[发明专利]基于延迟编码的光纤阵列中子位置灵敏探测系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于射线探测技术，具体涉及一种基于延迟编码的光纤阵列中子位置灵敏探测系统及方法，用于中子辐射成像、材料诊断、中子散射相机、中子散射/衍射谱仪等领域的研究。

背景技术

中子位置灵敏探测是核物理实验中重要的测量内容，而且在材料研究、无损检测、中子辐射成像和航天等领域中作为有力的探索工具发挥着重要作用。为了满足不同的实验要求，多种不同种类的中子位置灵敏辐射探测技术得以广泛研究和开发，例如³He气体位置灵敏探测器、多丝正比室、中子灵敏闪烁体阵列探测器等。近些年，随着光纤技术和闪烁体技术的不断发展，光纤闪烁体光纤阵列与闪烁体耦合也成为一种能够实现中子位置灵敏探测的方法之一，并逐渐被广泛应用到不同的中子辐射探测实验中。由于光纤可以做成任意异型结构，而且可以做的很细，将光纤排列形成大面积的探测区域，如果只用光纤阵列进行中子探测，那么中子的探测效率很低，不利于探测，而闪烁体的加入能够提高中子的探测效率且可以做成较大面积，从而实现大面积高分辨率的中子辐射场测量，与其他类型的位置灵敏探测器相比具有独特的优势。

实现大面积、高空间分辨率的辐射灵敏区域，需要在中子灵敏闪烁体两侧利用多根细光纤紧密排列成两个相互垂直的光纤阵列。随着探测技术和探测要求的不断发展，测量的信息不再仅仅局限于射线作用位置的探测，作用时间的测量也日趋重要。为了实现中子作用位置和时间的联合测量，需要获取每一根光纤输出信号的脉冲波形。如果采用一根光纤与一个光电探测器一对一耦合的方式进行探测的话，系统的通道数将是巨大的，这就要求探测系统后端负责信号记录的电子学部分必须是高速并行的。目前高速并行的电子学系统非常复杂、昂贵，这也成为限制光纤闪烁体探测技术在中子位置和时间联合测量领域中的应用。

为了解决中子作用位置和时间联合测量系统对高速并行电子学系统的依赖性，编码技术被提出用于简化后端高速并行电子学系统的复杂度。后端电子学系统复杂度的简化关键依赖于采用何种编码方式。但目前所用的编码技术并没有从根本上改变后端信号并行读取的方式，随着实验规模的不断扩大，电子学系统仍然是十分复杂的。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于延迟编码的光纤阵列中子位置灵敏探测系统及方法，利用光纤延迟编码技术对中子与闪烁体作用发出的脉冲荧光信号进行编码，并设计了基于光纤延迟编码的中子位置灵敏探测系统结构，将原来多路并行的信号读取方式转变为单通道串行的信号读取方式，并且能够实现射线与闪烁体作用的位置与时间同时测量。

技术方案

一种基于延迟编码的光纤阵列中子位置灵敏探测系统，其特征在于包括两排移波光纤阵列1、第一定时光纤束2、第二定时光纤束4、第一延迟光纤束3、第二延迟光纤束5、中子灵敏闪烁体6、第一光电探测器7、第二光电探测器8、高速数据采集9和计算机10；两排移波光纤阵列1分别位于中子灵敏闪烁体6相对的两个平面，且相互垂直排列；其中一排的移波光纤阵列的一端经第一定时光纤束2和第一延迟光纤束3与第一光电探测器7耦合，另一端做抛光处理涂吸收层；另一排的移波光纤阵列的一端经第二定时光纤束4和第二延迟光纤束5与第二光电探测器8耦合，另一端做抛光处理涂吸收层；第一光电探测器7和第二光电探测器8的输出信号经过高速数据采集9采集后输入至计算机10；定时光纤束和延迟光纤束中的光纤与移波光纤阵列进行耦合的编码方式；第一定时光纤束2和第二定时光纤束4采用相同长度的光纤，第一延迟光纤束3和第二延迟光纤束5的长度按等长度差递增的光纤组成。

所述延迟光纤束的长度大于定时光纤束中的光纤长度。

所述移波光纤阵列与定时光纤束和延迟光纤束之间的光纤采用一对一的方式进行耦合。

所述移波光纤与定时光纤和延迟光纤之间利用微透镜连接提高光的耦合效率。

所述中子灵敏闪烁体6为发光衰减时间大于纳秒级的闪烁体。

所述闪烁体的厚度为3-5mm。

所述定时光纤束和延迟光纤束制作材料为对大芯径多模光纤。

所述光电探测器为MCP-PMT或Si-PMT。

所述高速数据采集系统9带宽大于1GHz。

一种利用所述探测系统的中子作用位置和作用时间判断方法，其特征在于步骤如下：