CN212808638U - 闪烁体的性能测试系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种闪烁体的性能测试系统，所述系统包括第一探头，第一探头包括第一闪烁体探头和第二闪烁体探头，且第一闪烁体探头放置于第一层，第二闪烁体探头放置于第二层，第一层与第二层相互平行；至少一个测试通道，至少一个测试通道之间相互平行，且均位于第一层和所述第二层之间，每个测试通道用于放置被测试闪烁体，每个测试通道的一端分别设置有一个光电倍增管；数据采集模块，第一闪烁体探头、第二闪烁体探头和每个测试通道分别设置一个数据采集模块，用于将信号进行处理并传输至计算机。本公开的测试系统结构简单，无需放射源，安全稳定，实现了多块闪烁体的批量测试，提高了测试效率。

Description

闪烁体的性能测试系统

技术领域

本实用新型一般涉及核探测技术领域，具体涉及一种闪烁体的性能测试系统。

背景技术

目前，核辐射探测器是记录和检测核辐射事件的装置，核辐射探测器已经广泛应用于很多领域，如核物理实验、粒子天体物理、核医学、地质探测和工业检测等等。塑料闪烁体属于有机闪烁体，当带电粒子或γ射线入射到闪烁体内，使得闪烁体内的原子(分子)电离，激发，在退激发过程中发出荧光。闪烁体结合光探测器件(如光电倍增管等)，用于探测带电粒子或中性粒子。塑料闪烁体具有容易制备成大的体积，且不潮解、耐辐照、发光衰减时间短、价格低、性能稳定以及受环境影响小等优点。在高能粒子物理领域大量被野外地面宇宙线粒子探测器阵列所采用，闪烁体探测器是最为常用的核辐射探测器之一，闪烁体探测器一般由闪烁体、光探测器件和电子学组件组成。作为闪烁体探测器重要组成部分的闪烁体，其发光光输出等性能和探测器的性能直接相关，在研制和生产闪烁体探测器时，对所用闪烁体的性能进行测量是至关重要的工作，在某些应用中，野外探测器阵列一次使用量较大，而同一型号的闪烁体，不同块闪烁体或者不同批次生产出来的闪烁体，光产额和透明度会有一定差异，具体表现在从闪烁体表面出射光子(光输出)的数量不同。

因此，对于大批量的闪烁的光输出等性能进行测量，选出可以满足使用要求的闪烁体。如何方便、快速、精确的测量大量闪烁体的光输出或者闪烁体阵列中每个闪烁体的光输出成为一个技术难点。

现有技术方案每次只能测试一个闪烁体的性能，如果需测量大量闪烁体，则工作效率很低。

实用新型内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种闪烁体的性能测试系统，实现塑闪体光输出的批量测试，同时还能够监测透明度第一方面，本实用新型提供的一种闪烁体的性能测试系统，包括：

第一探头，第一探头包括第一闪烁体探头和第二闪烁体探头，且第一闪烁体探头放置于第一层，第二闪烁体探头放置于第二层，第一层与第二层相互平行；

至少一个测试通道，至少一个测试通道之间相互平行，且均位于第一层和第二层之间，每个测试通道用于放置被测试闪烁体，每个测试通道的一端分别设置有一个光探测器件；

数据采集模块，第一闪烁体探头、第二闪烁体探头和每个测试通道分别设置一个数据采集模块，用于将信号进行处理并传输至计算机。

作为可选的方案，还包括：第二探头，第二探头包括第三闪烁体探头和第四闪烁体探头，第三闪烁体探头和第四闪烁体探头分别连接一个数据采集模块，其中，第三闪烁体探头和第一闪烁体探头位于同一层且分别位于被测试闪烁体的两端，第四闪烁体探头和第二闪烁体探头位于同一层且分别位于被测试闪烁体的两端。

作为可选的方案，还包括暗箱，第一探头、第二探头，至少一个测试通过到和数据采集模块均位于暗箱中。

作为可选的方案，还包括装配支架，装配支架至少包括三层，其中，装配支架的最上层放置第一闪烁体探头和第三闪烁体探头，装配支架的最下层放置第二闪烁体探头和第四闪烁体探头，剩余每层分别放置一个测试通道且装配支架的端部固定光探测器件，第一闪烁体探头、第二闪烁体探头、第三闪烁探头、第四闪烁体探头和测试通道对应的数据采集模块分别放置于装配支架的对应层。

作为可选的方案，装配支架与测试通道的连接处设置有滑轨，测试通道可沿着滑轨移动。

作为可选的方案，测试通道上开设有安装槽，安装槽沿着测试通道的长度方向延伸，安装槽的尺寸与被测试闪烁体尺寸一致，且被测试闪烁体安装于安装槽内时，被测试闪烁体与光探测器件空气耦合。

作为可选的方案，第一闪烁体探头、第二闪烁体探头、第三闪烁体探头和第四闪烁体探头分别包括闪烁体，闪烁体表面开设凹槽，凹槽中放置至少一根波长位移光纤，闪烁体通过波长位移光纤与光电倍增管耦合连接。

作为可选的方案，闪烁体表面包覆有反光膜。

作为可选的方案，反射膜是tyvek纸，铝膜或者硫化锌中任一种。

作为可选的方案，装配支架的一侧还设置有固定板，用于固定数据采集模块，固定位于与光探测器件相对的一侧。

本公开的测试系统通过第一闪烁体探头和第二闪烁体探头的设计，排除了μ子穿过第一闪烁体探头、被测试闪烁体和第二闪烁体探头时，其他杂散光子的影响，并且设置至少一层测试通道，将被测试闪烁体放置于测试通道上，实现了多块闪烁体的同时测试，每个被测试闪烁体之间不会相互串光和干涉，提高了测试效率和测试准确性。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型的一个实施例的一种闪烁体的性能测试系统的结构示意图；

图2为本实用新型的一个实施例的一种闪烁体的性能测试系统的结构原理图；

图3为本实用新型的一个实施例的一种闪烁体的性能测试系统中测试通道与装配支架连接的局部结构示意图；

图4为本实用新型的一个实施例的一种闪烁体的性能测试系统的修正方法的流程示意图；

图5为本实用新型的一个实施例中同一通道重复放置10次测得的光输出分布图；

图6为本实用新型的一个实施例中18个月第8层测试同一块标准闪烁体得到的光输出count数大小；

图7为本实用新型的一个实施例中某一批次闪烁体光输出测量结果分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关实用新型，而非对该实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与实用新型相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

由于每块塑闪数据采集量大于1万个事例，海平面单μ事例率在1平方米面积不大于160Hz，探头面积太大影响位置响应均匀性，探头面积是25cm*25cm事例率不大于10Hz(与探头间距有关，间距越大事例率越少)。因此，要积累1万个事例需要至少17分钟。然而现有测试过程中，为了使PMT光电倍增管进入稳定的工作状态，需要对测试系统进行30分钟的预热。完成一次测试需要一小时。对于上千块的闪烁体，若单次只能测试一块，测试效率很低。

基于上述问题，本申请的实施例提供一种闪烁体的性能测试系统，如图1所示，测试系统包括：

第一探头10，第一探头10包括第一闪烁体探头11和第二闪烁体探头12，且第一闪烁体探头11放置于第一层，第二闪烁体探头12放置于第二层，第一层与第二层相互平行；

至少一个测试通道30，至少一个测试通道30之间相互平行，且均位于第一层和第二层之间，每个测试通道30用于放置有被测试闪烁体31，每个测试通道30的一端分别设置有一个光探测器件32；

数据采集模块40，第一闪烁体探头11、第二闪烁体探头12和每个测试通道30分别设置一数据采集模块40，用于将信号进行处理并传输至计算机60。

宇宙线μ子依次穿过第一闪烁体探头11、被测试闪烁体31和第二闪烁体探头21，被测试闪烁体内被激发产生光子，通过光探测器件32检测光输出信号。

需要说明的是，

为了排除外界环境中的光子干扰，整个测试过程必须保证是在黑暗或避光的环境中进行，因此可以将整个测试系统置于完全避光的暗箱50中。

本公开使用宇宙线μ子作为入射带电粒子，不需要使用放射源，安全稳定。μ子产生于宇宙射线中的π介子在穿过大气层时发生衰变，μ子的静止寿命只有2.2微秒，会迅速衰变成一个电子、一个反电子中微子和μ子中微子。μ子作高速运动，由狭义相对论的时间膨胀效应，使得μ子衰变时间延长，从而有机会到达地面。宇宙线μ子能量高、穿透力强，μ子穿过闪烁体时，闪烁体内的原子(分子)被电离、激发，在退激过程发出光子，光子打到耦合在闪烁体侧面的光电倍增管(PMT)上，经过光电转换和倍增后输出电信号，电信号经过电子学系统数字化记录电荷量和时间信息，从而得到闪烁体的光输出性能。

本公开中，测试通道30位于第一层和第二层之间，第一层设置第一闪烁体探头11，第二层设置第二闪烁体探头12，可以理解的是，将被测试闪烁体放在第一闪烁体探头11和第二闪烁体探头12之间，μ子可穿过第一闪烁体探头11、被测试闪烁体和第二闪烁体探头12，当第一闪烁体探头11和第二闪烁体探头12同时检测到信号时，则说明μ子已经完全穿过被测试闪烁体和第二闪烁体探头12，通过第一闪烁体探头11和第二闪烁体探头12的设计，有利于μ子穿过第一闪烁体探头11和第二闪烁体探头12时所产生的信号作为符合信号，对被测试闪烁体产生的信号进行开门，从而将μ子事例的信号从众多杂散信号中挑选出来，从而得到每块塑料闪烁体的信号输出幅度。

本公开中包括至少一个测试通道30，每个测试通道用于放置被测试闪烁体。其中，每个测试通道30可以只放一块闪烁体，当然也可以放置由一定数量闪烁体组成的闪烁体阵列，通过多个测试通道30同时测试，能够实现多个闪烁体同时测试，实现了批量测试，提高测试效率。

将被测试闪烁体置于测试通道30有利于每个被测试闪烁体之间不发生串光，保证每个通道一端设置的光探测器件32只检测该通道对应的被测试的闪烁体。例如：第一通道中放置有闪烁体B1，端部安装有光电倍增管PMT1，第二通道中放置有闪烁体B2，端部安装有光电倍增管PMT2，第三通道中放置有闪烁体B3，端部安装有光电倍增管PMT3，可以理解的是，无串光影响下，闪烁体B2的光输出与PMT2的光检测是一一对应的，PMT2不会检测闪烁体B1和闪烁体B3。

每个测试通道30之间相互平行，有利于避免不同通道的被测试闪烁体之间发生干涉，影响测试的准确性。

为了更清楚采集第一闪烁体探头11、第二闪烁体探头12和被测试闪烁体的输出信号，如图2所示，每层对应连接一数据采集模块40，数据采集模块40主要用于量各层的信号进行模数转换，对数字信号进行积分实时寻峰并完成积分，并将信号传输至计算机上进行显示，以便于更直观观测到监测结果。数据采集模块40一般包括电子学系统41和电源系统42，电子学系统和电源系统通过光纤连接时钟系统43，实现信号同步，将数据上传到计算机60。具体地，电源系统42分别为光探测器件32和电子学系统41提供电压，光探测器件32将信号输给电子学系统41，电子学系统41连接时钟系统42，以使得每个测试通道的测试信号能够同步传输到计算机，其中时钟系统42可以采用小白兔时钟系统，其信号同步时间精度小于1ns。

本公开的测试系统通过第一闪烁体探头和第一闪烁体探头的设计，排除了μ子穿过第一闪烁体探头、被测试闪烁体和第一闪烁体探头时，其他杂散光子的影响，并且至少一层测试通道，将被测试闪烁体放置于测试通道上，实现了多块闪烁体的同时测试，每个被测试闪烁体之间不会相互串光和干涉，提高了测试效率和测试准确性。

作为可实现的方式，包括装配支架33，装配支架33安装与暗箱50中，装配支架33包括至少三层，其中装配支架33的最上层放置第一闪烁体探头11，装配支架33的最下层放置第二闪烁体探头12，剩余每层分别放置一个测试通道30，光探测器件32固定在装配支架33的端部，且第一闪烁体探头11、第二闪烁体探头12和每个测试通道30对应的数据采集模块40分别放置于对应装配支架33相应层。该实施方式有利于整个测试系统结构整齐，易于操作。

在优选的实施方式中，还包括第二探头20，第二探头20包括第三闪烁体探头21和第四闪烁体探头22，其中，第三闪烁体探头21和第一闪烁体探头11位于同一层且分别位于被测试闪烁体的两端，第四闪烁体探头22和第二闪烁体探头12位于同一层且分别位于被测试闪烁体的两端。该实施方式中，通过第一探头和第二探头的协同作用，由于被测试闪烁体具有一定的长度，第一探头10和第二探头20相对于光探测器件32的距离不一致，示例地，第一探头10到光探测器件32的距离大于第二探头20到光探测器件32的距离，因此经过第一探头10宇宙线μ子会在闪烁体中发生发射，导致光子会发生一定程度的衰减，因此光探测器件32接收到的第一探头10的宇宙线μ子信号会小于第二探头20的信号，因此通过对比第一探头20的信号和第二探头20的信号，可得到被测试闪烁体的衰减长度，从而反映被测试闪烁体的透明度，即衰减长度短时，则被测试闪烁体的透明度较高，相反地，被测试闪烁体的透明较差。

其中，被测试闪烁体放置在上下两层探头之间，单个探头尺寸大小为25cm×25cm×2cm。由于海平面上μ子的计数率约为160Hz/m²，闪烁体单元探测器100cm×25cm×2cm的面积为0.25m²，在符合时间窗口内两个以上μ子同时打在闪烁体上的概率很小。在200ns时间窗口内两个事例偶然符合的概率是2×10-7Hz。

作为可实现的方式，如图3所示装配支架33与测试通道30的连接处设有滑轨34，测试通道30沿着滑轨34移动。该实施方式中，有利于被测试闪烁体的装配。

在具体的实施例中，测试通道30开设安装槽35，安装槽35沿着测试通道的长度方向延伸，安装槽35的尺寸与被测闪烁体31尺寸一致，且被测试闪烁体31安装于安装槽35内时，被测试闪烁体31与光探测器件32空气耦合。该实施方式主要用于隔光和防止光串扰，调节安装槽35的大小可以满足不同规格的闪烁体测试；安装槽35截面尺寸与被测试闪烁体一致，深度小于被测闪烁体的高度。在安装被测试闪烁体31时，将测试通道30沿着装配支架33的滑轨34拉出，被测试闪烁体31放置于安装槽35中，再将测试通道30沿着装配支架33的滑轨34推进去，使得被测试闪烁体刚好和光探测器件32接触。安装槽35的设计有利于保证被测试闪烁体稳定的被固定在测试通道上，使得被测试闪烁体31与光探测器件32之间的距离保持一致，不会产生由于测试通道的移动而改变被测试闪烁体31和光探测器件32之间的距离，从而影响光探测器件32对于被测试闪烁体31的光输出测试。

作为可实现的方式，第一闪烁体探头11、第二闪烁体探头12、第三闪烁体探头21和第四闪烁体探头22分别包括闪烁体，闪烁体表面开设凹槽(光纤安装槽)，光纤安装槽中放置至少一根波长位移光纤，闪烁体通过波长位移光纤与光电倍增管耦合连接。为了增加光收集效率使得闪烁体产生荧光均由侧面出射，进入光电倍增管，闪烁体表面包覆有反光膜，此处的反射膜可以是tyvek纸，铝膜或者硫化锌等。

作为可实现的方式，光探测器件32可以通过多种方式实现，例如可以是单通道光电倍增管、位置灵敏型光电倍增管以及光电二极管或硅光电二极管。

作为可实现的方式，为了使得数据采集模块40安装稳定且方便拆卸和维修，在装配支架33的一侧还设置有固定板，用于固定数据采集模块40，其中固定板可以设置在装配支架的与光电倍增管相对的一侧，也可以是与光电倍增管相邻的一侧。

下面通过一个示例，对本实用新型进行具体说明。

根据待测试闪烁体的数量，设计10个待测试通道30，因此需要设计12层的装配支架33，将装配支架33至于暗箱50中，用于避光。其中，装配支架33从上至下，第一层和第十二层放置第一探头10和第二探头20，中间十层分别活动连接10个测试通道30，每个测试通道30的一端设置有光探测器件32，光探测器件32使用的是直径为1.5inch双碱基的XP3960型号的光电倍增管，外壳为玻璃材质；将测试测试通道30一端从装配支架拉出，将待测试闪烁体装配在测试通道30上，每块待测试闪烁体的最大尺寸为100cm*25cm*3.0cm(长*宽*厚)，材质聚苯乙烯，然后将测试通道30的一端推进去使得待测试闪烁体与光电倍增管耦合。第一探头10、第二探头20和待测试闪烁体对应的光电倍增管通过信号线均连接一个数据采集模块40，其中数据采集模块40包括电子学模块41和电源模块42，在此实施例中，电子学模块的尺寸为17*11*4cm，工作时芯片散热，温度高于室温约40℃；电源模块的尺寸为18*12*7cm。

综上所述，本公开通过设计多个测试通道，能够实现多块闪烁体性能的批量测试，每个被测试闪烁体之间不会相互串光和干涉，提高了测试效率。其中通过第一探头和第二探头的设计，不仅能够测试闪烁体的光输出性能，还可以测试闪烁体的透明度。第一探头和第二探头分辨包括两个闪烁体探头，排除了μ子穿过第一闪烁体探头、被测试闪烁体和第一闪烁体探头时，其他杂散光子的影响，提高了测试准确性。本公开使用天然宇宙线批量测量塑料闪烁体的光输出，不需要用到放射源，安全稳定。

第二方面，在单次闪烁体测试过程中，平均每块塑闪单元记录的事例数超过1万个，平均值的相对统计误差小于1％，因此测试系统误差是影响测量精度的主要部分，一般要求相对系统误差小于3％。

但是，由于不同层使用的光电倍增管、电源和电子学模块有所差异，会带来不用测试通道对同一块闪烁体光输出的差异，因此，为消除差异需要对所有测试通道进行修正。

本实用新型的实施例提供一种闪烁体的性能测试装置的标定方法，如图4所示，具体包括：

S100、利用标准闪烁体判断测试系统是否稳定；

S200、若是，测试同一块闪烁体在不同测试通道的光输出值；

S300、计算同一块闪烁体在不同测试通道的光输出值的比值，得到修正系数，并根据修正系数修正测试通道。

其中，在S100、利用标准闪烁体判断测试系统是否稳定，具体包括：

将多块标准闪烁体分别放置于每一个测试通道中，测试标准闪烁体的光输出值，计算每一测试通道当前的光输出值与预设光输出值的比值，若该比值为1，则测试系统稳定；若该比值不等于1，则根据该比值对测试系统进行稳定性修正。对于修正后的测试系统，对于同一测试通道，如图5所示，图中，Entries为测试次数10次，Mean为平均值等于60.7，RMS为均方根等于0.6824，即可知对同一块闪烁体重复放置10次侧得出的光输出的相对误差记为σ₁，σ₁等于(RMS(均方根)/Mean(平均值))在1.4左右，修正系数引入的相对误差为σ₂，根据误差传递公式得到σ₂为2的1/2次方乘以σ₁为2.0％，从而可知每个测试通道的测量值修正后的相对误差

其中，上述预设光输出值为，标准闪烁体在上次修正测试系统稳定性时测试得到的光输出值。

将测试系统的稳定性修正，再测试同一块闪烁体在不同测试通道的光输出值并记录，计算同一块闪烁体在不同测试通道的光输出值的比值，得到修正系数，并根据修正系数修正测试系统。

需要说明的是，在每批次待测试闪烁体测试前均需对测试系统稳定性进行一次修正，保证测试系统长时间稳定运行。

示例地：

一个包括10个测试通道的测试系统，18个月的监测稳定性如图6所示，图6中横坐标为测试月数，纵坐标为光输出count数的平均值，对于第8层测试通道通过10块标准闪烁体长期监测其稳定性，第8层的稳定性在系统误差范围内保持稳定，表明该测试系统的稳定性较好。

对于10个测试通道，测试同一块闪烁体的光输出值，得到不同层之间的比例修正系数，如表1所示：

表1 10个通道的标定的修正系数

根据上述方法修正测试系统，并抽检同样的240块闪烁体，使用上述测量系统测量光输出，如图7所示，图中横坐标为光输出值，光输出大小满足ED设计要求，且一致性≤5％。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的实用新型范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述实用新型构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.闪烁体的性能测试系统，其特征在于，包括：

第一探头，所述第一探头包括第一闪烁体探头和第二闪烁体探头，且所述第一闪烁体探头放置于第一层，所述第二闪烁体探头放置于第二层，所述第一层与所述第二层相互平行；

至少一个测试通道，所述至少一个测试通道之间相互平行，且均位于所述第一层和所述第二层之间，每个所述测试通道用于放置被测试闪烁体，所述每个测试通道的一端分别设置有一个光探测器件；

数据采集模块，所述第一闪烁体探头、所述第二闪烁体探头和所述每个测试通道分别设置一个所述数据采集模块，用于将信号进行处理并传输至计算机。

2.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，还包括：第二探头，所述第二探头包括第三闪烁体探头和第四闪烁体探头，所述第三闪烁体探头和第四闪烁体探头分别连接一个所述数据采集模块，其中，所述第三闪烁体探头和所述第一闪烁体探头位于同一层且分别位于被测试闪烁体的两端，所述第四闪烁体探头和所述第二闪烁体探头位于同一层且分别位于被测试闪烁体的两端。

3.根据权利要求2所述的测试系统，其特征在于，还包括暗箱，所述第一探头、所述第二探头，所述至少一个测试通过到和所述数据采集模块均位于所述暗箱中。

4.根据权利要求2所述的测试系统，其特征在于，还包括装配支架，所述装配支架至少包括三层，其中，所述装配支架的最上层放置所述第一闪烁体探头和所述第三闪烁体探头，所述装配支架的最下层放置所述第二闪烁体探头和所述第四闪烁体探头，剩余每层分别放置一个所述测试通道且所述装配支架的端部固定所述光探测器件，所述第一闪烁体探头、第二闪烁体探头、第三闪烁探头、第四闪烁体探头和所述测试通道对应的数据采集模块分别放置于所述装配支架的对应层。

5.根据权利要求4所述的测试系统，其特征在于，所述装配支架与所述测试通道的连接处设置有滑轨，所述测试通道可沿着所述滑轨移动。

6.根据权利要求1-4任一项所述的测试系统，其特征在于，所述测试通道上开设有安装槽，所述安装槽沿着所述测试通道的长度方向延伸，所述安装槽的尺寸与被测试闪烁体尺寸一致，且被测试闪烁体安装于所述安装槽内时，被测试闪烁体与所述光探测器件空气耦合。

7.根据权利要求2所述的测试系统，其特征在于，所述第一闪烁体探头、所述第二闪烁体探头、所述第三闪烁体探头和所述第四闪烁体探头分别包括闪烁体，所述闪烁体表面开设凹槽，所述凹槽中放置至少一根波长位移光纤，所述闪烁体通过所述波长位移光纤与光电倍增管耦合连接。

8.根据权利要求7所述的测试系统，其特征在于，所述闪烁体表面包覆有反光膜。

9.根据权利要求8所述的测试系统，其特征在于，所述反光膜是tyvek纸，铝膜或者硫化锌中任一种。

10.根据权利要求4所述的测试系统，其特征在于，所述装配支架的一侧还设置有固定板，用于固定所述数据采集模块，所述固定位于与所述光探测器件相对的一侧。

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