基于载钆闪烁体的中子探测与信号处理技术研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 侯会良 |
| 答辩日期 | 2020 |
| 文献子类 | 硕士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) |
| 导师 | 戴志敏 |
| 关键词 | 载钆闪烁体 硅光电倍增器件 数字化多道能谱仪 中子探测 辐射成像 |
| 英文摘要 | 当代辐射成像技术快速发展且被广泛应用于医学成像、高能物理、核工业、航空航天工业等领域。在中子探测与中子成像领域中，中子成像设备与配套组件的研发与应用得到了持续关注和研究，其中以闪烁体、光电转换装置及其配套电子学系统最为关键。 GdI3:Ce 新型闪烁体具有最大的热中子中子俘获截面、高发光产额、短发光衰减时间、高透光性等优点在中子探测与中子照相领域有巨大的应用前景。光电转换器件中以硅光电倍增器件（ SiPM/Silicon Photomultipliers）为代表的新型半导体器件正逐渐取代传统光电倍增管，相比较传统光电倍增管SiPM 具有体积小、工作电压低、对磁场敏感性小、光电转换效率高等优势，同时由于半导体制造工艺的优越性，在大量应用光电倍增管（器件）的大面积成像应用中， SiPM 的一致性要好于传统光电倍增管，是辐射成像领域中最具潜力的光电转换器件。基于上述闪烁体与 SiPM 组成的新型中子成像探测器集合了所有优点，但存在输出信号微弱、信号信噪比差、受温度影响较大的缺点，同时因为信号通道数量多，对后端信号读出、信号处理、图像获取等电子学系统有较高要求。 目前的中子成像系统往往对中子场（“光源”）质量有很高的要求，通常使用高通量的反应堆中子源、散裂中子源或本身带有强放射性的核燃料元件，而该类中子源往往需要体积庞大的反应堆、加速器、以及配套的各种系统，本文最终的目的是初步设计并搭建出一套对中子场（“光源”）要求不高的中子成像数采集系统。为达到这一目的从中子能谱探测和中子成像两方向进行研究，围绕中子辐射成像探头的设计优化、高压电源输出电压与 SiPM 工作温度对应曲线的确定、SiPM 阵列信号的读出、能谱测量系统的设计与优化主要工作如下:（ 1）搭建组装了两种探头分别用于成像测试系统和能谱测试系统，第一种探头将 SiPM 阵列的信号通过 FPC 排线输出到后端信号处理及成像系统中，第二种探头作为能谱测量的探头， SiPM 阵列的多路信号通过前端放大器做加和处理，通过同轴电缆输出到后端能谱测量系统，使用 241Am 标定能量分辨率为 12.5%。（ 2）设计了一种小型程控 SiPM 电源用于稳定 SiPM 因温度变换而改变的增益，使用自研的多道能谱分析系统和 241Am 放射源对电源的影响进行测定，实 际测量结果显示加入电压补偿功能后 241Am 的 59.54KeV 的伽马全能峰在 5∘C 到40∘C 的环境温度下峰位漂移由未加补偿功能时的 110 道减少为加入补偿功能后的 5 道， SiPM 因温度造成的增益温漂由 87.3% 下降到了 2.76%。在使用阈值甄别法甄别中子伽马时因 SiPM 增益的温漂会造成甄别阈值浮动，带电压补偿功能的高压电源能有效改善这一现象。（ 3）设计了一套数字能谱测量分析系统用于标定探测器的能量分辨、验证小型程控 SiPM 高压电源的性能以及验证辐射场为中子场。其自身的能量分辨率使用 NaI 晶体 (体积为 2L) 配套传统光电倍增管使用 137Cs 放射源标定，能量分辨率达到 6.55% 能够满足能谱分析要求。（ 4）设计了两套 SiPM 辐射成像电子学系统分别用于两种工作模式：能量累积型、计数型，前者包括：主板、多路电荷放大器 ADC 板、 FPGA 驱动读出板、以及配套的若干信号处理子板（模拟信号输入模拟信号输出），后者包括：主板、FPGA 计数板、以及配套的信号处理子板（模拟信号输入数字信号输出）。信号处理与数据传输采用高速 FPGA 芯片，数据通过 USB 接口传输，最终将图像显示在计算机屏幕上。 |
| 语种 | 中文 |
| 源URL | [http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/33825]  |
| 专题 | 上海应用物理研究所_中科院上海应用物理研究所2011-2017年 |
| 作者单位 | 中国科学院上海应用物理研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 侯会良. 基于载钆闪烁体的中子探测与信号处理技术研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所). 2020. |
入库方式： OAI收割
来源：上海应用物理研究所
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