闪烁体耦合SiPM测量γ能谱的模拟研究

硅光电倍增管(Silicon photomultiplier,SiPM)是一种新型的光电探测器件,由工作在盖革模式下的雪崩二极管阵列组成。利用GEANT4蒙特卡罗软件包对LaBr_3:10%Ce~(3+)、Na I(TI)闪烁晶体耦合SiPM测量γ射线能谱进行了细致的模拟,通过单色光LED光源照射SiPM,得到SiPM自身暗电流噪声经电子学放大后,与集成的盖革雪崩二极管之间的间隙引起吸收光子涨落对能谱的展宽。对模拟得到的662 keVγ射线能量分辨率进行修正,最后与实验结果对比能够很好地符合,还得到了一组对应闪烁晶体本征能量分辨率的程序参数Pr,s。结果验证了模拟程序设置的闪烁晶体与封装材料光学参数的合理性与可靠性,为闪烁体探测器设计提供了一套开发工具。     

基于SiPM的塑料闪烁光纤剂量计的研制

放疗过程中,利用塑料闪烁光纤剂量计(Plastic Scintillator Fiber Dosimeters, PSFDs)对患者关键健康组织及肿瘤进行实时、高位置分辨的介入式剂量测量是质量保证(Quality Assurance, QA)最直接的手段之一。为研究PSFDs的实际应用情况,研制一套基于连续剂量读出的实用型塑料闪烁光纤剂量计。该剂量计以硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier, SiPM)作为光电转换器件,通过测量SiPM输出电流实现剂量测量。利用发光二极管(Light Emitting Diode, LED)脉冲光源与小动物图像引导放射治疗机,对该剂量计的时间稳定性、重复性、温度响应、白光纤曲率响应以及动态范围等进行了系统研究。实验结果表明:恒温20℃,剂量计8 h内连续工作,输出电流变化小于1%,32 h间断工作输出电流变化小于0.5%;温度变化小于0.5℃,白光纤曲率半径大于11 cm,输出电流变化小于1%;剂量计线性动态范围可达100～9 000 cGy·min~(-1)。该剂量计基本满足临床剂量验证的要求。     

LHAASO观测站中高低压电源模块性能的研究

大型高海拔空气簇射观测站(LHAASO)的所有探测器都将在羊八井进行宇宙线探测工作,其工作环境为高海拔(海拔4 300 m)、低气压(大气压强0.6 atm)、昼夜温差大(温度-25~40℃)。即便如此,探测器依然要求稳定运行,为了保证光电倍增管的增益变化在5%以内,高压电源模块的温度系数和纹波系数要分别小于0.01%/℃和0.01%。为此,搭建了模拟试验系统,其试验箱中的温度和气压均可控。不同厂家不同型号的电源模块在模拟试验箱中进行了测试,试验结果表明,3个厂家的电源模块均满足要求。     

基于WLS光纤及SiPM读出的反符合探测器单元研究

中高能区中完全运动学测量是研究丰中子奇异核结构与性质的常用实验方法。反符合（Veto）探测器是CSR-RIBLLII(CoolingStorageRing-RadioactiveIonBeamLineinLanzhou)外靶实验终端（ExternalTarget Facility,ETF）开展丰中子测量的关键设备之一,其功能是消除带电粒子干扰以提高丰中子的有效事例数。然而,原有的Veto探测器存在探测效率低、均匀性差等缺点,可能导致实验与理论计算结果出现偏差。为了解决原有探测器的问题,设计了一种新的Veto探测器单元构型,即采用在Veto探测器单元中嵌入波长位移转换光纤（Wave Length Shifter Fiber,WLS）,并使用硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier,SiPM）读出的方案。搭建了专门的测试平台并对新型Veto探测器单元进行细致研究,其关键性能参数反符合效率可大于99.9%,相比于原有的Veto探测器提升了22.74%。这一研究结果为CSR-RIBLLII外靶实验终端提供了有效的升级方案,为下一步丰中子奇异核的实验研究奠定了良好的基础。     

硅光电倍增器件(SiPM)的自动增益校正

硅光电倍增器件(SiPM)是近年来逐渐兴起的一种用于PET(Positron Emission Tomography)的光电探测器件。与传统的光电倍增管(PMT)相比,它有着尺寸小、工作电压低、对磁场不敏感等优点,但其缺点是增益对环境温度敏感。在PET探测器的研发中,为了改善温度变化引起的增益漂移,设计了一个SiPM的增益校正系统。该系统通过测量环境温度对SiPM的偏置电压实时调节,从而保证其增益的相对稳定。最后对该系统对温度变化引起的SiPM增益漂移的抑制能力做了定量评估。采用增益校正系统后,在相似的温度变化范围内,SiPM的最大增益漂移由校正前的79.67%减小到11.03%。该结果显示此系统对温度变化引起的SiPM增益漂移具有良好的抑制能力。该系统能够补偿因温度变化引起的SiPM增益漂移,从而提高基于SiPM阵列探测器模块的PET系统的稳定性。     

基于SiPM的乳腺专用PET探测模块研制与评价

基于单点型硅光电倍增管(Si PM)与LYSO闪烁晶体,研制了一种新型乳腺专用PET探测模块,并对其性能进行研究。该探测模块采用28×28根1.9 mm×1.9 mm×15 mm的LYSO晶体组成阵列,与8×8个单点型Si PM组成的阵列通过光导耦合,所产生的脉冲信号分别经过模拟、定时电路处理后送入高速采样电路完成信号处理。该探测模块能够实现1.9 mm位置分辨,12.73%平均能量分辨以及2.66 ns双探头符合时间分辨,具有较好的分辨性能,能够满足乳腺专用PET成像的设计需求。     

基于位置灵敏光电倍增管的小型γ相机

描述了一套基于位置灵敏光电倍增管（PSPMT）的小型γ相机系统的建立与测试。该系统由PSPMT、整体式NaI(Tl)晶体、平行孔铅准直器和电子学系统构成,其对^57Co(122keV)泛源γ射线的能量分辨率为27％;对于2mm直径铅准直孔的空间分辨率（FWHM）约为4mm。测试结果表明,这种γ相机在小视野放射性显影方面与传统γ相机相比有其优越性。     

光子计数法与直流测量法的比较

在半导体光电器件蓬勃发展的今天,光电倍增管仍在弱光探测方面占据极重要地位,这主要是由于它的高灵敏度、高增益和低噪声。在光电倍增管的应用中,有直流电流测量法和光子计数法这两种工作方式。     

光电倍增管的温度补偿

介绍了采用热敏电阻补偿光电倍增管温度漂移的简单方法。     

通用闪烁光子输运程序LightGuide的开发

在闪烁探测器的设计过程中，模拟闪烁光子的输运占有重要地位，LightGuide是用C^ 语言编写，在Windows环境下运行的蒙特卡罗模拟闪烁光子输运程序。此程序可用于各种材料和几何形状的闪烁体和光导系统的闪烁光子输运模拟，可对模拟过程进行跟踪分析，并可方便地进行数据处理和输出，对闪烁探测器设计和辐射结果的分析很有帮助。经过适当扩展，LightGuide可发展为多种光子输运模拟专用程序。     

光电探测器件的单光电子谱数据获取

在常规光电器件性能研究中,测试光电倍增管(Photomultiplier Tube,PMT)的单光电子谱(Single Photoelectron Spectra,SPE)系统一般是采用基于VME和NIM机箱的电荷数字转换器(Charge-to-DigitalConverter,QDC)和时间数字转换器(Time-to-Digital-Converter,TDC)电子学插件等,而测试硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier,SiPMT)的系统则倾向于使用基于快速模数转换器(Flash-Analog-to-Digital-Converter,FADC)的便携式桌面机电子学。本文基于相同型号的20吋PMT和SiPMT对比测试,通过比较PMT的性能参数(增益、峰谷比、相对探测效率和能量分辨率等)测试结果,从硬件配置和软件分析等方面深入比较两套数据获取系统的异同,明确使用FADC的一些必要操作过程和数据分析方法。实验结果表明:便携式的FADC系统,可以和基于VME机箱的QDC系统一样,可实现对PMT工作于脉冲模式的阳极信号精确测试,但性能各有优劣。     

闪烁光纤中宇宙线缪子的荧光光子计数测量

开展基于塑料闪烁光纤的宇宙线缪子测量研究时,对闪烁光纤输出光脉冲的光子数定量分析,是读出电子学设计的前提。在无单光子源等弱光标定时,对缪子入射事件在光纤中产生光脉冲的光子数进行定量分析是本文的主要目标。首先利用硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier Tube,SiPM）固有的非光生载流子特性标定光脉冲的测量值,获得缪子在直径1 mm和2 mm光纤中产生微弱光脉冲包含的光子数;然后结合Geant4软件模拟计算缪子在光纤中理论光子产额,并与实验结果对比验证。结果显示,在直径1 mm和2 mm光纤中光脉冲光子期望值分别为44个和85个,与模拟结果偏差分别为4.55%和10.59%,表明该低光子数测量方法可以在无额外标定设备时,实现对缪子入射光纤产生光子数的准确测量,并可以应用在其他弱光脉冲光子数测量场景中。     

电流型门控光电倍增管时间性能实验研究

光电器件门控技术是辐射脉冲选择测量的关键技术之一.本文主要讨论电流型光电倍增管的控制方法,研究了光电子通路门控电路,设计了模拟实验装置,给出了电流型门控倍增管性能的实验测量结果;开关延迟时间300ns,上升时间1200ns,总开关时间1500ns,消光比1000:1.     

用于阵列探测器的多阳极光电倍增管特性研究

测量了两种新型低串扰的可以作为阵列闪烁晶体读出器件的 H5 90 0系列多阳极光电倍增管(MAPMT)的特性。 PMT采用金属通道倍增极结构 ,使其结构紧凑 ,H6 5 6 8和 H6 5 6 8- 10的外形尺寸均为 30 mm× 30 mm× 4 5 mm,只是高压的分压电路不同。测量了它们的增益、单光电子响应、线性范围、一致性、串扰。这种低串扰的特性 ,非常适合作为阵列探测器的光电转换器件。     

光电倍增管特性测量中电子学效应分析

光电倍增管(PMT)特性测量中,明确电子学系统的指标要求,对测试系统搭建、正确评价测量结果、改进和完善现有的测试方法具有很强的指导意义.通过分析FADC电子学系统波形采样过程,及单光电子谱实验测试数据,从电子学噪声和动态范围出发研究了电子学对测试参数的影响.实验结果表明在当前条件下,单一量程很难同时满足动态范围和信噪比...     

时间触发系统用PMT性能测试研究

通过基于Windows XP环境的VME数据获取系统,对MRPC束流实验中时间触发系统(T0)的光电倍增管(PMT)进行性能测试研究.从精确测试获取的PMT单光电子峰的角度出发,依据电荷谱的能量分辨率、峰谷比值、增益等条件确定PMT合适的工作高压.依据时间和幅度信息的匹配关系,对不同入射光子的数据进行挑选,进而改善测试数据的时间分辨.     

小型智能程控SiPM电源设计与验证

硅光电倍增器(Silicon Photomultiplier,SiPM)作为一种新型光电转换器件,具有增益高(106量级)、功耗低(工作电流在μA量级)、体积小(mm量级)、工作电压低(小于100 V)等优点,相对于传统光电倍增管不受磁场影响。但SiPM存在增益受温度影响大的缺点,温度每上升10℃增益约下降5×105,对于能谱测量和辐射成像应用会产生较大影响。为此,研发了一款小型带电压补偿功能的SiPM专用高压电源模块,并使用能谱测试系统对SiPM的增益特性进行测试。通过不同温度条件下241Amγ能谱中全能峰峰位的对比,验证了电压补偿对于稳定SiPM增益的效果,从5℃到40℃最大增益漂移由补偿前的87.3%下降到了2.76%。这种增益漂移校正有助于拓宽SiPM的应用范围。     

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。