CN207541279U - 差分式伽马探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种差分式伽马探测器，位置识别器设置在金属封装外壳的轴向内壁侧，闪烁晶体、光电转换器及采集放大电路设置在位置识别器的轴向内部；闪烁晶体的两端分别通过光学耦合剂与两个光电转换器的光阴极耦合，两个采集放大电路分别设置在两个光电转换器的端部并分别与对应端部的光电转换器连接；导光层轴向设置于闪烁晶体及光电转换器的外侧与所述位置识别器之间。该实用新型是根据闪烁晶体两端的两个光电转换器接收的不同脉冲信号幅度与能量，通过差分计算获得闪烁晶体轴向任意截面的伽马射线入射位置及能量分布，提高伽马探测器轴向分辨率、探测伽马射线入射位置和/或伽马射线入射方位的技术解决方案。

Description

差分式伽马探测器

技术领域

本实用新型涉及一种用于方位伽马探测、阵列伽马探测、高分辨率伽马探测以及无源自然伽马射线探测、宇宙射线探测、有源伽马射线、X射线探测等工程应用领域的差分式伽马探测器。

背景技术

目前在工程技术应用领域，特别是石油、天然气勘探领域，自然伽马射线探测对油气勘探、剩余油气评估等有着十分重要的意义。常见的探测器主要有：盖革计数器、闪烁晶体等。其中，盖革计数器具有成本低但探测效率低等特点；闪烁晶体尽管相比盖革计数器的成本高出许多，但是由于具有较高的探测效率，因而广泛地应用于石油、天然气探测技术和产品领域。

自然伽马探测在矿藏勘探、地层元素分析等工程应用领域也有着广泛的应用价值。

此外，伽马射线探测、X射线探测、宇宙射线探测还在物质检测、安全检测、医学医疗等方面也有重要的应用。

在传统的油气探测技术应用领域，现有的产品和技术由于探测原理、闪烁晶体材料、制造工艺、几何尺寸等因素，虽然一定程度上解决了方位伽马探测、阵列伽马探测器布局和高分辨率伽马探测的技术应用，在特定的环境下无法满足方位伽马的探测要求、难以合理解决伽马探测器的阵列布局、无法满足更高分辨率的探测。

本实用新型公开了一种新型差分式伽马探测器结构，提供了解决传统伽马探测以及工程应用方面的技术方案。

本实用新型无意涉及创新一种新型的探测器材料或者提出解决新型伽马探测的核物理反应原理。任何一种被本实用新型实施案例选用的闪烁晶体材料以及其核反应机理，均作为揭示本实用新型技术的应用对象。

本实用新型无意涉及光电转换器的原理以及其内部构造。任何一种被本实用新型实施案例选用的光电转换器以及其内部构造，均作为揭示本实用新型技术的应用对象。

本实用新型基于闪烁晶体探测原理，通过结构设计和算法，提供一种方位伽马探测、阵列伽马探测、高分辨率伽马探测的解决方案。

本实用新型应用还包括：无源自然伽马射线探测、宇宙射线探测，以及有源伽马射线、X射线探测等工程应用领域。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种差分式伽马探测器，包括：采集放大电路、金属封装外壳、位置识别器、导光层、闪烁晶体及光电转换器，所述位置识别器设置在所述金属封装外壳的轴向内壁侧，所述闪烁晶体、光电转换器及采集放大电路设置在所述位置识别器的轴向内部；所述闪烁晶体的两端分别通过光学耦合剂与两个所述光电转换器的光阴极耦合，两个所述采集放大电路分别设置在两个所述光电转换器的端部并分别与对应端部的光电转换器连接，两个所述采集放大电路分别用于采集并处理对应端部光电转换器接收到的来自所述闪烁晶体的脉冲信号；所述闪烁晶体及光电转换器的外侧设置有所述导光层，所述导光层轴向设置于所述闪烁晶体及光电转换器的外侧与所述位置识别器之间。

其中，闪烁晶体、光电转换器不属于本实用新型的发明内容，仅作为本实用新型所借助使用的探测自然伽马射线的手段和装置。

其中，采集放大电路所涉及的技术属于公开技术，仅作为本实用新型所选用的信号采集、处理、运算、传输的技术手段和装置。

本实用新型的主要目的在于提供一种差分式伽马探测器装置和处理方法，重点在于解决油气及地质探测工程中方位伽马探测、阵列伽马探测、高分辨率伽马探测的问题，并通过本实用新型技术的延伸，应用于伽马射线探测、X射线探测以及适用于闪烁晶体探测的宇宙射线探测的工程应用领域。

其中，所述导光层是设置在所述闪烁晶体及两端光电转换器的组合体外层的光导材料构件、光导材料涂层、光导材料构件与光导材料涂层复合层的任一种，即：导光层可以使具有一定光学特性的导光材料制成的构件耦合安装在上述探测器整体部件外层，也可以是某种光学特性的导光材料涂层并使用特种工艺均匀地涂装在上述探测器整体部件外层。

其中，所述位置识别器安装在光电转换器、闪烁晶体及导光层的外围，以用于定向聚焦伽马射线入射方向或阻滞伽马射线入射强度，所述位置识别器由一种材料构成或使用一种以上的材料复合构成，即：位置识别器选用某种被伽马射线穿透力不强的材料制成的结构件，安装在导光层外部。

其中，两端的采集放大电路分布与闪烁晶体两端的光电转换器连接，用于采集、放大、处理光电转换器所接收的脉冲信号。同时，两端的采集放大电路具有相互通讯并对两个脉冲信号进行差分比较运算的功能。

其中，所述金属封装外壳将所述采集放大电路、位置识别器、导光层、光电转换器、闪烁晶体所构成的组件进行径向圆周及轴向两端封装，并最终由金属封装外壳的任意一端引出若干导线，导线包括：光电转换器供电、采集放大电路数据输出、地线等。

其中，所述光电转换器为光电倍增管或其他特征的光电转换器件。

其中，所述闪烁晶体为具有不同的材料及用于探测不同射线的固态晶体，其为碘化钠NaI(Tl)、碘化铯CsI(Tl)、锗酸铋BGO、溴化镧LaBr3中的任一种。

其中，所述位置识别器具有对应伽马射线入射位置的开窗，以约束伽马射线的入射位置并由结构安装方式确定伽马射线入射初始位置与差分式伽马探测器脉冲测量的计算位置，使得差分式伽马探测器的处理、计算起始位置归一化。

通过上述技术方案，本实用新型是根据闪烁晶体两端的两个光电转换器接收的不同脉冲信号幅度与能量，通过差分计算，获得闪烁晶体轴向任意截面的伽马射线入射位置及能量分布，进一步实现提高伽马探测器轴向分辨率、探测伽马射线入射位置和/或伽马射线入射方位的技术解决方案。同时，通过积分及差分比较计算，可以用一个闪烁晶体替代“多个”闪烁晶体，获得伽马探测器高密度排列方式的阵列探测技术方案。进一步获取不同方位、不同阵列密度状态下的伽马能谱探测与被测物质的元素分析。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本实用新型实施例所公开的差分式伽马探测器剖视示意图。

图中数字表示：

11.金属封装外壳 12.位置识别器 13.导光层

14.闪烁晶体 15.光电转换器 16.采集放大电路

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本实用新型提供了一种差分式伽马探测器，具体介绍如下：

附图1所示为一种差分式伽马探测器的剖面示意图，本实用新型实施案例中所提供的差分式伽马探测器包括：采集放大电路16、金属封装外壳11、位置识别器12、导光层13、光电转换器15和闪烁晶体14；位置识别器12设置在金属封装外壳11的轴向内壁侧，闪烁晶体14、光电转换器15及采集放大电路16设置在位置识别器12的轴向内部；

闪烁晶体14的两端分别通过光学耦合剂与两个光电转换器15的光阴极耦合，两个采集放大电路16分别设置在两个光电转换器15的端部并分别与对应端部的光电转换器15连接，两个采集放大电路16分别用于采集并处理对应端部光电转换器15接收到的来自闪烁晶体14的脉冲信号；

闪烁晶体14及光电转换器15的外侧设置有导光层13，导光层13轴向设置于闪烁晶体14及光电转换器15的外侧与位置识别器12之间。

无论伽马射线在闪烁晶体14的任意位置，以垂直或任意角度入射到闪烁晶体14，将在闪烁晶体14内部发生荧光反应并产生激发态的光子，这些光子将在闪烁晶体14内部各向同性地传播。

此激发态的光子被光电转换器15的光阴极接收后，经过光电转换器15内部放大，最终产生电平信号输出。

由于伽马射线的粒子特性，伴随着每一个伽马粒子对闪烁晶体14的轰击，闪烁晶体14产生一次相应的瞬间荧光反应，产生一个或多个激发态光子。所产生的激发态光子，在闪烁晶体14内部各向同性地传播。两端的光电转换器15分别接收到输送到闪烁晶体14两个端面的激发态光子，并分别获得一个电平信号，因此，光电转换器15输出的是脉冲计数信号。

同样，采集放大电路16也将采集、放大、处理这些脉冲信号。

激发态光子在闪烁晶体14内部的运动遵循光学运动形式，如：直线传播、反射、折射、散射等光学特征。

光电转换器15的光阴极所接收的光子，分别来自直线传播、反射、折射、散射等不同路径和或不同能量损失的光子，由此产生的脉冲计数信号具有不同幅度、不同时序等特征。

闪烁晶体14的材料通常有碘化钠NaI(Tl)、碘化铯CsI(Tl)、锗酸铋BGO、溴化镧LaBr3等，其中的一种材料和/或一种以上材料合成的复合式闪烁晶体14。闪烁晶体14是指受到高能粒子的轰击，能将高能粒子的动能转变为光能而发出闪光的晶体。

当确定选用某种材料的闪烁晶体14，其光学特征以及被伽马粒子轰击所发生的荧光反应特性随之确定。因此，激发态光子在某种材料的闪烁晶体14内部的传播特性也将随之确定。

进一步地，在闪烁晶体14内部激发态光子的传播速度也随之确定。

进一步地，由于闪烁晶体14的几何形状是有限的，其轴向长度不足以使激发态光子在其轴向方向的传播速度产生明显的时差，因此，无论伽马粒子在闪烁晶体14任何位置、任何角度入射轰击闪烁晶体14，可以认为所产生的每个沿轴线直线传播的激发态光子到达两端光电转换器15的时间相等。

进一步地，对于差分式伽马探测器的差分统计和计算，更多地对经反射、折射、散射路径传播的激发态光子的接收有决定性的兴趣。

本实用新型差分式伽马探测器，还包含了导光层13。导光层13对于闪烁晶体14内部沿非轴线传播的激发态光子产生反射、折射等干预，由于导光层13使用的是与闪烁晶体14不同的材料，人为地使经导光层13反射、折射的激发态光子在能量衰变、传播效率以及分别到达两端光电转换器15的光阴极的时序发生差异，这种差异正是差分式伽马探测器的核心。

本实用新型差分式伽马探测器，还包含了位置识别器12。位置识别器12选用某种被伽马射线穿透力不强的材料制成的结构件，目的在于有条件地阻滞或减弱伽马射线轰击闪烁晶体14；位置识别器12通过几何结构，为伽马射线高效率轰击闪烁晶体14设计了通道。

本实用新型实施案例规定，从入射通道进入并轰击闪烁晶体14所产生的光电脉冲信号，包含沿轴线直线传播以及经反射、折射激发态光子所产生的光电脉冲信号，是本实用新型技术所关注的信息。其它，从非通道进入并轰击闪烁晶体14所产生的光电脉冲信号，包含沿轴线直线传播以及经反射、折射激发态光子所产生的光电脉冲信号，在本实用新型实施案例中被视为噪声信号。

进一步地，扣除本底噪声和电路噪声，以及高速多道数字化采样、多级滤波整形放大、逻辑差值计算等是构成本实用新型的关键技术。

本实用新型差分式伽马探测器，还包含了位于闪烁晶体14两端的采集放大电路16分别对应两端的光电转换器15所输出的脉冲计数信号进行采集、放大和/或进行差分计算。

本实用新型实施案例所涉及的信号采集、处理方案以通用化、标准化为设计目标。具体地方案是：两端的采集放大电路16分别与两端对应位置的光电转换器15就近设置，就近采集、处理脉冲信号并同时具有逻辑计算比较功能。

进一步地，采集放大电路16包含高速多道信号采集处理器、信号放大器、高速模数信号转换器、高速逻辑计算比较器。其中：

高速多道信号采集器分别采集与之匹配的各自光电转换器15输出的脉冲计数信号。两个不同的光电转换器15所接收的脉冲计数信号，通过采集放大电路16后，最终汇集到电路板上并由该电路板的逻辑计算比较器进行差分计算和比较。

进一步地，电路板在剔除信号噪声等影响因素后，通过逻辑计算比较将获知伽马射线入射的位置。

众所周知，伽马射线的射入，不会是以单个伽马粒子的形式。因此，按照本实用新型的技术结构以及算法可以认为是理论上达到了以点为单位的伽马探测分辨率的效果。在工程应用方面，这种理论上的点分辨率是没有实际意义的。

进一步地，通过对已知探测点周围区域，结合位置识别器12所约束的伽马入射通道的几何尺寸，根据工程需要进行面积分/体积分计算，则可以达到提高伽马探测器分辨率的目的。并且，分辨率的范围设定完全依据不同的工程要求得到。

进一步地，现有技术的伽马探测器其分辨率取决于闪烁晶体14的体积，并且由于闪烁晶体14与光电转换装置必须是一一对应的结构因素，利用现有技术的阵列伽马探测器的解决方案均受到体积和结构的限制。本实用新型差分式伽马探测器，在理论上可以做到在有限的闪烁晶体14体积范围内，无限地组合阵列探测。

进一步地，通过对不同分辨率要求的伽马探测计算分析，将获得不同分辨率的阵列伽马探测信息。

进一步地，应用位置识别器12的几何参数，可以方便、准确地获得带有方位信息的伽马探测功能。

本实用新型差分式伽马探测器，通过标准环境下的物质能量校正、环境影响校正、元素能谱校正及标定，这些参数构成差分式伽马探测器特征基线，基线和算法赋予每个差分式伽马探测器的固定参数，与差分式伽马探测器物化构件是本实用新型之核心内容。

进一步地，本实用新型差分式伽马探测器置于不同的工具中，可以独立或再次组合配套使用，以及由独立使用和/或组合使用的差分式伽马探测器设置于同一个或不同的探测工具中，适用于不同要求、不同环境、不同精度的方位伽马探测、阵列伽马探测、高分辨率伽马探测等工程领域。

本实用新型差分式伽马探测器，不局限于对伽马射线的探测，应用还包括：无源自然伽马射线探测、宇宙射线探测；以及有源伽马射线、X射线探测等工程应用领域。

本实用新型的具体工作原理：当伽马射线入射到闪烁晶体14时，由于入射的伽马光子与闪烁晶体14的物质发生荧光反应，所产生的荧光分别被两端的光电转换器15接收，并转换为电脉冲信号，经过光电转换器15进行初级整形放大后输出；脉冲信号被两端的采集放大电路16采集、滤波、放大后处理为输出电平信号；通过对两端采集放大电路16输出的电平信号进行差分计算可以获得伽马射线入射位置等参数；对采集到的输出信号进行深度挖掘或积分运算，则可以获得差分式伽马探测器所探测的伽马射线入射方位信息、阵列探测点信息、高分辨率探测信息；将差分式伽马探测器模型放置在标准伽马探测计量装置中，进行刻度校正，将得到差分式伽马探测器的基线、计数率响应关系以及元素标准谱或能级，由此，可以分析被探测目标的元素能谱等信息。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对上述实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种差分式伽马探测器，其特征在于，包括：

采集放大电路、金属封装外壳、位置识别器、导光层、闪烁晶体及光电转换器，所述位置识别器设置在所述金属封装外壳的轴向内壁侧，所述闪烁晶体、光电转换器及采集放大电路设置在所述位置识别器的轴向内部；

所述闪烁晶体的两端分别通过光学耦合剂与两个所述光电转换器的光阴极耦合，所述采集放大电路分别设置在两个所述光电转换器的端部并分别与对应端部的所述光电转换器连接，两个所述采集放大电路分别用于采集并处理对应端部光电转换器接收到的来自所述闪烁晶体的脉冲信号；

所述闪烁晶体及光电转换器的外侧设置有所述导光层，所述导光层轴向设置于所述闪烁晶体及光电转换器的外侧与所述位置识别器之间。

2.根据权利要求1所述的差分式伽马探测器，其特征在于，所述导光层是设置在所述闪烁晶体及两端光电转换器的组合体外层的光导材料构件、光导材料涂层、光导材料构件与光导材料涂层复合层的任一种。

3.根据权利要求1所述的差分式伽马探测器，其特征在于，所述位置识别器安装在光电转换器、闪烁晶体及导光层的外围，以用于定向聚焦伽马射线入射方向或阻滞伽马射线入射强度，所述位置识别器由一种材料构成或使用一种以上的材料复合构成。

4.根据权利要求1所述的差分式伽马探测器，其特征在于，所述金属封装外壳将所述采集放大电路、位置识别器、导光层、光电转换器、闪烁晶体所构成的组件进行径向圆周及轴向两端封装。

5.根据权利要求1所述的差分式伽马探测器，其特征在于，所述光电转换器为光电倍增管或其他特征的光电转换器件。

6.根据权利要求1所述的差分式伽马探测器，其特征在于，所述闪烁晶体为具有不同的材料及用于探测不同射线的固态晶体，其为碘化钠NaI(Tl)、碘化铯CsI(Tl)、锗酸铋BGO、溴化镧LaBr3中的任一种。

7.根据权利要求1所述的差分式伽马探测器，其特征在于，所述位置识别器具有对应伽马射线入射位置的开窗，以约束伽马射线的入射位置并由结构安装方式确定伽马射线入射初始位置与差分式伽马探测器脉冲测量的计算位置，使得差分式伽马探测器的处理、计算起始位置归一化。