[发明专利]一种基于FET开关阵列的平板实时成像气体探测器

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于FET开关阵列的平板实时成像气体探测器，属于辐射成像领域。

背景技术

平板成像探测器以其灵敏面积大，成像速度快、满足实时成像要求，简单易用等优点，在医学成像、工业无损检测、安检等方面都得到了广泛应用。但目前商用平板成像探测器都采用固体探测介质，如闪烁晶体或半导体等材料，价格昂贵，且成像面积的大小也受到一定的限制。

以GEM(Gas Electron Multiplier，气体电子倍增器)等为代表的微单元结构气体探测器(MPGD，Micro Pattern Gas Detector)的出现为研制基于气体探测器的平板成像装置提供了可能。这些微单元结构气体探测器的单元尺度最大值都在100μm左右，既有良好的位置分辨率(能够达到30μm左右)，也有较高的计数率上限(可以达到10^6～7mm^～2.s^～1以上)。尤其是基于GEM膜的探测器可以设计加工成许多不同形状和大小；探测器的高压电极与读出电极相互独立，结构坚固；读出电极可以采用任意形状和排列；通过多层叠加，可以降低单层的工作电压，使探测器既安全又具有较高增益，在成像领域有很好的应用前景。

但是GEM等微单元结构气体探测器的高成像分辨能力，需要相应的读出电子学系统配合才能得以发挥。本发明就是利用FET(包括FET分立元件、FET裸芯、FET ASIC及TFT)开关阵列，控制采集探测器在读出盘(pad)上的电荷信号，实现实时成像，既能充分发挥MPGD的空间分辨能力，又能大大减少所需的电子学通道数目，降低成本。

发明内容

本发明提供一种基于GEM和FET开关阵列读出方式的平板实时成像探测器，在保证空间分辨率的同时，大大减少了读出电子学数目，降低了整体成本。

一种基于FET阵列的平板实时成像气体探测器，该探测器包括密闭气室(1)、漂移电极(2)、2～3层GEM膜(3)、读出PCB板(4)、读出电极pad阵列(5)、FET阵列(12)、高压输入(6)及高压分压电阻串(7)、数据获取系统(DAQ)(8)、数据处理及显示计算机(PC)(9)。其中，漂移电极(2)、2～3层GEM膜(3)、读出PCB板(4)、读出电极pad阵列(5)、高压分压电阻串(7)都置于密闭气室(1)中。密闭气室(1)中最上方一层是漂移电极(2)，加有高压输入(6)，以下是2～3层GEM膜(3)，以一定的间距层叠在读出PCB板(4)上。漂移电极(2)、2～3层GEM膜(3)的上、下表面通过高压分压电阻串(7)依此施加上不同的负高压，单层GEM膜上下表面电位差根据不同的工作气体和增益可以为300～400伏。密闭气室(1)中充满工作气体，并在密闭气室(1)的上方开有射线入射窗(10)，射线沿入射方向(11)入射到探测器中由漂移电极(2)和第一层GEM组成的漂移区，并在此电离产生电子，电子在电场的作用下，经过GEM的雪崩放大，收集到读出电极pad阵列(5)上，然后由FET阵列(12)控制选择、顺序读出到数据获取系统DAQ(8)进行放大、数字化，并输入到数据处理及显示计算机PC(9)中进行显示、处理。

FET开关阵列原理图如附图二所示，每个单元包括一个pad(14)、一个FET开关(15)和一个储存电容(16)。pad(14)负责收集电荷，储存电容(16)用于储存电容，而FET开关(15)负责控制积分时间和读出时间。同一列FET由一路栅极控制器(13)控制其导通和截止，同一行FET共享一个开关积分运放(17)。工作过程：密闭气室(1)、所有FET开关(15)断开，pad(14)收集电子，积累在存储电容(16)上；漂移电极(2)达到预定的积分时间后，第一列FET(15)开关导通，第一列各单元的储存电容(16)放电，电荷信息被读出；2～3层GEM膜(3)、第一列FET(15)开关断开，第二列FET开关(15)导通……以此顺序读出各列pad上收集的电荷。

后续数据采集电路见附图三，包括开关积分前置放大器(17)、模数转换器ADC(18)、数据缓存(19)、网络传输模块(20)、时序控制电路(21)、计算机(22)和数据获取软件(23)。各行信号在FET开关阵列(12)的控制下，经过开关积分前置放大器(17)完成电荷～电压转换、经模数转换器ADC(18)转换成数据信号并缓存在数据缓存(19)。然后经网络传输模块(20)通过以太网传送到数据处理及显示计算机(9)中，由数据获取软件处理显示。整个获取系统的时序由时序控制电路(21)控制，实现实时成像。