(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010550459.4
(22)申请日 2020.06.16
(71)申请人 东南大学
地址 210096 江苏省南京市玄武区四牌楼2
号
(72)发明人 宋兆龙
(74)专利代理机构 南京众联专利代理有限公司
32206
代理人 张天哲
(51)Int.Cl.
G01T 1/202(2006.01)
G01T 1/36(2006.01)
G01T 7/00(2006.01)
(54)发明名称
(57)摘要
本发明公开了一种大规格NaI(TI)伽玛射线
探测器，包括NaI(TI)晶体、光电倍增管(PMT)、前 置处理组件及封装组件，所述NaI(Tl)晶体是4×
4×16”大规格立方体，在捕获伽玛射线后发出荧
所述PMT分压电路给PMT各电极配置电压；所述信
号处理电路将PMT输出电流信号转换为电压并进
调节电路和PMT高压调节电路，自动稳定伽玛能
谱；所述封装组件包括内保温层、中间加热层、外
保温层、温度传感器和不锈钢壳体。本发明具有
高伽玛计数率、
高能谱分辨率和高稳定性特点。权利要求书1页 说明书4页 附图1页CN 111708073 A 2020.09.25
C N 111708073
A
1.一种大规格NaI(TI)伽玛射线探测器，其特征在于，包括：NaI(TI)晶体(1)、光电倍增管(2)、前置处理
组件(3)及封装组件，所述NaI(Tl)晶体(1)是4×4×16”大规格的立方体，用于接受伽玛光子并产生对应的荧光信号，与NaI(TI)晶体(1)连接的是接受荧光并转换为脉冲电流信号的光电倍增管(2)，与光电倍增管(2)连接的是前置处理组件(3)，包括PMT分压电路(13)、控制模块(14)和信号处理电路(15)。
2.根据权利要求书1所述的一种大规格NaI(TI)伽玛射线探测器，其特征在于，所述光电倍增管(2)，光窗直径90mm(
3.5”)，具有10个高增益、高稳定性的倍增极，光谱波长范围295～630nm。
3.根据权利要求书1所述的一种大规格NaI(TI)伽玛射线探测器，其特征在于，所述PMT 分压电路(13)，对光电倍增管(2)的1#～5#倍增极采用电阻分压配电，对6#～10#倍增极采用稳压管和三极管射极跟随器的分压配电。
4.根据权利要求书1所述的一种大规格NaI(TI)伽玛射线探测器，其特征在于，所述信号处理电路(15)，对光电倍增管(2)的阳极电流放大并转换为电压脉冲信号，放大器采用经滤波处理的线性电源，并通过电位器调节放大倍数。
5.根据权利要求书1所述的一种大规格NaI(TI)伽玛射线探测器，其特征在于，所述控制模块(14)包括：以STC15F2K60S2单片机构成的控制器、探测器工作温度自动调节电路、光电倍增管高压自动调节电路和高压电源模块。
6.根据权利要求书1所述的一种大规格NaI(TI)伽玛射线探测器，其特征在于，所述封装组件，以保温棉构成内保温层(4)，以电加热片构成中间加热层(5)，以保温棉构成外保温层(6)及不锈钢壳体(7)，在外保温层(6)的四个侧面各布置一个半导体温度传感器(8)。
7.根据权利要求书5所述的一种大规格NaI(TI)伽玛射线探测器，其特征在于，所述探测器工作温度自动调节电路，依据上位机设定的工作温度与探测器四个侧面实测温度的偏差，采用PID控制策略，自动调节四个侧面电加热片的加热电压。
8.根据权利要求书5所述的一种大规格NaI(TI)伽玛射线探测器，其特征在于，所述光电倍增管高压自动调节电路，依据上位机设定的伽玛能谱中元素H峰的道址与实际道址的偏差值，采用PID控制策略，通过高压电源模块自动调节光电倍增管高压值，保证脉冲信号幅值的稳定。
权 利 要 求 书1/1页CN 111708073 A
一种大规格NaI(TI)伽玛射线探测器
技术领域
[0001]本发明涉及一种大规格NaI(TI)伽玛射线探测器，属于核辐射探测技术领域。具体地讲，涉及的是一种应用于煤炭与矿石元素成分瞬发伽玛射线中子活化分析装置中的伽玛射线探测器，主要用于鉴
别伽玛辐射，并可实现生成伽玛能谱、元素鉴别和元素含量的定量分析。
背景技术
[0002]瞬发伽玛射线中子活化分析(Prompt Gamma Neutron Activation Analysis, PGNAA)已广泛应用于矿石和煤炭元素成分在线检测。NaI闪烁晶体有很高的发光效率，并且在发光波段没有明显的自吸收，对γ光子有良好的分辨能力，是目前在γ光子探测中应用最广泛的闪烁体。原先的NaI(Tl)探测器是小尺寸的圆柱体，通常的规格为Ф5×5”，有效探测面积为126.61cm2。新的大尺寸NaI(Tl)探测器是4×4×16”立方体，有效探测面积可达412.9cm2。增加NaI(Tl)探测器晶体面积后，光子计数率可提高到106/s～109/s，有利于提高在线分析仪的信噪比，可提升元素分析的精度。
[0003]但是，由于探测器输出脉冲信号上升时间很短，后沿拖尾很长，大规格晶体下高计数率及计数率波动更容易产生信号基线漂移和信号脉冲叠加等问题，使得伽玛能谱产生畴变和漂移，造成能谱分辨率和稳定性变差，制约了元素分析精度的提升。
发明内容
[0004]技术问题：
[0005]采用大规格立方体NaI(Tl)探测器替代小尺寸的圆柱体探测器，以大幅度提高光子计数率，同时
对大规格NaI(Tl)探测器带来的能谱漂移等突出问题进行针对性地处置。造成大规格NaI(TI)伽玛射线探测器能谱漂移的影响因素主要有两方面，一是光电倍增管倍增系数随高压电源电压、计数率、温度和时间而变化，二是NaI(Tl)晶体的发光效率随温度和时间而变化，为此，本发明在设计探测器前置处理组件和封装组件时，针对上述影响因素进行了有效处置，以达到提升信号质量和稳定伽玛谱的目的。
[0006]技术方案：
[0007]为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0008]一种大规格NaI(TI)伽玛射线探测器，包括：NaI(TI)晶体、光电倍增管(PMT)、前置处理组件及封装组件。所述NaI(Tl)晶体用于接受伽玛光子并产生对应的荧光信号，与NaI (TI)晶体连接的是接受荧光并转换为脉冲电流信号的光电倍增管，与光电倍增管连接的是前置处理组件，包括分压电路、信号处理电路和控制模块；上述各部件均置于封装壳体中。[0009]进一步地，所述NaI(Tl)晶体是4×4×16”大规格的立方体，有效探测面积可达412.9cm2，光子计数率可达106/s～109/s，高光子计数率可提高在线分析仪的信噪比，有利于提升元素分析的精度。
[0010]进一步地，所述光电倍增管，光窗直径90mm(3.5”)，具有10个高增益、高稳定性的
倍增极，光谱波长范围295～630nm。
[0011]进一步地，所述分压电路对光电倍增管前面几级打拿极采用电阻分压配电和对后面几级打拿极采用稳压管和三极管射极跟随器分压配电的区别化设计。在高计数率条件下，光电倍增管打拿极尤其是最后几级间的极电流很大，因分流作用改变了最后几级打拿极极间阻抗，从而使整个光电倍增管极间电压分配发生变化，导致光电倍增管系统增益变化。为此，所述分压电路对高压电源采用了一个4.7uF/1500V的大电容滤波，对PMT的1#～5#倍增极采用电阻分压配电，对6#～10#倍增极采用稳压管和三极管射极跟随器的分压配电；以抑制高计数率条件下的基线漂移和增益变化。
[0012]进一步地，所述信号处理电路以高电压、高转换率的电流反馈放大器THS3061为核心，对PMT阳极电流放大并转为电压信号，用于高速数据采集卡的输入。为使输出信号纹波小、幅度大、抗干扰能力强，选用线性电源作为前置放大器输入，并对供电电源进行滤波，消除直流分量对基线影响，通过电位器调节放大倍数，使氢元素全能峰对应的脉冲信号为1～2V。同时，为了保证高通过率，使输出信号脉冲宽度尽可能窄，不宜选用过大的滤波电容。[0013]进一步地，所述控制模块，以STC15F2K60S2单片机构成的控制器，包括探测器工作温度自动调节电路、光电倍增管高压自动调节电路和和高压电源模块。
[0014]进一步地，所述封装壳体，包括以保温棉构成内保温层，以电加热片构成中间加热层，以保温棉构成外保温层及不锈钢外壳。
[0015]更进一步地，在探测器四个侧面外保温层中心位置各布置一个半导体温度传感器。
[0016]具体地，所述探测器工作温度自动调节电路，目标是为了让NaI(TI)晶体和光电倍增管工作在恒定温度下，以抑制温度效应的影响。具体实施中，依据上位机设定的工作温度与探测器各侧面实测温度偏差，采用PID控制策略，自动调节探测器各侧面电加热片的加热电压。工作温度设定值要求略高于环境温度，通常在40～50℃范围内选取。
[0017]具体地，所述高压自动调节电路，目标是为了自动补偿各种因素引起的NaI(Tl)晶体发光效率和光电倍增管倍增系数的变化，使信号保持稳定，从而达到稳谱的目的。具体实施中，选取典型元素H为标尺，依据上位机设定的伽玛能谱中元素H峰的道址与实际值的偏差，采用PID控制策略，通过高压电源模块自动调节光电倍增管高压值，使H元素脉冲信号幅值稳定不变，以实现自动稳谱。
[0018]具体地，所述NaI(TI)晶体、光电倍增管(PMT)、前置处理组件都被封装在封装壳体中，所述封装壳体包括：以保温棉构成内保温层，以电加热片构成中间加热层，以保温棉构成外保温层，最外面是不锈钢壳体。
[0019]有益效果：
[0020]与现有技术相比，本发明有如下有益效果：
[0021](1)本发明以大尺寸立方体NaI(Tl)晶体代替小尺寸的圆柱体晶体构成伽玛射线探测，有效的光子
探测面积提高了3倍多，能获取更多的光子信号，有利于提高在线分析仪的信噪比，提升元素分析的精度。
[0022](2)本发明对光电倍增管前面几级打拿极采用电阻分压配电和对后面几级打拿极采用稳压管和三极管射极跟随器分压配电的区别化设计，以抑制高计数率及其波动对光电倍增管极间电压分配的影响，从而稳定光电倍增管的倍增系数。
[0023](3)本发明设置了温度自动调节电路和光电倍增管高压自动调节电路，可以抑制NaI(Tl)晶体、光电倍增管及电路的温度效应，同时可自动补偿NaI(Tl)晶体发光效率、光电倍增管倍增系数和电路放大倍数的漂移，从而实现自动稳谱的目的。
[0024](4)本发明的前置处理组件集成了高压电源模块、PMT分压电路、PMT高压自动调节电路、信号放大电路、工作温度自动调节电路，并通过接插件与光电倍增管电极直接连接，避免了电缆导线引起的高压损耗和信号损耗，增强了抗干扰能力。
附图说明
[0025]图1为本发明的整体结构框图。
[0026]图2为前置处理组件结构框图。
[0027]附图标记列表：
[0028]1-NaI(Tl)晶体，2-光电倍增管，3-前置处理组件，4-内保温层，5-中间加热层，6-外保温层，7-不锈钢壳体，8-温度传感器，9-加热电源接口，10-工作电源接口，11-脉冲信号，12-通讯接口，13-PMT分压电路，14-控制模块，15-信号处理电路。
具体实施方式
[0029]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。
[0030]如图1和图2所示，该大规格NaI(TI)伽玛射线探测器，包括一个可以接收更多伽玛光子信号的大规格NaI(TI)晶体1探头，一个与该探头匹配的光电倍增管2，一个针对性设计的前置处理组件3和一个专门设计封装壳体。
[0031]进一步地，所述NaI(Tl)晶体1是4×4×16”大规格的立方体，有效探测面积可达412.9cm2，可获得高达106/s～109/s的光子计数率。
[0032]进一步地，所述光电倍增管2，光窗直径90mm(3.5”)，具有10个高增益、高稳定性的倍增极，光谱波长范围295～630nm。
[0033]更进一步地，所述光电倍增管2的光窗涂抹特定的硅脂与NaI(TI)晶体1断面紧密连接。
[0034]进一步地，所述前置处理组件3，包括PMT分压电路13、信号处理电路15和控制模块14。
[0035]进一步地，针对光电倍增管2在高计数率应用情景，所述PMT分压电路13对光电倍增管2前面几级打拿极采用电阻分压配电和对后面几级打拿极采用稳压管和三极管射极跟随器分压配电的区别化设计。在高计数率条件下，光电倍增管打拿极尤其是最后几级间的极电流很大，因分流作用改变了最后几级打拿极极间阻抗，从而使整个光电倍增管极间电压分配发生变化，导致光电倍增管系统增益变化。为此，所述分压电路对高压电源采用了一个4.7uF/1500V的大电容滤波，对PMT的1#～5#倍增极采用电阻分压配电，对6#～10#倍增极采用稳压管和三极管射极跟随器的分压配电；以抑制高计数率条件下的基线漂移和增益变化。
[0036]进一步地，所述信号处理电路15以高电压、高转换率的电流反馈放大器THS3061为核心，对PMT阳极电流放大并转为电压信号，用于高速数据采集卡的输入。为使输出信号纹
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