一种基于硅光电倍增管的钨酸镉闪烁体探测器研究

摘要

X射线工业CT是一种先进的无损检测技术，可以获得物体的高分辨率结构图像，在工业检测、先进制造、国防安全、科研考古等均有广泛应用。根据X射线能段不同，可分为基于直线加速器的高能工业CT和基于X球管的中低能工业CT两类;其中高能工业CT具有能量高、剂量大、扫描时间短等特点，这些特点使得高能CT探测器有较高的研制要求。
　　传统的高能CT探测器采用光电二极管阵列或者CCD阵列进行探测。随着新型光电探测器件的发展，基于硅光电倍增管技术研制CT探测器成为可能;硅光电信增管工作电压低、增益高、对磁场免疫、抗磁性、结构紧凑、增益一致性高、信噪比高。因此本文针对6MV直线加速器产生的X射线，研制了一种基于单点型硅光电倍增管和钨酸镉闪烁体的小型闪烁体探测器，主要包括:
　　1)闪烁体性能的蒙特卡洛模拟。基于GEANT4蒙卡模拟软件，对不同类型不同尺寸的闪烁体的光输出、能量沉积、探测效率等进行模拟，为探测器设计提供参考依据。结果表明，钨酸镉闪烁体在转换效率、全能峰效率等方面都优于其它闪烁体;且钨酸镉闪烁体的探测效率只取决于闪烁体的高度而与闪烁体端面面积无关;而闪烁体的能量沉积与闪烁体的端面面积及高度都有关。
　　2)闪烁体性能的实验测试。对不同类型不同尺寸的闪烁体的发光衰减时间、光电子输出、能量分辨率以及余辉进行实验测试，并提出了一种光电子输出测试方法—单光电子比较法。测试结果表明:此系列的钨酸镉闪烁体光电子输出强度可以达到12203 ph/MeV，发光衰减时间在11.3us-12.0us之间;对137 Cs661.6keV光峰的能量分辨最高为10.8％;且闪烁体受余辉影响较小。
　　3)小型闪烁探测器的研制。基于钨酸镉闪烁体与硅光电倍增管搭建小型闪烁探测器，完成探测器件的性能测试、前端读出电路设计和探测器结构设计。对硅光电倍增管进行了性能测试，结果表明它的噪声较低、增益在106数量级，是一种较快的硅光电倍增管。探测器对137Cs661.6keV光峰的能量分辨为19.2％;并将探测器置于6MV加速器下进行实验测试，结果表明探测器功能正常，可用于高能X射线探测，为下一步研制线阵列探测器提供了研究基础。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 研究现状

1．2．1 硅光电倍增管(SiPM)的研究现状

1．2．2 钨酸镉(CdWO4)闪烁体的研究现状

1．3 论文研究内容

1．4 论文结构安排

第2章 闪烁体性能的蒙特卡罗模拟

2．1 蒙特卡罗方法及GEANT4

2．2 闪烁体能量分布的模拟

2．3 闪烁体全能峰效率的模拟

2．4 闪烁体转换效率的模拟

2．5 钨酸镉闪烁体光输出的模拟

2．6 钨酸镉闪烁体能量沉积的模拟

2．7 钨酸镉闪烁体探测效率的模拟

2．8 本章小节

第3章 闪烁体性能的实验测试

3．1 闪烁体的主要性能

3．2 测试使用的闪烁体说明

3．3 闪烁体的发光衰减时间测试

3．4 闪烁体的光输出测试

3．5 闪烁体的能量分辨测试

3．6 闪烁体余辉时间测试

3．7 本章小节

第4章 小型闪烁体探测器的研制

4．1 闪烁体探测器

4．2 闪烁体的选择

4．3 硅光电倍增管性能研究

4．3．1 硅光电倍增管的选择

4．3．2 脉冲形状及时间特性分析

4．3．3 增益

4．3．4 噪声

4．3．5 温度变化对SiPM的影响

4．4 电路的设计

4．4．1 放大电路的设计

4．4．2 电路板设计

4．5 信号测试

4．6 能量分辨率的测试

4．7 直线加速器实验

4．7．1 6MeV直线加速器下信号测试

4．7．2 探测器可行性验证

4．7．3 探测器信号可获取性验证

4．7．4 探测器测试结果对CT成像可行性预研

4．8 结构设计

5．1 工作成果

5．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间取得学术成果