[發明專利]一種用于硬X射線成像和能譜分析的測量系統

在審

• 申請號: 202111506767.8
• 申請日: 2021-12-06
• 公開（公告）號: CN114200507A
• 公開（公告）日: 2022-03-18
• 發明（設計）人: 林士耀;曹宏睿;胡立群;鐘國強
• 申請（專利權）人: 合肥綜合性國家科學中心能源研究院（安徽省能源實驗室）
• 主分類號: G01T1/36
• 分類號: G01T1/36
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 江亞平

本發明公開了一種用于硬X射線成像和能譜分析的測量系統，其特征在于：采用碲鋅鎘面陣作為探測器、具有高密度信號分配和傳輸功能的定制PCB背板、緊湊型的前置放大器陣列板卡、以FPGA為核心的多道分析器、基于開源軟件QT的采集與控制系統。本發明具備良好的電磁屏蔽和雜散硬X射線屏蔽功能，具備良好的水冷功能，時間分辨率、空間分辨率、能量分辨率高，能夠滿足惡劣環境下高通量硬X射線測量的需求。

技術領域

本發明涉及硬X射線測量技術領域，具體涉及一種用于硬X射線成像和能譜分析的測量系統，通過硬X射線成像和能譜分析從而得到硬X射線強度的空間分布、時間演化，同時還可以獲取硬X射線的能量信息，可以應用于科研、工業、安檢等領域。

背景技術

硬X射線測量技術廣泛應用于科研、工業、安檢等領域，隨著經濟和科技的發展，對硬X射線測量技術也提出了更高的要求，需要更高的空間、時間和能量分辨率。

以托卡馬克為例，硬X射線診斷是托卡馬克上研究快電子的重要工具。通過測量快電子通過軔致輻射產生的硬X射線，可以研究低雜波在等離子體中的傳播特性和功率沉積，提供快電子的速度分布，這對研究低雜波與等離子體相互作用機制是非常重要，不可缺少的。托卡馬克上的硬X射線診斷需要高時間、空間和能量分辨率，同時托卡馬克的磁場強度能達到數特斯拉，由于光電倍增管容易受磁場干擾，因此閃爍體探測器很難靠近托卡馬克裝置，托卡馬克上基本上都采用固體探測器。目前市場上的單探測器無法滿足高空間分辨率的要求；線陣探測器和面陣探測器采用ASIC電路，總的計數率不超過1MHz，而托卡馬克中快電子產生的硬X射線強度非常高，每平方毫米硬X射線通量可達到幾十K，因此市場上的線陣探測器和面陣探測器無法滿足時間分辨率需求。

發明內容

本發明目的就是為了彌補現有探測器系統無法同時滿足高硬X射線通量環境下高時間、空間和分辨率需求，提供適用于高硬X射線通量環境下用于硬X射線成像和能譜分析的測量系統。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一種用于硬X射線成像和能譜分析的測量系統，該系統包括：

碲鋅鎘面陣探測器、具有輸入輸出信號傳輸轉換功能的PCB背板、屏蔽體、主控制器、前置放大器陣列板卡、多道分析器以及采集與控制系統；所述前置放大器陣列板卡上集成有前置放大器；

所述PCB背板用于將碲鋅鎘面陣探測器的輸出信號轉接到前置放大器陣列板卡，且PCB背板兩側分別布置碲鋅鎘面陣探測器和前置放大器陣列板卡；

所述前置放大器陣列板卡的輸入端與所述PCB背板相連，輸出信號通過轉接板傳輸到所述多道分析器；所述多道分析器的數據通過總線傳輸給主控制器，主控制器連接高速數據交互網將數據傳輸到采集與控制系統，以進行硬X射線成像和多通道能譜數據的存儲與顯示。

進一步的，所述多道分析器采用FPGA作為數字處理核心，接收ADC輸出的數據流，實現多道分析，以及與上位機的通信。

進一步的，所述前置放大器陣列板卡上設有16塊放大器板塊，每塊放大器板塊分別具有16路輸入和16路輸出。

所述前置放大器為256路超高集成度納安級小信號放大器，具體采用電荷靈敏放大器，用于將碲鋅鎘面陣探測器輸出的信號放大，每16路小信號放大器集成在一塊放大器板塊上，256路信號共需所述16塊放大器板塊。

進一步的，所述多道分析器的數據通過PXIe總線傳輸給主控制器，且所述多道分析器運行于PXIe機箱中。

進一步的，所述碲鋅鎘面陣探測器具有高空間分辨率，采用16×16路面陣，探測器規格為25.4×25.4×5mm³，每個探測器單元為1.5×1.5×5mm³，能量測量范圍20keV-700keV。

進一步的，采用水冷對所述探測器和前置放大器陣列板卡進行冷卻，保證整個測量系統工作溫度不超過30度。