示，与图2的实施例相比，其中相同或者相似的部件通过增加“400”的附图标记进行标示，比如410为第一控制器，以下仅描述与图2的实施例相比不同之处。在图7的实施例中，外壳460内部设置至少一个冷却器480，该冷却器480可以设置为多种形式，比如内置冷却剂的密封设备或者电子可控的半导体冷却设备，冷却器480上可以设置导热片481，冷却器480可以在密闭的外壳460内部提供一个冷源，通过导热片481可以实现外壳460内部的热量与较冷的冷却器480之间的热传递，从而克服了密闭的外壳460内部的电子器件(比如，第一控制器410、第二控制器431、第三控制器440)在工作时引起密闭空间内温度快速升高的问题，通过热传递延缓了电子器件温度升高的时间，提高探测器在地下能够正常工作的时间。

图8为本公开实施例的又一个伽马射线探测装置的平面布置示意图，如图8所示，与图7的实施例相比，其中相同或者相似的部件通过增加“100”的附图标记进行标示，比如510为第一控制器，以下仅描述与图6的实施例相比不同之处。在图8的实施例中，每一个冷却器580上均可以设置多个导热片581，每一个导热片581的形状可以根据需要进行匹配设置，比如，导热片581可以设置为异形导热片以增大导热面积，提高热平衡效果，导热片581也可以设置为分别靠近发热电子器件，比如，分别靠近第一控制器510以及第二控制器531设置，从而以尽可能高的效率实现热传递，尽可能长的延长密闭空间内温度升的过高的时间。

本公开实施例还提供了一种伽马射线探测系统，其可以包括上述图2-图8所示的实施例中的伽马射线探测装置和图像重建装置，该伽马射线探测系统可以根据伽马射线探测装置的探测结果进行分析处理，从而可以实现地质资源勘探的目的。关于数据分析处理如何进行图像重建处理的具体过程，可以参照现有技术中的相关描述，在此不再赘叙。

上述实施例阐明的系统、装置、模块、单元等，具体可以由半导体芯片、计算机芯片和/或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别进行描述。当然，在实施本公开时可以在同一个或多个芯片中实现各单元的功能。

本公开提供的基于高速闪烁晶体的伽马射线探测装置/系统在进行探测时，将伽马射线探测装置通过通信线缆放置于井下，通过总控制器发出工作指令使得中子源开始工作，释放中子射线1(图2)，当地层中有石油或者其它气体资源时，中子射线1与氢核相碰撞时，由于两者质量相近，快中子的大部分动能传递给氢核而变成了慢中子，后者易被各种物质的原子核俘获，释放出大量γ射线2，这些γ射线2随机的向四周发射并且可以被探测器接收，通过分析探测数据即可判断地质层中的构造。

本公开提供的基于高速闪烁晶体的伽马射线探测装置/系统，能够实现对高通量(即为单位时间内获得的闪烁脉冲数量)的高能射线能量的探测，可以使得相邻电脉冲信号的间隔时间减少至100ns甚至更短，计数率指标可以高于1Mcps，相对于现有技术中探测器相邻电脉冲信号的时间不能小于1us，计数率通常小于1Mcps，效果提升明显。同时，本公开中容许中子源以及电子器件开通的时间更长，有利于获取到更为精确、更加连续的数据。根据本公开其中的实施例，当采用光输出较高的闪烁晶体进行探测时，相对于现有技术中的探测器，能量分辨率可以提升5～7％。另外，本公开提供的基于高速闪烁晶体的伽马射线探测装置及系统，在高环境温度和600KeV～10MeV宽射线能量范围下性能依然稳定，能够获得更准确的探测信息。

图9为本公开实施例的性能测试装置的示意图，如图9所示，本实施例的性能测试装置包括：所述伽马射线探测系统包括中子源、总控制器以及上述任一种伽马射线探测装置，所述总控制器通过通信线缆与所述伽马射线探测装置连接。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本公开不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

以上仅为本公开的优选实施例，当然，本公开还可有其他多种实施例，在不背离本公开精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本公开作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本公开所附的权利要求的保护范围。

Claims (20)

1.一种伽马射线探测装置，其特征在于，包括：

探测器，设置为接收伽马射线，并将接收到的伽马射线转换为可见光光子，将可见光光子转换为第一电脉冲信号，并对所述第一电脉冲信号进行采样，得到采样数据；

第一控制器，设置为接收所述采样数据，并将采样数据还原成离散脉冲信号，根据所述离散脉冲信号获取第二电脉冲信号；

其中，所述探测器包括高速闪烁晶体；所述高速闪烁晶体，设置为接收伽马射线，并将所述伽马射线转换为可见光光子；其中，所述高速闪烁晶体为相对于碘化钠闪烁晶体的光输出不低于120％、衰减时间不高于100ns的闪烁晶体。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述探测器还包括光电倍增管以及第二控制器；

所述光电倍增管，设置为将所述可见光光子转换为第一电脉冲信号；

所述第二控制器，设置为对所述第一电脉冲信号进行采样，将采样数据发送给所述第一控制器。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，

所述第二控制器包括比较器和转换器；

所述比较器，设置为将所述第一电脉冲信号的幅值与至少2个预设电压阈值比较，记录所述第一电脉冲信号的幅值等于任何一个预设电压阈值的时刻；

所述转换器，设置为将所记录的时刻经转换后发回给比较器；

所述比较器，还设置为接收经转换后的时刻，并将该转换后的时刻以及此时第一电脉冲信号的幅值作为采样数据发送给所述第一控制器。

4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，

所述光电倍增管的温度耐受范围为0-500℃。

5.如权利要求2所述的装置，其特征在于：

所述装置还包括第三控制器，设置为调节并测量所述第二控制器的供电电压和/或第一电脉冲信号的增益。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于：

所述装置还包括温度传感器，所述温度传感器与所述第三控制器连接，使得所述第三控制器通过温度传感器所采集的温度对第二控制器的供电电压进行调节。

7.如权利要求2所述的装置，其特征在于：

所述装置还包括冷却器，所述冷却器设置为冷却所述第一控制器和所述第二控制器。

8.如权利要求2所述的装置，其特征在于：

所述装置还包括光导，所述光导位于所述高速闪烁晶体与所述光电倍增管之间。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述探测器至少为两个，每一个探测器分别与所述第一控制器连接。

10.如权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述装置还包括外壳，所述探测器以及所述第一控制器容置于密封的所述外壳内。

11.一种伽马射线探测系统，其特征在于：

所述伽马射线探测系统包括中子源、总控制器以及伽马射线探测装置，所述总控制器通过通信线缆与所述伽马射线探测装置连接；

其中，中子源，设置为产生中子射线，使得当所述中子射线遇到预定物质时激发出伽马射线；

所述伽马射线探测装置包括：

探测器，设置为接收伽马射线，并将接收到的伽马射线转换为可见光光子，将可见光光子转换为第一电脉冲信号，并对所述第一电脉冲信号进行采样，得到采样数据；

第一控制器，设置为接收所述采样数据，并将采样数据还原成离散脉冲信号，根据所述离散脉冲信号获取第二电脉冲信号；

其中，所述探测器包括高速闪烁晶体；所述高速闪烁晶体，设置为接收伽马射线，并将所述伽马射线转换为可见光光子；其中，所述高速闪烁晶体为相对于碘化钠闪烁晶体的光输出不低于120％、衰减时间不高于100ns的闪烁晶体。

12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，

所述探测器还包括光电倍增管以及第二控制器；

所述光电倍增管，设置为将所述可见光光子转换为第一电脉冲信号；

所述第二控制器，设置为对所述第一电脉冲信号进行采样，将采样数据发送给所述第一控制器。

13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，

所述第二控制器包括比较器和转换器；

所述比较器，设置为将所述第一电脉冲信号的幅值与至少2个预设电压阈值比较，记录所述第一电脉冲信号的幅值等于任何一个预设电压阈值的时刻；

所述转换器，设置为将所记录的时刻经转换后发回给比较器；

所述比较器，还设置为接收经转换后的时刻，并将该转换后的时刻以及此时第一电脉冲信号的幅值作为采样数据发送给所述第一控制器。

14.如权利要求12所述的系统，其特征在于，

所述光电倍增管的温度耐受范围为0-500℃。

15.如权利要求12所述的系统，其特征在于：

所述装置还包括第三控制器，设置为调节并测量所述第二控制器的供电电压和/或第一电脉冲信号的增益。

16.如权利要求15所述的系统，其特征在于：

所述装置还包括温度传感器，所述温度传感器与所述第三控制器连接，使得所述第三控制器通过温度传感器所采集的温度对第二控制器的供电电压进行调节。

17.如权利要求12所述的系统，其特征在于：

所述装置还包括冷却器，所述冷却器设置为冷却所述第一控制器和所述第二控制器。

18.如权利要求12所述的系统，其特征在于：

所述装置还包括光导，所述光导位于所述高速闪烁晶体与所述光电倍增管之间。

19.如权利要求11所述的系统，其特征在于：

所述探测器至少为两个，每一个探测器分别与所述第一控制器连接。

20.如权利要求11所述的系统，其特征在于：

所述装置还包括外壳，所述探测器以及所述第一控制器容置于密封的所述外壳内。

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