CN113848580A - 一种X/γ射线辐射量探测系统及探测方法 - Google Patents

Abstract

本公开是关于光电探测技术领域，公开一种X/γ射线辐射量探测系统及探测方法。该X/γ射线辐射量探测系统包括：闪烁体，用于将X/γ射线的辐射能量转换为可见光；光电探测器，与闪烁体连接，用于接收闪烁体输出的可见光，并将可见光转换为电荷信号；前级电子学，与光电探测器连接，用于至少通过积分方式采集光电探测器的电荷信号，并将电荷信号转换成数字量电信号；后级电子学，与前级电路连接，用于根据数字量电信号得到电荷量，并将电荷量输出至上位机进行显示。本公开提供的探测系统，在光电探测器产生的电荷数量增加时，前级电子学可通过连续积分的方式进行电荷采集，由此可探测到更大剂量率范围的X/γ射线。

Description

一种X/γ射线辐射量探测系统及探测方法

技术领域

本公开涉及光电探测技术领域，具体而言，涉及一种X/γ射线辐射量探测系统及探测方法。

背景技术

传统的探测系统，主要是利用SiPM的高增益区，实现对X/γ射线数量和射线能量的测量，每个事例处理存在死时间，死时间内只能处理一个事例，如果同时出现两个及以上事例时，将不能得到正确的事例数及能量，影响探测的剂量率上限范围，这种方法一般只能实现对10^-7～10^-2Gy/h剂量率范围X/γ射线的探测。当X/γ射线剂量率再增加时，由于这部分高增益区产生的信号电荷过多，导致后端读出电子学无法处理，使得SiPM探测器及方法的剂量率上限受限。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种X/γ射线辐射量探测系统及探测方法。

根据本公开的一个方面，提供一种X/γ射线辐射量探测系统，包括：

闪烁体，用于将X/γ射线的辐射能量转换为可见光；

光电探测器，与所述闪烁体连接，用于接收所述闪烁体输出的可见光，并将所述可见光转换为电荷信号；

前级电子学，与所述光电探测器连接，用于至少通过积分方式采集所述光电探测器的电荷信号，并将所述电荷信号转换成数字量电信号；

后级电子学，与所述前级电路连接，用于根据所述数字量电信号得到电荷量，并将所述电荷量输出至上位机进行显示。

在本公开的一种示例性实施例中，所述前级电子学包括：

积分模块，输入端连接所述光电探测器，所述积分模块包括双积分通道，以连续采集所述光电探测器输出的电荷信号并基于所述电荷信号输出模拟电压信号；

ADC模块，通过一多路选择器连接所述积分器的双积分通道输出端，用于将积分模块输出的所述模拟电压信号转换为所述数字量电信号。

在本公开的一种示例性实施例中，所述后级电子学包括：

第一电源，包括输入端和至少两个输出端，所述输入端连接供电电源，所述至少两个输出端用于输出不同等级的电压信号；

升压模块，输入端连接所述第一电源的一输出端，用于对输入电压进行升压后输出。

在本公开的一种示例性实施例中，所述前级电子学包括电压调节模块，所述电压调节模块包括：

第一运放，同相端连接第一基准电压，反相端通过一电阻连接其输出端，且电源端连接所述升压模块的输出端，所述第一运放用于对所述第一基准电压进行放大；

电压跟随器，同相端连接所述第一运放的输出端，电源端连接所述升压模块的输出端，所述电压跟随器用于缓冲所述第一运放的输出电压；

电压输出模块，包括正基准电压端和负基准电压端，所述正基准电压端的第一端子和第二端子与所述电压跟随器的输出端、反相端对应连接，所述负基准电压端连接第二基准电压，且电源端连接所述升压模块的输出端，所述电压输出模块用于根据所述升压模块的输出电压输出对应等级的数字供电电压，并根据所述正基准电压端的输入电压和所述负基准电压端的输入电压调节所述数字供电电压；

电压缓冲模块，与所述电压输出模块的输出端连接，用于对所述数字供电电压进行缓冲后为所述光电探测器供电。

在本公开的一种示例性实施例中，所述前级电子学包括第二电源，所述第二电源的输入端连接所述第一电源的另一输出端，所述第二电源的输出端连接所述前级电子学的各功率器件，以为所述前级电子学的各功率器件供电。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第二电源为LDO线性电源。

在本公开的一种示例性实施例中，所述前级电子学设置于第一电路板，所述后级电子学设置于第二电路板，且所述第一电路板与所述第二电路板分开设置。

根据本公开的另一个方面，还提供一种X/γ射线探测方法，应用于本公开任意实施例所述的探测系统，所述方法包括：

获取辐射源的目标剂量率；

基于所述目标剂量率调节光电探测器的工作增益，并通过所述光电探测器将闪烁体输出的可见光转换为电荷信号；

基于前级电子学获取所述光电探测器的电荷信号。

在本公开的一种示例性实施例中，所述基于所述目标剂量率调节光电探测器的工作增益，包括：

若所述目标剂量率为第一剂量率，则调节光电探测器工作于第一增益区；

若所述目标剂量率为第二剂量率，则调节所述光电探测器工作于第二增益区；

其中，所述第一剂量率小于所述第二剂量率，所述第一增益区的增益大于所述第二增益区的增益。

在本公开的一种示例性实施例中，所述基于前级电子学获取所述光电探测器的电荷信号，包括：

若所述目标剂量率为第二剂量率，则使用所述前级电子学对所述光电探测器输出的电荷信号进行积分处理，得到X/γ射线的电荷量。

本公开提供的探测系统，前级电子学可通过积分方式采集光电探测器输出的电荷信号，由此在需要对大剂量率的X/γ射线进行探测时，可通过前级电子学的连续积分方式进行电荷采集，相比于计数方式进行电荷信号探测，本公开提供的探测系统不会出现因为光电探测器产生的电荷量过多而无法探测的情况，因此本公开提供的探测系统能够探测更大剂量率范围的X/γ射线。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为SiPM的增益特性图；

图2为本公开探测系统的结构示意图；

图3为本公开积分模块的结构示意图；

图4为本公开电压调节模块的结构示意图；

图5为本公开探测方法的流程图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本公开将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。

虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。

用语“一个”、“一”、“该”、“所述”和“至少一个”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”和“第三”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。

相关技术中，SiPM是由很多操作在盖格模式下的多个雪崩二极管(avalanchephotodiode，APD)组成的光子计数器，具有高增益、高灵敏度、高集成度、低功耗、小体积和抗磁场干扰等特点，被广泛应用于X/γ射线探测领域。

SiPM的增益定义为单个微单元雪崩后产生的电荷数量，公式如下：

G＝Q/e＝(V_bias-V_br)C_d/e＝V_ovC_d/e (1)

其中V_bias为SiPM偏置电压，V_br为击穿电压，V_ov为过阈电压，C_d是单个微单元电容，e是元电荷量(1.6×10^-7pC)。增益特性如图1所示，可以看到，SiPM具有2个增益平坦区，目前常利用其高增益区(雪崩区)，通过计数的方式进行工作，能探测X/γ射线的剂量率范围一般在10^-7～10^-2Gy/h，然而，当X/γ射线剂量率再增加时，由于这部分高增益区产生的信号电荷过多，导致后端读出电子学无法处理，使得SiPM探测器及方法的剂量率上限受限。

本公开实施方式提供了一种X/γ射线辐射量探测系统，旨在利用SiPM低增益区(正比区)的特性，将X/γ射线产生的有效电荷总额控制在一定范围内，并通过周期性连续电荷积分的读出电子学方式来处理信号，同时控制读出电子学噪声，使有效信号不被噪声信号淹没而被识别出来，可以完成10^-2～10³Gy/h高剂量率X/γ射线的探测。下面结合附图对本公开探测系统进行介绍。图2为该探测系统的结构示意图，该探测系统可包括：闪烁体11、光电探测器12、前级电子学13和后级电子学14，其中，闪烁体11用于将所述X/γ射线的辐射能量转换为可见光；光电探测器12与所述闪烁体11连接，用于接收所述闪烁体11输出的可见光，并将所述可见光转换为电荷信号；前级电子学13与所述光电探测器12连接，用于至少通过积分方式采集所述光电探测器12的电荷信号，并将所述电荷信号转换成数字量电信号；后级电子学14与所述前级电路连接，用于根据所述数字量电信号得到电荷量，并将所述电荷量输出至上位机进行显示。

本示例性实施例提供的探测系统，前级电子学13可通过积分方式采集光电探测器12输出的电荷信号，由此在需要对大剂量率的X/γ射线进行探测时，可通过前级电子学13的连续积分方式进行电荷采集，相比于计数方式进行电荷信号探测，本示例性实施例提供的探测系统不会出现因为光电探测器12产生的电荷量过多而无法探测的情况，因此本示例性实施例提供的探测系统能够探测更大剂量率范围的X/γ射线。

如图2所示，本示例性实施例中，光电探测器12可使用SiPM。值得注意的是，本示例性实施例不仅利用了SiPM的高增益区，还利用了SiPM的低增益区来拓展对于X/γ射线的探测范围，通过对SiPM的增益进行控制，探测到更高剂量率范围的X/γ射线。具体而言，当X/γ射线为高剂量率时，可利用SiPM低增益区的特性，将X/γ射线产生的有效信号电荷总额控制在一定范围内，并通过周期性连续电荷积分的方式来处理信号，可以完成10^-2～10³Gy/h高剂量率X/γ射线的探测。当X/γ射线为低剂量率时，因为所产生的电荷量减少，此时可利用SiPM的高增益区来产生电荷。

如图2所示，本示例性实施例中，前级电子学13可通过积分模块131进行连续积分来采集SiPM产生的电荷，具体地，前级电子学13可包括：积分模块131和ADC模块132，其中，积分模块131的输入端连接光电探测器12的输出端，积分模块131包括双积分通道，以连续采集光电探测器12输出的电荷信号。积分模块131包括双积分通道，当其中的一个积分通道对采集的电荷信号进行模数转换等处理时，可通过另一积分通道采集更新产生的电荷信号，从而通过两个积分通道的交替作用实现连续采集和处理光电转换器产生的电荷信号。可以知道的是，两个积分通道通过开关的配合实现不间断探测电荷信号。本示例性实施例提供的前级电子学13通过积分模块131按照设定周期进行连续积分来探测电荷信号，其在单位时间内能够处理更多的电荷信号，由此由拓宽对于电荷的探测范围，从而解决因为产生的电荷过多而无法计数的问题。ADC模块132通过一多路选择器连接所述积分模块131的双积分通道输出端，用于将积分模块131输出的模拟电压信号转换为数字量电信号。积分模块131在对电荷进行连续积分后，将得到的模拟电压信号输出至ADC模块132进行模数转换，从而输出数字量的电压信号。

图3所示为积分模块的结构示意图，其中，积分模块可包括积分放大器OP和积分电容，积分放大器OP的反相输入端与输出端之间设置有两个并联支路形成两个积分通道，其中的第一积分通道包括两个可控开关INTA和一积分电容CA，且两个积分开关INTA设置于积分电容CA的两侧；同样地，第二积分通道包括两个可控开关INTB和一积分电容CB，且两个可控开关INTB设置于积分电容CB的两侧。在积分模块与ADC之间设置有一多路选择器133，积分电容CA与两侧的可控开关INTA之间分别与多路选择器133连接，以将积分得到的模拟电压信号通过多路选择器133输出至ADC进行模数转换。积分放大器OP的同相输入端与反相输入端之间通过另一可控开关AZ连接，且积分放大器OP的同相输入端接地。积分放大器OP的反相输入端与光电探测器之间设有可控开关SW1，且在可控开关SW1与积分放大器OP的反相输入端之间还通过可控开关SW2和电容C_T接地。此外，本示例性实施例中，积分模块131和ADC模块132可采用TI公司DDC系列集成电路130实现，有关双通道积分模块中开关的配合过程，此处不再展开。

如图2所示，本示例性实施例中，积分模块131、ADC模块132可通过一接口电路与光电探测器12进行连接，以通过该接口电路传输电荷信号。在一可选实施例中，该接口电路为SMA接口。

本示例性实施例通过在前级电子学13中配置积分模块131，通过调节积分模块131中的积分电容和积分时间，实现由积分模块131通过连续积分的方式采集SiPM产生的电荷，解决了通过计数方式进行电荷采集时存在电荷量过多而无法采集的问题，从而有助于拓展对X/γ射线的探测范围。

如图2所示，本示例性实施例中，后级电子学14主要用于对得到的数字量电信号进行数字信号处理，得到电荷量，并输出至上位机15。此外，后级电子学14还可用于响应上位机15的控制信号对前级电子学13进行参数配置，如对ADC进行参数配置，设置电压调节模块134的输出电压等。本示例性实施例中，可使用FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)或单片机作为后级电子学14的控制单元来构建后级电子学14。此外，本示例性实施例中，前级电子学13和后级电子学14分别设置于不同的电路板，如将前级电子学13设置于第一电路板，将后级电子学14设置于第二电路板，并且第一电路板与第二电路板分开设置，第一电路板和第二电路板可通过连接器进行信号传输，包括但不限于前级电子学13与后级电子学14之间传输的对SiPM的供电信号、对前级电子学13其他器件的供电信号、后级电子学14对前级电子学13的控制信号、以及前级电子学13传输给后级电子学14的电荷信号等均可通过一高性能连接器进行传输。

此外，本示例性实施例中，可将外部电源16设置于第二电路板，由此可降低前级电子学13噪音，通过控制前级电子学13噪音，有利于前级电子学13采集到有效电荷信号。如图2所示，本示例性实施例中，后级电子学14可包括第一电源140，第一电源140包括输入端和至少两个输出端，输入端连接外部电源16，至少两个输出端用于输出不同等级的电压信号。此外，由图1可知，SiPM的雪崩区和正比区两个增益平坦区在电压范围上相隔较大，而电压变化是SiPM增益变化的一个强影响因子，因此本公开还提供一个低噪声大幅值宽量程高精度可调电源为SiPM供电，该可调电源可通过两级电源实现，包括输出高电压的升压模块和对SiPM进行供电的电压调节模块。如图2所示，升压模块141可设置于后级电子学14，该升压模块141的输入端连接第一电源140的一输出端，输出端连接电压调节模块134，用于为电压调节模块134提供高供电电压。如图2所示，本示例性实施例中，电压调节模块134可设置于前级电子学13，电压调节模块134用于响应后级电子学14输出的电压调节信号，根据升压模块141的输出电压输出相应等级的数字供电电压为SiPM供电。应该理解的是，电压调节模块134设置于前级电子学中，其可通过上述的接口电路与光电探测器12进行连接，此时，该接口电路不仅传输电荷信号，还传输供电信号。并且，电压调节模块134和升压模块141分开设置，升压模块141可通过上述的高性能连接器向电压调节模块134传输电压。

如图4所示为该电压调节模块的结构示意图，该电压调节模块134可包括：第一运放143、电压跟随器144、电压输出模块145和电压缓冲模块146，其中，第一运放143的同相端连接第一基准电压Vref1，反相端通过一电阻R连接其输出端，且电源端连接升压模块141的输出端，用于对第一基准电压Vref1进行放大，本示例性实施例中，第一基准电压Vref1可以为电路板的基准电压，即通过第一运放143可将电路板的基准电压进行放大后输出，如在一实施例中，通过第一运放143将电路板的基准电压2.048V进行增益放大。电压跟随器144连接于第一运放143和电压输出模块145之间，具体而言，其同相端连接第一运放143的输出端，其输出端连接电压输出模块145的正基准电压端的第一端子，反相端连接电压输出模块145的正基准电压端的第二端子，电源端连接升压模块141的输出端，电压跟随器144可对第一运放143放大后输出的电压信号进行缓冲。电压输出模块145包括正基准电压端和负基准电压端，并且正基准电压端和负基准电压端均为差分输入，即正基准电压端和负基准电压端均包括两个端子，如上所述，正基准电压端的两个端子与电压跟随器144的输出端、反相端对应连接，负基准电压端连接第二基准电压。本示例性实施例中，可通过第二运放147输出第二基准电压Vref2，示例性的，第二运放147的输出端连接负基准电压端的第一端子，第二运放147的反相输入端连接负基准电压端的另一端子，第二运放147根据其同相端的电压决定所输出的第二基准电压Vref2。此外，电压调节模块145的电源端连接升压模块141的输出端。电压调节模块145的供电电压由升压模块141的输出电压提供，并且升压模块141的输出电压决定了电压调节模块145的正负基准电压范围，电压调节模块145可输出一数字供电电压V_{out_DAC}，该V_{out_DAC}值可在正负基准电压范围内进行精密调节，最终输出对SiPM进行供电。可见，本示例性实施例提供的电压输出模块145可实现对升压模块输出的大幅值宽量程范围的电压进行电压精密调节。电压缓冲模块146，与电压输出模块145的输出端连接，用于对数字供电电压V_{out_DAC}进行缓冲后为光电探测器12供电。应当理解的是，本示例性实施例通过升压模块141和电压调节模块134构建了一低噪声大幅值宽量程且可精密调节的对SiPM的供电电源，来控制SiPM的增益变化，为X/γ射线的宽剂量率探测提供探测基础。

示例性的，本示例性实施例可使用高精密电压输出型数模转换器件AD57xx来构建电压输出模块145，AD57xx能够产生稳定性极高、低漂移的电压，AD57xx的输出电压V_{OUT_DAC}可以在一个大幅值宽量程范围内进行精密调节，将AD57xx的电源端连接升压模块141的输出端，由AD57xx根据升压模块的输出电压确定对SiPM的供电电压范围，AD57xx进一步根据其正基准电压Vrefp和负基准电压Vrefn微调对SiPM的供电电压。本示例性实施例中，可使用精密运算放大器OPA21x作为第一运放143将板载基准电压进行增益放大，形成一低噪声高阻抗电源，再使用精密运算放大器OPA21x形成的电压跟随器144进行缓冲和隔离后向AD57xx提供正基准电压Vrefp，形成第一运放143和形成电压跟随器144的两个OPA21x可均由升压模块141进行供电。同时通过另一精密运算放大器OPA21x形成第二运放147，向AD57xx提供负基准电压Vrefn，本示例性实施例中，负基准电压Vrefn可以为0V，即在上述示例的基础上将第二运放147的同相端接地。此外，由于AD57xx带有3.4kΩ的输出电阻，如果未经过充分缓冲，将导致线性误差，因此，本示例性实施例可使用AD86xx形成的电压缓冲模块146作为AD57xx的输出基准缓冲，最终形成一低噪声、低漂移、稳定性极高的大幅值宽量程高精度SiPM可调电源，从而达到在宽剂量率范围下，控制电荷信号强弱的目的。此外，本示例性实施例中，电压输出模块145的控制端还连接后级电子学14中的控制单元(如FPGA142)，FPGA142响应上位机15的控制信号对AD57xx的输出电压进行调节。

此外，如图2所示，本示例性实施例中，前级电子学13还可包括第二电源133，第二电源133的输入端连接第一电源140的另一输出端，第二电源133的输出端连接前级电子学13的各功率器件，为前级电子学13的各功率器件供电。本示例性实施例中，为了进一步降低前级电子学13的干扰噪音，前级电子学13电路板采用噪声抑制技术，即前级电子学13的所有供电均由低压差线性稳压电源(Low Dropout Regulator，LDO)完成。此外，应该理解的是，第一电源140还与后级电子学14中的功率器件连接，以为后级电子学14中的功率器件供电。

本示例性实施例中，通过设置为SiPM供电的宽幅值高精度可调电源，根据辐射源的实际剂量率大小，结合SiPM雪崩区和正比区的增益特性，通过调节为SiPM供电的电压调节电路134的输出电压可控制SiPM产生的有效电荷信号强弱，利用前级电子学13的周期性连续电荷积分方式采集SiPM产生的电荷，能够实现从10^-7～10³Gy/h的宽量程高剂量率X/γ射线的探测，大大提高了SiPM探测器的应用范围和场景。

此外，本公开还提供一种X/γ射线探测方法，图5所示为该探测方法的流程图，参考图5，该方法包括如下步骤：

S110、获取辐射源的目标剂量率；

S120、基于目标剂量率调节光电探测器的工作增益，以通过光电探测器将闪烁体输出的可见光转换为电荷信号；

S130、基于前级电子学获取光电探测器的电荷信号。

本公开是要根据辐射源的剂量率大小，结合SiPM雪崩区和正比区的增益特性，通过控制SiPM电源的输出电压来控制SiPM产生的有效电荷信号强弱，再利用前级电子学对电荷信号进行连续周期性积分读出电荷信号。

在确定辐射源的目标剂量率范围后，在步骤S120中，是要确定辐射源的目标剂量率是属于低剂量率还是高剂量率，并进而调整光电探测器工作于高增益区还是低增益区。当确定辐射源的目标剂量率为高剂量率时，则控制SiPM工作于正比区，以减少电荷的生成量，使得前级电子学能够获取到全部的电荷信号。当确定辐射源的目标剂量率为低剂量率时，则可控制SiPM的增益为雪崩区增益。示例性的，若目标剂量率为第一剂量率，则调节光电探测器工作于第一增益区；若目标剂量率为第二剂量率，则调节光电探测器工作于第二增益区；其中，第一剂量率小于第二剂量率，第一增益区的增益大于第二增益区的增益。其中的第一剂量率可以为10^-7～10^-2Gy/h，第二剂量率可以为10^-2～10³Gy/h，第一增益区可以为雪崩区，第二增益区可以为正比区。

在步骤S130中，是要通过本公开提供的前级电子学按照设定周期进行连续电荷积分的方式获取SiPM产生的电荷信号，并将获取的电荷信号进行模数转换后输出至后级电子学，由后级电子学进行数字信号处理后输出至上位机。应当理解的是，当目标剂量率为第二剂量率时，则使用前级电子学对光电探测器输出的电荷信号进行积分处理，得到X/γ射线的电荷量。

下面结合具体示例对本公开探测方法作进一步介绍，可探测的X/γ射线剂量率范围为10^-7～10³Gy/h。

本示例性实施例中，γ放射源可选用¹³⁷Cs，采用6×6×6mm³CsI(TI)晶体，3×3mm²SiPM，前级电子学使用电荷积分方式读取电荷信号，周期性连续积分时间为100μs～500ms可调，最大积分电容为150pC。经测试，前级电子学本底噪声Q_n0约为1.15×10^-3pC，探测器平均光电子产额M_p约为480p.e.，在1mGy/h剂量率下，计数率N_i0约为3552cps。

探测系统分为三个档位来完成剂量率探测。

在一示例性实施例中，剂量率范围一，前级电子学选用积分时间100μs，积分电容150pC，取雪崩区增益G₁＝1.1×10⁵倍，则：单个γ光子在探测器上产生的电荷量Q_i1为：

Q_i1＝M_p×G₁×e＝480p.e.×1.1×10⁵×1.6×10^-7pC＝8.45pC (2)

该模式下，设定一个判选标准，只有当每个周期积分电荷Q_i值大于某个阈值Q_t的时候，才将其视为有效信号Q_s。一般情况会设置Q_t相当30keV能量产生的电荷值(一般产品指标)，此时该阈值电荷量Q_t 为：

Q_t＝M_p×30keV/662keV×G₁×e

＝480p.e.×30keV/662keV×1.1×10⁵×1.6×10^-7pC＝0.38pC (3)

其测量下限为：

当100μs积分周期内平均事例率小于1时，存在积分周期内事例为0的情况，因此测到的电荷值仅仅为噪声电荷Q_n0＝1.15×10^-3pC，小于设定的阈值Q_t，将不被记录。只有当测到有效信号时Q_i≥Q_i1＝8.45pC>Q_t,才会被记录成有效信号。在噪声信号都被剔除掉的情况下，测量下限理论上可以无限小，一般情况下以环境本底10^-7Gy/h为指标。

测量上限计数率N_1max为：

N_1max＝C_max/Q_i1/100μs＝150pC/8.45pC/100μs＝1.78×10⁵cps (4)

对应剂量率上限D_1max为：

D_1max＝N_1max/N_i0×1mGy/h

＝1.78×10⁵cps/3552cps×1mGy/h＝50mGy/h (5)

即：积分时间100μs，积分电容150pC的前级电子学与SiPM的1.1×10⁵倍增益相结合的档位，可以探测的剂量率范围约为：10^-7Gy/h～50mGy/h。

在另一示例性实施例中，剂量率范围二，前级电子学选用积分时间1ms，积分电容150pC，则：

积分时间内事例数N_i2为：

N_i2＝N_1max×1ms＝1.78×10⁵cps×1ms＝1.78×10²cps (6)

取正比区增益G₂＝50倍，单个γ光子在探测器上产生的电荷量Q_i2为：

Q_i2＝M_p×N_i2×G₂×e＝480p.e.×1.78×10²cps×50×1.6×10^-7pC＝0.68pC (7)

此时，可探测剂量率下限约为10倍噪声的有效信号D_2min，即：

D_2min＝10×Q_n0/Q_i2×D_1max

＝1.15×10^-2pC/0.68pC×50mGy/h＝0.85mGy/h (8)

可探测剂量率上限D_2max为：

D_2max＝150pC/Q_i2×D_1max＝150pC/0.68pC×50mGy/h＝11Gy/h (9)

即：积分时间1ms，积分电容150pC的前级电子学与SiPM的50倍增益相结合的档位，可以探测的剂量率范围约为：0.85mGy/h～11Gy/h。

在又一示例性实施例中，剂量率范围三，前级电子学选用积分时间100μs，积分电容150pC，则：

积分时间内事例数N_i3为：

N_i3＝N_1max×100μs＝1.78×10⁵cps×100μs＝17.8cps (10)

取正比区增益G₃＝5倍，单个γ光子在探测器上产生的电荷量Q_i3为：

Q_i3＝M_p×N_i3×G₃×e＝480p.e.×17.8cps×5×1.6×10^-7pC＝0.0068pC (11)

此时，可探测剂量率下限约为10倍噪声的有效信号D_3min，即：

D_3min＝10×Q_n0/Q_i3×D_1max

＝1.15×10^-2pC/0.0068pC×50mGy/h＝85mGy/h (12)

可探测剂量率上限D_3max为：

D_3max＝150pC/Q_i3×D_1max＝150pC/0.0068pC×50mGy＝1100Gy/h (13)

即：积分时间100μs，积分电容150pC的前级电子学与SiPM的5倍增益相结合的档位，可以探测的剂量率范围约为：85mGy/h～1100Gy/h。

因此，本实例通过设置不同的前级电子学积分时间、积分电容，SiPM增益系数等，可以实现γ剂量率10^-7Gy/h～1100Gy/h范围的探测，具体剂量率值探测可选择不同探测档位来完成。

综上所述，本公开结合SiPM雪崩区和正比区的增益特性，利用周期性连续电荷积分前级电子学的方式，可以实现从10^-7～10³Gy/h的宽量程高剂量率X/γ射线的探测。

需要说明的是，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开中X/γ射线探测方法的各个步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选的，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，以及/或者将一个步骤分解为多个步骤执行等。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种X/γ射线辐射量探测系统，其特征在于，包括：

闪烁体，用于将X/γ射线的辐射能量转换为可见光；

光电探测器，与所述闪烁体连接，用于接收所述闪烁体输出的可见光，并将所述可见光转换为电荷信号；

前级电子学，与所述光电探测器连接，用于至少通过积分方式采集所述光电探测器的电荷信号，并将所述电荷信号转换成数字量电信号；

后级电子学，与所述前级电路连接，用于根据所述数字量电信号得到电荷量，并将所述电荷量输出至上位机进行显示。

2.根据权利要求1所述的探测系统，其特征在于，所述前级电子学包括：

积分模块，输入端连接所述光电探测器，所述积分模块包括双积分通道，以连续采集所述光电探测器输出的电荷信号并基于所述电荷信号输出模拟电压信号；

ADC模块，通过一多路选择器连接所述积分器的双积分通道输出端，用于将积分模块输出的所述模拟电压信号转换为所述数字量电信号。

3.根据权利要求1所述的探测系统，其特征在于，所述后级电子学包括：

第一电源，包括输入端和至少两个输出端，所述输入端连接供电电源，所述至少两个输出端用于输出不同等级的电压信号；

升压模块，输入端连接所述第一电源的一输出端，用于对输入电压进行升压后输出。

4.根据权利要求3所述的探测系统，其特征在于，所述前级电子学包括电压调节模块，所述电压调节模块包括：

第一运放，同相端连接第一基准电压，反相端通过一电阻连接其输出端，且电源端连接所述升压模块的输出端，所述第一运放用于对所述第一基准电压进行放大；

电压跟随器，同相端连接所述第一运放的输出端，电源端连接所述升压模块的输出端，所述电压跟随器用于缓冲所述第一运放的输出电压；

电压输出模块，包括正基准电压端和负基准电压端，所述正基准电压端的第一端子和第二端子与所述电压跟随器的输出端、反相端对应连接，所述负基准电压端连接第二基准电压，且电源端连接所述升压模块的输出端，所述电压输出模块用于根据所述升压模块的输出电压输出对应等级的数字供电电压，并根据所述正基准电压端的输入电压和所述负基准电压端的输入电压调节所述数字供电电压；

电压缓冲模块，与所述电压输出模块的输出端连接，用于对所述数字供电电压进行缓冲后为所述光电探测器供电。

5.根据权利要求3所述的探测系统，其特征在于，所述前级电子学包括第二电源，所述第二电源的输入端连接所述第一电源的另一输出端，所述第二电源的输出端连接所述前级电子学的各功率器件，以为所述前级电子学的各功率器件供电。

6.根据权利要求5所述的探测系统，其特征在于，所述第二电源为LDO线性电源。

7.根据权利要求1-6任一项所述的探测系统，其特征在于，所述前级电子学设置于第一电路板，所述后级电子学设置于第二电路板，且所述第一电路板与所述第二电路板分开设置。

8.一种X/γ射线探测方法，应用于权利要求1-7任一项所述的探测系统，其特征在于，所述方法包括：

获取辐射源的目标剂量率；

基于所述目标剂量率调节光电探测器的工作增益，并通过所述光电探测器将闪烁体输出的可见光转换为电荷信号；

基于前级电子学获取所述光电探测器的电荷信号。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述基于所述目标剂量率调节光电探测器的工作增益，包括：

若所述目标剂量率为第一剂量率，则调节光电探测器工作于第一增益区；

若所述目标剂量率为第二剂量率，则调节所述光电探测器工作于第二增益区；

其中，所述第一剂量率小于所述第二剂量率，所述第一增益区的增益大于所述第二增益区的增益。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述基于前级电子学获取所述光电探测器的电荷信号，包括：

若所述目标剂量率为第二剂量率，则使用所述前级电子学对所述光电探测器输出的电荷信号进行积分处理，得到X/γ射线的电荷量。

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