栅型气体电子倍增器的研制

实践中发现，微结构气体探测器（MPGD）遇到三方面挑战：打火时放电电流的抑制与稳定运行、单元面积增大后的生产工艺以及孔型结构带来的探测位置重建偏差。为解决以上问题，本文提出了一种新型结构的MPGD--栅型气体电子倍增器（Groove）。使用3种不同几何尺寸的栅型电极，在不同气体中对8.04 keV铜靶X射线的能谱进行测量，以检验探测器性能。与蒙特卡罗模拟计算结果对比表明，探测器信号主要来自雪崩产生的离子。能谱测量结果显示：栅极狭缝宽度0.2 mm、厚度0.8 mm的探测器增益和能量分辨率好于其他尺寸的探测器；在93%Ar+7%CO₂中运行时，探测器增益与分辨率两项指标稍好于在95%Ar+5%CH₄中。测量得到的探测器增益最高可达3×10⁴左右，能量分辨率最高可达15.6%。     

THGEM探测器化学抛光及其工作气体优化

采用新的化学抛光方法处理THGEM膜,在不同的气体成分和比例下对THGEM膜的增益和能量分辨进行研究测量。结果表明,以Ar/C_4H_(10)为工作气体的THGEM探测器所需工作电压较低、增益高、能量分辨相对较好。在Ar/C_4H_(10)(95%/5%)的气体条件下,THGEM的增益可达7×10~3。     

基于国产厚型气体电子倍增器的低能电子二维位置探测器

为探测0.1-50 Me V低能电子脉冲束流的位置分布,研制基于国产厚型气体电子倍增器(Thick Gaseous Electron Multiplier,THGEM)的二维位置探测器,位置分辨要求好于200μm,灵敏面积为50 mm×50 mm。THGEM的孔径为150μm、孔间距400μm、厚度100μm。用Geant4模拟了薄膜窗厚度、空气层厚度等对电子透过率和横向扩散的影响。根据模拟结果,优化了探测器的结构和设计。并用能量为5.9 ke V的X射线源55Fe测试不同工作气体的增益,单层最大增益好于1×10~4,双层最大增益好于6×10~4,能量分辨率好于23%。     

10 cm×10 cm Bulk Micromegas探测器的研制

Bulk Micromegas探测器是一种新型微结构气体探测器。利用光蚀刻技术制作了有效面积为10 cm×10 cm的多通道Bulk Micromegas探测器。对探测器的各通道进行了电容测试,显示探测器具有较好的均匀性。在Ar+10%CO₂气体中,使用⁵⁵Fe放射源和自主研制的基于APV25前端卡的数字化电子学,对制作的有效面积为10 cm×10 cm的探测器进行了测试,其结果显示探测器性能良好,能得到清晰的二维事件分布图。该探测器目前全部工艺国产化,并能进行批量生产,成品率接近100%。     

栅型气体电子倍增器的研制

实践中发现,微结构气体探测器(MPGD)遇到三方面挑战:打火时放电电流的抑制与稳定运行、单元面积增大后的生产工艺以及孔型结构带来的探测位置重建偏差。为解决以上问题,本文提出了一种新型结构的MPGD——栅型气体电子倍增器(Groove)。使用3种不同几何尺寸的栅型电极,在不同气体中对8.04 keV铜靶X射线的能谱进行测量,以检验探测器性能。与蒙特卡罗模拟计算结果对比表明,探测器信号主要来自雪崩产生的离子。能谱测量结果显示:栅极狭缝宽度0.2 mm、厚度0.8 mm的探测器增益和能量分辨率好于其他尺寸的探测器;在93%Ar+7%CO_2中运行时,探测器增益与分辨率两项指标稍好于在95%Ar+5%CH_4中。测量得到的探测器增益最高可达3×10~4左右,能量分辨率最高可达15.6%。     

用于卫星探测X、γ射线的大灵敏面积CdZnTe探测器的研发

CdZnTe(CZT)探测器不需要低温制冷就可在30～600keV较宽的能量范围内得到较好的空间和能量分辨,已成为研究宇宙空间X、γ射线场重要的探测器。本工作研究将4个甄别级10mm×10mm×5mmCZT平面探测器进行改制,并将其并联拼接成20mm×20mm×5mm较大面积的CZT探测器。经测试,大面积CZT探测器对¹²⁵I、²⁴¹Am、⁵⁷Co、¹³³Ba、¹³⁷Cs具有较好的能量线性响应,对¹³⁷Cs的662keVγ射线有较好的能量分辨。     

10 cm×10 cm Bulk Micromegas探测器的研制

Bulk Micromegas探测器是一种新型微结构气体探测器。利用光蚀刻技术制作了有效面积为10 cm×10 cm的多通道Bulk Micromegas探测器。对探测器的各通道进行了电容测试,显示探测器具有较好的均匀性。在Ar+10%CO_2气体中,使用~(55)Fe放射源和自主研制的基于APV25前端卡的数字化电子学,对制作的有效面积为10 cm×10 cm的探测器进行了测试,其结果显示探测器性能良好,能得到清晰的二维事件分布图。该探测器目前全部工艺国产化,并能进行批量生产,成品率接近100%。     

大型位置灵敏探测器的研制

研制了以电荷分配法读出的大型单阳极丝位置灵敏探测器,其灵敏面积为1200×60mm~2。阳极丝采用φ10μm的镍铬合金丝,电阻率为12Ω/mm,两阴极面采用12.5μm的单面蒸铝Mylar膜。工作气体为70％Ar 30％CH_4,在一个大气压下,自然流气式工作。测量前在探测器前窗上贴上1.2m的标尺,将约5MeV的~(241)Amα源,放在一个准直器上,该准直器可以在探测器前窗上面准确、自由地平移。在沿阳极丝方向上,每隔6cm测量一个点,共测量了19个点,测得的平均位置分辨(FWHM)约为0.6mm;最大积分非线性好于0.2％。该探测器已经装配在北京Q3D磁谱仪全焦面探测器系统上准备在串列加速器上进行束流试验。     

宇宙线缪子散射成像模拟与算法研究

本文验证了基于Micromegas探测器的宇宙线缪子散射成像系统进行快速核材料检测的可行性,并对实验室宇宙线缪子成像系统原型进行参数估算。基于Geant4程序开发了用于模拟宇宙线缪子物理过程、传输径迹及Micromegas探测器响应的模拟程序。在模拟数据的基础上,实现并改进了两种主要的宇宙线缪子散射成像算法。根据模拟和成像结果,1 m×1 m成像系统可在10 min内检测到被重元素屏蔽的核材料。10 cm×10 cm成像系统的缪子事例触发率为0.16 s~(-1),要获得较为清晰的成像结果,要求探测器位置分辨率达到300μm,探测器增益为1 000时实际测量事例至少需要20 h。     

宇宙线缪子散射成像模拟与算法研究

本文验证了基于Micromegas探测器的宇宙线缪子散射成像系统进行快速核材料检测的可行性,并对实验室宇宙线缪子成像系统原型进行参数估算。基于Geant4程序开发了用于模拟宇宙线缪子物理过程、传输径迹及Micromegas探测器响应的模拟程序。在模拟数据的基础上,实现并改进了两种主要的宇宙线缪子散射成像算法。根据模拟和成像结果,1 m×1 m成像系统可在10 min内检测到被重元素屏蔽的核材料。10 cm×10 cm成像系统的缪子事例触发率为0.16 s^-1,要获得较为清晰的成像结果,要求探测器位置分辨率达到300 μm,探测器增益为1 000时实际测量事例至少需要20 h。     

小型活性靶时间投影室性能研究

本文设计了使用64路一维读出条的小型活性靶时间投影室,并对其性能进行了测试,其气体室的灵敏体积为10 cm×10 cm×14 cm,通过连接2层厚气体电子倍增器进行电子放大。为改善场笼边缘的电场不均匀性,引入场笼环的设计结构。当场笼环加高压为-950 V时,测得α粒子沿漂移电场方向的径迹位置分辨小于02 mm,径迹角度分辨小于0.6°,时间分辨小于20 ns。活性靶时间投影室的工作气体为96%He+4%CO₂。实验中也观察到了清晰的α粒子在He气上的弹性散射事件。     

厚GEM探测器对γ射线探测效率的研究

作为一种新型微结构气体探测器(MPGD),厚型气体电子倍增器（THGEM）用于较高能量光子探测是新的尝试。为了解其探测机理及探测效率的主要影响因素,利用多粒子输运软件、多物理耦合仿真软件及气体电离模拟软件,分别建立了光子与探测器相互作用模型、电子漂移扩散模型和气体电离模型。通过仿真得到了漂移极内表面和膜上电极的电子出射概率,¹³⁷Cs在漂移极内表面产生激发电子的能量分布和角分布。动态模拟了电子在特定电场中的漂移和横向扩散行为,定量计算了原初电子的入孔数量和入孔效率。最后通过实验验证,证明增大漂移区距离和提高THGEM膜间电压可显著提高THGEM对γ射线的探测效率。     

基于硅光电倍增管对塑料闪烁光纤衰减长度及光产额的研究

作为外靶实验终端（ETF）飞行时间探测的关键探测器,起始时间探测器需满足承受高计数率、高时间分辨和位置分辨等需求。塑料闪烁光纤（PSF）作为起始时间探测器改进方案的一种考虑,其衰减长度、光产额等性能参数将直接影响探测器的实际性能。本工作基于硅光电倍增管(SiPM)和PSF搭建相应的测试平台,系统研究了SiPM SensL MicroFC-SMA-30035和PSF Kuraray SCSF-78J的实际性能。结果表明：所选型号的SiPM具有优秀的单光子分辨能力,在所选工作电压范围内具有高增益及良好的增益线性,且具有较好的线性响应;光子在光纤中的衰减由两种成分组成,芯层光的有效衰减长度为547.4 cm,包层光的有效衰减长度为15.5 cm,光纤有效光产额约为552光子/mm,实际光产额约为968光子/mm。测试结果表明,采用该PSF结合SiPM读出的方式满足新型起始时间探测器的要求。     

Positologica: A Positron ECT Device with a Continuously Rotating Detector Ring

A rotary positron emission computed tomography device is developed for human brain and animal studies. The device utilizes 64 rectangular BGO detectors arranged at unequal spacing on a circular ring. The detector ring is continuously rotated at a constant speed of 60 rpm or less. This single continuous motion of the ring with the detector array provides excellent sampling characteristics and high detector redundancy. The device has a field of view 24 cm in diameter with a slice thickness adjustable from 1 cm to 2 cm. Measured width of system response to a 2 mm diameter line source is 5.8 mm FWHM at the center and less than 9 mm FWHM within a circle 16 cm in diameter. Measured sensitivity including scattered coincidence events is about 17 kcps/pCi/ml for a 20 cm diameter water phantom and 2 cm thick slice.     

STCF RICH原型探测器的测试电子学系统构建与联调测试

环形成像切伦科夫（RICH）探测器作为超级陶粲装置（STCF）带电强子(π/K/p)鉴别的技术选项之一,采用厚型气体电子倍增器+微网格气体（THGEM+Micromegas）混合探测器结构以实现对切伦科夫光的探测。针对RICH原型探测器的信号读出,构建了一套1 024通道测试电子学系统,并与探测器进行了联合测试。该测试电子学系统使用高密接插件与RICH原型探测器进行连接,探测器输出信号通过测试电子学系统上的AGET和ADC芯片进行放大、成形和波形数字化,输出的数据经FPGA处理后通过千兆以太网传输至后端PC并进行数据分析。测试结果表明,在120 fC输入动态范围下,系统的等效噪声电荷（ENC）小于0.3 fC,且具有良好的输入-输出线性。该系统成功应用于RICH原型探测器切伦科夫成像束流实验中,并取得了良好的切伦科夫光成像结果。     

A unit for inspection of materials using differential gamma-ray scattering technique

The main objectives of this research were to develop a prototype unit using the differential gamma-ray scattering technique (DGST) and to demonstrate its possible use in nondestructive inspection of materials. The unit consisted of a 5 mCi (185 MBq) ¹³⁷Cs gamma-ray source positioned perpendicularly to a 5 cm × 5 cm BGO detector. The gamma-ray beam was collimated by a 5 cm thick lead collimator with 1 cm ∅ opening while the detector was only side shielded allowing scattered gamma-rays to reach the detector from different angles. The unit was then tested with 20 cm × 20 cm × 20 cm concrete mortar containing four rebars at its corners. It was found that the integral of the differential spectrum changed corresponding to the size and position of the rebar which was in front of the source and the detector. It was also found that the integral of the differential spectrum increased with increasing degree of corrosion of the rebar. The results indicated that a portable DGST unit could be designed to be used as a tool in nondestructive inspection but the interpretation of the differential spectrum still needs further investigation.     

化工塔器截面成像实验室实验评价

对实验室建立的模拟塔器,使用CT技术,图像重建,获取截面密度分布图像,并对此项技术进行实验评价。对于直径1m的模拟塔器,内部放置直径为10cm的容器试样时,密度分辨力为5%~10%,空间分辨力可达到0.25线对/厘米(lp/cm)。     

高分辨率X射线探测器读出电子学系统的研制及性能测试

本文针对光锥耦合X射线探测器低噪声的设计要求,研制了一套读出电子学系统,该系统包括模拟驱动电路、前端处理电路及基于现场可编程门阵列(FPGA)的数字信号处理电路。利用X射线成像平台,对研发的探测器进行了性能测试。探测器系统绝对增益为0.168 6DN/e-,线性工作范围为0~154μGy。制冷温度为-20℃时,暗电流噪声为0.037e-/(pixel·s),读出噪声为10.9e-。探测器的本征空间分辨率达16lp/mm。测试结果表明,研制的读出电子学系统能满足高分辨率X射线探测器对低噪声特性的需求。     

Development of a compact DOI-TOF detector module for high-performance PET systems

To increase spatial resolution and signal-to-noise ratio in PET imaging,we present in this paper the design and performance evaluation of a PET detector module combining both depth-of-interaction(DOI) and time-offlight(TOF) capabilities.The detector module consists of a staggered dual-layer LYSO block with2 mm × 2 mm × 7 mm crystals.MR-compatible SiPM sensors(MicroFJ-30035-TSV,SensL) are assembled into an 8× 8 array.SiPM signals from both fast and slow outputs are read out by a 128-channel ASIC chip.To test its performance,a flood histogram is acquired with a ~(22)Na point source on top of the detector,and the energy resolution and the coincidence resolving time(CRT) value for each individual crystal are measured.The flood histogram shows excellent crystal separation in both layers.The average energy resolution at 511 keV is 14.0 and 12.7%at the bottom and top layers,respectively.The average CRT of a single crystal is 635 and 565 ps at the bottom and top layers,respectively.In conclusion,the compact DOI-TOF PET detector module is of excellent crystal identification capability,good energy resolution and reasonable time resolution and has promising application prospective in clinical TOF PET,PET/MRI,and brain PET systems.