CN113640857A - 一种漂移管探测器位置分辨率的测量装置和方法 - Google Patents

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汤秀章
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Abstract

本发明公开了一种漂移管探测器位置分辨率的测量装置和方法，装置包括：固定在同一支架上的β放射源和塑料闪烁体，β放射源与塑料闪烁体之间设有漂移管探测器，β放射源的准直器上钻有一排准直小孔并设有一个狭缝S，塑料闪烁体前设有一个狭缝D，其中，β放射源、漂移管探测器、塑料闪烁体的位置通过激光准直定位，β放射源外部设有放射源屏蔽。本发明利用β射线对漂移管探测器位置分辨率进行测量，通过设置准直孔和狭缝提高了射线的准直度，将射线发射、准直器和接收器都固定在同一台架上，保证了定位精度，优化了电子学电路参数，提高了时间精度，通过测量漂移时间的分散性得到对应的位置分辨率。

Description

一种漂移管探测器位置分辨率的测量装置和方法
技术领域
本发明涉及漂移管探测器位置分辨率，具体涉及一种漂移管探测器位置分辨率的测量装置和方法。
背景技术
宇宙线缪子成像技术是近年来发展起来的一种新型无损成像技术，它利用天然的宇宙射线作为射线源，避免了外加人工射线源对被检物及操作人员造成的辐照影响。此外，宇宙线缪子是一种高能带电粒子，海平面平均能量3-4GeV。其穿透本领强、对高原子序数(高Z)材料比较敏感，这些特点使得该技术在重核材料的无损成像上具有优势，在核安保、核废物测量以及条约核查等领域有着广阔的应用前景。
宇宙射线μ成像原理是基于测量宇宙射线μ穿过物质所发生的偏转角来探知材料(原子序数Z)，如图1展示了模拟计算缪子穿透10cm的不同材料散射角标准差，列举了缪子穿过10cm不同材料时的偏转角的不同。而偏转角的测量是通过对缪子径迹的测量获得的，因此对原子序数Z的分辨能力取决于位置灵敏探测器对宇宙射线μ径迹的位置分辨。几种常见的位置灵敏探测器包括漂移管(DT)、阴极条室(CSC)、窄间隙室(TGC)、阻抗板室(RPC)、多间隙阻抗板室(MRPC)、气体倍增器(GEM)等。漂移管探测器(DT)在这几种探测器中位置分辨能力最好，精密漂移管位置灵敏探测器是开展宇宙射线μ成像技术的最佳选择。
发明内容
针对现有技术中无法测量漂移管位置分辨率的问题，本发明的目的在于提供一种漂移管探测器位置分辨率的测量装置和方法，提高了射线的准直度，保证了定位精度，优化了电子学电路参数，提高了时间精度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种漂移管探测器位置分辨率的测量装置，包括：固定在同一支架上的β放射源和塑料闪烁体，所述β放射源与所述塑料闪烁体之间设有漂移管探测器，所述β放射源的准直器上钻有一排准直小孔并设有一个狭缝S，所述塑料闪烁体前设有一个狭缝D，其中，所述β放射源、所述漂移管探测器、所述塑料闪烁体的位置通过激光准直定位，所述β放射源外部设有放射源屏蔽；
所述β放射源产生的β射线通过所述准直器以垂直于所述漂移管探测器径向的方向入射，分别穿过所述狭缝S、所述漂移管探测器、所述狭缝D到达所述塑料闪烁体，在所述漂移管探测器的阳极和所述塑料闪烁体上分别产生一个脉冲信号，通过测量该两个脉冲信号之间的时间差得到所述漂移管探测器的漂移时间，基于不同位置多次测量的漂移时间得到时间分散性，进而转换得到对应的位置分辨率。
进一步，如上所述的测量装置，所述塑料闪烁体产生的脉冲信号通过光电倍增管测量放大后传输到时间数字转换器；
所述漂移管探测器的阳极产生的脉冲信号通过前置放大、阈值甄别以及转换后传输到所述时间数字转换器；
通过所述时间数字转换器测量该两个脉冲信号之间的时间差得到所述漂移管探测器的漂移时间。
进一步，如上所述的测量装置，基于不同位置多次测量的漂移时间得到时间分散性，进而转换得到对应的位置分辨率，包括：
将不同位置多次测量的漂移时间的频数分布进行高斯拟合，得到平均值及其时间分散性；
对平均值进行直线拟合，得到漂移时间与距离的对应关系即斜率，由时间分散性转换得到对应的位置分辨率σ0；
通过下式消除测量的系统误差，得到位置分辨率的实际值σ：
σ＝(σ0 2-s2-d2)1/2
其中，s为所述狭缝S的宽度，d为所述狭缝D的宽度。
进一步，如上所述的测量装置，所述准直器的厚度为20mm，所述准直小孔的直径为1mm，所述狭缝S的宽度0.4mm，所述狭缝D的宽度为0.4mm，所述狭缝S和所述狭缝D采用2mm厚的铝板制成。
一种漂移管探测器位置分辨率的测量方法，包括：
(1)β放射源产生的β射线通过所述准直器以垂直于漂移管探测器径向的方向入射，分别穿过狭缝S、所述漂移管探测器、狭缝D到达塑料闪烁体，在所述漂移管探测器的阳极和所述塑料闪烁体上分别产生一个脉冲信号；
(2)通过测量该两个脉冲信号之间的时间差得到所述漂移管探测器的漂移时间；
(3)基于不同位置多次测量的漂移时间得到时间分散性，进而转换得到对应的位置分辨率。
进一步，如上所述的测量方法，步骤(2)包括：
所述塑料闪烁体产生的脉冲信号通过光电倍增管测量放大后传输到时间数字转换器；
所述漂移管探测器的阳极产生的脉冲信号通过前置放大、阈值甄别以及转换后传输到所述时间数字转换器；
通过所述时间数字转换器测量该两个脉冲信号之间的时间差得到所述漂移管探测器的漂移时间。
进一步，如上所述的测量装置，步骤(3)包括：
将不同位置多次测量的漂移时间的频数分布进行高斯拟合，得到平均值及其时间分散性；
对平均值进行直线拟合，得到漂移时间与距离的对应关系即斜率，由时间分散性转换得到对应的位置分辨率σ0；
通过下式消除测量的系统误差，得到位置分辨率的实际值σ：
σ＝(σ0 2-s2-d2)1/2
其中，s为所述狭缝S的宽度，d为所述狭缝D的宽度。
进一步，如上所述的测量方法，所述准直器的厚度为20mm，所述准直小孔的直径为1mm，所述狭缝S的宽度0.4mm，所述狭缝D的宽度为0.4mm，所述狭缝S和所述狭缝D采用2mm厚的铝板制成。
本发明的有益效果在于：本发明利用β射线对漂移管探测器位置分辨率进行测量，通过设置准直孔和狭缝提高了射线的准直度，将射线发射、准直器和接收器都固定在同一台架上，保证了定位精度，优化了电子学电路参数，提高了时间精度，通过测量漂移时间的分散性得到对应的位置分辨率。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的模拟计算缪子穿透10cm的不同材料散射角标准差的表格示意图；
图2为本发明实施例中提供的漂移管结构图；
图3为本发明实施例中提供的漂移管内电子漂移示意图；
图4为本发明实施例中提供的一种漂移管探测器位置分辨率的测量装置的结构示意图；
图5为本发明实施例中提供的信号测量时序图；
图6为本发明实施例中提供的一种漂移管探测器位置分辨率的测量方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述。
利用宇宙射线缪子对物体成像的主要依据缪子在核材料中的偏转角不同，其核心是要准确定位缪子的径迹，而漂移管探测器位置分辨率的好坏直接影响到测量到的径迹，进而影响成像质量，因此对于漂移管位置分辨率的测量是对最终成像质量的一个重要技术指标。由于宇宙射线缪子入射的天顶角分布是随cos2θ分布的，入射到探测器上的位置和方向接近于随机的，不容易直接得到准确的方向和位置，所以必须通过一种已知入射方向和能量的带电粒子来替代进行测量。β射线同样为带电粒子，可以选用Sr-90放射源放出的β射线替代缪子建立一套漂移管位置分辨率的测量装置及方法。
如图2所示，漂移管是由外部铝管2、内部镀金铼钨丝3及若干连接组件1组成。中间阳极丝3为直径30μm左右的镀金铼钨丝，管内充有Ar和CO2的混合气，气体压强在2-3大气压，中间阳极丝要加2000-3000V高压。
如图3所示，缪子入射到漂移管内使得气体电离，电子在高压电场作用下向阳极丝3漂移。电离产生的电子由原初位置漂移到阳极丝的最短时间即漂移时间对应于缪子径迹距离中心丝的最短径向距离r，漂移距离与时间的关系可通过实验进行标定，因此缪子入射到漂移管的位置通过测量原初电子的漂移时间得到。漂移管的位置分辨率也通过测量漂移时间的分散性得到。
本发明实施例提供了一种漂移管探测器位置分辨率的测量装置，如图4所示，该测量装置包括：固定在同一支架上的β放射源10和塑料闪烁体5，β放射源10与塑料闪烁体5之间设有漂移管探测器7，β放射源10的准直器9上钻有一排准直小孔并设有一个狭缝S 8，塑料闪烁体5前设有一个狭缝D6，其中，β放射源10、漂移管探测器7、塑料闪烁体5的位置通过激光准直定位，β放射源10外部设有放射源屏蔽11。
β放射源10产生的β射线通过准直器9以垂直于漂移管探测器7径向的方向入射，分别穿过狭缝S8、漂移管探测器7、狭缝D6到达塑料闪烁体5，在漂移管探测器7的阳极和塑料闪烁体5上分别产生一个脉冲信号，通过测量该两个脉冲信号之间的时间差得到漂移管探测器7的漂移时间，基于不同位置多次测量的漂移时间得到时间分散性，进而转换得到对应的位置分辨率。
具体地，塑料闪烁体产生的脉冲信号通过光电倍增管测量放大后传输到时间数字转换器；漂移管探测器的阳极产生的脉冲信号通过前置放大、阈值甄别以及转换后传输到时间数字转换器；通过时间数字转换器测量该两个脉冲信号之间的时间差得到漂移管探测器的漂移时间。塑料闪烁体的光信号由光电倍增管测量放大后传输到TDC(时间数字转换器)，漂移管阳极丝的脉冲信号通过前置放大、阈值甄别及转换后也传输到TDC采集，TDC对两个信号进行时间符合，得出时间差即漂移时间，见图5。图5说明了不同的入射位置，使得缪子的漂移时间不同T1、T2，进而测量的信号有时间上的先后。通过改变放射源的入射位置，测量不同入射位置的漂移时间，也即漂移时间与距离的关系。两路信号的电路延迟、电缆线延迟都通过脉冲发生器进行校正。
具体地，基于不同位置多次测量的漂移时间得到时间分散性，进而转换得到对应的位置分辨率，包括：
将不同位置多次测量的漂移时间的频数分布进行高斯拟合，得到平均值及其时间分散性；对平均值进行直线拟合，得到漂移时间与距离的对应关系即斜率，由时间分散性转换得到对应的位置分辨率σ0；通过下式消除测量的系统误差，得到位置分辨率的实际值σ：
σ＝(σ0 2-s2-d2)1/2
其中，s为狭缝S的宽度，d为狭缝D的宽度。
将不同位置多次测量的漂移时间值的频数分布进行高斯拟合，得到测量到的平均值Xc及其时间分散性σT，对平均值进行直线拟合得到漂移时间与距离的对应关系(斜率)，从而由测量的时间分散性(分辨率)转换得到对应的位置分辨率σ0。
具体地，可以设置准直器的厚度为20mm，准直小孔的直径为1mm，狭缝S的宽度0.4mm，狭缝D的宽度为0.4mm，狭缝S和狭缝D采用2mm厚的铝板制成。
漂移管本身的位置分辨率(漂移时间分散性)，受到阳极电压、充气压力、气份比、温度等多个因素的影响，当这些因素都保持恒定时，测量误差主要取决于位置精度和时间测量精度。为了增加射线入射时的准直度，Sr-90源的准直器9(20mm厚)上钻有一排1mm的准直小孔并加了一个0.4mm宽狭缝S 8，以提高准直度；塑料闪烁体前也加了一个0.4mm的狭缝D 6以提高空间测量精度。由于β射线穿透能力很弱，狭缝用2mm厚的铝板即可。
为了保证定位精度，β放射源及屏蔽、准直器、狭缝、塑闪、光电倍增管被固定在一个C型支架上，β放射源的位置可以通过五维光学平台移动，利用激光对准来调整放射源的入射位置，保证测量位置的准确。测量塑闪信号采用快响应型光电倍增管，上升时间0.7ns左右，测量漂移管信号的前置放大器信号上升约15ns，TDC同步时钟的精度小于100ps，从而保证了时间测量精度可以控制在ns量级(～30μm)。最终，测量精度(系统误差)主要来自于源及塑闪前的狭缝宽度(200～400μm)。通过下式消除测量的系统误差之后，就能得到分辨率的实际值σ，σ＝(σ0 2-s2-d2)1/2，其中，s为狭缝S的宽度，d为狭缝D的宽度。
举例来说，本发明的测量装置由β放射源10、放射源屏蔽11、准直器9、狭缝S 8、漂移管7(漂移管探测器)、狭缝D6、塑料闪烁体5、光电倍增管4组成，见图4。使用Sr-90源作为缪子射线替代源，Sr-90产生最高2.28MeV的β射线。准直器9的准直通过一排1mm的准直小孔来实现的，并在上面加了一个0.4mm狭缝S 8，以提高准直效果；塑料闪烁体前也加了一个0.4mm的狭缝D6以提高准直效果。双层狭缝设计能够提高对β射线的准直效果。由于β射线穿透能力很弱，狭缝S8、D6采用2mm厚的铝板制成，并且狭缝的宽度可以手动调节，根据实际入射的β射线量进行调节。β射线以垂直于漂移管7径向的方向入射，中间穿过准直器9、狭缝S8、漂移管7、狭缝D6并到达塑料闪烁体5上，在漂移管阳极3和塑料闪烁体5上分别各产生一个荧光信号，塑料闪烁体的光信号由光电倍增管测量放大后传输到TDC(时间数字转换器)，漂移管阳极丝的脉冲信号通过前置放大、阈值甄别及转换后也传输到TDC采集。通过TDC将这两个信号的时间信息读出，满足一定逻辑关系才认为是有效信号。漂移管信号的到达时间减去塑料闪烁体的到达时间就得到探测器的漂移时间。因为漂移管的漂移时间与入射位置是基本上成线性的，所以得到漂移时间就得到了入射位置。也就是说测量漂移管信号的时间分散性即可得到对应的位置分辨率，并对两个信号进行时间符合，得出时间差即漂移时间。
采用本发明的装置，利用β射线对漂移管探测器位置分辨率进行测量，通过设置准直孔和狭缝提高了射线的准直度，将射线发射、准直器和接收器都固定在同一台架上，保证了定位精度，优化了电子学电路参数，提高了时间精度，通过测量漂移时间的分散性得到对应的位置分辨率。
根据本发明实施例的另一个方面，还提供了一种漂移管探测器位置分辨率的测量方法，应用于前述一种漂移管探测器位置分辨率的测量装置，如图6所示，包括：
S100、β放射源产生的β射线通过准直器以垂直于漂移管探测器径向的方向入射，分别穿过狭缝S、漂移管探测器、狭缝D到达塑料闪烁体，在漂移管探测器的阳极和塑料闪烁体上分别产生一个脉冲信号。
具体地，可以设置准直器的厚度为20mm，准直小孔的直径为1mm，狭缝S的宽度0.4mm，狭缝D的宽度为0.4mm，狭缝S和狭缝D采用2mm厚的铝板制成。
S200、通过测量该两个脉冲信号之间的时间差得到漂移管探测器的漂移时间。
具体地，步骤S200包括：塑料闪烁体产生的脉冲信号通过光电倍增管测量放大后传输到时间数字转换器；漂移管探测器的阳极产生的脉冲信号通过前置放大、阈值甄别以及转换后传输到时间数字转换器；通过时间数字转换器测量该两个脉冲信号之间的时间差得到漂移管探测器的漂移时间。
S300、基于不同位置多次测量的漂移时间得到时间分散性，进而转换得到对应的位置分辨率。
具体地，步骤S300包括：将不同位置多次测量的漂移时间的频数分布进行高斯拟合，得到平均值及其时间分散性；对平均值进行直线拟合，得到漂移时间与距离的对应关系即斜率，由时间分散性转换得到对应的位置分辨率σ0；通过下式消除测量的系统误差，得到位置分辨率的实际值σ：
σ＝(σ0 2-s2-d2)1/2
其中，s为狭缝S的宽度，d为狭缝D的宽度。
采用本发明的方法，利用β射线对漂移管探测器位置分辨率进行测量，通过设置准直孔和狭缝提高了射线的准直度，将射线发射、准直器和接收器都固定在同一台架上，保证了定位精度，优化了电子学电路参数，提高了时间精度，通过测量漂移时间的分散性得到对应的位置分辨率。
需要说明的是，本发明的测量方法与前述的测量装置属于同一发明构思，具体的实现方式和技术方案不再赘述。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种漂移管探测器位置分辨率的测量装置，其特征在于，包括：固定在同一支架上的β放射源和塑料闪烁体，所述β放射源与所述塑料闪烁体之间设有漂移管探测器，所述β放射源的准直器上钻有一排准直小孔并设有一个狭缝S，所述塑料闪烁体前设有一个狭缝D，其中，所述β放射源、所述漂移管探测器、所述塑料闪烁体的位置通过激光准直定位，所述β放射源外部设有放射源屏蔽；
所述β放射源产生的β射线通过所述准直器以垂直于所述漂移管探测器径向的方向入射，分别穿过所述狭缝S、所述漂移管探测器、所述狭缝D到达所述塑料闪烁体，在所述漂移管探测器的阳极和所述塑料闪烁体上分别产生一个脉冲信号，通过测量该两个脉冲信号之间的时间差得到所述漂移管探测器的漂移时间，基于不同位置多次测量的漂移时间得到时间分散性，进而转换得到对应的位置分辨率。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述塑料闪烁体产生的脉冲信号通过光电倍增管测量放大后传输到时间数字转换器；
所述漂移管探测器的阳极产生的脉冲信号通过前置放大、阈值甄别以及转换后传输到所述时间数字转换器；
通过所述时间数字转换器测量该两个脉冲信号之间的时间差得到所述漂移管探测器的漂移时间。
3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，基于不同位置多次测量的漂移时间得到时间分散性，进而转换得到对应的位置分辨率，包括：
将不同位置多次测量的漂移时间的频数分布进行高斯拟合，得到平均值及其时间分散性；
对平均值进行直线拟合，得到漂移时间与距离的对应关系即斜率，由时间分散性转换得到对应的位置分辨率σ0；
通过下式消除测量的系统误差，得到位置分辨率的实际值σ：
σ＝(σ0 2-s2-d2)1/2
其中，s为所述狭缝S的宽度，d为所述狭缝D的宽度。
4.根据权利要求1-3任一项所述的测量装置，其特征在于，所述准直器的厚度为20mm，所述准直小孔的直径为1mm，所述狭缝S的宽度0.4mm，所述狭缝D的宽度为0.4mm，所述狭缝S和所述狭缝D采用2mm厚的铝板制成。
5.一种漂移管探测器位置分辨率的测量方法，应用于权利要求1-4任一项所述的测量装置，其特征在于，包括：
(1)β放射源产生的β射线通过所述准直器以垂直于漂移管探测器径向的方向入射，分别穿过狭缝S、所述漂移管探测器、狭缝D到达塑料闪烁体，在所述漂移管探测器的阳极和所述塑料闪烁体上分别产生一个脉冲信号；
(2)通过测量该两个脉冲信号之间的时间差得到所述漂移管探测器的漂移时间；
(3)基于不同位置多次测量的漂移时间得到时间分散性，进而转换得到对应的位置分辨率。
6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，步骤(2)包括：
所述塑料闪烁体产生的脉冲信号通过光电倍增管测量放大后传输到时间数字转换器；
所述漂移管探测器的阳极产生的脉冲信号通过前置放大、阈值甄别以及转换后传输到所述时间数字转换器；
通过所述时间数字转换器测量该两个脉冲信号之间的时间差得到所述漂移管探测器的漂移时间。
7.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，步骤(3)包括：
将不同位置多次测量的漂移时间的频数分布进行高斯拟合，得到平均值及其时间分散性；
对平均值进行直线拟合，得到漂移时间与距离的对应关系即斜率，由时间分散性转换得到对应的位置分辨率σ0；
通过下式消除测量的系统误差，得到位置分辨率的实际值σ：
σ＝(σ0 2-s2-d2)1/2
其中，s为所述狭缝S的宽度，d为所述狭缝D的宽度。
8.根据权利要求5-7任一项所述的测量方法，其特征在于，所述准直器的厚度为20mm，所述准直小孔的直径为1mm，所述狭缝S的宽度0.4mm，所述狭缝D的宽度为0.4mm，所述狭缝S和所述狭缝D采用2mm厚的铝板制成。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115524259A (zh) * 2022-11-03 2022-12-27 蓝冰河(常州)精密测量技术有限责任公司 基于Kr-85实现的β射线电解铜箔面密度质量检测装置

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