CN112596096B - 基于SiPM的超快伽马射线实时探测装置 - Google Patents

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Abstract

基于SiPM的超快伽马射线实时探测装置，可以同时实现能谱和空间分布探测，包括闪烁体阵列、SiPM阵列、屏蔽盒、线缆、数据采集系统。超快伽马射线入射至闪烁体阵列转换成可见光，可见光进入SiPM阵列上转换成电信号，电信号输入至数据采集系统中输出能谱和空间分布信息。闪烁体阵列、SiPM阵列安装在屏蔽盒中，数据采集系统和SiPM阵列通过线缆连接。本发明提出的超快伽马射线实时探测装置能够实现真空中在线探测，动态范围大，使用灵活。

Description

基于SiPM的超快伽马射线实时探测装置
技术领域
本发明涉及超快伽马射线探测，特别是强场激光驱动的超快伽马射线的能谱和空间分布实时探测。
背景技术
飞秒超强激光加速产生的高能电子束可以通过轫致辐射、逆康普顿散射等多种机制产生伽马射线。特别是10PW激光装置的建成，激光聚焦强度有望突破1023W*cm-2，QED效应开始发挥作用。激光脉冲的能量转换给伽马光子的比例逐渐提高，甚至达到30％。激光驱动产生的超快伽马光源，能量范围广，从数十keV到GeV量级。激光驱动产生的伽马射线源将在成像、正电子产生、放射性同位素产生、光核中子产生、核废料处理等方面具有重要的应用价值。
激光驱动的伽马射线的研究和应用的前提是对伽马射线能谱和空间分布的精确测量。基于强场激光产生的伽马射线源通常具有超快的时间特性，一般小于皮秒量级。常用于伽马能谱测量的高纯锗探测器和闪烁探测器，由于时间分辨率的限制，无法直接得到超快伽马射线能谱信息。目前超快伽马射线的能谱测量一般通过间接的方式来探测，主要有三种方式：堆栈法、康普顿散射法和光核活化法。堆栈法是最常用的方法，通过记录伽马射线穿透不同厚度滤片后的能量沉积，反推出伽马能谱。堆栈谱仪可以采用不同材料或者厚度的滤片及对应探测器构成。探测器可以是成像板或者CCD相机，前者无法进行实时探测，后者整体结构体积较大，且无法放在真空中探测。
发明内容
本发明的目的在于克服现有测量技术的不足，提出一种基于SiPM的超快伽马射线实时探测装置，该装置可以实现激光驱动的超快伽马射线能谱和空间分布探测。该装置在真空、空气等实验环境中都可以使用，且能量响应动态范围大，使用灵活。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于SiPM的超快伽马射线实时探测装置，包括闪烁体阵列、SiPM阵列、屏蔽盒、线缆和数据采集系统。其位置关系是：闪烁体阵列出光面后耦合SiPM阵列，闪烁体阵列和SiPM阵列安装在屏蔽盒，SiPM阵列通过线缆连接数据采集系统。
闪烁体阵列由闪烁体和反射层按周期排布组成，即阵列中每一个闪烁体靠近SiPM的端面不镀反射层，作为出光面，其它五个面均镀反射层。闪烁体将伽马射线转换为可见光，又起到了堆栈滤片的作用。
闪烁体阵列垂直于伽马射线传播方向为横向分布，沿着伽马射线传播方向为纵向分布。横向分布的闪烁体给出伽马射线的一维空间分布；纵向分布的闪烁体给出伽马射线穿透深度的强度分布，进一步通过迭代法解谱可以得到能谱信息。
闪烁体可以是BGO、CsI、LYSO、YAG或者塑料闪烁体等闪烁体，通过改变闪烁体的材料、厚度和阵列数目，实现不同能段的射线探测。闪烁体选用密度较小且厚度较薄的塑料闪烁体时，可以用来测量100keV以内的射线；闪烁体选用密度较大的无机闪烁体如BGO，可以用来测量MeV甚至数十MeV的伽马射线。
SiPM阵列与闪烁体阵列一一对应耦合，当SiPM和闪烁体耦合面的尺寸一致时，直接耦合；当SiPM和闪烁体耦合面的尺寸不一致时，可通过光导耦合。
屏蔽盒的伽马射线入射面为数十微米厚度的铝箔，主要用于屏蔽可见光的干扰；其他五个面为数厘米厚度的铅，屏蔽可见光、杂散的背景射线及带电粒子带来的干扰。
数据采集系统能够实现多通道同时采集电信号，如示波器、波形取样器等。
与在先技术相比，本发明的技术效果如下：
1.能够在真空中实现在线探测。闪烁体及SiPM阵列封装在屏蔽盒中，可以放在真空中，SiPM输出的信号通过线缆传输到真空靶室外的数据采集系统，能够满足高重频激光条件下的实时采集需求。
2.使用灵活。闪烁体及SiPM阵列封装在屏蔽盒，整体体积较小，移动方便，且可以根据光路布局，按照需求摆放。数据采集系统摆放位置不受闪烁体及SiPM阵列位置限制，通过调整线缆可远离靶室，免受激光打靶过程中的强电磁辐射干扰。
3.采用闪烁体阵列和SiPM阵列能够同时实现伽马射线能谱和空间分布探测。
4.动态范围大，量程可变。本发明通过选择闪烁体阵列的材料和厚度，改变能量范围，可以实现keV到数十MeV超快伽马射线能谱探测。塑料闪烁体可以用来测量100keV以内的射线，BGO可以用来测量MeV甚至数十MeV的伽马射线。
附图说明
图1基于SiPM的超快伽马射线实时探测装置的俯视结构示意图
图2是单个闪烁体与SiPM连接示意图
图3是5*20阵列的超快伽马射线实时探测装置的结构示意图
具体实施方式
为让本发明的上述优点能明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。需要说明的是，本发明不应局限于下述的具体实施的内容，本领域的技术人员应该从下述实施方式所体现的精神来理解本发明，各技术术语可以基于本发明的精神实质来做最宽泛的理解。
图1为本发明基于SiPM阵列的超快伽马射线实时探测装置的俯视示意图。由图可见，本发明的超快伽马射线实时探测装置包括闪烁体阵列1、SiPM阵列2、屏蔽盒3、线缆4和数据采集系统5。其位置关系是：所述闪烁体阵列1出光面后耦合所述SiPM阵列2，所述闪烁体阵列1和所述SiPM阵列2安装在所述屏蔽盒3，所述SiPM阵列2通过所述线缆4连接所述数据采集系统5的通道501。所述闪烁体阵列1由闪烁体101按周期排布组成，所述闪烁体101之间由所述反射层102隔开，整个闪烁体阵列1靠近SiPM的端面不镀反射层，作为出光面，其它五个面镀反射层；闪烁体阵列1产生的可见光103从出光面入射至SiPM阵列2。所述SiPM阵列2与所述闪烁体1阵列一一对应耦合，图2为单个闪烁体101与SiPM 201连接示意图；当SiPM和闪烁体耦合面的尺寸不一致时，可通过光导耦合。相邻两个SiPM 201之间存在间隙202。所述屏蔽盒3的伽马射线入射面301为数十微米厚的铝箔，其他五个为几个厘米厚的铅。
本发明实施例见图3：5*20闪烁体阵列1和SiPM阵列2耦合后放置在所述屏蔽盒3中，单个闪烁体101截面和SiPM 201的尺寸为6mm*6mm，闪烁体阵列1反射层102厚度和SiPM阵列2的间隙202尺寸为1.2mm，单个闪烁体101长度为30mm；伽马射线6穿过所述屏蔽盒3的伽马射线入射面301入射到所述闪烁体阵列1，所述闪烁体阵列1产生的可见光进入SiPM阵列2，SiPM阵列2产生的电信号通过线缆4传到一个128路数据采集系统5的其中100个通道501，给出5*20闪烁体阵列输出的光信号强度分布；横向分布的闪烁体给出伽马射线的一维空间分布，纵向分布的闪烁体给出伽马射线穿透深度的强度分布，进一步分析可以得到能谱信息。该实例探测装置的能谱测量范围300keV-10MeV。若只关心伽马射线能谱，则可以将闪烁体阵列1和SiPM阵列2数目变为1*20，即横向只有一个闪烁体和SiPM，纵向有20个闪烁体和SiPM。此时阵列总数及数据采集系统的通道数目都将大大降低。
上述实施例仅为本实用发明的优选实施例，并非限制本发明的保护范围，本发明可以做各种更改和变化，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于SiPM的超快伽马射线实时探测装置，其特征在于，包括闪烁体阵列(1)、SiPM阵列(2)、屏蔽盒(3)、线缆(4)和数据采集系统(5)；所述的闪烁体阵列(1)出光面后耦合SiPM阵列(2)，闪烁体阵列(1)和SiPM阵列(2)安装在屏蔽盒(3)，SiPM阵列(2)通过线缆(4)连接数据采集系统(5)；
所述的闪烁体(101)是BGO、CsI、LYSO、YAG或者塑料闪烁体，通过改变闪烁体的材料、厚度和阵列数目，实现不同能段的射线探测；
所述的闪烁体(101)选用密度较小且厚度较薄的塑料闪烁体时，可以用来测量100keV以内的射线；闪烁体(101)选用密度较大的闪烁体，可以用来测量MeV甚至数十MeV的伽马射线；
所述的SiPM(201)与闪烁体(101)一一对应耦合，当SiPM和闪烁体耦合面的尺寸一致时，直接耦合；当SiPM和闪烁体耦合面的尺寸不一致时，可通过光导耦合；
当所述的闪烁体阵列和SiPM阵列数目为5*20，单个闪烁体尺寸6*6*30mm，SiPM尺寸为6*6mm，输出100个通道信号，能够同时给出一维空间分布信息和能谱信息；如果只关心能谱信息，将阵列数目缩减为1*20，减少通道数，也降低装置的复杂程度；
所述的屏蔽盒(3)的伽马射线入射面(301)为数十微米厚度的铝箔，用于屏蔽可见光的干扰；其他五个面为数厘米厚度的铅，屏蔽可见光、杂散的背景射线及带电粒子带来的干扰。
2.根据权利要求1所述的基于SiPM的超快伽马射线实时探测装置，其特征在于，所述的闪烁体(101)将伽马射线转换为可见光，又起到了堆栈滤片的作用。
3.根据权利要求1或2所述的基于SiPM的超快伽马射线实时探测装置，其特征在于，所述的闪烁体阵列(1)由多个闪烁体(101)按周期排布组成，每个闪烁体(101)靠近SiPM的端面不镀反射层，作为出光面，其它五个面均镀反射层(102)。
4.根据权利要求3所述的基于SiPM的超快伽马射线实时探测装置，其特征在于，所述的闪烁体(101)阵列垂直于伽马射线传播方向为横向分布，沿着伽马射线传播方向为纵向分布，横向分布的闪烁体给出伽马射线的一维空间分布；纵向分布的闪烁体给出伽马射线穿透深度的强度分布，进一步通过迭代法解谱可以得到能谱信息。
5.根据权利要求1所述的基于SiPM的超快伽马射线实时探测装置，其特征在于，所述的SiPM阵列(2)由多个SiPM(201)按周期排布组成，且每相邻两个SiPM(201)之间具有间隙(202)。
6.根据权利要求1所述的基于SiPM的超快伽马射线实时探测装置，其特征在于，所述的数据采集系统(5)能够实现多通道同时采集电信号。
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