大面积位置灵敏探测器的研制

摘要

随着核技术应用的日益广泛，各类放射源使用的安全问题越来越受到大家的关注。加强对放射性物质的安全监管需要大量使用核技术方法及设备，伽玛射线成像仪，能够实现对放射性物质的快速、准确的定位，它在核物理实验、粒子物理学、天文物理学、地质勘探、核医学、核安全等领域扮演了重要的角色。在放射性物质搜寻过程中，为了能够快速、准确的对放射性物质成像，确定放射性物质位置，就需要所用的探测器具有好的位置分辨率、探测效率和灵敏度。因此，有必要对探测器的性能进行改进并设计出一套具有优越性能的探测器。本文针对放射性物质快速、准确定位，为超高灵敏度伽玛射线成像仪研制了一套基于编码孔径技术的大面积位置灵敏探测器。
　　编码准直器和大面积位置灵敏探测器是超高灵敏度伽玛射线成像仪的核心部件。编码准直器由码板固定板和编码码板组成，探测器是采用四个大体积的探测器模块组成，每个探测器模块的灵敏面积为165 mm×165 mm。这是由于超高灵敏度伽玛射线成像仪主要应用在移动的平台上，要完成对放射性物质的准确定位，4个探测器模块组成阵列可以提高探测效率。同时对每个探测器模块进行优化设计，使模块拼接时能实现无缝拼接，整个探测器的灵敏面积为330 mm×330mm。
　　编码准直器的研制主要包括编码方式的选择、码板及基本单元尺寸的确定、码板材料、码板及固定板的加工等。论文中对编码孔径成像的原理进行了介绍，并根据不同的编码孔径成像特点，综合考虑各项技术指标，选择了修正均匀冗余阵列编码方式。根据编码方式及闪烁体的尺寸确定了码板的基本单元尺寸确定为30mm×30mm，共有21×21个基本单元，码板的整体尺寸为610 mm×610 mm。码板材料的选择主要考虑材料的密度和对伽玛射线的阻挡能力，通过钨粉的实验发现钨粉的填充密度达不到要求，最后确定码板材料为99％钨含量的钨镍铜合金块。根据对伽玛射线阻挡率的设计要求，设计码板厚度为15mm，码板的加工采用机械加工的方式将钨镍铜合金加工成金属条。码板固定板采用尼龙材料，尺寸为710mm×710mm×30mm，采用机械加工的方式。
　　探测器模块主要由闪烁体阵列、光电倍增管阵列、光导、反射层和前端电子学（包括光电倍增管分压电路、位置读出电路、前置放大和定时电路）组成。闪烁体阵列采用11×11的CsI(Tl)闪烁体，单个闪烁体的体积为14.9 mm×14.9 mm×14.9 mm，六面抛光，闪烁体之间使用0.065 mm厚度的高反膜。光电倍增管阵列由北京滨松的CR173光电倍增管组成3×3光电倍增管阵列，光电倍增管入射窗的尺寸为φ51mm，光阴极有效尺寸为φ46 mm。通过不同类型和厚度的光导实验后选择20 mm厚度的井行光导。光电倍增管分压电路根据CR173推荐分压配比完成设计。位置读出电路选择DPC电路，将9路光电倍增管引出信号通过编码后变成4路信号。前置放大和定时电路主要采用美国AD公司的AD8042、MAX942等芯片设计而成。
　　本文先进行了光电倍增管性能测试、光电倍增管一致性校正等实验。后搭建了探测器模块测试平台，对光电倍增管供电电压、DPC电路、光电倍增管阵列、闪烁体阵列、光导等进行了实验研究，对探测器模块的各组成部分进行了优化。完成单个探测器模块的研制，从实验上验证了设计方案的可靠性。后将4个相同的探测器模块组装在一起，完成了整个探测器的研制。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本论文研究基础

1．4 主要研究的内容

第2章 探测器理论基础

2．1 伽玛射线与物质的相互作用

2．1．1 光电效应

2．1．2 康普顿-吴有训效应

2．1．3 电子对效应

2．2 常见的伽玛射线探测器

2．2．1 气体探测器

2．2．2 半导体探测器

2．2．3 闪烁探测器

第3章 编码准直器的研制

3．1 编码成像基础

3．2 编码准直器的设计

3．3 编码准直器工艺的研究

3．3．1 码板固定板工艺的研究

3．3．2 编码码板工艺的研究

3．4 编码准直器的研制

第4章 大面积位置灵敏探测器的设计

4．1 探测器结构设计

4．2 闪烁体阵列设计

4．2．1 闪烁体材料的选择

4．2．2 闪烁体阵列的设计

4．3 光导的设计和光耦合剂的选择

4．3．1 光导的设计

4．3．2 光耦合剂的选择

4．4 光电倍增管

4．4．1 光电倍增管的选择

4．4．2 光电倍增管分压电路的设计

4．5 位置读出电路

4．5．1 DPC电路

4．5．2 Anger电路

4．5．3 Hybrid电路

4．5．4 SCD电路

4．5．5 位置读出电路设计

4．6 前端放大电路和定时电路的设计

4．6．1 前置放大电路的设计

4．6．2 定时电路的设计

第5章 探测器的研制

5．1 光电倍增管的测试

5．1．1 单个光电倍增管的测试

5．1．2 光电倍增管一致性校正

5．2 探测器模块的搭建和测试

5．3 DPC电路和高压值的测试

5．4 光导的测试

5．5 闪烁体阵列的测试

5．6 探测器的研制

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果