CN219625720U - 一种基于闪烁光纤阵列的成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种提高中子转换效率和探测效率、提高光传输效率的基于闪烁光纤阵列的成像系统。该基于闪烁光纤阵列的成像系统，包括暗箱壳体、中子转换屏、成像探测器、控制系统、电源、温度补偿装置，所述成像探测器由多个硅光电倍增管阵列组成，所述中子转换屏由多个闪烁光纤阵列组成，所述中子转换屏的入射端端面正对中子束入射方向设置，所述中子转换屏末端面与成像探测器相连，采用闪烁光纤阵列组成的中子转换屏，大大提高了中子探测效率和光传输效率，节约成本，采用硅光电倍增管阵列组成的成像探测器，体积小、增益性高、探测效率高、工作电压低，适合在快中子成像技术领域推广应用。

Description

一种基于闪烁光纤阵列的成像系统

技术领域

本实用新型涉及快中子成像技术领域，具体涉及一种基于闪烁光纤阵列的成像系统。

背景技术

中子照相是利用中子射线穿过被检测物时，其强度发生衰减变化而获得物体及其缺陷图像的一种成像方式。快中子照相是指利用能量在MeV以上的中子进行成像的技术。相比于冷中子和热中子，MeV能区的快中子与物质的相互作用截面较小，因此具有更强的穿透性，可以透射数厘米厚的金属样品实现成像。同时，快中子照相技术对轻元素的敏感性也好于高能X射线快中子照相技术，可以辨别出被重金属材料包裹着的轻元素材料样品的缺陷。因此，快中子照相可以作为热中子照相和X射线成像的重要补充，在高密度厚样品检测中有着重要的应用价值。特别是，中子能量在14MeV的快中子由于共振吸收效应相对较弱，可以提供单纯的快中子透射成像图片，在核燃料组件无损探伤、武器弹药库存维护、航空发动机叶片探伤和海关安检等领域均有着重要的应用潜力。此外小型可移动式中子发生器技术的进步也为发展可在应用于现场无损检测的可移动式快中子照相系统提供了可能性。

快中子照相系统的基本组成主要由中子源、准直器和探测器三部分组成。其中，中子源用于产生成像所需的中子束，准直器用于改善中子束平行度并降低伽马本底，探测器用于记录透射中子的空间和强度分布。快中子照相的首要元件即为中子源。用带电粒子如质子、気核等和γ射线轰击原子核,均可产生中子,原子核的衰变过程或是核的裂变过程也会产生中子。目前可用于中子照相的中子源可分为裂变堆中子源、同位素中子源和加速器中子源。基于氘氘(DD)、氘氚聚变(DT)反应的紧凑型加速器中子源能够提供14MeV准单色高能中子。这类加速器中子源具有输出中子能量高、可移动性相对较好、关机无辐射、建造运行成本较低等优势投资，为开展大尺寸工业、军事产品现场快中子照相检测提供了可能。尽管其中子产额低于反应堆中子源，但是通过提高入射离子强度的方法可以改善氘氚中子发生器的快中子产额。快中子照相中使用到的准直器与热中子照相中的类似。准直器一般选用铅、铁、聚乙烯、石蜡和铜等材料组合建造。

国内对快中子照相技术的研究略晚于国外，主要的研究单位有中国工程物理研究院核物理与化学研究所、中国原子能科学研究院、北京大学、清华大学、中国科学院高能物理研究所和兰州大学等。其中，作为国内最先开展中子射线成像技术研究的单位之一，中国工程物理研究院核物理与化学研究所在快中子照相用中子发生器和探测器方面开展了大量的工作，在快中子荧光转换屏研制-以及图像增强算法开发方面取得了良好的成果。2016年北京举行的国际中子照相研讨会上，中物院介绍了其快中子照相方面的进展，其利用PD300中子加速器，采用自行研制的像转换屏在曝光时间为40min内，可以获得空间分辨率约1mm的快中子照相图像。

中国原子能科学研究院在其600kV高压倍加器上也进行了一系列的快中子照相实验，利用塑料闪烁体和CCD相机搭建起的探测系统对厚度为60mm的铅块样品进行了实验测试，测试时曝光时间约为30min，所得图像的空间分辨率大约为1mm。北京大学用波移光纤快中子像转换屏，在4.5MV静电加速器DD中子源和d-Be加速器中子源开展快中子投影成像及共振成像研究。

快中子照相主要包含中子转换和次级粒子成像两个环节。目前已被广泛研究的快中子像探测器系统大致可分为下几种类型：(1)闪烁体转换器+CCD相机像探测器系统。这种照相方法的优点在于:利用CCD相机得到的数字图像可很方便地进行图像重建,得到最佳的图像。主要不足是，快中子转换效率与位置分辨之间存在矛盾,为了实现高的转换效率,需要增加闪烁转换器厚度,而厚度的增加会影响位置分辨；(2)聚乙烯转换器+GEM(GasElectron Multiplier)像探测器系统，其工作原理实聚乙烯转换器将快中子转换为反冲质子,反冲质子进入电离室引起电离,并通过多层GEM膜间电场作用在其上微孔间隙雪崩放电,产生大量的电子离子对,电子离子对信号由电阻膜阳极板延迟线或2D读出条输出并处理成像图像信息。这类探测器的优点是增益高(104-105),有较好的位置分辨(400um),缺点是GEM探测器工作在流气模式下，同时读出电子学系统通道较多，为实现高位置分辨，其采集的信号数据量很大，多路读出电子学容量技术上还需要发展。还有其他快中子像探测器，采用聚乙乙烯转换器+半导体阵列像探测器系统或微通道板+Si阵列式像探测器系统，处于初步发展阶段，存在制作工艺复杂，半导体耐辐照性差的问题。

就目前来说快中子照相技术的发展远没有热中子照相技术成熟。快中子照相主要问题表现在曝光时间过长(一般均在几十分钟左右)，这主要是是由于探测材料的中子转化效率太低造成的，同时成像空间分辨率不够高(大部分设备空间分辨率均高于1mm)等，基于CCD相机的快中子照相系统虽然可以提高成像空间分辨率(<1mm)，但完全牺牲了信号的时间信息，成像信息中得不到中子的能量信息。因此研制高探测效率、具有较高时间分辨和较好空间分辨的快中子灵敏探测器是推进快中子照相技术应用的重要前提条件，也是的主要研究内容。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种提高中子转换效率和探测效率、提高光传输效率的基于闪烁光纤阵列的成像系统。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案为：该一种基于闪烁光纤阵列的成像系统，包括暗箱壳体、中子转换屏、成像探测器、控制系统、电源、温度补偿装置；

所述暗箱壳体为右端敞口的矩形状壳体，所述暗箱壳体的右端敞口处可拆卸的设置有箱盖，所述箱盖上设置有操作开口；

所述中子转换屏、成像探测器、控制系统、电源、温度补偿装置分别设置在暗箱壳体内；

所述成像探测器由多个硅光电倍增管阵列组成，所述中子转换屏由多个闪烁光纤阵列组成，所述中子转换屏的入射端端面正对中子束入射方向设置，所述中子转换屏末端面与成像探测器相连；

所述成像探测器与控制系统信号连接，所述控制系统用于采集成像探测器输出的信号，所述温度补偿装置用于保持成像探测器处于特定的温度，所述成像探测器、控制系统、温度补偿装置分别与电源电连接。

进一步的是，所述中子转换屏与成像探测器之间设置有光导，所述中子转换屏的末端端面与光导的一侧表面耦合，所述成像探测器与光导的另一侧表面耦合。

进一步的是，所述中子转换屏经折弯处理且折弯的角度小于90度。

进一步的是，所述中子转换屏呈圆束形，所述中子转换屏的直径为120-150mm，厚度为22-32㎜。

进一步的是，所述暗箱壳体的内侧壁上设置有屏蔽层，所述屏蔽层采用硼聚乙烯制成。

进一步的是，所述控制系统包括前置放大器、读出电子学、数据采集设备，所述前置放大器与读出电子学信号连接，所述读出电子学与数据采集设备信号连接，所述前置放大器、读出电子学、数据采集设备分别与电源电连接。

进一步的是，所述温度补偿装置采用SiPM温漂补偿系统。

本实用新型的有益效果如下：

1.采用闪烁光纤阵列组成的中子转换屏，大大提高了中子探测效率和光传输效率，节约成本。

2.采用硅光电倍增管阵列组成的成像探测器，体积小、增益性高、探测效率高、工作电压低。

附图说明

图1是本实用新型所述的该基于闪烁光纤阵列的成像系统的结构框图；

图2是本实用新型所述的中子转换屏的截面图；

图3是本实用新型所述的成像探测器的结构示意图；

图4是本实用新型所述的暗箱壳体的结构示意图；

图5是本实用新型所述的中子转换屏、成像探测器、光导耦合的示意图；

图6是本实用新型所述的闪烁光纤的截面示意图；

图中标记说明：中子转换屏1、成像探测器2、光导3、暗箱壳体4、箱盖5、操作开口6、楔形槽7、质子转换层8、荧光层9、楔形块10。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的说明，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请实施例中所有方向性指示术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制,仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

另外，若本申请实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

如图1-6所示，该一种基于闪烁光纤阵列的成像系统，包括暗箱壳体4、中子转换屏1、成像探测器2、控制系统、电源、温度补偿装置；

所述暗箱壳体4为右端敞口的矩形状壳体，所述暗箱壳体4的右端敞口处可拆卸的设置有箱盖5，入射中子束正对暗箱壳体4的右端敞口，可拆卸方式优选为以下结构，包括设置在暗箱壳体4的上侧壁右端面的中部的楔形槽7，所述楔形槽7的上下宽度与暗箱壳体4的上侧壁的厚度相同，所述箱盖5的左侧表面的上端中部设置有与楔形槽7相适配的楔形块10，当箱盖5将暗箱壳体4的右端敞口处密封时，所述楔形块10位于楔形槽7内且二者过盈配合，所述箱盖5上设置有操作开口6，通过设置的操作开口6便于实验操作；

所述中子转换屏1、成像探测器2、控制系统、电源、温度补偿装置分别设置在暗箱壳体4内；

所述成像探测器2由多个硅光电倍增管阵列组成，硅光电倍增管阵列为一光电探测器器件，有大量工作在改革模式的雪崩光电二极管APD组成，具有增益高、不受电磁场干扰、偏置电压低、灵敏度高、机构紧凑等特点，所述中子转换屏1由多个闪烁光纤阵列组成，所述中子转换屏1的入射端端面正对中子束入射方向设置，中子转换屏1的闪烁光纤沿着中子束流方向依次包括中子-质子转换层8、荧光层9两层结构，所述中子转换屏1末端面与成像探测器2相连，入射中子与光纤材料C.H原子结构相互作用产生光子，光子在多个闪烁光纤内传输至成像探测器2，组成成像探测器2的硅光电倍增管阵列用于接收光子；

所述成像探测器2与控制系统信号连接，所述控制系统用于采集成像探测器2输出的信号，所述温度补偿装置用于保持成像探测器2处于特定的温度，所述成像探测器2、控制系统、温度补偿装置分别与电源电连接。

如图1、图5所示，在本实施例中，为了有效减少光损失，所述中子转换屏1与成像探测器2之间设置有光导3，所述中子转换屏1的末端端面与光导3的一侧表面耦合，也就是阵列光纤靠近光导的一侧端面与光导3的一侧表面耦合，所述成像探测器2与光导3的另一侧表面耦合，也就是硅光电倍增管阵列靠近光导的一侧端面与光导3的一侧表面耦合，当出现闪烁光纤阵列表面与硅光电倍增管表面大小形状不一致时，用光导3过渡，有效的把光传递给硅光电倍增管，便可减少光损失率。

如图1所示，在本实施例中，为了减少像探测器中子辐照剂量和延长使用寿命，所述中子转换屏1经折弯处理且折弯的角度小于90度，也就是对多个闪烁光纤进行一定角度的折弯，优选采用水浴弯折的方式对多个闪烁光纤进行弯折，具体的是将多个闪烁光纤通过设计的工具放置于85度的热水中，缓慢弯折。

如图2所示，在本实施例中，作为优选地，所述中子转换屏1呈圆束形，所述中子转换屏1的直径为120-150mm，厚度为22-32㎜。

在本实施例中，所述暗箱壳体4的内侧壁上设置有屏蔽层，所述屏蔽层采用硼聚乙烯制成，通过设置的屏蔽层可有效减少硅光电倍增管中辐照脊剂量，减少由辐射本底造成的图像噪声。

在本实施例中，所述控制系统包括前置放大器、读出电子学、数据采集设备，所述前置放大器与读出电子学信号连接，所述读出电子学与数据采集设备信号连接，所述前置放大器、读出电子学、数据采集设备分别与电源电连接。

在本实施例中，为了使得硅光电倍增管工作正常、长期稳定、保持较好的增益需要使其保持在一定的温度，为此设置有温度补偿装置，所述温度补偿装置优选为SiPM温漂补偿系统；SiPM许多性能对温度比较敏感，如暗噪声计数、增益、雪崩临界电压等，其中SiPM的雪崩临界电压随温度的升高而增大，其增益随温度的升高而减小，暗噪声计数随温度的升高而升高；在实际应用中，影响最大的是增益温漂，可以通过实时修正工作电压的方法，来降低温度变化造成的增益漂移，市面上有诸多成熟的SiPM增益温漂校正系统，采购Sensl公司配套的SiPM温漂补偿系统型号与SiPM型号一致，也就是SiPM阵列与温漂系统为一套同型号的设备。

工作原理：中子束从暗箱壳体4的右端箱盖5上设置的操作开口6射入至中子转换屏1的入射端端面，入射中子与光纤材料C.H原子结构相互作用产生光子并通过闪烁光纤传递至硅光电倍增管，通过硅光电倍增管阵列接收光子，经前置放大器收集电荷，滤波整形之后输出脉冲信号，通过设置的读出电子学与数据采集设备进行信号分析处理。

以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于闪烁光纤阵列的成像系统，其特征在于：包括暗箱壳体(4)、中子转换屏(1)、成像探测器(2)、控制系统、电源、温度补偿装置；

所述暗箱壳体(4)为右端敞口的矩形状壳体，所述暗箱壳体(4)的右端敞口处可拆卸的设置有箱盖(5)，所述箱盖(5)上设置有操作开口(6)；

所述中子转换屏(1)、成像探测器(2)、控制系统、电源、温度补偿装置分别设置在暗箱壳体(4)内；

所述成像探测器(2)由多个硅光电倍增管阵列组成，所述中子转换屏(1)由多个闪烁光纤阵列组成，所述中子转换屏(1)的入射端端面正对中子束入射方向设置，所述中子转换屏(1)末端面与成像探测器(2)相连；

所述成像探测器(2)与控制系统信号连接，所述控制系统用于采集成像探测器(2)输出的信号，所述温度补偿装置用于保持成像探测器(2)处于特定的温度，所述成像探测器(2)、控制系统、温度补偿装置分别与电源电连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于闪烁光纤阵列的成像系统，其特征在于：所述中子转换屏(1)与成像探测器(2)之间设置有光导(3)，所述中子转换屏(1)的末端端面与光导(3)的一侧表面耦合，所述成像探测器(2)与光导(3)的另一侧表面耦合。

3.根据权利要求2所述的一种基于闪烁光纤阵列的成像系统，其特征在于：所述中子转换屏(1)经折弯处理且折弯的角度小于90度。

4.根据权利要求3所述的一种基于闪烁光纤阵列的成像系统，其特征在于：所述中子转换屏(1)呈圆束形，所述中子转换屏(1)的直径为120-150mm，厚度为22-32㎜。

5.根据权利要求1所述的一种基于闪烁光纤阵列的成像系统，其特征在于：所述暗箱壳体(4)的内侧壁上设置有屏蔽层，所述屏蔽层采用硼聚乙烯制成。

6.根据权利要求1所述的一种基于闪烁光纤阵列的成像系统，其特征在于：所述控制系统包括前置放大器、读出电子学、数据采集设备，所述前置放大器与读出电子学信号连接，所述读出电子学与数据采集设备信号连接，所述前置放大器、读出电子学、数据采集设备分别与电源电连接。

7.根据权利要求1所述的一种基于闪烁光纤阵列的成像系统，其特征在于：所述温度补偿装置采用SiPM温漂补偿系统。