CN113933888A - 一种宇宙线缪子散射成像探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种宇宙线缪子散射成像探测器，所述探测器包括：暗盒、安置在所述暗盒中且空间相互垂直的第一探测组件和第二探测组件、分别为所述第一探测组件和第二探测组件进行供电以及信号读出的第一电路和第二电路；其中，第一探测组件和第二探测组件均包括若干个闪烁体、固定于每个所述闪烁体中的光纤、分别通过耦合组件固定于所述闪烁体和所述光纤两端的硅光电倍增器；所述闪烁体用于探测宇宙线缪子并产生光子，所述光纤用于收集所述光子，所述硅光电倍增器用于读取光子。在保证系统探测效率前提下，有效提高了位置分辨。
Description
技术领域
本发明涉及一种宇宙线缪子散射成像探测器。
背景技术
原初高能宇宙线粒子通过广延大气簇射产生大量缪子。海平面上缪子通量约为1cm-2min-2，平均动量在3-4GeV/c。缪子不参与强相互作用，因此具有很强穿透能力。利用缪子与物质作用的散射角与物质密度关系，通过测量缪子在穿透物质后的散射径迹及角分布，不仅能够快速区分出物质原子序数，而且可以对散射物体实现三维成像，基于这一成像原理的成像技术，称为缪子散射成像技术。
缪子散射成像分辨能力取决于探测器的位置测量精度。现有的位置灵敏探测技术，常采用气体探测器，或者是更高精度的半导体硅探测器。气体探测器(如漂移室、GEMs)的位置分辨率较好，有利于提高径迹测量精度，但由于气体探测器需要保持内部气压稳定，工作处于高压模式，长期稳定性相对较低，且结构复杂造价高，维护成本高。特别在室外、野外等较为恶劣的环境下，探测器的安装和使用便成为其劣势。而硅探测器的造价昂贵，难以满足缪子散射成像对于大面积探测要求。采用塑料闪烁体配合波长位移光纤读出模式，其结构简单，可实现大面积组合，造价较低，适用于各种测量工作环境。但由于位置分辨比气体探测器差，为提高其位置分辨，需要寻求新的探测器方案，这也是目前缪子散射成像应用的关键技术问题。
现有采用闪烁体作为位置灵敏探测器方案，其基本单元都是采用闪烁体平板或多个条形单元组合，中间刻槽插入光纤，光纤引出光子经光电转换器件转换为电脉冲信号，由专门电子学电路进行放大和数字化处理。代表性的技术方案是加拿大CRIPT(Cosmic RayInspection and Passive Tomography，宇宙线成像与被动断层扫描)合作组，该方案采用三角形闪烁体长条作为探测单元，从光纤的一端引出光子信号输入到位置灵敏的多阳极光电倍增器(PMT)，给出宇宙线缪子击中位置信号。意大利INFN (National Institute forNuclear Physics，国家核物理研究所)的方案与此类似，但采用正方形闪烁体单元替换三角形闪烁体单元，并用硅光电倍增器 (Silicon photomultiplier，SiPM)替换PMT。
现有技术方案均仅从光纤的一端引出光子，收集到的光子数较少。而 CRIPT方案中光电传感器使用的多阳极光电倍增管，不仅造价昂贵，而且对于单光子信号灵敏度低，为了得到足够多的光子，闪烁体的条厚、条宽都受到了限制，位置分辨为2.1mm。而INFN方案中正方形闪烁体单元的几何构型导致位置分辨较差，仅为2.9mm。因此，研发一种高位置分辨、适用复杂测量环境、大面积宇宙线缪子散射成像探测器成为宇宙线缪子散射成像亟待解决的问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
研发一种高位置分辨、适用复杂测量环境、大面积宇宙线缪子散射成像探测器。
(二)技术方案
为了解决上述问题，本发明提供了一种宇宙线缪子散射成像探测器原型，所述探测器包括：暗盒、设置在所述暗盒中且空间相互垂直的第一探测组件和第二探测组件、分别为所述第一探测组件和第二探测组件进行供电以及信号读出的第一电路和第二电路；其中，第一探测组件和第二探测组件均包括若干个闪烁体、固定于每个所述闪烁体中的光纤、分别通过耦合组件固定于所述闪烁体和所述光纤两端的硅光电倍增器；所述闪烁体用于探测宇宙线缪子并产生荧光光子，所述光纤用于收集所述光子，所述硅光电倍增器用于读取光子。
可选地，所述第一探测组件和第二探测组件之间相互紧靠，所述闪烁体为三棱柱，所述闪烁体表面涂覆有TiO2薄膜漫反射层，所述闪烁体的一个面上设置用于固定所述光纤的Ω形槽，且所述闪烁体高H为10mm，宽D为20mm，长度L为15cm。
可选地，所述耦合组件包括闪烁体卡槽、光纤通孔和硅光电倍增器卡槽；
其中，所述光纤通孔设置在所述硅光电倍增器卡槽中心处。
可选地，所述光纤通孔为喇叭状通孔，所述光纤通孔靠近所述硅光电倍增器的一端直径最小。
可选地，所述闪烁体卡槽包括互相平行的上卡槽和下卡槽，若干个闪烁体固定于该上卡槽和下卡槽之间，并且该若干个闪烁体和若干个光纤按预设方式排列。
可选地，所述光纤通孔为两行互相平行且交错设置的若干个通孔，所述硅光电倍增器卡槽为两行互相平行且交错设置的若干个卡槽。
可选地，所述耦合组件还包括固定件，所述硅光电倍增器焊接在固定板上，所述固定件用于将所述固定板固定于所述耦合组件上。
可选地，所述耦合组件为通过3D分段打印得到。
可选地，所述第一电路和第二电路均包括DT5702分线器和信号转接板，所述DT5702分线器的两端分别通过两个所述信号转接板与分别固定于所述闪烁体和所述光纤两端的硅光电倍增器进行连接。
可选地，所述暗盒包括周向设置在所述暗盒上的4个用于固定所述信号转接板的信号转接槽。
(三)有益效果
1.本发明提供的宇宙线缪子散射成像探测器，制作方便、使用灵活，可工作于复杂环境。闪烁体采用刻槽工艺，制作工艺简单；由于整个探测器可由多个闪烁体单元按照需要组成大面积探测模块(即第一探测组件和第二探测组件)，因而可以随时增减模块来满足使用要求，使用灵活；使用的SiPM具有单光子分辨能力，对地磁不灵敏、价格便宜；本发明提供的探测器不需要工作气体和高压系统。因此，适用于各种自然环境中缪子散射成像探测。
2.本发明提供的宇宙线缪子散射成像探测器显著提高位置分辨。本发明中每个闪烁体采用了三角形构型、Ω槽耦合和SiPM双端读出的设计，提升了光子传输、收集的效率。使得闪烁体厚度和条宽降到1cm，光产额显著降低的情况下，经SiPM转换后的光电子数(P.E.)依然处在最佳响应范围(20P.E.-80P.E.)，在保证系统探测效率前提下，有效提高了位置分辨。
附图说明
图1是本发明的一个实施例提供的一种宇宙线缪子散射成像探测器结构示意图；
图2是本发明的一个实施例提供的一种宇宙线缪子散射成像探测器中第一探测组件和第二探测组件相互位置结构示意图；
图3是本发明的一个实施例提供的一种宇宙线缪子散射成像探测器中暗盒的结构示意图；
图4是本发明的一个实施例提供的一种宇宙线缪子散射成像探测器中闪烁体和光纤耦合结构横截面示意图；
图5是本发明的一个实施例提供的一种宇宙线缪子散射成像探测器中闪烁体和光纤耦合结构俯视图；
图6是本发明的一个实施例提供的一种宇宙线缪子散射成像探测器中耦合组件正视图；
图7是本发明的一个实施例提供的一种宇宙线缪子散射成像探测器中耦合组件的光纤通孔结构示意图；
图8是本发明的一个实施例提供的一种宇宙线缪子散射成像探测器中耦合组件后视图；
图9是本发明的一个实施例提供的一种宇宙线缪子散射成像探测器中第一电路或第二电路结构示意图；
图10是本发明的一个实施例提供的一种宇宙线缪子散射成像探测器中闪烁体和光纤按预设方式排列示意图；
图11是本发明的一个实施例提供的一种宇宙线缪子散射成像探测器中的耦合组件通过3D分段打印得到的结构示意图；
图12是本发明的一个实施例提供的一种宇宙线缪子散射成像探测器中用于焊接硅光电倍增器的固定板结构示意图；
图13是本发明的一个实施例提供的一种宇宙线缪子散射成像探测器中DT5702分线器电路结构示意图；
图14是本发明的一个实施例提供的一种宇宙线缪子散射成像探测器中信号转接板电路结构示意图；
图15是本发明的一个实施例提供的一种宇宙线缪子散射成像探测器在实验中进行测量得到的未经修正的位置分辨；
图16是本发明的一个实施例提供的一种宇宙线缪子散射成像探测器中第一探测组件和第二探测组件实物图；
图17是本发明的一个实施例提供的一种宇宙线缪子散射成像探测器实物图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
参见图1至图17，本发明的一个实施例提供了一种宇宙线缪子散射成像探测器，所述探测器包括：暗盒1、设置在所述暗盒1中且空间相互垂直的第一探测组件2和第二探测组件3、分别为所述第一探测组件2和第二探测组件3进行供电以及信号读出的第一电路和第二电路；其中，第一探测组件2和第二探测组件3均包括若干个闪烁体4、固定于每个所述闪烁体4中的光纤5、分别通过耦合组件6固定于所述闪烁体4和所述光纤 5两端的硅光电倍增器7；所述闪烁体4用于探测宇宙线缪子并产生光子，所述光纤5用于收集所述光子，所述硅光电倍增器7用于读取光子。所述第一探测组件2和第二探测组件3之间相互紧靠。
其工作原理为：闪烁体4获取宇宙线缪子并产生光子，通过设置在闪烁体4内部的光纤5收集该光子，并通过与闪烁体4和光纤5两端连接的硅光电倍增器7读取光子，利用第一电路和第二电路将信号进行读出，在探测宇宙线粒子的同时，由于若干个闪烁体4所处的位置不同，通过本发明提供的探测器还确定了探测到宇宙线粒子并产生光子的闪烁体4的位置。
需要说明的是，如图2所示，上文所述的第一探测组件2和第二探测组件3空间相互垂直并且相互紧靠，是指使第一探测组件2和第二探测组件3之间的距离尽可能的小，但由于耦合部件有一定厚度，所以两个探测组件之间以尽可能靠近的方式进行设置。
可以理解的是，本发明实施例中，闪烁体4、光纤5的数量相同，硅光电倍增器7由于设置在闪烁体4、光纤5的两端，硅光电倍增器7的数量为光纤数量的两倍，从而实现SiPM双端读出，但本发明实施例对这些数量不作具体限制。
具体地，参见图4和图5，所述闪烁体4为三棱柱，所述闪烁体4表面涂覆有TiO2薄膜漫反射层，在涂覆TiO2薄膜漫反射层之前该闪烁体表面进行磨砂处理。涂上TiO2薄膜漫反射层，使得闪烁体4产生的光子能在闪烁体4内部形成漫反射，增加波长位移光纤吸收效率。待反射涂层固化后，在闪烁体4上加工一条Ω形槽，即在所述闪烁体4的一个面上设置用于固定所述光纤5的Ω形槽401，用于固定耦合光纤。光纤耦合端面采用专门打磨和抛光工艺，以保证处理后的各个光纤长度误差不超过1mm。其中，所述闪烁体4高H为10mm，宽D为20mm，长度L为15cm。此处，闪烁体4的长、宽、高仅为本发明实施例的一个具体示例，但上述示例不应理解为对本发明闪烁体4的长、宽、高的限制，本发明不对其作出具体限制，可以根据实际使用需求进行适应性调整。
参见图6至图8，所述耦合组件6包括闪烁体卡槽601、光纤通孔602 和硅光电倍增器卡槽603；其中，所述光纤通孔602设置在所述硅光电倍增器卡槽603中心处。
所述光纤通孔602为喇叭状通孔，所述光纤通孔602靠近所述硅光电倍增器7的一端602a直径最小。使得孔后端较大以方便光纤穿入，而孔前端靠近SiPM部分的直径恰好通过光纤，用以固定光纤，并保证与SiPM 的稳定耦合。
所述闪烁体卡槽601包括互相平行的上卡槽601a和下卡槽601b，若干个闪烁体4固定于该上卡槽601a和下卡槽601b之间，并且该若干个闪烁体4和若干个光纤5按预设方式排列。参见图8，该预设方式可以为闪烁体4正向和反向交替排列，两个相邻的闪烁体4横截面构成一个平行四边形。从而使得该平行四边形的两个平行边可以通过互相平行的上卡槽601a和下卡槽601b进行固定。从而使得所述光纤通孔602为两行互相平行且交错设置的若干个通孔，所述硅光电倍增器卡槽603为两行互相平行且交错设置的若干个卡槽。硅光电倍增器7也相应地为两行互相平行且交错设置。
所述耦合组件6还包括固定件604，所述硅光电倍增器7焊接在固定板8上，所述固定件604用于将所述固定板8固定于所述耦合组件6上。固定板8为用于焊接SiPM的印刷电路板(PCB)，该电路板的作用是固定 SiPM位置，并且提供SiPM的偏压、输出SiPM的信号。固定件604为螺丝螺母组件以及设置在耦合组件6和固定板8上的螺丝孔。
参见图11，所述耦合组件6为通过3D分段打印得到。本发明实施例可以采用3D打印技术制作，采用分段制造，保证了光纤和SiPM耦合的稳定性基础上，增加了3D打印精度的冗余，使得SiPM能够容易的完全卡入卡槽。
另外，参见图9，所述第一电路和第二电路均包括DT5702分线器9 和信号转接板10，所述DT5702分线器9的两端分别通过两个所述信号转接板10与分别固定于所述闪烁体4和所述光纤5两端的硅光电倍增器7 进行连接。
其中，DT5702为基于CAEN公司生产的一SiPM集成电路。它具有 SiPM的供电、信号放大成型甄别、能量时间测量、信号符合、与计算机交互等功能，能同时处理32只SiPM的信号同时需要设计专门的电路板配合使用，将DT5702相邻的两个信号道分配给位于同一根闪烁体两端的 SiPM。
需要说明的是，耦合组件6的作用是固定光纤、SiPM和闪烁体。在功能上，预留标准排针接口，通过排线引入电子学电路板(DT5702)上的偏压，从而给板上的所有SiPM供电，并引出信号至DT5702。尺寸上，SiPM 的有效面积与光纤耦合面积对齐，从而保证光子的接受度最大。
参见图3，所述暗盒1包括周向设置在所述暗盒1上的4个用于固定所述信号转接板10的信号转接槽101。该暗盒用以提供避光环境，以保证 SiPM的正常工作。
图15是实验测量探测器(三角形底宽2cm)未经修正的位置分辨，拟合得到的位置残差分布σΔx＝2.7mm，其中包括宇宙线径迹测量系统定位精度 2.1mm，扣除该项贡献，得到该探测器原型的定位精度为：1.7mm。经入射角度修正之后探测器位置分辨能够达到1mm。由两个空间上相距1m的本发明提供的探测器构成缪子径迹探测系统，对垂直入射的缪子径迹，一维角度分辨能力可以达到1.4mrad，二维角度分辨可以达到2mrad。若增加两个本发明所述的探测器之间距离，角分辨可以进一步提高，完全能够满足不同测量条件下缪子成像对散射角、位置测量的要求。
下面通过一个具体实施例对本发明提供的宇宙线缪子散射成像探测器进行进一步说明：
本实施例中闪烁体4横截面为三角形，三角形的高10mm，宽20mm，长度为15cm。将各个闪烁体按照图10所示进行拼接，其中反射涂层厚度使得闪烁体的宽度增加约0.5mm。
设置在闪烁体两端的固定板8(PCB板)和耦合组件6是镜像对称的。图12是安装SiPM的固定板8，其能够安装16个SiPM，并且每个SiPM 能够通过PCB板内部的布线引入的下方的排针插座。同时，在左右和上方设置三个固定孔，用来与耦合组件6相固定。
图11是耦合组件6，为三段，采用3D打印技术制作，采用了分段制造，保证了光纤和SiPM耦合的稳定性基础上，增加了3D打印精度的冗余，使得SiPM能够容易的完全卡入卡槽。组装完成的闪烁体探测器单个模块如图15所示。
图13是用于连接DT5702的分线器电路板。中间的排针插座目的是与 DT5702的排针连接，而板的功能是将奇数的信道分到上方的排针插座，偶数的信道分到下方的排针插座，而由于探测器需要放在暗盒里避光使用，因此需要另外设计暗盒上的信号转接板10(图14)用以转接。暗盒内部再通过排线与探测器模块上的PCB板相连，进而完成SiPM的供压、信号读出。连接完成图如图16和17。
本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。
尽管已经参照本发明的特定示例性实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行形式和细节上的多种改变。因此，本发明的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。
Claims (10)
1.一种宇宙线缪子散射成像探测器，其特征在于，所述探测器包括：
暗盒(1)、设置在所述暗盒(1)中且空间相互垂直的第一探测组件(2)和第二探测组件(3)、分别为所述第一探测组件(2)和第二探测组件(3)进行供电以及信号读出的第一电路和第二电路；
其中，第一探测组件(2)和第二探测组件(3)均包括若干个闪烁体(4)、固定于每个所述闪烁体(4)中的光纤(5)、分别通过耦合组件(6)固定于所述闪烁体(4)和所述光纤(5)两端的硅光电倍增器(7)；
所述闪烁体(4)用于探测宇宙线缪子并产生光子，所述光纤(5)用于收集所述光子，所述硅光电倍增器(7)用于读取光子。
2.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述第一探测组件(2)和第二探测组件(3)之间相互紧靠；所述闪烁体(4)为三棱柱，所述闪烁体(4)表面涂覆有TiO2薄膜漫反射层，所述闪烁体(4)的一个面上设置用于固定所述光纤(5)的Ω形槽(401)，且所述闪烁体(4)高H为10mm，宽D为20mm，长度L为15cm。
3.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述耦合组件(6)包括闪烁体卡槽(601)、光纤通孔(602)和硅光电倍增器卡槽(603)；
其中，所述光纤通孔(602)设置在所述硅光电倍增器卡槽(603)中心处。
4.根据权利要求3所述的探测器，其特征在于，所述光纤通孔(602)为喇叭状通孔，所述光纤通孔(602)靠近所述硅光电倍增器(7)的一端(602a)直径最小。
5.根据权利要求3所述的探测器，其特征在于，所述闪烁体卡槽(601)包括互相平行的上卡槽(601a)和下卡槽(601b)，若干个闪烁体(4)固定于该上卡槽(601a)和下卡槽(601b)之间，并且该若干个闪烁体(4)和若干个光纤(5)按预设方式排列。
6.根据权利要求3所述的探测器，其特征在于，所述光纤通孔(602)为两行互相平行且交错设置的若干个通孔，所述硅光电倍增器卡槽(603)为两行互相平行且交错设置的若干个卡槽。
7.根据权利要求3所述的探测器，其特征在于，所述耦合组件(6)还包括固定件(604)，所述硅光电倍增器(7)焊接在固定板(8)上，所述固定件(604)用于将所述固定板(8)固定于所述耦合组件(6)上。
8.根据权利要求3或7所述的探测器，其特征在于，所述耦合组件(6)为通过3D分段打印得到。
9.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述第一电路和第二电路均包括DT5702分线器(9)和信号转接板(10)，所述DT5702分线器(9)的两端分别通过两个所述信号转接板(10)与分别固定于所述闪烁体(4)和所述光纤(5)两端的硅光电倍增器(7)进行连接。
10.根据权利要求9所述的探测器，其特征在于，所述暗盒(1)包括周向设置在所述暗盒(1)上的4个用于固定所述信号转接板(10)的信号转接槽(101)。
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| CN202010677781.3A CN113933888A (zh) | 2020-07-14 | 2020-07-14 | 一种宇宙线缪子散射成像探测器 |
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| EP1739460A2 (en) * | 2005-06-27 | 2007-01-03 | General Electric Company | Gamma and neutron radiation detector |
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-
2020
- 2020-07-14 CN CN202010677781.3A patent/CN113933888A/zh active Pending
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