CN207867042U - 面阵列像素探测器及辐射探测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种面阵列像素探测器及辐射探测系统，包括：位于探测介质的第一表面的像素阵列阳极；位于探测介质的第二表面的阴极，阴极包括若干阴极电极块，各阴极电极块相互独立。本实用新型中同时到达阴极面不同位置的光子，会从连接不同分区的阴极电极块读出信号，达到了正确区分同时到达的光子信号的目的；同时通过系统自我计算判断实现高、中、低，各种强度辐射场灵活应用的方式，提高了探测系统的应用范围和灵活处理能力；能够让系统操作人员在不需要额外配置的情况下，简便直接的使用同一种探测系统设备，得到不同辐射场强度情况下准确的测量结果，为后续的环境处理处置提供最快速有效的依据。
Description
技术领域
本实用新型涉及核辐射探测及核技术应用领域，特别是涉及一种面阵列像素探测器及辐射探测系统。
背景技术
放射性核素搜寻和探测识别技术，被广泛应用于环境监测、核电站运营全流程监管、其它核设施的监测、核事故应急测试、核反恐中放射性核素走私或脏弹袭击的安保安防等领域。
放射性核素测试装置包括基于NaI(碘化钠)、CsI(碘化铯)、高纯Ge(锗)的伽马谱仪，基于碲锌镉(CdTe，CdZnTe，CZT)的伽马谱仪、伽马相机、康普顿(compton)相机等。基于NaI、CsI的伽马谱仪的能量分辨率低，多应用于现场测试；基于高纯锗Ge的伽马谱仪能量分辨率是伽马谱仪中最优的，但液氮制冷的装置及维护，限制它更多的应用在实验室内。近二三十年内，各项研究和技术日益成熟的碲锌镉(CdTe，CdZnTe，CZT)半导体探测器，作为室温伽玛和X射线探测器，成为NaI，CsI，和高纯Ge的替代产品，正式走向市场，广泛应用于各个领域。CZT的高探测效率，高能量分辨率，不需液氮制冷室温下的可操作性，使其在很多现场实时监测中，优势显著。传统的便携式伽马谱仪，通常只能提供被检测环境中存在的放射性核素的能量，种类和剂量。而基于CZT半导体探测器的伽马谱仪更突出的一个优势是，单种CZT材料可以实现射线在探测器内部反应位置的三维位置灵敏功能，通过特殊的电极设计和读出电子学系统及算法，利用光子与物质发生反应的康普顿散射原理，得到放射性核素射线进入CZT的入射方向，并应用于CZT辐射成像系统中。这样三维位置灵敏的CZT探测器就能同时实现放射性核素能量测试，核素种类识别，剂量，和放射性核素源在环境中的存在方位测定。这个源于CZT探测器三维位置灵敏特殊功能而新增加的核素源在环境中的定位特性，使得CZT便携或固定式的伽马谱仪能够为环境监测等领域提供全方位的数据，不需要复杂的多点多方位移动测量结果的拼接，而高效的获取污染源或射线源空间分布信息。
如图1所示，CZT半导体探测器1包括探测晶体12，位于所述探测晶体12一表面的阳极11，位于所述探测晶体12与所述阳极11相对表面的阴极13；如图2所示，阳极面通常是面阵列像素，由多个像素阳极111构成阵列结构；而阴极面是大的平面电极，仅为一个电极块，如图3所示。射线光子从阴极面入射，与所述探测晶体发生康普顿效应产生电离或激发，电子和空穴分别迁移到阴极和阳极，系统同时从阴极和阳极获取幅度和时间信息用于后续的数据处理，每个阳极像素信号对应于平面阴极的一个信号。
在进行环境中射线源的搜寻探测时，因为探测晶体本身的特点，通常需要在系统设计或后续信号处理上，进行专门有针对性的矫正，来去除晶体缺陷带来的电荷陷落，幅度涨落及均匀性问题，电荷在不同像素间的分享等问题。这时需要在从阳极的各像素读取信号的同时，也要从阴极读出信号的时间和幅度信息，此时假定阴极的一个信号与阳极的某个像素信号是一一对应的。但是当被检测的环境中，放射性物质多或放射源活度高时，会有太多的射线光子同一时刻进入探测器。太强的环境射线源，使得大量的射线同时到达探测器，大平面的阴极就会出现信号叠加，探测器无法区分这些同时进入的不同的射线光子，这样整个探测系统的工作基础有问题。系统设计假定的是，每个阳极像素信号，对应于平面阴极的一个信号，再成对进行信号处理的；当系统同时从阴极获取幅度和时间信息用于后续的数据处理时，即使有阳极像素阵列给出不同位置的信号，在结合阴极的时间和幅度信息后，如果只是简单的根据阴极信号触发记录时间或完成的信号幅度，就会得出错误的信息。
因此，如何区分同时到达的光子，使得探测系统在不同级别的高辐射场内仍然可以使用已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
实用新型内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种面阵列像素探测器及辐射探测系统，用于解决现有技术中高辐射场下探测器无法区分同时到达的光子，导致探测结果出错的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种面阵列像素探测器，所述面阵列像素探测器至少包括：
像素阵列阳极、探测介质及阴极；
所述像素阵列阳极位于所述探测介质的第一表面，所述像素阵列阳极包括多个像素阳极，各像素阳极感应不同位置的光子信号；
所述探测介质介于所述像素阵列阳极与所述阴极之间；
所述阴极位于所述探测介质的第二表面，所述阴极包括若干阴极电极块，各阴极电极块相互独立，其中，所述第一表面与所述第二表面相对设置。
优选地，所述探测介质的材料为碲锌镉、锗，砷化镓，碘化汞或溴化铊。
优选地，所述阴极均分或非均匀分割为若干阴极电极块。
优选地，所述探测介质为圆柱形、棱柱形、锥台、棱台、球形或半球形。
优选地，所述探测介质的截面为扇面形或梯形。
为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种辐射探测系统，所述辐射探测系统至少包括：
半导体探测装置及与所述半导体探测装置的输出端连接的数据处理校正显示装置，所述半导体探测装置用于检测光子信号，所述数据处理校正显示装置用于对所述半导体探测装置输出信号进行数据处理；其中，所述半导体探测装置包括：
上述面阵列像素探测器，所述面阵列像素探测器用于光子信号的检测；
多通道能谱读出模块，连接所述面阵列像素探测器，分别读取所述面阵列像素探测器中的像素阵列阳极及各阴极电极块上的信号；
数据采集模块，连接所述多通道能谱读出模块，对所述多通道能谱读出模块输出的信号进行采集。
优选地，所述光子信号包括X射线或γ射线。
优选地，所述半导体探测装置为伽马谱仪，伽马相机或康普顿相机。
优选地，所述数据处理校正显示装置为PC机。
如上所述，本实用新型的面阵列像素探测器及辐射探测系统，具有以下有益效果：
本实用新型的面阵列像素探测器及辐射探测系统通过把一个大平面的阴极，分成几个平面阴极块，来分割同时到达的光子在阴极上分别进入不同的阴极系统，从而起到了区分同时到达光子的目的，使得探测系统在不同级别的高辐射场内仍可使用。
附图说明
图1显示为现有技术中的CZT半导体探测器的侧视示意图。
图2显示为现有技术中的CZT半导体探测器的俯视示意图。
图3显示为现有技术中的CZT半导体探测器的仰视示意图。
图4显示为本实用新型的面阵列像素探测器的侧视示意图。
图5显示为本实用新型的面阵列像素探测器的俯视示意图。
图6显示为本实用新型的面阵列像素探测器的仰视示意图。
图7～图12显示为本实用新型的阴极分区的多种实施方式。
图13显示为本实用新型的辐射探测系统的结构示意图。
图14显示为本实用新型的辐射场探测方法的流程示意图。
元件标号说明
1 CZT半导体探测器
11 阳极
111 像素阳极
12 探测晶体
13 阴极
2 面阵列像素探测器
21 像素阵列阳极
211 像素阳极
22 探测介质
23 阴极
231 阴极电极块
3 多通道能谱读出模块
4 数据采集模块
5 半导体探测装置
6 数据处理校正显示装置
S1～S3、S310～S330 步骤
S311～S321
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图4～图14。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
如图4所示，本实用新型提供一种面阵列像素探测器2，所述面阵列像素探测器2包括：
像素阵列阳极21、探测介质22及阴极23。
如图4所示，所述像素阵列阳极21位于所述探测介质22的第一表面，所述像素阵列阳极21包括多个像素阳极211，各像素阳极211感应不同位置的光子信号。
具体地，在本实施例中，所述像素阵列阳极21位于所述探测介质22的上表面。如图5所示，在本实施中，各像素阳极211为正方形结构，于所述探测介质22的表面排布形成4行5列的阵列结构。在实际应用中，各像素阳极211的形状及阵列规模可根据实际需要设定，不以本实施例为限。
如图4所示，所述探测介质22介于所述像素阵列阳极21与所述阴极23之间。
具体地，所述探测介质22的材料包括但不限于碲锌镉(CZT)，锗(Ge)，砷化镓(GaAs)，碘化汞(HgI2)及溴化铊(TlBr)，任意需要从阳极和阴极成对处理信号以去除晶体缺陷带来的电荷陷落、幅度涨落及均匀性问题的材料均适用于本实用新型的所述探测介质22，不以本实施例列举为限。
具体地，所述探测介质22的形状包括但不限于圆柱形、棱柱形、锥台、棱台、球形及半球形，所述探测介质22的截面包括但不限于扇面形及梯形，可根据具体探测器内的结构分布做具体设定，在此不一一赘述。
如图4所示，所述阴极23位于所述探测介质22的第二表面，所述阴极22包括若干阴极电极块231，各阴极电极块231相互独立，其中，所述第一表面与所述第二表面相对设置。
具体地，在本实施例中，所述阴极23位于所述探测介质22的下表面。所述阴极23均分或非均匀分割为若干阴极电极块231。如图6所示，在本实施例中，所述阴极23被均分为左右两个阴极电极块231。作为本实施例的其它实现方式，如图7所示，所述阴极23被均分为三个阴极电极块231；如图8所示，所述阴极23被均分为四个阴极电极块231；如图9所示，所述阴极23被非均分为六个阴极电极块231；如图10所示，所述阴极23被非均分为五个阴极电极块231，各阴极电极块231的面积从左往右依次递减；如图11所示，所述阴极23被均分为六个阴极电极块231；如图12所示，所述阴极23被均分为多个阴极电极块231，形成于所述像素阵列阳极21对应的阵列结构。在此不一一赘述。各阴极电极块231的形状可根据实际需要做具体设定，不以本实施例为限。
实施例二
如图13所示，本实施例提供一种辐射探测系统，所述辐射探测系统包括：
半导体探测装置5及与所述半导体探测装置5的输出端连接的数据处理校正显示装置6。
如图13所示，所述半导体探测装置5用于检测光子信号。所述半导体探测装置5包括面阵列像素探测器2、多通道能谱读出模块3及数据采集模块4。
具体地，所述面阵列像素探测器2用于光子信号的检测，其具体结构如实施例一所述，在此不一一赘述。所述光子信号包括但不限于X射线及γ射线。所述面阵列像素探测器2输出阳极像素信号及阴极像素信号，包括但不限于幅度和时间信息。
具体地，所述多通道能谱读出模块3连接所述面阵列像素探测器2的输出端，分别读取所述面阵列像素探测器2中的像素阵列阳极21及各阴极电极块231上的信号。
具体地，所述数据采集模块4连接所述多通道能谱读出模块3的输出端，对所述多通道能谱读出模块3输出的信号进行采集。
所述阴极像素信号为单通道信号或多通道信号，各阴极电极块231的信号引出线采用像素合并(binning)模式，当应用于低强度辐射场时将多个阴极电极块231合并输出；当被检测的环境辐射是高辐射场时，系统通过自我评判规则，自动调整到高级别的辐射场对应的阴极分区个数。此时各阴极电极块读出的信号，与各自相对应的阳极像素信号进行匹配，并且阴极信号的时间和幅度信息用于与其匹配对应的阳极像素信号进行处理。
在本实施例中，通过电荷分享方式解决阴极分区电极的信号之间电荷在迁移过程中的扩散和电荷分享问题。
需要说明的是，所述半导体探测装置5为伽马谱仪，伽马相机或康普顿相机。
如图13所示，所述数据处理校正显示装置6用于对所述半导体探测装置5输出信号进行数据处理。在本实施例中，所述数据处理校正显示装置6为PC机。
实施例三
如图14所示，本实施例提供一种辐射场探测方法，在本实施例中，基于所述面阵列像素探测器2实现，所述辐射场探测方法包括：
步骤S1：根据探测系统的信号读出速度和信号分析速度，计算出探测系统能达到的时间分辩能力。
具体地，根据探测器的探测介质厚度、像素尺寸、工作电压或电极结构计算射线光子与探测器介质发生反应产生的电荷，在探测器内部的迁移速度和迁移时间，这个时间是探测系统应用各种方式提升速度能达到的极限值。然后根据实际探测系统的阳极像素阵列的像素个数，电子学数据采集系统的结构，后续电子学处理速度和死时间，推算出整个探测系统的读出速度。再针对探测系统的采样速度和信号分析速度，计算出单个信号的分析时间。以所述迁移时间、所述读出速度及所述分析时间确定系统能达到的时间分辩能力。其中，时间分辨能力是指可以分辨两个前后到达信号的最小时间间隔。
步骤S2：根据所述时间分辩能力设定死时间限值。
步骤S3：根据所述死时间限值对不同的辐射场进行等级划分，根据确定的辐射场等级对探测器的阴极进行分区并进行探测。
具体地，辐射场的等级可以是理论计算后事先确定的，实际测量时只要切换不同强度等级的模式就可以测试。也可以是现场测试，依据死时间情况来确定辐射场强度等级，进行实地测量，并存储为一个标准，为以后的辐射场测试服务。
更具体地，作为本实施例的一种实现方式，可通过理论计算于探测之前确定辐射场等级，探测时根据确定的辐射场等级对所述阴极进行分区，包括：
步骤S310：模拟探测系统，将辐射场的强度从小到大逐步增大，并分别对不同辐射强度下所述探测系统中产生的射线光子的叠加计算死时间，将计算得到的各死时间与所述死时间限值比较。
步骤S320：若未超出所述死时间限值，则继续增大辐射强度，并返回步骤S310；若超出所述死时间限值，则将对应辐射强度设定为下一辐射场等级，并对所述阴极进一步分区后返回步骤S310；直至需要的辐射强度对应的辐射场均被分级，以此实现理论上的辐射场等级确定。
需要说明的是，最初将所述探测系统中的阴极作为一个整体读出，随着所述辐射场等级的增加，逐渐对所述探测系统中的阴极分区，不同的辐射场等级对应不同数量的阴极分区，且所述辐射场等级对应的辐射强度越大，所述阴极的分区越多。
需要说明的是，阴极的平面分区可以按照每次两倍的数量增加，也可以每次增加一个分区，或每次增加两个分区，或每次增加任意个数的分区，依据辐射场的复杂程度来决定。阴极平面分区可以是均匀分区，也可以是非均匀分区；可以是偶数数目分区，也可以是奇数数目分区，依据实际环境辐射场来定。每次分区的数量、分区的面积均可根据实际应用中的需要设定，在此不一一赘述。
步骤S330：将待测辐射场的强度与各辐射场等级进行比较，将待测辐射场对应到相应的辐射场等级中，并根据确定的辐射场等级对所述阴极进行对应数量的分区，分区后进行探测。
更具体地，作为本实施例的另一种实现方式，可通过现场测试确定待测试辐射场对应的辐射场等级，并进行所述阴极的分区，分区后进行探测，包括：
步骤S311：对待测辐射场在所述探测系统中产生的射线光子的叠加计算死时间，将计算得到的死时间与所述死时间限值比较。
步骤S321：若未超出所述死时间限值，则以当前阴极的分区情况进行探测；若超出所述死时间限值，则所述待测辐射场的等级设定为下一级，对当前阴极进一步分区，并返回步骤S311。
需要说明的是，最初将所述探测系统中的阴极作为一个整体读出，根据比较结果，逐渐增加辐射场等级，并对所述探测系统中的阴极分区，直至计算得到的死时间不超过所述死时间限值，完成探测。不同的辐射场等级对应不同数量的阴极分区，且所述辐射场等级对应的辐射强度越大，所述阴极的分区越多。
需要说明的是，阴极的平面分区可以按照每次两倍的数量增加，也可以每次增加一个分区，或每次增加两个分区，或每次增加任意个数的分区，依据辐射场的复杂程度来决定。阴极平面分区可以是均匀分区，也可以是非均匀分区；可以是偶数数目分区，也可以是奇数数目分区，依据实际环境辐射场来定。每次分区的数量、分区的面积均可根据实际应用中的需要设定，在此不一一赘述。
S4：从探测器的像素阵列阳极及分区的阴极分别获取时间和幅度信息，以得到检测结果。
具体地，所述检测结果包括但不限于放射性核素能量，放射性核素种类，放射性核素剂量及放射性核素在环境中的存在方位。
需要说明的是，所述死时间限值可采用叠加光子计数限值进行替换，将射线光子的叠加数量与所述叠加光子计数限值比较以实现辐射场等级的确定，其中，所述死时间限值与所述叠加光子计数限值成正比，所述死时间限值越大，所述叠加光子计数限值越大，具体步骤在此不一一赘述。在实际使用中可选用与所述死时间具有一定关系的其它参数作为限定，不以本实施例为限。
本实用新型针对不同强度级别的辐射场使用不同的阴极分区电极结构，理论上给出一个允许的死时间限值或叠加光子计数限值，在此基础上对不同的辐射强度场进行分级。模拟计算针对已知测试系统，不同强度的辐射场在探测器内部，产生信号叠加程度，会引起的死时间。当死时间超出预先设定的限定值时，此前的辐射场当作一个等级。此后再增加辐射场强度，需要把一个大平面的阴极分割为两个平面阴极，重复上步的计算，直到两个平面阴极的读出死时间都达到预先设定的限制时，这个辐射场强度作为另一个等级。以此类推辐射场强度每增加一个等级，阴极平面电极分区个数就增加，同时计算所有分区阴极的计数死时间是否达到限制，来判断是否又确认了一个辐射场等级。这样通过阴极分区的方式，提高CZT探测系统在高辐射场的应用能力，并且阴极分区的个数，表示测试系统的计数能力提高的倍数。
本实用新型提出的大平面阴极电极分块分区的方式，解决了高辐射场因为信号叠加而给出错误结论的问题。同时到达阴极面不同位置的光子，会从连接不同分区的阴极电极块读出信号，用于后续的信号处理，达到了正确区分同时到达的光子信号的目的。通过系统自我计算判断，或按照操作手册的标准人为手动调节，实现高中低各种强度辐射场灵活应用的方式，提高了探测系统的应用范围和灵活处理能力；能够让系统操作人员在不需要额外配置的情况下，简便直接的使用同一种探测系统设备，得到不同辐射场强度情况下准确的测量结果，为后续的环境处理处置提供最快速有效的依据。
综上所述，本实用新型提供一种面阵列像素探测器及辐射探测系统，包括：像素阵列阳极、探测介质及阴极；所述像素阵列阳极位于所述探测介质的第一表面，所述像素阵列阳极包括多个像素阳极，各像素阳极感应不同位置的光子信号；所述探测介质介于所述像素阵列阳极与所述阴极之间；所述阴极位于所述探测介质的第二表面，所述阴极包括若干阴极电极块，各阴极电极块相互独立，其中，所述第一表面与所述第二表面相对设置。本实用新型的面阵列像素探测器及辐射探测系统通过把一个大平面的阴极，分成几个平面阴极块，来分割同时到达的光子在阴极上分别进入不同的阴极系统，从而起到了区分同时到达光子的目的，使得探测系统在不同级别的高辐射场内仍可使用。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种面阵列像素探测器，其特征在于，所述面阵列像素探测器至少包括：
像素阵列阳极、探测介质及阴极；
所述像素阵列阳极位于所述探测介质的第一表面，所述像素阵列阳极包括多个像素阳极，各像素阳极感应不同位置的光子信号；
所述探测介质介于所述像素阵列阳极与所述阴极之间；
所述阴极位于所述探测介质的第二表面，所述阴极包括若干阴极电极块，各阴极电极块相互独立，其中，所述第一表面与所述第二表面相对设置。
2.根据权利要求1所述的面阵列像素探测器，其特征在于：所述探测介质的材料为碲锌镉、锗，砷化镓，碘化汞或溴化铊。
3.根据权利要求1所述的面阵列像素探测器，其特征在于：所述阴极均分或非均匀分割为若干阴极电极块。
4.根据权利要求1所述的面阵列像素探测器，其特征在于：所述探测介质为圆柱形、棱柱形、锥台、棱台、球形或半球形。
5.根据权利要求1所述的面阵列像素探测器，其特征在于：所述探测介质的截面为扇面形或梯形。
6.一种辐射探测系统，其特征在于，所述辐射探测系统至少包括：
半导体探测装置及与所述半导体探测装置的输出端连接的数据处理校正显示装置，所述半导体探测装置用于检测光子信号，所述数据处理校正显示装置用于对所述半导体探测装置输出信号进行数据处理；其中，所述半导体探测装置包括：
如权利要求1～5任意一项所述的面阵列像素探测器，所述面阵列像素探测器用于光子信号的检测；
多通道能谱读出模块，连接所述面阵列像素探测器，分别读取所述面阵列像素探测器中的像素阵列阳极及各阴极电极块上的信号；
数据采集模块，连接所述多通道能谱读出模块，对所述多通道能谱读出模块输出的信号进行采集。
7.根据权利要求6所述的辐射探测系统，其特征在于：所述光子信号包括X射线或γ射线。
8.根据权利要求6所述的辐射探测系统，其特征在于：所述半导体探测装置为伽马谱仪，伽马相机或康普顿相机。
9.根据权利要求6所述的辐射探测系统，其特征在于：所述数据处理校正显示装置为PC机。
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