一种闪烁探测器
阅读说明：本技术 一种闪烁探测器 (Scintillation detector ) 是由 孙希磊 张大力 安正华 李新乔 熊少林 龚轲 文向阳 蔡策 常治 陈刚 陈灿 于 2021-03-15 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于SiPM光电倍增管的闪烁探测器,涉及核辐射探测设备技术领域,解决了闪烁体与SiPM阵列不匹配的技术问题。该基于SiPM光电倍增管的闪烁探测器,包括圆柱形闪烁体和呈圆形阵列设置在闪烁体上的多片SiPM光电倍增管,SiPM光电倍增管数量为2的倍数。本发明将SiPM光电倍增管按照一定角度圆形均匀排列,解决了与圆形闪烁体配合的问题,将所有的SiPM光电倍增管电路设计成一路输出,采用分组求和电路,在保持信噪比基础上,实现单通道读出,和传统的PMT使用方法相同,更方便的进行PMT替换；通过在SiPM光电倍增管间隙处设置漫反射膜,提高光子收集效率和均匀性。(The invention provides a scintillation detector based on an SiPM photomultiplier, relates to the technical field of nuclear radiation detection equipment, and solves the technical problem that a scintillator is not matched with an SiPM array. This scintillation detector based on SiPM photomultiplier includes cylindrical scintillator and is the multiple-disc SiPM photomultiplier of circular array setting on the scintillator, and SiPM photomultiplier quantity is the multiple of 2. The SiPM photomultiplier is circularly and uniformly arranged according to a certain angle, the problem of matching with a circular scintillator is solved, all SiPM photomultiplier circuits are designed into one output, a grouping summation circuit is adopted, single-channel reading is realized on the basis of keeping the signal-to-noise ratio, and PMT replacement is more conveniently carried out as the traditional PMT using method is the same; the diffuse reflection film is arranged at the gap of the SiPM photomultiplier, so that the photon collection efficiency and uniformity are improved.)
技术领域
本发明涉及核辐射探测设备技术领域，尤其是涉及一种基于SiPM光电倍增管的闪烁探测器。
背景技术
1985年以来，SiPM这一基于盖革模式下雪崩效应而制成的探测器以其高增益、时间分辨率好、对磁场不敏感、噪声低、工作电压低和单光子的测量精度高等优良性能在高能物理、空间探测、PET、DNA测序等多领域得到了长足的发展和受到了极大的重视。近年来，SiPM在核辐射探测领域，尤其是在闪烁探测器的更新和发展上，国内外多家研究机构已有相关探测器的研发和设计。闪烁探测器包括闪烁体和SiPM阵列。
本申请人发现现有技术至少存在以下技术问题：
闪烁体通常是圆柱形结构，因为圆截面有着更好的光收集均匀性，而SiPM量产单元(半导体流片，一般为方形的，圆形边角料)通常为方形结构，所以在组成阵列时一般也是方形密排结构，在与圆柱形闪烁体配合组成闪烁探测器时，存在形状不匹配问题。
若闪烁体直径与方形SiPM阵列对角线相等，会存在闪烁体有4个边缘没有SiPM覆盖的情况，这会导致探测器光收集不均匀的问题。若晶体直径与方形SiPM阵列边长相等，则SiPM阵列的4个角会超出闪烁体外缘，造成SiPM浪费。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于SiPM光电倍增管的闪烁探测器，以解决现有技术中存在的闪烁体与SiPM阵列不匹配的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供的一种基于SiPM光电倍增管的闪烁探测器，包括圆柱形闪烁体和呈圆形阵列设置在所述闪烁体上的多片SiPM光电倍增管，所述SiPM光电倍增管数量为2的倍数。
作为本发明的进一步改进，所述SiPM光电倍增管设置有多层圆形阵列，相邻两层所述SiPM光电倍增管的圆形阵列正对或错位设置。
作为本发明的进一步改进，相邻两层所述SiPM光电倍增管的阵列间距相等。
作为本发明的进一步改进，所有的所述SiPM光电倍增管规格相同或不同。
作为本发明的进一步改进，还包括设置在所述闪烁体表面的漫反射膜，所述漫反射膜规格与所述闪烁体截面规格相同，且所述漫反射膜上对应于每片所述SiPM光电倍增管位置均设置有贯穿通过口。
作为本发明的进一步改进，所述闪烁体截面直径为3英寸；所述SiPM光电倍增管规格为6x6mm，数量为64片，分成5层设置；最外层的所述SiPM光电倍增管以15度夹角排布24片；第二层的所述SiPM光电倍增管以20度夹角排布18片，第三层的所述SiPM光电倍增管以30度夹角排布12片，第四层的所述SiPM光电倍增管以45度夹角排布8片，第五层的所述SiPM光电倍增管以180度夹角排布2片。
作为本发明的进一步改进，64片所述SiPM光电倍增管的供电电路分为两组供电。
作为本发明的进一步改进，64片所述SiPM光电倍增管分为四大组并联设置，每大组包含16片所述SiPM光电倍增管，每大组16片所述SiPM光电倍增管分成四小组并联设置，每小组4片所述SiPM光电倍增管采用两串两并联的形式连接，每大组所述SiPM光电倍增管的输出端均连接一跨导放大器，四个大组的四个所述跨导放大器与一求和放大器并联。
作为本发明的进一步改进，每小组中两并联的所述SiPM光电倍增管上还并联有分压电阻。
作为本发明的进一步改进，每小组的所述SiPM光电倍增管输出端连接有隔离电阻。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
本发明提供的基于SiPM光电倍增管的闪烁探测器，将SiPM光电倍增管按照一定角度圆形均匀排列，解决了与圆形闪烁体配合的问题，将所有的SiPM光电倍增管电路设计成一路输出，采用分组求和电路，在保持信噪比基础上，实现单通道读出，和传统的PMT使用方法相同，更方便的进行PMT替换；通过在SiPM光电倍增管间隙处设置漫反射膜，提高光子收集效率和均匀性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明基于SiPM光电倍增管的闪烁探测器的结构示意图；
图2是本发明基于SiPM光电倍增管的闪烁探测器中SiPM光电倍增管的分组和电路设计图。
图中1、闪烁体；2、SiPM光电倍增管；3、漫反射膜；4、贯穿通过口；5、跨导放大器；6、求和放大器；7、分压电阻；8、隔离电阻。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种基于SiPM光电倍增管的闪烁探测器，包括圆柱形闪烁体1和呈圆形阵列设置在闪烁体1上的多片SiPM光电倍增管2，SiPM光电倍增管2数量为2的倍数。
需要说明的是，SiPM光电倍增管2的数量为2的倍数是为了便于电路设计时分组方便。
作为本发明的一种可选的实施方式，SiPM光电倍增管2设置有多层圆形阵列，相邻两层SiPM光电倍增管2的圆形阵列正对或错位设置。
更进一步的，如图1所示，相邻两层SiPM光电倍增管2的圆形阵列错位设置。
进一步的，相邻两层SiPM光电倍增管2的阵列间距相等。也就是说，每一层的相邻两个SiPM光电倍增管2之间的间距相等。
由于SiPM光电倍增管2的规格有多种，分别有1mm，3mm，6mm等，所以在本发明中，所有的SiPM光电倍增管2规格相同或不同。
如图1所示，作为本发明的一种可选实施方式，所有的SiPM光电倍增管2规格相同，均为6mm规格。
具体的，为了提高光吸收效率，还包括设置在闪烁体1表面的漫反射膜3，漫反射膜3规格与闪烁体1截面规格相同，且漫反射膜3上对应于每片SiPM光电倍增管2位置均设置有贯穿通过口4。
作为本发明的一种可选实施方式，闪烁体1截面直径为3英寸；SiPM光电倍增管2规格为6x6mm，数量为64片，分成5层设置；最外层的SiPM光电倍增管2以15度夹角排布24片；第二层的SiPM光电倍增管2以20度夹角排布18片，第三层的SiPM光电倍增管2以30度夹角排布12片，第四层的SiPM光电倍增管2以45度夹角排布8片，第五层的SiPM光电倍增管2以180度夹角排布2片。
为了保证故障后闪烁探测器仍可用，64片SiPM光电倍增管2的供电电路分为两组供电，可以切断一组而不影响另外一组，提高出现故障后的可用性。
如图2所示，更进一步的，64片SiPM光电倍增管2分为四大组并联设置，每大组包含16片SiPM光电倍增管2，每大组16片SiPM光电倍增管2分成四小组并联设置，每小组4片SiPM光电倍增管2采用两串两并联的形式连接，每大组SiPM光电倍增管2的输出端均连接一跨导放大器5，四个大组的四个跨导放大器5与一求和放大器6并联。
具体的，每小组中两并联的SiPM光电倍增管2上还并联有分压电阻7。
每小组的SiPM光电倍增管2输出端连接有隔离电阻8。
通过以上设计，64片SiPM光电倍增管2分为4个大组，每组16片，每组用一个跨导放大器5作为前级放大，然后进入求和放大器6，求和后输出，两级放大提高信噪比。每个大组内分为4组并联，每小组采用2串联2并联的形式，平衡信号幅度和宽度；如图2所示，Rp为分压电阻，为串联SiPM光电倍增管2提供分压，同时为SiPM光电倍增管2充放电流通路；Rs为隔离电阻，隔离4个分组，防止串扰；TIA为跨导放大器，SUM为求和放大器。
在此需要说明的是，如图1所示，每一个SiPM光电倍增管2均为方形结构，设置36个引脚；将64个SiPM光电倍增管2从外圈向内圈进行自动编号，分别为D1、D2、D3......D64；如图2所示，将SiPM光电倍增管2按照编号顺序进行分组和电路设计。
本发明提供的基于SiPM光电倍增管的闪烁探测器，将SiPM光电倍增管按照一定角度圆形均匀排列，解决了与圆形闪烁体配合的问题，将所有的SiPM光电倍增管电路设计成一路输出，采用分组求和电路，在保持信噪比基础上，实现单通道读出，和传统的PMT使用方法相同，更方便的进行PMT替换；通过在SiPM光电倍增管间隙处设置漫反射膜，提高光子收集效率和均匀性。
这里首先需要说明的是，“向内”是朝向容置空间中央的方向，“向外”是远离容置空间中央的方向。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图1所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，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发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
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