閃爍體中子探測器系統及其數字化讀出系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及核探測技術與核電子學領域，且特別涉及一種閃爍體中子探測器系統 及其數字化讀出系統。
【背景技術】
[0002] 中子和X射線都是人類探索物質微觀結構的有效探針。與X射線不同，中子不帶 電，能夠輕易的穿過電子層。利用散射技術，使得中子成為目前研宄物質結構和動力學性質 的最為理想的探針。散射后的中子需要使用位置靈敏度高的中子探測器接收，以獲得散射 中子的出射角度，為分析物質結構提供有效信息。這樣的中子探測器具有高計數率、高探測 效率、大立體角、高定位精度和高η/ γ抑制比等特點。
[0003] 由于中子不帶電，一般利用核反應法進行探測。較為常用的有 a ) 7Li和6Li (n，a ) 3T反應，它們與中子的反應截面都比較大。其中基于3He氣體發展起來 的中子探測器是目前最常用，且技術較成熟的中子探測手段，如美國GE Energy公司生產的 高氣壓3He位置敏感正比計數器。近些年由于反恐形勢的需要和全世界3He的匱乏，使 3He 價格暴漲，近幾年3He氣體價格漲幅超過20倍，基于3He的探測器也就十分昂貴。目前許多 實驗室都在研發新型的中子探測器以滿足各種科學需要。
[0004] 現有技術中，中子位置探測器有一種是閃爍體中子位置探測器，利用中子敏感閃 爍體6LiF/ZnS(Ag)和兩層排布方向互相垂直的波移光纖陣列，實現對入射中子二維位置的 探測。該探測器具有中子探測效率尚、定位精度尚、η/γ抑制比尚和易大面積制作等優點； 與目前其他中子探測器相比，還具有造價低廉的優點。該探測器是目前比較理想的替代 3He 氣體中子探測器產品。結構如圖1所示，主要包括中子敏感閃爍體、波移光纖陣列和光電轉 換器件。所述的閃爍體由中子敏感材料、電離輻射靈敏材料等構成，實現對入射中子的轉換 和閃爍發光；所述的波移光纖陣列由兩組排布方向互相垂直的波移光纖構成，貼近閃爍體 表明放置，實現對閃爍體產生的閃爍光進行收集和傳輸；所述的光電轉換器件連接在光纖 的兩端，對光纖傳輸過來的光子進行光電轉換。
[0005] 光纖兩端通過光導材料或空氣耦合到光電轉換器件上。常用的光電轉換 器件有光電倍增管PMT(Photo Multiplier Tube)，半導體光探測器，電荷耦合原件 CO)(Charge-coupled Device)等。由于半導體光探測器和CO)價格昂貴，小面積制作時可 考慮使用，大面積情況下主要采用光電倍增管作為光電轉換器件。光纖兩端通過光導材料 或空氣耦合到光電轉換器件入射窗上，將一定波長的光子轉換為電信號，并傳輸給相應電 子學系統和數據獲取系統。通過對該電信號的分析，可以判斷處于何位置的光纖傳輸了多 少光子，從而推出閃爍體上產生中子核反應的位置，即入射中子的位置。單個方向排布的光 纖陣列得到該方向維度上中子的位置信息，兩個垂直方向雙層光纖排列就可以得到入射中 子的二維信息。
[0006] 基于波移光纖陣列和光電轉換器件的位置讀出方法有光電倍增管陣列法，其基 本工作原理示意圖如圖2所示。在每組（一根或多根）光纖的后端分別連接獨立工作 的光電倍增管，每個光電倍增管得到對應的光纖光信號，通過對所有光電轉換器件信號 的分析，如閾值甄別或電荷重心計算，得到位置信息。采用光電轉換器件陣列法需要多 個能夠獨立工作的光電倍增管，在大面積光纖陣列條件下可以采用帶多個獨立工作單元 的MAPMT(Multi_Anode Photo Multiplier Tube，多陽極光電倍增管），如日本濱松的 H8500等。這類光電倍增管采用金屬通道倍增極結構，通常帶有2X2以上的工作單元。 結構緊湊，外形尺寸和造價上遠小于相同工作單元數量的獨立型光電倍增管。實際應用 中可以對MPMT每個工作單元的信號進行單路讀出，也可以利用電阻鏈電荷分除法電路 DPC(Discretized Positioning Circuit)或均衡電荷分配電路 SCDC(Symmetric Charged Divi2sion Circuit)對輸出信號路數進行壓縮。DPC和S⑶C讀出網絡如圖3所示。
[0007] 在閃爍體中子位置探測器中，光電倍增管陣列法中的電阻鏈電荷分除法電路DPC 或均衡電荷分配電路SCDC，雖然對輸出信號的通道數能夠進行壓縮，減少讀出通道數，減輕 電子學系統負擔，同時也降低對空間資源和功耗的需求，縮減了建設成本。
[0008] 但在實現本發明的過程中，發明人發現以上兩種方案具有如下的缺點：
[0009] 1、根據DPC和S⑶C讀出結果，描繪出像素點圖與理想效果相比較如圖4所示。從 圖中看到，圖像四周邊緣出現像素點模糊和像素點位置畸變，降低了整個系統的定位精度。 [0010] 2、在兩個方法中，尤其是DPC，隨光纖所對的陽極位置不同，輸出的電信號動態范 圍大。中子信號動態范圍本身就很大，輸入到電子學的動態范圍就更大，這對電子學要求更 加嚴格，如要求電子學系統具有很大的輸入動態范圍。
[0011] 3、在DPC方法中，對4路信號進行一次處理，才能確定一次中子事例的擊中。在 SCDC方法中，則對16路信號進行一次處理，才能確定一次中子事例的擊中。相對于單路讀 出，MPMT的讀出計數率下降到1/64,從而降低整個系統的計數率。
[0012] 4、電子學系統中通常采用電荷靈敏型前置放大器等電路對電荷信號處理，最后經 過ADC轉換成數碼。電荷積分時間常數較大，通常取μ 8量級。時間常數越大，能量分辨率 越高，η/γ抑制比越高，對定位精度越高；但計數率會顯著地降低。
[0013] 5、多陽極光電倍增管MPMT的各陽極間增益不一致，需要事先將MPMT標定，然后 根據標定的結果對ADC數碼進行校正。校正實現起來較為復雜。
[0014] 由此可知，現有技術的中子探測器，系統定位精度、計數率不高，校正實現復雜度 較高。
【發明內容】
[0015] 鑒于現有技術的上述問題和/或其他問題，本發明提供了一種用于閃爍體中子探 測器的數字化讀出系統及具有該數字化讀出系統的閃爍體中子探測器系統。
[0016] 根據本公開的一方面，提供一種閃爍體中子探測器的數字化讀出系統，包括多個 模擬通道和多個數字通道，其中每個模擬通道包括：電流前放電路，用于對所述閃爍體中子 探測器產生的電信號進行增益調整；
[0017] 甄別電路，用于對所述電流前放電路輸出的電流信號進行積分成形，通過幅度甄 別將中子信號甄別出來和剔除γ信號并輸出方波信號；其中所述多個模擬通道分為至少 一組，每組包括至少一個模擬通道，每個數字通道接收一組模擬通道中所述至少一個模擬 通道輸出的方波信號并進行并串轉換從而輸出串行數字信號。
[0018] 根據一示例實施方式，所述電流前放電路包括共柵極輸入單元和與所述共柵極輸 入單元相連的電流傳輸器。
[0019] 根據一示例實施方式，所述電流傳輸器包括共源共柵電流鏡陣列。
[0020] 根據一示例實施方式，所述甄別電路包括RC積分電路、與所述RC積分電路相連的 CR-RC積分成形電路和比較器。
[0021] 根據一示例實施方式，所述共源共柵電流鏡陣列包括多組鏡像管、級聯管和控制 電流鏡選通的開關管，所述鏡像管、級聯管和開關管具有相同的寬長比，并由相同柵寬、相 同柵長的多個MOS管并聯而成。
[0022] 根據一示例實施方式，所述比較器包括預放大器、鎖存器、自偏置差分放大器、反 相器。
[0023] 根據一示例實施方式，其中每個數字通道包括：時鐘電路，用于將時鐘信號多倍分 頻為時間軸信號；同步電路，用于將來自模擬通道的方波信號與時鐘信號進行同步；并串 轉換電路，用于將來自于所述同步電路的并行信號轉換為串行數字信號，其中所述串行數 字信號包括位置信息和時間信息。
[0024] 根據一示例實施方式，同步后的方波信號的上升沿與時鐘信號的上升沿對齊。
[0025] 根據一示例實施方式，所述時間軸信號的上升沿與時鐘信號的下降沿對齊。
[0026] 根據一示例實施方式，所述串行數字信號的起始位跨在所述時間軸信號的半周期 的跳變沿上。
[0027] 根據一示例實施方式，如果第N個模擬通道有方信號輸出，則在接下來的時間軸 信號的半周期內的第N個時鐘信號位置有脈沖。
[0028] 根據本公開的另一方面，提供一種閃爍體中子探測器系統，包括：中子敏感閃爍 體；波移光纖陣列，包括兩組相互垂直排布的波移光纖，貼近所述中子敏感閃爍體表面設 置;MAPMT，與波移光纖連接；以及閃爍體中子探測器的數字化讀出系統，所述MPMT的每個 陽極對應所述數字化讀出系統的一個模擬通道。
[0029] 根據一示例實施方式，還包括：處理模塊，配置為對數字化讀出系統輸出的串行數 字信號進行同步和串并轉換，以及按時間順序記錄各模擬通道的中子過閾情況。
[0030] 根據一示例實施方式，所述處理模塊還配置為：進行數據壓縮，去除所有通道都沒 有中子過閾的記錄。
[0031] 根據一示例實施方式，所述處理模塊還配置為：將數據傳輸到數據庫中。
[0032] 根據本公開的技術方案，本發明的數字化讀出系統，通過進行單路甄別，使得與中 子探測器構成的整個系統具有計數率高、定位精度高、η/γ抑制比高、大面積制作容易、空 間資源消耗低。
【附圖說明】
[0033] 圖1為閃爍體中子探測器結構示意圖；
[0034] 圖2為光電倍增