CN117518230A - 探测器、被动式中子源成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种探测器、被动式中子源成像系统及方法。其中，该探测器可应用于被动式中子源成像，包括多个探测单元模块，每个探测单元模块包括多个闪烁晶体单元，其中多个闪烁晶体单元包括N个吸收体单元和M个慢化体单元。通过对N个吸收体单元中每个吸收体单元的中子沉积能量进行积分，以及对M个慢化体单元中每个慢化体单元的中子沉积能量进行积分，获取多个闪烁晶体单元的沉积能量总值，以用于确定每个探测单元模块的中子沉积能量分布，从而实现对中子源在4π范围内定位成像，不仅对中子射线有较高的探测效率，还可以拥有较广的中子能量探测范围，实现了便捷地在4π空间中对放射源的准确定位。

Description

探测器、被动式中子源成像系统及方法

技术领域

本公开涉及核技术领域，具体涉及一种探测器、被动式中子源成像系统及方法。

背景技术

中子放射性材料的管理是国家安全的重要需求，中子源定位成像技术在打击核走私、特殊复合放射性物质运输监管等场景有重要应用。然而被动式中子源成像在物理过程和技术手段上都具有很大难度。其中，在物理过程上的难点主要有：(1)中子的探测与被动成像过程充满挑战，热中子和快中子的作用规律差别巨大，热中子能量低更容易沉积在探测器内，但难以对放射源进行准确定位，而快中子难以阻挡，穿透能力强，阻挡屏蔽厚，探测装置笨重尺寸较大。(2)中子与物质作用的机制也十分复杂，中子可与物质发生弹性散射、非弹性散射、俘获反应、各种放出带电粒子的反应及多粒子反应等，且在这些过程中产生复杂的次级粒子，产生许多次级能量。这也导致了中子作用点和沉积位置的空间分布复杂，对探测器的设计提出了挑战。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决现有技术中所存在的上述技术问题至少之一，本公开提供了一种综合性能最优、能在最大程度上充分利用入射中子事件的信息且能够实现便携化的探测器、被动式中子源成像系统及方法。

(二)技术方案

本公开的一个方面提供了一种探测器，应用于被动式中子源成像，其中，包括多个探测单元模块，用于接收入射中子事件，其中，多个探测单元模块中的每个探测单元模块包括多个闪烁晶体单元，多个闪烁晶体单元相互排列分布构成三维阵列结构，其中，多个闪烁晶体单元包括N个吸收体单元和M个慢化体单元。N个吸收体单元用于在中子入射时发生吸收反应，实现入射中子能量的沉积；M个慢化体单元与吸收体单元相互排列分布，用于在中子入射时发生慢化反应，实现入射中子能量的沉积；其中，通过对N个吸收体单元中每个吸收体单元的中子沉积能量进行积分，以及对M个慢化体单元中每个慢化体单元的中子沉积能量进行积分，获取多个闪烁晶体单元的沉积能量总值，以用于确定每个探测单元模块的中子沉积能量分布，从而实现对中子源在4π范围内定位成像。

根据本公开的实施例，其中，N个吸收体单元中的每个吸收体单元的中子吸收截面比M个慢化体单元中的每个慢化体单元的中子吸收截面高；M个慢化体单元中的每个慢化体单元的中子散射截面比N个吸收体单元中的每个吸收体单元的中子散射截面高。其中，N≥3，和/或M≥3，且N，M为正整数。

根据本公开的实施例，三维阵列结构满足：入射热中子能够被靠近入射方向的吸收体直接吸收而不丢失信号；入射快中子能够在经过慢化体慢化后被吸收体吸收而不至于逃逸；其中，对于不同能量的中子，入射三维阵列结构之后的作用位置深度不同且有着不同的能量和计数分布，实现不同方向入射的4π全景探测，在不同位置发生反应的入射中子与相应的慢化体单元或吸收体单元反应，确保中子沉积能量分布与入射中子方向信息正相关。

根据本公开的实施例，N个吸收体单元的总体积为A；M个慢化体单元的总体积为B，三维阵列结构的总体积为C，且C≥A+B；其中，A和B满足：k＝B/A，且1/9≤k≤9；或者A、B和C满足：r＝A/C，s＝B/C，且0.1≤r＜1，0.1≤s＜1。

根据本公开的实施例，多个闪烁晶体单元中的每个闪烁晶体单元为长柱体结构，每个闪烁晶体单元的长柱体结构的高度h与其长度l或宽度d之间满足：h≥3l，和/或h≥3d。

根据本公开的实施例，多个探测单元模块相互排列布设构成三维阵列结构；其中，多个探测单元模块中存在至少两个探测单元模块在空间位置上的多个闪烁晶体单元的排列朝向不同。

本公开的另一方面提供了一种被动式中子源成像系统，其中，包括上述探测器、多个光电转换器、能量探测模块和分布重建模块。多个光电转换器与探测器的多个闪烁晶体单元中的每个闪烁晶体单元相耦合，以实现单通道读出每个闪烁晶体单元内的入射中子的沉积能量和中子数目；能量探测模块利用每个光电转换器对每个闪烁晶体单元入射中子的沉积能量进行积分，获取单个闪烁晶体单元一段时间内的沉积能量总值，并对中子入射后其能量通道响应数量进行筛选，从而确定探测器中的中子沉积能量分布和中子数分布；分布重建模块用于根据中子沉积能量分布和中子数分布，重建得到入射中子放射源的分布信息，以实现被动式中子源成像。

根据本公开的实施例，多个闪烁晶体单元中的每个闪烁晶体单元与多个光电转换器中的一个光电转换器相互耦合；和/或多个闪烁晶体单元中的至少两个闪烁晶体单元与多个光电转换器中的一个光电转换器相互耦合。

本公开的又一个方面提供了一种被动式中子源成像方法，应用于上述的被动式中子源成像系统，其中，包括：单通道读出上述探测器的多个闪烁晶体单元中的每个闪烁晶体单元内的入射中子的沉积能量和中子数目；对每个闪烁晶体单元入射中子的沉积能量进行积分，获取单个闪烁晶体单元一段时间内的沉积能量总值，并对中子入射后其能量通道响应数量进行筛选，从而确定探测器中的中子沉积能量分布和中子数分布；根据中子沉积能量分布和中子数分布，重建得到入射中子放射源的分布信息，以实现被动式中子源成像。

根据本公开的实施例，在根据中子沉积能量分布和中子数分布，重建入射中子放射源的分布信息中，包括：根据探测器中多个探测单元模块的每个探测单元模块中的中子沉积能量分布E和中子数分布y，以及预设总体系统能量传输矩阵P和总体系统计数传输矩阵Q，重建中子源空间中的入射中子放射源的分布信息x，其中，满足：

根据本公开的实施例，在对每个闪烁晶体单元入射中子的沉积能量进行积分，获取单个闪烁晶体单元一段时间内的沉积能量总值，并对中子入射后其能量通道响应数量进行筛选，剔除沉积能量通道响应数量小于3个的入射中子事件。

(三)有益效果

本公开提供了一种探测器、被动式中子源成像系统及方法。其中，该探测器可应用于被动式中子源成像，相对于传统的中子计数式等成像方案，本公开借助于上述探测器的独特成像物理结构设计和能量积分的方式，不仅对中子射线有较高的探测效率，还可以拥有较广的中子能量探测范围，其所能生成的能量分布信息能够增强入射中子射线携带的相关方向信息，且在4π立体角视野可探测到中子射线，实现了便捷地在4π空间中对放射源的准确定位，同时也实现了对中子探测成像功能的小型化、集成化和便携化。

附图说明

图1示意性示出了根据本公开一实施例的探测器的多个探测单元模块的三维阵列结构图；

图2示意性示出了根据本公开另一实施例的探测器的多个探测单元模块的三维阵列结构图；

图3示意性示出了根据本公开又一实施例的探测器的多个探测单元模块的三维阵列结构图；

图4示意性示出了根据本公开一实施例的探测器的一个探测单元模块的三维阵列结构图；

图5示意性示出了根据本公开另一实施例的探测器的一个探测单元模块的三维阵列结构图；

图6示意性示出了根据本公开又一实施例的探测器的一个探测单元模块的三维阵列结构图；

图7示意性示出了根据本公开还一实施例的探测器的一个探测单元模块的三维阵列结构图；

图8示意性示出了根据本公开再一实施例的探测器的一个探测单元模块的三维阵列结构图；

图9示意性示出了根据本公开实施例的中子沉积能量分布和入射中子方向信息(如箭头所示为入射中子方向)之间的关系对应图；

图10示意性示出了根据本公开实施例的一个闪烁晶体单元的结构图；

图11示意性示出了根据本公开实施例的被动式中子源成像系统组成图；以及

图12示意性示出了根据本公开实施例的被动式中子源成像方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序或是制造方法上的顺序，这些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把他们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把他们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的代替特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

现有的被动式中子探测技术主要分为两类：(1)吸收准直类，例如编码板探测器、Li-6笼型捕捉装置，但这类探测技术的中子能量范围大屏蔽困难，采用慢化并捕获不同方向的Li-6笼型捕捉的成像装置往往体积笨重，分辨率较低，且探测器体积笨重；探测效率低，而采用编码板准直投影的编码板成像装置，分辨率高但往往视野受限；(2)多级散射类，类似康普顿相机，但这类探测技术还需要同时探测到多个次级事件，探测效率低；视野有限；对成像有贡献的作用机制类型非常有限，其他作用过程产生干扰事件等。

显然，对于上述现有的被动式中子探测技术，在探测单元上采用多个探测单元同时探测同一个入射粒子事件，各个探测器单元并不独立，需要复杂的处理逻辑和电子学开销。而且，在探测步骤上，需要对同一个入射事件的多个探测单元上的信息进行配准和识别，通过位置加权来计算入射中子沉积在探测器的计算，且对于作用位置在多个探测单元的事件无法有效利用，大大降低了探测效率。

为此，现有被动式中子探测技术还提供了一种阵列式的中子计数式探测器以期解决上述探测效率降低的技术问题。但是对于该阵列式的中子计数式探测器而言，由于中子与闪烁体阵列的反应与伽马光子与闪烁体阵列的反应有明显的区别对于该阵列式中子计数式探测器而言，其在中子入射过程中，实际上很难判定这个入射中子的计数所属的探测单元。而且，无论是只保留中子第一次作用的位置进行计数，还是对于所有闪烁体阵列的能量信号进行Anger加权确定计数位置，实际情况中的相关甄别都极为困难，而且也更容易损失很多入射方向信息，造成定位成像精度极差，这就直接导致阵列式中子计数式探测器实现难度极大，且在物理上可行性不高。

为解决现有技术中所存在的上述技术问题至少之一，本公开提供了一种综合性能最优、能在最大程度上充分利用中子探测事件且能够实现便携化的探测器、被动式中子源成像系统及方法。

如图1-图10所示，本公开的一个方面提供了一种探测器，应用于被动式中子源成像，其中，包括多个探测单元模块，用于接收入射中子事件，其中，多个探测单元模块中的每个探测单元模块包括多个闪烁晶体单元，多个闪烁晶体单元相互排列分布构成三维阵列结构，其中，多个闪烁晶体单元包括N个吸收体单元和M个慢化体单元。

N个吸收体单元用于在中子入射时发生吸收反应，实现入射中子能量的沉积；

M个慢化体单元与吸收体单元相互排列分布，用于在中子入射时发生慢化反应，实现入射中子能量的沉积；

其中，通过对N个吸收体单元中每个吸收体单元的中子沉积能量进行积分，以及对M个慢化体单元中每个慢化体单元的中子沉积能量进行积分，获取多个闪烁晶体单元的沉积能量总值，以用于确定每个探测单元模块的中子沉积能量分布，从而实现对中子源在4π范围内定位成像。

如图1所示，探测器100包括探测单元模块101、102、103、104，这四个探测单元模块101、102、103、104在一平面上相互两两排列形成一三维阵列结构。相应地，如图2所示，探测器200包括探测单元模块201、202、203、204、205(未示出)、206、207、208，其中4个探测单元模块201、202、203、204在一平面上相互两两排列形成一三维阵列结构，然后在垂直方向上与另外4个探测单元模块205(未示出)、206、207、208在一平面上相互两两排列形成的一三维阵列结构对应布设，形成一8个探测单元模块的三维阵列结构。其中，如图1和图2所示的探测单元模块构成的三维阵列结构中，各个相邻探测单元模块之间可以具有间隙。为减小探测器的整体尺寸，如图3所示，探测器300包括探测单元模块301、302、303，其中3个探测单元模块301、302、303在一平面上沿一直线相互紧密排列形成一三维阵列结构，其中各个探测单元模块之间没有间隙。

构成每个探测单元模块的是吸收体单元和慢化体单元两种探测单元。其中，吸收体单元对中子吸收截面高，而慢化体单元对中子散射截面高，二者相互排列形成N+M的三维阵列结构，可对中子源在4π范围内进行成像。在中子入射之后，可能会在吸收体单元发生吸收反应或者在慢化体单元发生慢化反应，这些反应均能在相应的探测单元上实现能量沉积，统计一段时间内某个吸收体单元或慢化体单元的探测器单元上的能量沉积总值即可以作为该探测器的能量响应信息。

本公开实施例中的每个探测单元模块可以采用某种吸收体单元和某种慢化体单元形成N+M的特定排列，且该特定排列要求存在某个探测单元在中子沿不同方向入射时，在慢化体单元的慢化材料中穿过的距离差异较大。如图4所示，N＝32数量的吸收体单元402和M＝32数量的慢化体单元401相互交错排列构成一8×8的探测单元模块400的三维阵列结构。其中，实际中还可取N或M为6、7、8、9、10、11、12等，具体不作限制。其中，对于每个探测器单元，无论是慢化体单元402还是吸收体单元401均可设置相应的高度为10mm-30mm，长和/或宽为1mm-4mm，从而可以实现小型化成像设备。

对于每个探测器单元的每一面均可以耦合光电倍增器或者光电转换器，并用电子学系统对其一段设定时间内的所有沉积能量事件的波形进行积分并累加，可以得到每个探测器单元内在该段设定时间内的能量沉积总值，从而利用该能量沉积总值对应的能量沉积分布对二维平面内的中子源分布进行成像。

当中子入射至某个探测单元模块的某个闪烁晶体单元时，会在闪烁晶体单元中发生散射或俘获等物理过程，在该闪烁晶体单元内会产生各种粒子沉积能量，激发该闪烁晶体单元产生闪烁光子，该闪烁晶体单元可以单端耦合光电转换器(如硅光电倍增管SiPM阵列)，通过光电转换器将光信号转化为电信号，并利用后端的电子学系统进行进一步的处理。该闪烁晶体单元另一端可以耦合反光膜，使得产生的光电子尽可能被光电转换器收集。将光电转换器读出的每个闪烁晶体单元的能量信号，在一段时间后相加，就得到了单个闪烁晶体单元的能量沉积数值；对每个闪烁晶体单元做相同操作即能得到相应探测单元模块的能量沉积分布，进而获得整个探测器的能量沉积分布。其中，耦合的光电转换器可以将闪烁光子转化为电信号读出后，输入到后端读出电子学的ADC模块和FPGA进行数字化处理，输出每一个光电转换器上收集到事件的能量、时间、波形、基线等信息。

因此，本公开的上述实施例，实际上提供了一种基于能量沉积方式的探测器。由于中子束入射闪烁晶体单元时，会与物质发生弹性散射、非弹性散射、辐射俘获等相互作用，在宏观上中子束表现为衰减，衰减的中子会将能量沉积在闪烁晶体单元中，所以可以得到入射中子在闪烁体阵列中的能量沉积分布。如果闪烁体阵列中的能量沉积分布是与入射方向相关的，便能够利用相互排布(如交错排布)的单个探测单元模块和电子学系统够获得能量沉积响应，便能够通过入射方向相关的能量沉积分布，反推入射方向，实现中子定位成像。

因此，相对于传统的中子计数式等成像方案，本公开实施例可以借助于上述探测器的独特成像物理结构设计和能量积分的方式，不仅对中子射线有较高的探测效率，还可以拥有较广的中子能量探测范围，其所能生成的能量分布信息能够增强入射中子射线携带的相关方向信息，且在4π立体角视野可探测到中子射线，实现了便捷地在4π空间范围中对放射源的准确定位，同时也实现了对中子探测成像功能的小型化、集成化和便携化。

其中，每个探测单元模块中的每个吸收体单元和慢化体单元还可以具有其他形式的排布方式，如图4所示探测单元模块400的各个吸收体单元402和慢化体单元401沿x轴方向交错排列形成高度方向沿z轴的三维阵列结构；如图6所示探测单元模块600的各个吸收体单元602和慢化体单元601沿z轴方向交错排列形成高度方向沿x轴的三维阵列结构；如图7所示探测单元模块700的各个吸收体单元702和慢化体单元701沿z轴方向交错排列形成高度方向沿y轴的三维阵列结构。显然，本公开实施例的探测单元模块的各个闪烁晶体单元具有非常灵活的排布方式。

此外，如图5所示探测单元模块500也可以是在x轴方向上并列的两个吸收体单元502与相邻的慢化体单元501的交错排列所构成的三维阵列结构。换言之，本公开实施例的探测单元模块中的各个吸收体单元和慢化体单元排布方式也即为灵活。

如图1-图10所示，根据本公开的实施例，其中，N个吸收体单元中的每个吸收体单元的中子吸收截面比M个慢化体单元中的每个慢化体单元的中子吸收截面高；M个慢化体单元中的每个慢化体单元的中子散射截面比N个吸收体单元中的每个吸收体单元的中子散射截面高。

在本公开的实施例汇总，吸收体单元对中子吸收截面更高，吸收体单元可以是GAGG晶体、CLYC晶体、CLLBC晶体及其他参杂B或含Li的各种闪烁体。此外，慢化体单元对中子散射截面更高，慢化体单元可以是ECPS晶体等各种有机闪烁体等。

如图1-图10所示，根据本公开的实施例，N≥3，和/或M≥3，且N，M为正整数。其中，优选3≤N≤30，和/或3≤M≤30，且N，M为正整数的情况作为吸收体单元和慢化体单元的对应数量，如此便可以在各个闪烁晶体单元的尺寸相对固定的情况下，实现对入射中子事件最佳的能量沉积效果。

如图8所示，该探测单元模块800中的闪烁晶体单元数量为20×20＝400个，其中吸收体单元满足N＝200个，慢化体单元满足M＝200个，形成超大规模的探测单元模块。因此，每个探测单元模块中的阵列的闪烁晶体单元的数目一般不做具体限制。但是，为保证使得任一方向入射到阵列上的中子都能在至少三个探测器单元中产生响应，优选选择上述N+M的三维阵列结构满足吸收体单元满足N大于等于3个，和/或慢化体单元满足M大于等于3个。

需要说明的是，吸收体单元和慢化体单元的材质种类不同，每个探测单元模块中需要保证吸收体单元和慢化体单元均同时存在，以保证相应的能量响应所携带的入射中子方向信息更为准确。

如图1-图10所示，根据本公开的实施例，三维阵列结构满足：入射热中子能够被靠近入射方向的吸收体直接吸收而不丢失信号；入射快中子能够在经过慢化体慢化后被吸收体吸收而不至于逃逸；

其中，对于不同能量的中子，入射三维阵列结构之后的作用位置深度不同且有着不同的能量和计数分布，实现不同方向入射的4π全景探测，在不同位置发生反应的入射中子与相应的慢化体单元或吸收体单元反应，确保中子沉积能量分布与入射中子方向信息正相关。

每个探测单元模块中的吸收体单元和慢化体单元的材质和数量的设计原则满足：热中子能够被靠近入射方向的吸收体直接吸收而不至于丢失信号；快中子能够在经过足够的慢化体慢化后被吸收体吸收而不至于逃逸。

对于不同能量的中子，入射探测器后的作用位置深度不同，且有着不同的分布。此时，可以使用慢化体单元和吸收体单元形成交错排列的探测单元模块，使得不同方向入射(4π全景探测)在不同位置的中子均能与慢化体单元和吸收体单元反应。

如图9所示能量沉积的分布的结果，慢化体单元的ECPS晶体对于伽马射线的衰减系数较弱，而吸收体单元的GAGG晶体对于中子射线的衰减系数较强，通过选择交错排布的方式，不仅能量沉积分布具有方向信息，还能直接利用该探测单元模块进行中子放射源的成像。

此外通过将该探测单元模块以模块中心为坐标轴原点旋转，将该探测单元模块方向绕x、y、z三个方向旋转放置，可以测得在三个位置的响应，通过测量的响应(计数或能量)可以对4π空间中的中子源分布进行成像。吸收体单元和慢化体单元的材质的闪烁晶体单元交错排列，任一方向入射的中子射线都有合适的响应，使得探测单元模块测得的探测单元模块中得到的沉积能量强度分布与入射中子方向信息正相关。

根据本公开的实施例，N个吸收体单元的总体积为A；M个慢化体单元的总体积为B；其中，A和B满足：k＝B/A，且1/9≤k≤9。

根据本公开的实施例，N个吸收体单元的总体积为A；M个慢化体单元的总体积为B；三维阵列结构的总体积为C，且C≥A+B；其中，A、B和C满足：r＝A/C，s＝B/C，且0.1≤r＜1，0.1≤s＜1。其中，三维阵列结构的总体积C在不考虑闪烁晶体单元之间的空隙的情况下，满足：C＝A+B。

在某个探测单元模块的闪烁晶体单元的三维阵列结构中，为保证成像效果，可以选择合适的慢化体单元及吸收体单元的比例。其中，可以设定在单个探测单元模块中的慢化体单元总体积B：吸收体单元总体积A的比例k满足：1∶9到9∶1之间，可以使得任一方向入射的中子能够在吸收和慢化体上都能产生合理响应。

另外，该探测单元模块中任何一种闪烁晶体单元的体积在整个三维阵列结构的总体积的体积占比都不小于10％，从而使得任一方向入射的中子能够在吸收和慢化体上都能产生合理响应，而不至于在中子源位于某些方向时只在慢化体单元或吸收体单元中产生响应，避免影响成像精度等。

如图10所示，根据本公开的实施例，多个闪烁晶体单元中的每个闪烁晶体单元为长柱体结构，每个闪烁晶体单元的长柱体结构的高度h与其长度l或宽度d之间满足：h≥3l，和/或h≥3d。

每个闪烁晶体单元的长柱体结构可以选择三棱柱、圆柱、长方柱(即长方体)以及正方体等，其中，优选为长方体形状，其长宽高的尺寸可根据实际应用情景进行调整。在本公开实施例中，待测中子源能量越高，倾向于使用更大的晶体尺寸。其中，每个闪烁晶体单元一般选择高度h大于等于其3倍长度l或3倍宽度d的长方柱，以便于阵列排列。当然，也可选择其他具有至少有一个光耦合端面且能排列为上述三维阵列结构形式的其他几何体形状。

如图8所示，采用某种吸收体单元和某种慢化体单元相互交错排列形成20×20的特定排列。其中，吸收体单元数量N满足N＝200，且慢化体单元数量M满足M＝200。对于其中每个闪烁晶体单元，均可选择高度h为30mm-100mm，且其长1或宽d为4mm-20mm的尺寸，从而可以有效增加探测效率，适用于更高能量的中子探测，进一步提高成像性能。具体地，如图4所示，采用8×8的闪烁晶体单元的三维阵列结构设计，每个探测单元模块中采用GAGG晶体作为吸收体单元402和ECPS晶体作为慢化体单元401交错排列。其中，每根闪烁晶体单元的尺寸均为3mm×3.26mm×20mm，该探测单元模块的整体尺寸则为25mm×25mm×20mm。

如图1-图3所示，根据本公开的实施例，多个探测单元模块相互排列布设构成三维阵列结构；

其中，多个探测单元模块中存在至少两个探测单元模块在空间位置上的多个闪烁晶体单元的排列朝向不同。

如图1-图3所示，多个探测单元模块可以相互组合排列在一起形成探测器，其中可以沿不同方向组合各个探测单元模块，形成不同三维空间分布的探测器，为确保相应的能量响应效果，则需保证该探测器中至少存在两个探测单元模块在不同的空间位置上的朝向不同。

具体地，如图1所示，探测器100中存在探测单元模块103的高度方向朝向y轴，且探测单元模块104的高度方向朝向z轴，即满足存在至少两个探测单元模块在空间位置上的多个闪烁晶体单元的排列朝向不同；此外，如图2所示，探测器200中存在探测单元模块203的高度方向朝向x轴，且探测单元模块204的高度方向朝向y轴，同时探测单元模块208的高度方向朝向z轴，而且如图3所示探测器300中存在探测单元模块301的高度方向朝向z轴，且探测单元模块302的高度方向朝向x轴，同时探测单元模块303的高度方向朝向y轴，都满足存在至少两个探测单元模块在空间位置上的多个闪烁晶体单元的排列朝向不同。

进一步地，如图1-图3所示，采用多个具有交错阵列的探测单元模块沿不同方向以不同的形式排列，在确保可行性的基础上，尽量让探测器的每个探测单元模块的排列减少对称性，或者处于总体设计中的对称位置的探测单元模块尽量朝向不同方向。其中，每个探测单元模块的朝向可以改变，且保证所有探测单元模块中至少有三个探测单元模块朝向不同。

因此，对于每个探测单元模块至少有一面耦合光电倍增器和光电转换器，并用电子学系统对一段设定时间内所有沉积能量事件的波形积分并累加，以得到每个探测单元模块内在一段时间内的能量沉积总值，可以利用每个探测单元模块的能量沉积分布对三维空间内的中子源分布进行成像。如图2所示，该三维探测器200共采用8个探测单元模块201-208构成。其中，每个探测单元模块的摆放方式至少被两个探测单元模块使用，如此可以确保该三维探测器能够具有对不同二维方向的放射源的成像能力。通过该探测器的三维阵列绕X、Y、Z旋转，可以沿不同方向排列并堆叠，增强对不同方向的中子源成像的能力，实现对4π空间中的中子源分布进行成像。

需要说明的是，在如上述图1-图3所示的多个探测单元模块相互组合排列形成的探测器中，与之相互耦合的光电转换器可耦合在每个探测单元模块外露一面，从而能够尽量避免光电转换器的元器件对整体组合方式的影响。

基于上述分析可见，本公开实施例提供了一种探测器，以应用于被动式中子成像中，作为核心的探测器的特殊结构组成，结合其中每个闪烁晶体探测单元的选型及设计原则，探测信号的读出方式和判断逻辑，以及核心的重建方法，能够提供相应的可靠、稳定、更为精确的成像效果。

因此，通过对吸收体单元和慢化体单元的材质、数量等不同组合的探测单元模块设计，以及能量探测模块中获取的沉积能量分布信息，本公开实际无需判断沉积能量信息来自几个中子，也无心关心中间是否发生了几次散射，仅需把所有能量信号采集并累积计算即可，电路读出及甄别逻辑简单，实现方案成本更低，且得到每个探测单元模块中沉积能量分布与入射方向相关，利用重建算法模块重建即可得到入射中子放射源的分布信息。

显然，本公开旨在提供一种被动式中子源成像方案，在当中子从特定方向入射，一段时间内的中子在阻挡慢化过程中在每个探测器单元沉积能量。将每个探测器单元中沉积能量积分，会得到单个探测器单元一段设定时间内的沉积能量总值。对所有探测器单元做此操作，得到探测器单元中沉积能量分布，该分布与入射方向相关，可以利用特定重建算法重建空间中放射源分布情况。

因此，本公开实施例的上述探测器不仅对中子射线有较高的探测效率，还可以拥有较广的中子能量探测范围，特殊的成像物理结构设计以及独特的积分方式生成的能量分布，间接增强了入射中子射线携带的相关方向信息，且可以在4π立体角视野探测到中子射线，准确便捷地在4π空间中实现对放射源进行定位，同时具备对中子探测成像功能的小型集成化的特性。

如图11所示，本公开的另一方面提供了一种被动式中子源成像系统1100，其中，包括上述探测器1110、多个光电转换器1120、能量探测模块1130和分布重建模块1140。

多个光电转换器1120与探测器1110的多个闪烁晶体单元中的每个闪烁晶体单元相耦合，以实现单通道读出每个闪烁晶体单元内的入射中子的沉积能量和中子数目；

能量探测模块1130利用每个光电转换器对每个闪烁晶体单元入射中子的沉积能量进行积分，获取单个闪烁晶体单元一段时间内的沉积能量总值，并对中子入射后其能量通道响应数量进行筛选，从而确定探测器1110中的中子沉积能量分布和中子数分布；

分布重建模块1140用于根据中子沉积能量分布和中子数分布，重建得到入射中子放射源的分布信息，以实现被动式中子源成像。

探测器可以由至少一个探测单元模块排列构成，每个探测单元模块可以由若干个材质为吸收体和慢化体的闪烁晶体单元构成，交错排列形成三维阵列结构，每个闪烁晶体单元至少一端耦合光电转换器，可单通道读出每个闪烁晶体单元内的入射中子的沉积能量和中子数量。

能量探测模块可以对每个闪烁晶体单元入射中子沉积的能量进行积分，统计得到单个闪烁晶体单元一段设定时间内的沉积能量总值，进而可以得到探测单元模块中的中子沉积能量分布。

重建算法模块可以根据探测单元模块中的中子沉积能量分布和中子数分布，重建得到入射中子放射源的分布信息。

吸收体和慢化体的材质的闪烁晶体单元交错排列，使得探测单元模块中得到的沉积能量分布的强度与入射中子方向信息正相关，从而确认中子放射源空间分布，对其成像进行显示并进行定位确认。

由于中子在闪烁体中可能产生反冲质子、电子、各种重离子等次级粒子，这些粒子的能量信号的甄别具有难度，如果采用从闪烁晶体的两个相对的端面读出能量信息判断作用位置的深度信息，由于不同次级粒子能量信号的衰减规律不同，所以可能导致闪烁晶体中作用深度判断不准确，故选取闪烁晶体单元的单端读出设计，以进一步提高中子作用深度的准确判断，从而提高成像精确度。

因此，通过对吸收体和慢化体材质、数量等不同组合的探测单元模块设计，以及结合能量积分的读出方式，本公开上述的成像系统不仅对中子射线有较高的探测效率，还可以拥有较广的中子能量探测范围，特殊的成像物理结构设计以及独特的积分方式生成的能量分布，间接增强了入射中子射线携带的相关方向信息，在对中子放射源进行准确定位的同时，同时具备对的小型集成化的中子成像特性。

需要说明的是，在如上述图1-图3所示的多个探测单元模块相互组合排列形成的探测器中，与之相互耦合的光电转换器可耦合在外露一面，尽量避免光电转换器的元器件对整体组合方式的影响。

根据本公开的实施例，多个闪烁晶体单元中的每个闪烁晶体单元与多个光电转换器中的一个光电转换器相互耦合；和/或多个闪烁晶体单元中的至少两个闪烁晶体单元与多个光电转换器中的一个光电转换器相互耦合。

多个闪烁晶体单元的每个闪烁晶体单元至少一端耦合光电转换器，可单通道读出每个闪烁晶体单元内沉积能量和中子计数。其中，也可多个闪烁晶体单元耦合一个光电转换器，从而减少系统复杂度和降低成本。

如图12所示，本公开的又一个方面提供了一种被动式中子源成像方法，应用于上述的被动式中子源成像系统，其中，包括操作S1201-S1203。

在操作S1201中，单通道读出上述探测器的多个闪烁晶体单元中的每个闪烁晶体单元内的入射中子的沉积能量和中子数目；

在操作S1202中，对每个闪烁晶体单元入射中子的沉积能量进行积分，获取单个闪烁晶体单元一段时间内的沉积能量总值，并对中子入射后其能量通道响应数量进行筛选，从而确定探测器中的中子沉积能量分布和中子数分布；

在操作S1203中，根据中子沉积能量分布和中子数分布，重建入射中子放射源的分布信息，以实现被动式中子源成像。

如图12所示，根据本公开的实施例，在操作S1203根据中子沉积能量分布和中子数分布，重建入射中子放射源的分布信息中，包括：

根据探测器中多个探测单元模块的每个探测单元模块中的中子沉积能量分布E和中子数分布y，以及预设总体系统能量传输矩阵P和总体系统计数传输矩阵Q，重建中子源空间中的入射中子放射源的分布信息x，其中，满足：

根据探测单元模块中的中子沉积能量分布E和中子数分布y，和事先标定过程中得到的P、Q，可以通过任意迭代或非迭代重建算法解出空间中的入射中子放射源的分布信息x。其中P和Q分别为本公开的上述成像系统中，每个的闪烁晶体单元阵列发生的探测器计数响应和能量响应过程的系统传输矩阵。

如图12所示，根据本公开的实施例，在操作S1202对每个闪烁晶体单元入射中子的沉积能量进行积分，获取单个闪烁晶体单元一段时间内的沉积能量总值，并对中子入射后其能量通道响应数量进行筛选，剔除沉积能量通道响应数量小于3个的入射中子事件。对于单个中子入射的事件，可通过剔除沉积能量通道响应数量小于三个的入射中子事件，来提高中子事件的探测准确性。

选择合适尺寸和合理数目的慢化体和吸收体单元，使得任一方向入射到阵列上的中子都能在至少三个探测器单元中产生响应(即可产生计数值或能量沉积值)，从而可以从响应分布中反推中子源的方向。

首先，可以确定待成像中子源的平均能量和应用场景的中子注量率水平，以对探测器尺寸和数目进行估计。

之后，估算探测器计数和能量响应的比值，作为设计参照的标准。对于某方向入射中子的平均能量为E，注量率为φ的中子，假设探测器沿该方向接收中子照射的面积为S，且探测器沿该方向共排列n个探测器单元，其中有n1个慢化体单元和n2个吸收体单元。为方便起见，进一步假定每个探测器单元沿该方向的长度为d。

此时，假设每个探测器单元中单位时间内的计数值和能量沉积值分别为y_i和E_i，且1≤i≤n。

因此，每个探测器单元中的能量沉积值可用如下公式递推得到：

……

……

因此，每个探测器单元中的计数值可用如下方式递推得到：

……

其中，A_i为第i个探测器单元材料的平均质量数。/>为第i个探测器单元在中子到达此探测器单元平均能量下的平均中子反应宏观截面。

此时，如果根据估算认为E_n和E₁有差距，或者y_n与y₁有差距，可认为此时在探测器单元上的能量响应和计数响应与入射方向相关，从而可用于反推中子入射方向。例如，可设定如下两种条件，若满足如下两种条件中的一种，认为尺寸设置合适：

进一步地，沿着空间各个方向重复上述过程，可最终确定沿各方向合适的探测器单元尺寸(d)、探测器阵列个数(n)及探测器总尺寸(n*d)。例如对于常见的Am-Be和Cf-252等中子放射源，可选择探测器在任一方向上的外尺寸不小于20mm，以获得较好成像效果。

此外，设计探测器的读出模块。探测器阵列应耦合多个光电器件单元，使得探测器相应能以合理形式被输出。在耦合过程中，可以使用光导传递信号。要求使每一个探测器单元上的计数值都可以单独输出到数据处理模块，提升输出数据对中子源方向的响应特性。可选方案是多个探测器模块耦合一个光电器件单元，减少系统复杂度和降低成本。

闪烁晶体单元耦合的光电转换器可以输出能量沉积量，也可以将计数和能量沉积量同时输出，从而进一步提升输出数据对中子源方向的响应特性。

重建算法模块可根据探测单元模块中的中子沉积能量分布，重建得到入射中子放射源的分布信息。具体的步骤如下：

在成像系统中，假设共由M个探测单元模块组成的上述的三维阵列结构组成，每个探测单元模块经过某种特定方式排列组合，用系统传输矩阵来表示探测的过程：

y_i＝P_ix(1≤i≤M) (10)

其中，第i个探测单元模块共由m_i个闪烁晶体单元构成阵列，y_ik表示第i个探测单元模块中的第k个闪烁晶体单元，在单位时间内沉积的能量值；x＝[x₁，x₂，...，x_n]′为中子放射源在空间中的分布，表示为空间中每个角度的放射源活度分布的向量，n表示视野的角度数量。P_i为中子探测器的系统传输矩阵，P_i的大小为m_i×n。

将M个式子拼起来可得到：

y＝Px (12)

其中，y＝[y₁，y₂，...，y_M]′为列向量，代表所有探测单元模块中沉积的能量值。P＝[P₁，P₂，...，P_M]′为总系统传输矩阵。

利用测量得到的上述公式(12)的y和事先标定过程中得到的P，可以解出空间中的分布x。

假设在获取并排列探测器单元的响应X＝[X₁，X₂，...，X_N]′后，其中，X_i为某个探测器单元上的计数或能量值，N表示总共输出的探测器单元能量及计数值个数，可采用如下迭代框架计算：

其中，x＝[x₁，x₂，...，x_n]′为放射源在空间中的分布，表示为空间中每个角度的放射源活度分布的向量，n表示视野的角度数量。P为探测器的系统传输矩阵，大小为N×n。θ_ij代表矩阵P中的第i行第j列的值，表示第j个探测器单元对第i个图像单元的响应。其中，上标n表示迭代次数。

优选地，可以在采用重建时，将每个入射事件、每个单元的能量沉积量都输入重建算法，进一步提高重建定位效果。

同样，假设共由M个上述探测单元模块组成，每个探测单元模块经过某种特定方式排列组合，用系统传输矩阵来表示探测的过程：

E_i＝Q_ix(1≤i≤M) (14)

在上式中，为第i个探测器阵列共由m_i个探测器单元构成阵列，E_ik表示第i个探测器阵列中的第k个探测器单元，在单位时间内探测得到的能量沉积值。x＝[x₁，x₂，...，x_n]′为放射源在空间中的分布，表示为空间中每个角度的放射源活度分布的向量，n表示视野的角度数量。Q_i为探测器的系统传输矩阵，Q_i的大小为m_i×n。

将M个式子拼起来可得到：

E＝Qx (16)

其中，E＝[E₁，E₂，...，E_M]′为列向量，代表所有阵列中探测器单元的计数值。P＝[Q₁，Q₂，...，Q_M]′为总系统传输矩阵。

将上式与从权6中的系统传输矩阵拼起来可得：

利用测量得到y、E和事先标定过程中得到的P、Q，可以通过任意迭代或非迭代重建算法解出空间中的分布x。将能量沉积累加值作为重建算法的输入数据，比单纯用计数的算法成像效果更好，同时大大减小计数复杂度。

此时，利用下式：

E＝Qx (18)

用测量得到E和事先标定过程中得到的Q，可以通过任意迭代或非迭代重建算法解出空间中的分布x。

因此，通过对吸收体单元和慢化体单元的材质、数量等不同组合的探测单元模块设计，以及能量探测模块中获取的沉积能量分布信息，本公开实际无需判断沉积能量信息来自几个中子，也无心关心中间是否发生了几次散射，仅需把所有能量信号采集并累积计算即可，电路读出及甄别逻辑简单，实现方案成本更低，且得到每个探测单元模块中沉积能量分布与入射方向相关，利用重建算法模块重建即可得到入射中子放射源的分布信息。

显然，本公开旨在提供一种被动式中子源成像方案，在当中子从特定方向入射，一段时间内的中子在阻挡慢化过程中在每个探测器单元沉积能量。将每个探测器单元中沉积能量积分，会得到单个探测器单元一段设定时间内的沉积能量总值。对所有探测器单元做此操作，得到探测器单元中沉积能量分布，该分布与入射方向相关，可以利用特定重建算法重建空间中放射源分布情况。

因此，本公开实施例的上述探测器不仅对中子射线有较高的探测效率，还可以拥有较广的中子能量探测范围，特殊的成像物理结构设计以及独特的积分方式生成的能量分布，间接增强了入射中子射线携带的相关方向信息，且可以在4π立体角视野探测到中子射线，准确便捷地在4π空间中实现对放射源进行定位，同时具备对中子探测成像功能的小型集成化的特性。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种探测器，应用于被动式中子源成像，其中，包括多个探测单元模块，用于接收入射中子事件，其中，多个探测单元模块中的每个探测单元模块包括：

多个闪烁晶体单元，相互排列分布构成三维阵列结构，其中，所述多个闪烁晶体单元包括：

N个吸收体单元，用于在中子入射时发生吸收反应，实现所述入射中子能量的沉积；

M个慢化体单元，与所述吸收体单元相互排列分布，用于在中子入射时发生慢化反应，实现所述入射中子能量的沉积；

其中，通过对所述N个吸收体单元中每个吸收体单元的中子沉积能量进行积分，以及对所述M个慢化体单元中每个慢化体单元的中子沉积能量进行积分，获取所述多个闪烁晶体单元的沉积能量总值，以用于确定所述每个探测单元模块的中子沉积能量分布，从而实现对中子源在4π范围内定位成像。

2.根据权利要求1所述的探测器，其中，所述N个吸收体单元中的每个吸收体单元的中子吸收截面比所述M个慢化体单元中的每个慢化体单元的中子吸收截面高；所述M个慢化体单元中的每个慢化体单元的中子散射截面比所述N个吸收体单元中的每个吸收体单元的中子散射截面高；其中，N≥3，和/或M≥3，且N，M为正整数。

3.根据权利要求1所述的探测器，其中，所述三维阵列结构满足：

入射热中子能够被靠近入射方向的吸收体直接吸收而不丢失信号；

入射快中子能够在经过慢化体慢化后被吸收体吸收而不至于逃逸；

其中，对于不同能量的中子，入射所述三维阵列结构之后的作用位置深度不同且有着不同的能量和计数分布，实现不同方向入射的4π全景探测，在不同位置发生反应的入射中子与相应的慢化体单元或吸收体单元反应，确保所述中子沉积能量分布与入射中子方向信息正相关。

4.根据权利要求1所述的探测器，其中，

所述N个吸收体单元的总体积为A；

所述M个慢化体单元的总体积为B；

所述三维阵列结构的总体积为C，且C≥A+B；

其中，A和B满足：k＝B/A，且1/9≤k≤9；或者A、B和C满足：r＝A/C，s＝B/C，且0.1≤r＜1，0.1≤s＜1。

5.根据权利要求1所述的探测器，其中，

所述多个闪烁晶体单元中的每个闪烁晶体单元为长柱体结构，所述每个闪烁晶体单元的长柱体结构的高度h与其长度l或宽度d之间满足：h≥31，和/或h≥3d。

6.根据权利要求1所述的探测器，其中，

所述多个探测单元模块相互排列布设构成三维阵列结构；

其中，所述多个探测单元模块中存在至少两个探测单元模块在空间位置上的多个闪烁晶体单元的排列朝向不同。

7.一种被动式中子源成像系统，其中，包括：

权利要求1-6中任一项所述的探测器，

多个光电转换器，与所述探测器的多个闪烁晶体单元中的每个闪烁晶体单元相耦合，以实现单通道读出所述每个闪烁晶体单元内的入射中子的沉积能量和中子数目；

能量探测模块，利用每个光电转换器对所述每个闪烁晶体单元入射中子的沉积能量进行积分，获取单个闪烁晶体单元一段时间内的沉积能量总值，并对中子入射后其能量通道响应数量进行筛选，从而确定所述探测器中的中子沉积能量分布和中子数分布；

分布重建模块，根据所述中子沉积能量分布和中子数分布，重建得到入射中子放射源的分布信息，以实现所述被动式中子源成像。

8.根据权利要求7所述的被动式中子源成像系统，其中，

所述多个闪烁晶体单元中的每个闪烁晶体单元与所述多个光电转换器中的一个光电转换器相互耦合；和/或

所述多个闪烁晶体单元中的至少两个闪烁晶体单元与所述多个光电转换器中的一个光电转换器相互耦合。

9.一种被动式中子源成像方法，应用于权利要求7或8中所述的被动式中子源成像系统，其中，包括：

单通道读出权利要求1-6中任一项所述探测器的多个闪烁晶体单元中的每个闪烁晶体单元内的入射中子的沉积能量和中子数目；

对所述每个闪烁晶体单元入射中子的沉积能量进行积分，获取单个闪烁晶体单元一段时间内的沉积能量总值，并对中子入射后其能量通道响应数量进行筛选，从而确定所述探测器中的中子沉积能量分布和中子数分布；

根据所述中子沉积能量分布和中子数分布，重建入射中子放射源的分布信息，以实现所述被动式中子源成像。

10.根据权利要求9所述的被动式中子源成像方法，其中，在所述根据所述中子沉积能量分布和中子数分布，重建入射中子放射源的分布信息中，包括：

根据所述探测器中多个探测单元模块的每个探测单元模块中的中子沉积能量分布E和中子数分布y，以及预设总体系统能量传输矩阵P和所述总体系统计数传输矩阵Q，重建中子源空间中的入射中子放射源的分布信息x，其中，满足：