一种在线式滤片堆栈谱仪
阅读说明：本技术 一种在线式滤片堆栈谱仪 (Online filter stack spectrometer ) 是由 温家星 于明海 曾鸣 马舸 吴玉迟 赵宗清 于 2021-06-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种在线式滤片堆栈谱仪,包括依次由至少一个金刚石探测器和多个闪烁体探测器以堆栈方式构成的射线灵敏单元,通过光纤接收射线灵敏单元中的闪烁体探测器产生的可见光信号并转换为电信号的光电转换单元,用于接收射线灵敏单元中的金刚石探测器产生的电流脉冲信号和光电转换单元输出的电信号并处理为数字信号的电子学系统,用于偏转伴随X射线出射的高能电子的偏转磁铁,以及用于对准X射线源的瞄准相机。本发明将射线灵敏单元采用金刚石探测器和闪烁体探测器组合成滤片堆栈方式,结合电子学系统对电信号进行处理和高速采用,实现了对宽能段(10keV～10MeV)、脉冲式X射线源能谱的在线实时测量。(The invention discloses an online filter stack spectrometer which comprises a ray sensitive unit, a photoelectric conversion unit, an electronic system, a deflection magnet and an aiming camera, wherein the ray sensitive unit is sequentially formed by at least one diamond detector and a plurality of scintillator detectors in a stacking mode, the photoelectric conversion unit is used for receiving visible light signals generated by the scintillator detectors in the ray sensitive unit and converting the visible light signals into electric signals through optical fibers, the electronic system is used for receiving current pulse signals generated by the diamond detectors in the ray sensitive unit and the electric signals output by the photoelectric conversion unit and processing the electric signals into digital signals, the deflection magnet is used for deflecting high-energy electrons emitted along with X rays, and the aiming camera is used for aiming at an X-ray source. The invention combines a diamond detector and a scintillator detector into a filter stack mode for a ray sensitive unit, processes electric signals by combining an electronics system and adopts the electric signals at high speed, and realizes the online real-time measurement of the energy spectrum of a wide energy band (10 keV-10 MeV) and a pulse type X-ray source.)
技术领域
本发明涉及一种谱仪，具体地讲，是涉及一种在线式滤片堆栈谱仪。
背景技术
由激光或加速器驱动产生的高亮度、超短脉冲的X射线源，由于其短脉宽、微焦点、宽能谱等特性，在无损检测、生物医学成像以及超快微观过程科学研究等领域有着广泛的应用前景。X射线源的能谱是其最重要的特征之一，对于X射线源应用、X射线源研究都具有重要的价值。该种X射线源能谱可以覆盖keV至数十MeV范围，在结合脉冲辐射场特性，使得能谱测量技术呈现出多样化。
目前已有的能谱测量技术，大体上来说分为四类：1)基于单光子计数法的能谱测量技术。使用工作在单光子计数模式下的像素型的半导体探测器，如单光子CCD，可在空间上区分单个光子，统计多个光子在半导体器件中的能量沉积，可以较为精确的获得1keV-30keV范围内的X射线能谱。2)基于色散法的能谱测量技术。利用X射线穿过光栅或晶体时的色散效应，可将不同能量的X射线衍射到不同的角度，通过测量不同角度上的X射线强度，可实现对能量100keV以下的X射线能谱进行精确测量。3)基于滤片法的能谱测量技术。将X射线经过不同厚度、材质的滤片衰减，探测其衰减后强度，由于不同能量的X射线穿透能力不同，因此可以通过不同厚度、材质的滤片衰减后的X射线强度反解入射X射线能谱。4)基于康普顿效应的能谱测量技术。高能的X射线可与转换介质发生康普顿散射，产生反冲电子，在转换介质后放置一电子谱仪测量反冲电子能谱，进而由反冲电子能谱可以推断原始脉冲辐射场能谱。
基于单光子计数法的能谱测量技术，如单光子CCD谱仪。常用半导体器件，要求通道数要多，要求满足单光子计数条件(每个单元最多入射1个光子)，要求具有一定的统计性(记录到光子的信号数量要够多)。因此要求探测器单元数量很多，满足要求的探测器一般是CCD、CMOS，该种方法要保证单光子能量完全沉积在探测器中，需要避免发生康普顿散射或电子逃逸，因此只能测量keV-数十keV的光子，难以应用到更高能段能谱的测量。
基于色散法的能谱测量技术，如弯晶谱仪。主要依赖于色散元件，效率低，而且针对100keV以上的高能X射线，更多表现为粒子性，难以获得具有高效率的色散元件，因此无法用于百keV以上更高能X射线的能谱测量。
基于康普顿效应的能谱测量技术，由于其需要发生康普顿效应产生高能的电子，且需要对散射电子准直，因此这种技术的测谱效率极低，通常需要1014的光子产额才能勉强获得能谱，并且这种方法无法测量激光X射线源中能谱中占绝对部分的中低能射线，仅能测量能谱尾部的高能伽马射线(1～30MeV)。
基于滤片法能谱测量技术应用最广泛的为滤片堆栈谱仪，它能够测量数十keV～数十MeV宽范围能段的能谱。早至1999年，Nolte等人便设计了基于不同滤片和热释光探测器的滤片堆栈谱仪，用于测量10keV～1MeV脉冲辐射场光子的能谱。2008年Chen等人，2009年Behrens等人，2015年Jeon等人，2017年Yu等人，都基于成像板或热释光探测器设计了滤片堆栈谱仪，并获得了较好的实验结果。但成像板和热释光探测器的数据读出方式均为离线读出，需要将灵敏介质从谱仪中取出后使用其他设备读取数据，单次测量数据读出步骤繁杂、花费时间往往在10分钟以上，不能满足高重频脉冲X射线源能谱实时监测需求。
2018年，K.T.Behm等人利用一个用放置在铅窗格中的33×47个CsI闪烁体组成的闪烁体阵列，射线从阵列的较短的侧面入射，这样每一行的47个闪烁体就组成了一个滤片堆栈谱仪通道，闪烁体的光信号通过一个1024×1024阵列的电荷耦合器件(CCD)读出，可以实现从0.1MeV～30MeV的脉冲式X射线源的能谱在线测量。但在Behm等人的谱仪设计中，滤片和闪烁体只选用了等厚的铅和CsI，对能量低于100keV的高通量X射线探测效率低。用CCD测量闪烁体光信号，谱仪集成度低，难以在空间有限的真空靶室内应用；使用CCD的成本高，CCD曝光、读出时间长(毫秒至十毫秒量级)，无法区分次级噪声；且CCD没有于闪烁体做光耦合，光收集效率不确定性大，难以精确定量描述入射X射线的强度。
综上所述，对于一种脉冲式X射线源能谱测量系统，要保证在较宽的能量范围内(10keV～10MeV)具有高的探测效率和在线实时能谱测量能力，目前还没有好的设计方案。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种在线式滤片堆栈谱仪，基于金刚石探测器和闪烁体探测器组合，能够实现对宽能段(10keV～10MeV)、脉冲式X射线源能谱的在线实时测量。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种在线式滤片堆栈谱仪，包括
射线灵敏单元，依次由至少一个金刚石探测器和多个闪烁体探测器以堆栈方式构成，用于对宽能段脉冲式X射线进行探测，所述金刚石探测器产生电流脉冲信号，所述闪烁体探测器产生可见光信号；
光电转换单元，通过光纤接收射线灵敏单元中的闪烁体探测器产生的可见光信号并转换为电信号，再交由电子学系统处理；
电子学系统，用于接收射线灵敏单元中的金刚石探测器产生的电流脉冲信号和光电转换单元输出的电信号并处理为数字信号，以便根据射线灵敏单元探测的信号强度实时反解出脉冲式X射线的能谱；
偏转磁铁，用于偏转伴随X射线出射的高能电子；以及
瞄准相机，用于对准X射线源，以使X射线能够穿透多层的射线灵敏单元。
具体地，所述光电转换单元包括光电二极管或/和光电倍增管。
当所述光电转换单元采用光电二极管和光电倍增管时，对于靠近X射线入射端的若干层闪烁体探测器于其相互作用的主要为低能段的X射线，X射线通量较高，单发脉冲中闪烁体产生的可见光通量较高，因此其光电转换采用无倍增的光电二极管，避免信号在光电转换部分饱和；对于后若干层闪烁体探测器，于其相互作用的主要为高能段的X射线，X射线通量较低，单发脉冲中闪烁体产生的可见光通量较低，因此其光电转换采用有倍增功能的光电倍增管，具体可为硅光电倍增管(silicon photon multiplier,SiPM)，以提高信号的信噪比。具体选择为光电二极管或光电倍增管，应视应用场景而定。光电转换单元的电流信号由SMA射频信号接口输出。
具体地，所述电子学系统包括前端电子学系统、后端电子学系统和电源系统，其中，前端电子学系统用于将金刚石探测器和光电转换单元输出的电流信号转换为电压信号并处理后输出模拟波形信号，后端电子学系统采用数字采集卡，用于对前端电子学系统输出的模拟波形信号数字化采样、缓存和传输，所述电源系统用于为前端电子学系统、后端电子学系统、光电转换单元和金刚石探测器供电。
具体地，所述前端电子学系统包括跨阻放大器、滤波成型电路、触发电路和复杂可编程逻辑器件，其中，跨阻放大器用于将金刚石探测器和光电转换单元输出的电流信号转换为电压信号，滤波成型电路用于对跨阻放大器输出的电压信号进行幅度相位调节和滤波，触发电路用于产生单通道的触发信号，复杂可编程逻辑器件用于判定触发逻辑，当多通道同时触发时，输出最终的触发信号。
具体地，所述触发电路采用滞回比较器。
具体地，所述前端电子学系统和后端电子学系统均配置为16通道。
具体地，所述射线灵敏单元包括从X射线入射方向以堆栈方式依次布置的至少一个金刚石探测器和多个闪烁体探测器，以及插置于相邻探测器之间的用以衰减X射线的滤片，其中闪烁体探测器的闪烁体厚度逐渐增加。针对脉冲式X射线源中低能X射线通量极高的情况，在射线灵敏单元前端采用耐辐照强度高的金刚石探测器，探测低能段X射线，直接将X射线转化为电信号随后由电子学系统读出。所述金刚石探测器和闪烁体探测器的具体数量根据应用场景需求确定，所述滤片根据应用场景需求采用相应的厚度和材质。
具体地，所述金刚石探测器采用薄片金刚石探测器，厚度为50μm～400μm。
具体地，所述闪烁体探测器中闪烁体的厚度为5mm～10cm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明将射线灵敏单元采用金刚石探测器和闪烁体探测器组合成滤片堆栈方式，金刚石探测器作为X射线灵敏介质，能够直接将X射线转化为电信号，且能够耐受极高的辐射强度，实现了低能段高通量X射线总通量的有效测量，闪烁体探测器作为X射线灵敏介质，能够将X射线转换为可见光并转化为电信号，实现了对高能X射线的高效率测量，在100keV～10MeV的探测效率均在10％以上，结合电子学系统对电信号进行处理和高速采用，从而实现对宽能段(10keV～10MeV)、脉冲式X射线源能谱的在线实时测量。本发明设计巧妙，结构简单，使用方便，适于在X射线测量中应用。
(2)本发明使用光电二极管和硅光电倍增管作为光电转换单元，使用光导和光纤作为闪烁体和光电转换单元的耦合介质，成本低、集成高和稳定性好。
(3)本发明采用16通道的电子学系统进行信号处理和数字化采用，配合后端的电脑端应用程序，可有效实现与数字采集卡通讯、探测器配置、能谱反解以及数据可视化功能。
附图说明
图1为本发明-实施例的整体结构示意图。
图2为本发明-实施例中射线灵敏单元的结构示意图。
上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：
1-瞄准相机，2-偏转磁铁，3-射线灵敏单元，4-光导或光纤，5-光电转换单元，6-前端电子学系统，7-后端电子学系统，8-电源系统，9-电脑端应用程序，10-金刚石探测器，11-闪烁体探测器，12-滤片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1至图2所示，该在线式滤片堆栈谱仪，主要组成包括瞄准相机1、偏转磁铁2、射线灵敏单元3、光电转换单元5和电子学系统，其后端可配置电脑端应用程序9。
所述瞄准相机1，用于对准X射线源，以使X射线能够穿透多层的射线灵敏单元。
所述偏转磁铁2，用于偏转伴随X射线出射的高能电子，消除电子对X射线能谱测量产生的影响。
所述射线灵敏单元3采用金刚石探测器和闪烁体探测器组合成滤片堆栈，用于对宽能段脉冲式X射线进行探测，所述金刚石探测器产生电流脉冲信号，所述闪烁体探测器产生可见光信号。射线灵敏单元具体包括从X射线入射方向以堆栈方式依次布置的至少一个金刚石探测器10和多个闪烁体探测器11，以及插置于相邻探测器之间的用以衰减X射线的滤片12，其中闪烁体探测器的闪烁体厚度逐渐增加。如图1和2中射线灵敏单元从左至右编号为C1、F1、C2、F2、S1、F3、S2、F4、S3、F5、S4、F6、S5、F7、S6、F8、S7、F9、S8，其中F1～F9代表滤片，C1、C2为薄片金刚石探测器，S1～S8为闪烁体探测器。针对脉冲式X射线源中低能X射线通量极高的情况，在射线灵敏单元前端采用耐辐照强度高的金刚石探测器，探测低能段X射线，直接将X射线转化为电信号随后由电子学系统读出。所述金刚石探测器的厚度为50μm～400μm。金刚石探测器作为X射线灵敏介质，能够直接将X射线转化为电信号，且能够耐受极高的辐射强度，可实现低能段高通量X射线总通量的有效测量，从而得到射线源能谱。随后接八个通道闪烁体探测器，闪烁体将X射线转化为可见光，交由随后的光电转换单元处理。所述闪烁体探测器中闪烁体的厚度为5mm～10cm。闪烁体作为X射线灵敏介质，配合光电转换单元对闪烁体输出的信号进行光电转换，使用光纤、光导耦合闪烁体和光电转换器件，以较低的成本、高集成度和高稳定性，实现对脉冲式X射线宽能段的高效率测量，在100keV～10MeV的探测效率均在10％以上。所述滤片根据应用场景需求采用相应的厚度和材质。
所述光电转换单元5，通过光导或光纤4接收射线灵敏单元中的闪烁体探测器产生的可见光信号并转换为电信号，再交由电子学系统处理。光电转换单元具体可采用光电二极管和光电倍增管。对于靠近X射线入射端的若干层闪烁体探测器于其相互作用的主要为低能段的X射线，X射线通量较高，单发脉冲中闪烁体产生的可见光通量较高，因此其光电转换采用无倍增的光电二极管，避免信号在光电转换部分饱和；对于后若干层闪烁体探测器，于其相互作用的主要为高能段的X射线，X射线通量较低，单发脉冲中闪烁体产生的可见光通量较低，因此其光电转换采用有倍增功能的光电倍增管，具体可为硅光电倍增管(silicon photon multiplier,SiPM)，以提高信号的信噪比。具体选择为光电二极管或光电倍增管，应视应用场景而定。光电转换单元的电流信号由SMA射频信号接口输出。
电子学系统，用于接收射线灵敏单元中的金刚石探测器产生的电流脉冲信号和光电转换单元输出的电信号并处理为数字信号，以便根据射线灵敏单元探测的信号强度实时反解出脉冲式X射线的能谱。
具体地，所述电子学系统包括前端电子学系统6、后端电子学系统7和电源系统8。所述前端电子学系统包括跨阻放大器、滤波成型电路、触发电路和复杂可编程逻辑器件，均配置为16通道。SMA射频信号接口接收由光电转换单元输出的电流信号，信号传递给16通道跨阻放大器，用于将金刚石探测器和光电转换单元输出的电流信号转换为电压信号；16通道滤波成型电路，用于对跨阻放大器输出的电压信号进行幅度相位调节和滤波，便于后续的模拟-数字转换；触发电路采用16通道滞回比较器，用于产生单通道的触发信号，复杂可编程逻辑器件用于判定16通道的触发逻辑，当多通道同时触发时，输出最终的触发信号。所述后端电子学系统采用16通道高速波形采样数字采集卡，有高速模拟数字转换器(ADC)、数据缓存和数据传输等功能，用于对前端电子学系统输出的模拟波形信号数字化采样、缓存和传输。所述电源系统用于为前端电子学系统、后端电子学系统、光电转换单元和金刚石探测器供电，具体可配置为220V交流转12V直流电子学系统供电模块和16通道输出0～80V可调的金刚石探测器、光电二极管和光电倍增管供电模块。
此外，该谱仪还配有电脑端应用程序9，包括与数字采集卡通讯、探测器配置、能谱反解以及数据可视化功能。
本发明的工作原理为：X射线与金刚石探测器发生反应，可在金刚石探测器中电离出电子-空穴对，在金刚石探测器两端加偏压，可使电子-空穴对漂移形成电流脉冲信号。X射线与闪烁体探测器发生反应，可激发闪烁体产生可见光信号，可见光信号照射到加偏压的硅光电倍增管或光电二极管上，可形成电流脉冲信号。通过跨阻放大器、滤波成型电路，对探测器产生的电流脉冲信号放大、整形，随后由数字采集卡进行实时的模拟-数字转换，将探测器产生的信号转换为数字信号，传输至电脑端应用程序处理。可由不同层的金刚石探测器或闪烁体探测器的信号强度，实时反解出入射脉冲式X射线的能谱，从而实现对X射线脉冲辐射场的在线能谱测量。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。
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