[发明专利]一种用于硬X射线成像和能谱分析的测量系统

说明书

本发明公开了一种用于硬X射线成像和能谱分析的测量系统，其特征在于：采用碲锌镉面阵作为探测器、具有高密度信号分配和传输功能的定制PCB背板、紧凑型的前置放大器阵列板卡、以FPGA为核心的多道分析器、基于开源软件QT的采集与控制系统。本发明具备良好的电磁屏蔽和杂散硬X射线屏蔽功能，具备良好的水冷功能，时间分辨率、空间分辨率、能量分辨率高，能够满足恶劣环境下高通量硬X射线测量的需求。

技术领域

本发明涉及硬X射线测量技术领域，具体涉及一种用于硬X射线成像和能谱分析的测量系统，通过硬X射线成像和能谱分析从而得到硬X射线强度的空间分布、时间演化，同时还可以获取硬X射线的能量信息，可以应用于科研、工业、安检等领域。

背景技术

硬X射线测量技术广泛应用于科研、工业、安检等领域，随着经济和科技的发展，对硬X射线测量技术也提出了更高的要求，需要更高的空间、时间和能量分辨率。

以托卡马克为例，硬X射线诊断是托卡马克上研究快电子的重要工具。通过测量快电子通过轫致辐射产生的硬X射线，可以研究低杂波在等离子体中的传播特性和功率沉积，提供快电子的速度分布，这对研究低杂波与等离子体相互作用机制是非常重要，不可缺少的。托卡马克上的硬X射线诊断需要高时间、空间和能量分辨率，同时托卡马克的磁场强度能达到数特斯拉，由于光电倍增管容易受磁场干扰，因此闪烁体探测器很难靠近托卡马克装置，托卡马克上基本上都采用固体探测器。目前市场上的单探测器无法满足高空间分辨率的要求；线阵探测器和面阵探测器采用ASIC电路，总的计数率不超过1MHz，而托卡马克中快电子产生的硬X射线强度非常高，每平方毫米硬X射线通量可达到几十K，因此市场上的线阵探测器和面阵探测器无法满足时间分辨率需求。

发明内容

本发明目的就是为了弥补现有探测器系统无法同时满足高硬X射线通量环境下高时间、空间和分辨率需求，提供适用于高硬X射线通量环境下用于硬X射线成像和能谱分析的测量系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于硬X射线成像和能谱分析的测量系统，该系统包括：

碲锌镉面阵探测器、具有输入输出信号传输转换功能的PCB背板、屏蔽体、主控制器、前置放大器阵列板卡、多道分析器以及采集与控制系统；所述前置放大器阵列板卡上集成有前置放大器；

所述PCB背板用于将碲锌镉面阵探测器的输出信号转接到前置放大器阵列板卡，且PCB背板两侧分别布置碲锌镉面阵探测器和前置放大器阵列板卡；

所述前置放大器阵列板卡的输入端与所述PCB背板相连，输出信号通过转接板传输到所述多道分析器；所述多道分析器的数据通过总线传输给主控制器，主控制器连接高速数据交互网将数据传输到采集与控制系统，以进行硬X射线成像和多通道能谱数据的存储与显示。

进一步的，所述多道分析器采用FPGA作为数字处理核心，接收ADC输出的数据流，实现多道分析，以及与上位机的通信。

进一步的，所述前置放大器阵列板卡上设有16块放大器板块，每块放大器板块分别具有16路输入和16路输出。

所述前置放大器为256路超高集成度纳安级小信号放大器，具体采用电荷灵敏放大器，用于将碲锌镉面阵探测器输出的信号放大，每16路小信号放大器集成在一块放大器板块上，256路信号共需所述16块放大器板块。

进一步的，所述多道分析器的数据通过PXIe总线传输给主控制器，且所述多道分析器运行于PXIe机箱中。

进一步的，所述碲锌镉面阵探测器具有高空间分辨率，采用16×16路面阵，探测器规格为25.4×25.4×5mm³，每个探测器单元为1.5×1.5×5mm³，能量测量范围20keV-700keV。

进一步的，采用水冷对所述探测器和前置放大器阵列板卡进行冷却，保证整个测量系统工作温度不超过30度。