使用行和列求和的中子照相的制造方法
【專利摘要】對于安杰照相機中的每個光電倍增管，提供預放大器的R×S陣列以檢測在光電倍增管中產(chǎn)生的電子。對預放大器的輸出進行數(shù)字化以測量來自每個預放大器的信號的量級。對于每個光電倍增管，包括R個行求和電路以及S個列求和電路的對應的求和電路對每行和每列將來自預放大器的信號的量級在數(shù)值上相加以產(chǎn)生直方圖。對于光電倍增管的P×Q陣列，P×Q個求和電路產(chǎn)生包括R個項目的P×Q個行直方圖以及包括S個項目的P×Q個列直方圖。直方圖的總集包括P×Q×(R+S)個項目，可以通過位置計算電路對其進行分析以確定事件位置(對中子的檢測)。
【專利說明】使用行和列求和的中子照相機
[0001]關(guān)于聯(lián)邦資助研究或開發(fā)的聲明
[0002]本發(fā)明是在根據(jù)美國能源部授予的合同號DE-AC05-000R22725的政府支持下做出的。政府對本發(fā)明具有一定權(quán)利。
[0003]相關(guān)申請
[0004]本申請要求于2012年I月31日提交的美國臨時申請61/592，785的優(yōu)先權(quán)權(quán)益。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0005]本發(fā)明涉及到中子檢測器，并且具體地涉及一種使用行和列求和算法進行事件位置識別的中子照相機以及操作該照相機的方法。

【背景技術(shù)】
[0006]安杰照相機(Anger camera)是一種中子照相機。安杰照相機的“頭部”包括被光耦合到光電倍增管(PMT)陣列的扁平閃爍體板。該頭部被安裝在框架上。前端和后端電子裝置被安裝在PMT的后面，并且被連接到控制照相機的操作以及獲取和存儲所獲取的圖像的計算機系統(tǒng)。
[0007]安杰照相機分析閃爍材料中的光分布圖案，從而確定在閃爍體中捕獲的粒子的位置。光由該閃爍體發(fā)出。晶體后面的光電倍增管(PMT)檢測熒光閃光(事件)。計算機計數(shù)事件的數(shù)量。該檢測系統(tǒng)也被廣泛地稱為伽瑪照相機，因為早期應用主要是用于伽瑪檢測。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]對于安杰照相機中的每個光電倍增管，提供預放大器(preamplifier)的RXS陣列來檢測在光電倍增管內(nèi)產(chǎn)生的電子。對預放大器的輸出進行數(shù)字化以測量來自每個預放大器的信號的量級。對于每個光電倍增管，包括R個行求和電路以及S個列求和電路的對應的求和電路對每行和每列將來自預放大器的信號的量級在數(shù)值上相加以產(chǎn)生直方圖。對于光電倍增管的P X Q陣列，P X Q個求和電路產(chǎn)生包括R個項目的P X Q個行直方圖以及包括S個項目的PXQ個列直方圖。直方圖的總集包括PXQX (R+S)個項目，可以通過位置計算電路對其進行分析以確定事件的位置(對中子的檢測)。
[0009]根據(jù)本公開的一方面，提供了一種中子照相機。該中子照相機包括閃爍體板和至少一個檢測器單元。所述至少一個檢測器單元中的每個包括位于所述閃爍體板的背面并包括輸出的RXS矩陣的光電倍增管。R和S是大于I的整數(shù)。所述至少一個檢測器單元中的每個還包括被配置為放大來自輸出的RX S矩陣的每個輸出并產(chǎn)生RXS個放大信號的預放大器的RXS陣列，以及被配置為根據(jù)RXS個放大信號產(chǎn)生R個行求和信號的集合以及S個列求和信號的集合的信號轉(zhuǎn)換電路。該中子照相機還包括:位置計算單元，被配置為分析從R個行求和信號的至少一個集合得到的第一時間積分(time-1ntegrated)和分布以及從S個列求和信號的至少一個集合得到的第二時間積分和分布，從而識別中子引發(fā)閃爍的至少一個閃爍體板中的事件位置。
[0010]根據(jù)本公開的另一方面，提供了一種操作中子照相機的方法。提供了一種包括閃爍體板和至少一個檢測器單元的中子照相機。所述至少一個檢測器單元中的每個包括位于所述閃爍體板的背面并包括輸出的RXS矩陣的光電倍增管，以及被配置為放大來自輸出的RXS矩陣的每個輸出并產(chǎn)生RXS個放大信號的預放大器的RXS陣列。R和S是大于I的整數(shù)。對于所述至少一個檢測器單元中的每個，產(chǎn)生R個行求和信號的行信號直方圖以及S個列求和信號的列信號直方圖。行求和信號中的每個與來自輸出的RXS矩陣內(nèi)的對應行的所有輸出的和成比例，并且S個列求和信號中的每個與來自輸出的RX S矩陣內(nèi)的對應列的所有輸出的和成比例。通過分析所述至少一個行信號直方圖中的每個的時間積分和以及所述至少一個列信號直方圖中的每個的時間積分和，可以確定中子引發(fā)閃爍的至少一個閃爍體板中的事件位置。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1示出了根據(jù)本公開實施例的完整的安杰照相機組合件。
[0012]圖2是根據(jù)本公開實施例的安杰照相機的信號流示意圖。
[0013]圖3是根據(jù)本公開實施例的安杰照相機的光學封裝的剖視圖。
[0014]圖4是例示根據(jù)本公開實施例的來自A/D轉(zhuǎn)換單元的PXQ陣列的輸出的示意圖。
[0015]圖5是根據(jù)本公開實施例的包括光電倍增管的PXQ陣列的安杰照相機的位置計算的不意圖。
[0016]圖6是根據(jù)本公開實施例的位置計算的示意圖。

【具體實施方式】
[0017]如上所述，本發(fā)明涉及一種使用行和列求和算法進行事件位置識別的中子照相機以及操作該照相機的方法，現(xiàn)在使用附圖詳細地進行描述。相似和對應的元件用相似的標號來標記。沒有按比例地繪制附圖中的各種元件的比例，以使得能夠清楚地圖示相對于具有較大尺寸的其他元素的具有較小尺寸的元件。
[0018]本公開的安杰照相機使用提高識別檢測到粒子的事件位置的信號處理速度的信號處理技術(shù)。本公開的安杰照相機保留了現(xiàn)有技術(shù)中已知He3檢測器的理想性能特征，同時以減少的成本提供更低的視差誤差和更好的均勻性。本公開的安杰照相機可以用于中子散射應用以及其他帶電粒子檢測應用。
[0019]圖1是根據(jù)本公開實施例的安杰照相機的帶注釋的照片。安杰照相機包括三個主要模塊。第一模塊是光學封裝。第二個模塊是預放大器模塊。第三模塊是提供模擬至數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換和位置計算的數(shù)字電子裝置模塊。
[0020]可以將安杰照相機劃分為檢測器單元的PXQ陣列、包括閃爍體板和玻璃間隔件的第一模塊的子集以及包括位置計算單元的第三模塊的子集。P和Q中的每個可以是大于I的整數(shù)。例如，P和Q可以在從2至20的范圍內(nèi)，但是也可以使用更大的數(shù)字。在一個實施例中，檢測器單元的PXQ陣列是正方形陣列，亦即P等于Q的陣列。檢測器單元的PXQ陣列包括:包含光電倍增管(PMT)的PXQ陣列的第一模塊的另一子集、包括預放大器單元的PXQ陣列的第二模塊以及包括A/D轉(zhuǎn)換單元的PXQ陣列的第三模塊的另一子集。每個檢測器單元包括:PMT (為第一模塊的組件)、預放大器單元(為第二模塊的組件)以及A/D轉(zhuǎn)換單元(為第三模塊的組件)。
[0021]閃爍體板在與中子相互作用時(亦即，在中子捕獲事件時)觸發(fā)閃爍。檢測器的PXQ陣列使用在閃爍體產(chǎn)生并在PMT中捕獲和放大的光子產(chǎn)生電信號。位置計算可以由第三模塊中的位置計算單元執(zhí)行，其從檢測器單元的PXQ陣列接收數(shù)據(jù)并且處理該數(shù)據(jù)以識別檢測到粒子的事件位置。
[0022]參照圖2，示出了根據(jù)本公開實施例的安杰照相機的信號流示意圖。示出了檢測器單元的PXQ陣列中的檢測器單元以及第一模塊內(nèi)的閃爍體板和玻璃間隔件以及第三模塊內(nèi)的位置計算單元。
[0023]安杰照相機的第一模塊包括閃爍體板、玻璃間隔件和光電倍增管(PMT)的PXQ陣列。閃爍體板可以包括能夠捕獲中子并且在中子捕獲時引發(fā)閃爍的任何材料。例如，閃爍體板可以包括將鋰和鋪作為摻雜劑的娃酸鹽玻璃板。該閃爍體板的厚度可以是從1.5mm到
2.0_，但是也可以使用更小或更大的厚度。該閃爍體板通常是光學透明的，亦即，透射波長范圍從400nm到800nm的光而沒有任何明顯的吸收。
[0024]玻璃間隔件是置于閃爍體板和PMT之間的透明玻璃板。在一個實施例中，閃爍體板可以涂敷在與玻璃間隔件相對的表面上。該玻璃間隔件的厚度可以在2mm至5mm的范圍內(nèi)，但是也可以使用更小或更大的厚度。在說明性示例中，閃爍體可以包括BC-620擴散反射材料(diffused reflector material)?？蛇x地，閃爍體板可以通過使用折射率匹配材料(index-matching material)來光學稱合到所述玻璃間隔件,從而減少在界面處的反射。
[0025]玻璃間隔件光學耦合到PMT的PXQ陣列。PMT可以是本領(lǐng)域中已知的任何類型。在一個實施例中，PMT的PX Q陣列中的PMT可以具有矩形的形狀，使得PMT側(cè)面之間的物理間隙可以最小化。
[0026]閃爍體板、玻璃間隔件以及PMT的PXQ陣列被組裝在一起以形成所述第一模塊。圖3例示了在P = Q = 3的情況下的閃爍體板、玻璃間隔件以及PMT的PXQ陣列的示例性布置。每個PMT位于所述玻璃間隔件的背面，閃爍體板位于所述玻璃間隔件的前側(cè)。光密封器件圍繞第一模塊和第二模塊之間的接口，以便使由于外部光而導致的噪聲最小化。
[0027]返回參照圖2，每個PMT可以包含RX S個像素。在這種情況下，每個PMT包含輸出的RXS矩陣。PMT的每個輸出對應于PMT內(nèi)的單個像素。R和S是大于I的整數(shù)。在一個實施例中，R和S中的每個可以在從4到128的范圍內(nèi)。
[0028]可以將PMT的PXQ陣列安裝到用于結(jié)構(gòu)支撐的框架上?？梢允褂孟鄬τ诳蚣軄砉潭≒MT的物理位置的安裝系統(tǒng)。在一個實施例中，對于該PXQ陣列，可以使用利用銷頭固定螺絲(pin tipped set screw)的安裝系統(tǒng)將PMT定位在小于0.1mm的公差內(nèi)?？蛇x地，安裝系統(tǒng)可以使用彈簧頭固定螺絲(spring tipped set screw)來提供壓力以保持PMT耦合到玻璃間隔件和閃爍體板。
[0029]在一個實施例中，可以通過放置在PMT的周界和基底的周圍的閉孔泡沫帶(closed cell foam tape)將外部光阻擋在PMT的PXQ陣列、閃爍體板以及玻璃間隔件之夕卜。此外，可以使用基帶(base tape)來阻止由于PMT與用于放置PMT的玻璃框(bezel)之間的厚度的任何不一致而導致光入射到第一模塊上。閉孔泡沫帶和基帶的厚度可以根據(jù)需要進行選擇，并且可以在1/32英寸到1/8英寸(0.794mm到3.175mm)的范圍內(nèi)。另外，可以使用非粘性泡沫來提供PMT之間的光密封。
[0030]在光學封裝內(nèi)，可以使用光學凝膠塊(optical gel cookie)提供玻璃間隔件與PMT的PX Q陣列之間的光學耦合，其允許在任何PMT出現(xiàn)故障的情況下更換個別的PMT。光學凝膠塊的厚度可以是從0.25mm至2.0_，但是也可以使用更小或者更大的厚度。
[0031]預放大器模塊包括預放大器包的PXQ陣列。每個預放大器包都包括被配置為補償對應PMT的RXS個單元的增益中的差異的預放大器的RXS陣列。在一個實施例中，預放大器可以是使用反饋電阻的跨阻抗放大器。專門選取反饋電阻來補償不同的光電管元件(亦即，關(guān)于每個PMT的產(chǎn)生輸出的RXS矩陣的RXS個像素)的增益中的差異?？梢栽趯z測器單元組裝到安杰照相機之前或者之時，通過對反饋電阻設(shè)置適當?shù)闹祦碚{(diào)整每對的PMT和對應的預放大器包。
[0032]預放大器的RXS陣列中的每個被配置為放大來自對應的PMT的輸出的RX S矩陣的每個輸出。RXS個放大信號被提供給檢測器單元的PXQ陣列中的每個檢測器單元內(nèi)的信號轉(zhuǎn)換電路。在包括檢測器單元的PXQ陣列的每個安杰照相機內(nèi)，提供信號轉(zhuǎn)換電路的PXQ陣列。因此，使用預放大器的對應的RXS陣列來放大來自輸出的RXS矩陣的每個輸出，并且從預放大器的對應的RXS陣列向信號轉(zhuǎn)換電路提供RXS個放大的輸出。
[0033]在每個檢測器單元內(nèi)，所述預放大器包根據(jù)來自PMT的輸出的RX S矩陣產(chǎn)生放大信號的RXS矩陣。從預放大器包產(chǎn)生的放大信號的RXS矩陣被提供給數(shù)字電子裝置模塊內(nèi)的信號轉(zhuǎn)換電路。
[0034]信號轉(zhuǎn)換電路包括行和列求和單元的PXQ陣列以及A/D轉(zhuǎn)換單元的PXQ陣列。每個檢測器單元包括行和列求和單元以及A/D轉(zhuǎn)換單元。每行和列求和單元包括R個行求和電路以及S個列求和電路。每個行求和電路對指定行遍及列進行求和。每個列求和電路對指定列遍及行進行求和。如本文中所使用的，“行求和”是指對指定行遍及列進行求和，“列求和”是指對指定列遍及行進行求和。在一個實施例中，每個信號轉(zhuǎn)換電路可以實施為現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)。
[0035]R個行求和電路中的每個將放大信號的P X Q矩陣內(nèi)的R個行之一的S個放大信號在數(shù)值上相加?？梢詫個行求和電路中的每個實現(xiàn)為模擬加法器(諸如求和放大器)，其使用與放大信號的RXS矩陣內(nèi)的同一行相對應的S個模擬信號作為輸入，并且產(chǎn)生與作為輸入使用的S個模擬信號的量級的和成比例的輸出。R個行求和電路產(chǎn)生與來自預放大器包的放大信號的RXS矩陣的R個不同行相對應的R個行求和信號。因此，R個行求和信號中的每個與源自每個檢測器單元內(nèi)PMT的輸出的RXS矩陣內(nèi)的對應行的所有放大信號的和成比例。
[0036]S個列求和電路中的每個將放大信號的P X Q矩陣內(nèi)的S個列之一的R個放大信號在數(shù)值上相加。可以將S個列求和電路中的每個實現(xiàn)為模擬加法器(諸如求和放大器)，其使用與放大信號的RXS矩陣內(nèi)的同一列相對應的R個模擬信號作為輸入，并且產(chǎn)生與作為輸入使用的R個模擬信號的量級的和成比例的輸出。S個列求和電路產(chǎn)生與來自預放大器包的放大信號的RXS矩陣的S個不同列相對應的S個列求和信號。因此，S個列求和信號中的每個與源自每個檢測器單元內(nèi)PMT的輸出的RXS矩陣內(nèi)的對應列的所有放大輸出的和成比例。
[0037]在一個實施例中，可以對行和列求和電路的PXQ陣列使用懸架式安裝系統(tǒng)(suspens1n mounting system)。懸架式安裝系統(tǒng)允許行和列求和電路的PXQ陣列在f禹合期間保持與PMT對齊，同時保持行和列求和電路的PXQ陣列連接到實施預放大器包的PXQ陣列的電路板。
[0038]R個行求和信號和S個列求和信號被發(fā)送給A/D轉(zhuǎn)換和信號判別單元。將放大信號的RXS矩陣轉(zhuǎn)換成R+S個求和信號的信號處理可以顯著地簡化計算，特別是在R和S的值是大整數(shù)時。例如，對于R= S = 8，可以將8X8個信號減少到8+8個信號。
[0039]在每個檢測器單元內(nèi)，可以經(jīng)由使用預設(shè)延遲時間進行編程的延遲線路對R個行求和信號以及S個列求和信號進行延遲。例如，延遲時間可以是在從100納秒至400納秒的范圍內(nèi)。還可以將延遲后的信號發(fā)送給A/D轉(zhuǎn)換和信號判別單元。
[0040]每個檢測器單元內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換和信號判別單元包括A/D轉(zhuǎn)換單元和信號判別單元。每個A/D轉(zhuǎn)換單元包括R+S個模擬至數(shù)字(AD)轉(zhuǎn)換器電路，其被配置為將R個行求和信號轉(zhuǎn)換成R個數(shù)字化的行求和信號，并且將S個列求和信號轉(zhuǎn)換成S個數(shù)字化的列求和信號。作為說明性示例，A/D轉(zhuǎn)換單元可以是具有10比特流水線的A/D轉(zhuǎn)換器。
[0041]例如，信號判別單元可以是只有在R個行求和信號以及S個列求和信號之中的至少一個信號的量級(或者測量R個行求和信號以及S個列求和信號的總體量級的派生量)超過預定義的閾值時才發(fā)起對A/D轉(zhuǎn)換單元中的信號的時間積分的簡單閾值判別電路(具有滯后性)。
[0042]另外，每個檢測器單元內(nèi)的信號判別單元與其他檢測器單元內(nèi)的其他信號判別單元進行通信，使得如果信號判別單元中的一個確定檢測到超過預定義的閾值的信號，則可以使用該信號來觸發(fā)對所有的A/D轉(zhuǎn)換單元的PXQ陣列中的信號的積分(integrat1n)(使用與對超過預定義的閾值的信號的檢測相同的預設(shè)延遲時間)。信號判別單元被配置為觸發(fā)關(guān)于至少一個行信號直方圖和至少一個列信號直方圖的時間積分的和的信號的積分。因此，信號判別單元使得能夠只有當在檢測器單元之一中的R個行求和信號以及S個列求和信號中之中檢測到超過預定義的閾值的信號時才丟棄寄生噪聲和發(fā)起A/D轉(zhuǎn)換單元的操作。
[0043]每個檢測器單元中的信號轉(zhuǎn)換電路被配置為產(chǎn)生R個數(shù)字化的行求和信號的行信號直方圖以及S個數(shù)字化的列求和信號的列信號直方圖。如上所述，R個行求和信號中的每個與源自輸出的RX S矩陣內(nèi)的對應行的所有放大信號的和成比例，并且S個列求和信號中的每個與源自輸出的RX S矩陣內(nèi)的對應列的所有放大輸出的和成比例。
[0044]參照圖4，示意圖例示了來自A/D轉(zhuǎn)換單元的PXQ陣列的輸出?？梢詫⒌趇行和第j列中的檢測器單元內(nèi)的R個數(shù)字化的行求和信號表示為包括R個分量的矢量Xu?？梢园创涡虬才攀噶縓ij中的每個分量，使得矢量Xij的每個分量的位置對應于輸出的RX S矩陣內(nèi)的行位置。例如，矢量Xu內(nèi)的第一分量與源自輸出的RXS矩陣內(nèi)的第一行的所有放大信號的和成比例，矢量Xu內(nèi)的第二分量與源自輸出的RXS矩陣內(nèi)的第二行的所有放大信號的和成比例，等等。
[0045]可以將第i行和第j列中的檢測器單元內(nèi)的S個數(shù)字化的列求和信號表示為包括S個分量的矢量Yy可以按次序安排矢量Yu中的每個分量，使得矢量Yu的每個分量的位置對應于輸出的RX S矩陣內(nèi)的列位置。例如，矢量Yij內(nèi)的第一分量與源自輸出的RX S矩陣內(nèi)的第一列的所有放大信號的和成比例，矢量Yu內(nèi)的第二分量與源自輸出的RXS矩陣內(nèi)的第二列的所有放大信號的和成比例，等等。因此，對于每個檢測器單元，產(chǎn)生兩個矢量作為來自A/D轉(zhuǎn)換單元的PXQ陣列的輸出信號。
[0046]對于被選擇為使得i不超過P并且j不超過Q的正整數(shù)i和j的任意組合，矢量Xij表示根據(jù)位于PXQ個檢測器單元的陣列的第i行內(nèi)和第j列內(nèi)的檢測器單元內(nèi)的RXS個放大信號產(chǎn)生的R個行求和信號的行信號直方圖，并且矢量Yu表示根據(jù)位于PXQ個檢測器單元的陣列的第i行內(nèi)和第j列內(nèi)的檢測器單元內(nèi)的RXS個放大信號產(chǎn)生的S個列求和信號的列信號直方圖。
[0047]在一個實施例中，如果根據(jù)來自A/D轉(zhuǎn)換單元的PXQ陣列的任何行信號直方圖或者任何列信號直方圖產(chǎn)生的參數(shù)值超過預定義的閾值，則信號判別單元觸發(fā)對信號的積分。可以基于得自行信號直方圖和列信號直方圖的參數(shù)值是否超過預定義的閾值來觸發(fā)關(guān)于行信號直方圖和列信號直方圖的時間積分和的信號的積分。
[0048]一旦該信號判別單元關(guān)于超過預設(shè)閾值的信號的檢測而產(chǎn)生觸發(fā)信號，每個檢測器單元內(nèi)的R個數(shù)字化的行求和信號的行信號直方圖和S個數(shù)字化的列求和信號的列信號直方圖在預設(shè)持續(xù)時間上進行積分。例如，該預設(shè)持續(xù)時間可以在從200納秒到1，000納秒的范圍內(nèi)。換句話說，針對i和j的每個值，亦即，針對每個檢測器單元，對矢量Xu的每個分量和矢量Yij的每個分量在時間上進行積分。
[0049]在一個實施例中，可以使用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)來執(zhí)行對R個數(shù)字化的行求和信號的行信號直方圖以及S個數(shù)字化的列求和信號的列信號直方圖的積分，該FPGA以觸發(fā)信號的形式接收來自判別單元的PXQ陣列的輸出，并且對R個數(shù)字化的行求和信號以及S個數(shù)字化的列求和信號中的每個在時間上進行積分。每個直方圖在時間上逐個分量地進行積分。到和來自PXQ個A/D轉(zhuǎn)換和信號判別單元中的每個的觸發(fā)信號還需要同步在包含PXQ個檢測器單元的整個檢測器陣列上的積分定時。
[0050]在非限制性的說明性示例中，檢測器單元的陣列可以被配置為使得每當行或列信號超過硬件判別器閾值時FPGA邏輯就將全局觸發(fā)信號設(shè)置為高。數(shù)字電子裝置模塊中的所有板都可以使用該全局觸發(fā)信號來起動定時。在該信號之后的可編程數(shù)量的片刻(tick)(例如，I個片刻可以具有大約50納秒的持續(xù)時間)(通常為2個片刻)內(nèi)，A/D轉(zhuǎn)換和信號判別單元中的積分器門(integrator gate)可以被釋放以起動在PXQ個檢測器單元的每個中的硬件積分過程。在m個片刻后，可以捕獲積分器的輸出。整數(shù)m是可編程的，并且在典型的應用中可以約為12。這對應于600納秒的積分時間，其中前200納秒提供基線信號。因此，每當PXQX (R+S)個信號中的任何一個觸發(fā)安杰照相機的硬件時，F(xiàn)PGA邏輯可以捕獲PXQX (R+S)個A/D轉(zhuǎn)換值以及時間戳。
[0051]從A/D轉(zhuǎn)換和信號判別單元的PXQ陣列產(chǎn)生的時間積分數(shù)據(jù)被傳送到位置計算單元。位置計算單元被配置為分析隨時間積分的PXQ個行信號直方圖以及隨時間積分的PXQ個列信號直方圖以識別閃爍體板內(nèi)的事件位置。對于檢測器單元的PXQ陣列中的每個，分析對應的行信號直方圖的時間積分和以及對應的列信號直方圖的時間積分和。事件位置是指中子引發(fā)閃爍的位置，亦即，捕獲事件和附隨的光電效應發(fā)生的位置。
[0052]該位置計算單元可以被實施為在此被稱為安杰照相機位置計算(ACPC)板的電路板的組件。例如，該位置計算單元可以被實施為現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)。除了計算事件位置的地點之外，該位置計算單元還可以通過分析所檢測到的事件的模式和持續(xù)時間來執(zhí)行拒絕由伽馬粒子引發(fā)的事件的任務。
[0053]來自A/D轉(zhuǎn)換和信號判別單元的PXQ陣列的輸出可以包括PXQX (R+S)個值。P X Q X R個時間積分的輸出值對應于來自A/D轉(zhuǎn)換和信號判別單元的P X Q陣列的時間積分的數(shù)字化的行求和信號，而PXQXS個時間積分的輸出值對應于來自A/D轉(zhuǎn)換和信號判別單元的PXQ陣列的時間積分的數(shù)字化的列求和信號。
[0054]在一個實施例中，可以將PMT的PXQ陣列布置為P行并且Q列的配置，并且可以從每個PMT產(chǎn)生輸出的RX S矩陣，使得該RXS矩陣包括與PMT的PX Q陣列中的行方向平行的R個行以及與PMT的PXQ陣列中的列方向平行的S個列。在這種情況下，可以進一步地對P X QX R個時間積分的數(shù)字化的行求和信號在PMT的P X Q陣列的不同列上進行求和。具體地，對于在從I至P的范圍內(nèi)的每個指定值i以及在從I至R的范圍內(nèi)的每個指定值k，對應于PMT的P X Q陣列的第i行內(nèi)的所有PMT，可以對來自每個A/D轉(zhuǎn)換和信號判別單元(在單個檢測器單元內(nèi))的R個數(shù)字化的行求和信號的第k個分量在表示PMT的PXQ陣列的列號變化的索引的整個范圍(例如，對于I和Q之間包括I和Q在內(nèi)的I的整個范圍)上進行求和。該求和將PXQXR個時間積分的數(shù)字化的行求和信號減少為PXR個時間積分的數(shù)字化的照相機行(camera-row)求和信號。每個時間積分的數(shù)字化的照相機行求和信號是時間積分的和，亦即，通過在時間上進行積分所產(chǎn)生的和。這個和包括照相機內(nèi)的一整行的像素，亦即，延伸跨越照相機的整體的“照相機行”。每個時間積分的數(shù)字化的照相機行求和信號對應于來自沿著安杰照相機內(nèi)呈現(xiàn)的像素陣列內(nèi)的P X R個不同行之中的同一行的A/D轉(zhuǎn)換和信號判別單元的所有放大信號的時間積分。
[0055]同樣地，PXQXS個時間積分的數(shù)字化的列求和信號可以進一步地在PMT的PXQ陣列的不同行上進行求和。具體地，對于在從I至Q的范圍內(nèi)的每個指定值j以及在從I至S的范圍內(nèi)的每個指定值I，對應于PMT的PX Q陣列的第j行中的所有PMT，可以對來自每個A/D轉(zhuǎn)換和信號判別單元(在單個檢測器單元內(nèi))的S個數(shù)字化的列求和信號的第I個分量在表示PMT的PXQ陣列的行號變化的索引的整個范圍(例如，對于I和P之間包括I和P在內(nèi)的k的整個范圍)上進行求和。該求和將PXQXS個時間積分的數(shù)字化的列求和信號減少為QXS個時間積分的數(shù)字化的照相機列(camera-column)求和信號。每個時間積分的數(shù)字化的照相機列求和信號是時間積分的和。這個和包括照相機內(nèi)的一整列的像素，亦即，延伸跨越照相機的整體的“照相機列”。每個時間積分的數(shù)字化的照相機列求和信號對應于來自沿著安杰照相機內(nèi)呈現(xiàn)的像素陣列內(nèi)的QX S個不同列之中的同一列的A/D轉(zhuǎn)換和信號判別單元的所有放大信號的時間積分。
[0056]求和過程將PXQXR個時間積分的數(shù)字化的行求和信號減少為PXR個時間積分的數(shù)字化的照相機行求和信號，并且將PXQXS個時間積分的數(shù)字化的列求和信號減少為QXS個時間積分的數(shù)字化的照相機列求和信號。
[0057]圖5示出PXQXR個時間積分的數(shù)字化的行求和信號以及PXQXS個時間積分的數(shù)字化的列求和信號。水平方向是指PMT的PX Q陣列的行方向，其與來自每個PMT的輸出的RX S陣列的行方向相同。垂直方向是指PMT的PX Q陣列的列方向，其與來自每個PMT的輸出的RXS陣列的列方向相同。
[0058]PXQXR個時間積分的數(shù)字化的行求和信號的每個值用Xkij表示，其中i表示對應的PMT的行號，j表示對應的PMT的列號，并且k表示執(zhí)行行求和的(對應的PMT內(nèi)的輸出的RXS陣列內(nèi)的)行號。如上所述，在對應的PMT內(nèi)的列索引的所有值(亦即，對于RXS陣列內(nèi)的指定行，從I到S)上執(zhí)行產(chǎn)生每個時間積分的數(shù)字化的行求和信號的求和。對于任何指定的一對索引i和k，對于j的所有可能的索引值，執(zhí)行產(chǎn)生PXR個時間積分的數(shù)字化的照相機行求和信號的每個求和。PXR個時間積分的數(shù)字化的照相機行求和信號的每個可以用一對索引i和k來表征。
[0059]PXQXS個時間積分的數(shù)字化的列求和信號的每個值用ylu表示，其中i表示對應的PMT的行號，j表示對應的PMT的列號，并且I表示執(zhí)行列求和的(對應的PMT內(nèi)的輸出的RXS陣列內(nèi)的)列號。如上所述，在對應的PMT內(nèi)的行索引的所有值(亦即，對于RXS陣列內(nèi)的指定列，從I到R)上執(zhí)行產(chǎn)生每個時間積分的數(shù)字化的列求和信號的求和。對于任何指定的一對索引j和1，對于i的所有可能的索引值，執(zhí)行產(chǎn)生QXS個時間積分的數(shù)字化的照相機列求和信號的每個求和。QXS個時間積分的數(shù)字化的照相機列求和信號的每個可以用一對索引j和I來表征。
[0060]一旦位置計算單元產(chǎn)生PXR個時間積分的數(shù)字化的照相機行求和信號以及QXS個時間積分的數(shù)字化的照相機列求和信號，該位置計算單元可以分析PXR個時間積分的數(shù)字化的照相機行求和信號的分布作為照相機行位置的函數(shù)，并且分析QXS個時間積分的數(shù)字化的照相機列求和信號的分布作為照相機列位置的函數(shù)。一般地，在對于每個PMT使用檢測器單元的PXQ陣列并且使用像素的RXS陣列的安杰照相機內(nèi)呈現(xiàn)沿著行方向?qū)赑 X R個不同坐標的P X R個照相機行和沿著列方向?qū)赒XS個不同坐標的Q X S個照相機列。
[0061]提供PXR個時間積分的數(shù)字化的照相機行求和信號作為得自R個行求和信號的PXQ個集合的時間積分和分布。該時間積分和分布在本文中被稱為第一時間積分和。提供QXS個時間積分的數(shù)字化的照相機列求和信號作為得自S個列求和信號的PXQ個集合的第二時間積分和分布。該時間積分和分布在本文中被稱為第二時間積分和，以便區(qū)別于所述第一時間積分和。分析第一時間積分和分布以及第二時間積分和分布以識別在中子引發(fā)閃爍的至少一個閃爍體板上的事件位置。
[0062]第一時間積分和分布包括PXR個第一時間積分和，它們是PXR個時間積分的數(shù)字化的照相機行求和信號。第二時間積分和分布包括QXS個第二時間積分和，它們是QXS個時間積分的數(shù)字化的照相機列求和信號。
[0063]位置計算單元可以被配置成使用行擬合函數(shù)來擬合PXR個第一時間積分和以識別事件位置的行坐標，并使用列擬合函數(shù)擬合QXS個第二時間積分和以識別事件位置的列坐標。為此目的，例如可以在笛卡爾坐標軸諸如X軸上繪制PXR個第一時間積分和，并且例如可以在另外的笛卡爾坐標軸諸如I軸上繪制QXS個第二時間積分和。在一個實施例中，行擬合函數(shù)和列擬合函數(shù)中的每個可以具有隨著離開對應軸上的最大值點的距離而嚴格地下降的函數(shù)形式。在一個實施例中，函數(shù)形式可包括與高斯函數(shù)成比例的至少一項。
[0064]可以使用通過函數(shù)似合分布(可通過直方圖來表示)的任何擬合方法來執(zhí)行對PXR個第一時間積分和的擬合以及對QXS個第二時間積分和的擬合。例如，可以使用最小二乘擬合方法來執(zhí)行擬合。
[0065]參照圖6，可以以復制安杰照相機內(nèi)的照相機行的物理次序的次序表示PXR個時間積分的數(shù)字化的照相機行求和信號以產(chǎn)生第一直方圖。同樣地，可以以復制安杰照相機內(nèi)的照相機列的物理次序的次序表示QXS個時間積分的數(shù)字化的照相機列求和信號以產(chǎn)生第二直方圖。為了簡便，圖6示出了P = Q = 2并且R = S = 4的情況。關(guān)于8(亦即，PXR)個時間積分的數(shù)字化的照相機行求和信號的第一直方圖被繪制為“X輪廓線(profile)”。關(guān)于8(亦即，QXS)個時間積分的數(shù)字化的照相機列求和信號的第二直方圖被繪制為“Y輪廓線”。第一直方圖表不得自R個行求和信號的PXQ個集合的時間積分和的第一分布。第二直方圖表不得自S個列求和信號的PXQ個集合的時間積分和的第二分布。
[0066]可以將時間積分和的第一分布繪制在X軸上作為第一直方圖，并使用第一行擬合函數(shù)進行擬合。在一個非限制性的說明性示例中，行擬合函數(shù)可以具有如下函數(shù)形式:
[0067]A {ajexp [Hd1 (χ- μ )2] +a2exp [_b2 (χ- μ )2]}
[0068]其中A是比例常數(shù)，al、a2、bl和b2是影響擬合函數(shù)(亦即，模型函數(shù))的形狀的擬合參數(shù)，并且μ是沿著與PXR個照相機行位置之中的行號變化的方向相對應的方向橫向移位擬合函數(shù)的參數(shù)。
[0069]可以將時間積分和的第二分布繪制在y軸上作為第二直方圖，并使用第二行擬合函數(shù)進行擬合。在一個非限制性的說明性示例中，列擬合函數(shù)可以具有如下函數(shù)形式:
[0070]B {ajexp [Hd1 (y- λ )2] +a2exp [_b2 (y- λ )2]}
[0071]其中B是比例常數(shù)，al、a2、bl和b2是與關(guān)于行擬合函數(shù)的相同的擬合參數(shù)，并且λ是沿著與QXS個照相機列位置之中的列號變化方向相對應的方向橫向移位擬合函數(shù)的參數(shù)。
[0072]可以同時擬合行擬合函數(shù)和列擬合函數(shù)以確定參數(shù)μ和λ的值，從而確定閃爍體板內(nèi)的事件位置。光錐圖像強度圖與通過μ和λ的測量值確定的峰值位置之間的比較顯示光錐中心(對應于事件位置)與使用本公開的方法計算的事件位置之間有良好的一致性。雖然在此說明了其中每個包括兩個高斯函數(shù)的一組擬合函數(shù)，但是在本文中顯然想到了使用對離開事件位置的距離具有不同函數(shù)依賴性的其他擬合函數(shù)。
[0073]雖然已經(jīng)根據(jù)具體實施例描述了本發(fā)明，但是顯然，鑒于前述描述，許多替換、修改和變型對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的。除非明確地公開或者在其他情況下本領(lǐng)域技術(shù)人員之一已知是不可能的，本公開的各個實施例中的每個可以單獨地實現(xiàn)或者結(jié)合本公開的任何其他實施例來實現(xiàn)。因此，本發(fā)明旨在包含落入本發(fā)明和權(quán)利要求書的范圍和精神內(nèi)的所有這樣的替換、修改和變型。
【權(quán)利要求】
1.一種中子照相機，包括: 閃爍體板； 至少一個檢測器單元，其中所述至少一個檢測器單元中的每個包括: 位于所述閃爍體板的背面并包括輸出的RXS矩陣的光電倍增管，其中R和S是大于I的整數(shù)； 被配置為放大來自所述輸出的RX S矩陣的每個輸出并產(chǎn)生RX S個放大信號的預放大器的RXS陣列；以及 被配置為根據(jù)所述RXS個放大信號產(chǎn)生R個行求和信號的集合以及S個列求和信號的集合的信號轉(zhuǎn)換電路；以及 位置計算單元，被配置為分析從所述R個行求和信號的至少一個集合得到的第一時間積分和分布以及從所述S個列求和信號的至少一個集合得到的第二時間積分和分布，從而識別中子引發(fā)閃爍的所述至少一個閃爍體板中的事件位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中子照相機，其中，所述至少一個檢測器單元是檢測器單元的PXQ陣列，其中P和Q是大于I的整數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的中子照相機，其中，所述第一時間積分和分布包括PXR個第一時間積分和，并且所述第二時間積分和分布包括QXS個第二時間積分和。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中子照相機，其中，所述位置計算單元被配置為使用行擬合函數(shù)擬合所述PXR個第一時間積分和以識別所述事件位置的行坐標，并且使用列擬合函數(shù)擬合所述QXS個第二時間積分和以識別所述事件位置的列坐標。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的中子照相機，其中，所述至少一個檢測器單元是檢測器單元的PXQ陣列，P和Q是大于I的整數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的中子照相機，其中，所述行擬合函數(shù)以及所述列擬合函數(shù)中的每個具有隨著離開最大值點的距離而嚴格地下降的函數(shù)形式。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的中子照相機，其中，所述函數(shù)形式包括與高斯函數(shù)成比例的至少一項。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的中子照相機，其中，使用最小二乘擬合方法執(zhí)行對所述PXR個第一時間積分和的所述擬合以及對所述QXS個第二時間積分和的所述擬合。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中子照相機，其中，所述至少一個信號轉(zhuǎn)換電路中的每個實施為現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)，并且所述位置計算單元實施為另外的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中子照相機，其中，所述R個行求和信號中的每個與源自所述輸出的RX S矩陣內(nèi)的對應行的所有放大信號的和成比例，并且所述S個列求和信號中的每個與源自所述輸出的RX S矩陣內(nèi)的對應列的所有放大信號的和成比例。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的中子照相機，其中，所述檢測器單元還包含R+S個模擬至數(shù)字(AD)轉(zhuǎn)換器電路，其被配置為將所述R個行求和信號轉(zhuǎn)換成R個數(shù)字化的行求和信號，并且將所述S個列求和信號轉(zhuǎn)換成S個數(shù)字化的列求和信號。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中子照相機，其中，所述檢測器單元還包含信號判別單元，其被配置為觸發(fā)對所述R個行求和信號的至少一個集合以及所述S個列求和信號的至少一個集合的積分。
13.根據(jù)權(quán)利要求13所述的中子照相機，其中，如果從所述R個行求和信號的至少一個集合以及所述S個列求和信號的至少一個集合產(chǎn)生的參數(shù)值超過預定義的閾值，則所述信號判別單元觸發(fā)對信號的所述積分。
14.一種操作中子照相機的方法，包含: 提供一種包括閃爍體板和至少一個檢測器單元的中子照相機，其中，所述至少一個檢測器單元中的每個至少包含位于所述閃爍體板的背面并且包括輸出的RXS矩陣的光電倍增管，以及被配置為放大來自所述輸出的RXS矩陣的每個輸出并且產(chǎn)生RXS個放大信號的預放大器的RXS陣列，其中R和S是大于I的整數(shù)； 對于所述至少一個檢測器單元中的每個，產(chǎn)生R個行求和信號的集合以及S個列求和信號的集合；以及 通過分析從所述R個行求和信號的至少一個集合得到的第一時間積分和分布以及從所述S個列求和信號的至少一個集合得到的第二時間積分和分布來確定中子引發(fā)閃爍的至少一個閃爍體板中的事件位置。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述至少一個檢測器單元是檢測器單元的PXQ陣列，其中P和Q是大于I的整數(shù)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，確定所述事件位置包含: 使用行擬合函數(shù)擬合所述第一時間積分和分布以識別所述事件位置的行坐標；以及 使用列擬合函數(shù)擬合所述第二時間積分和分布以識別所述事件位置的列坐標。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述行擬合函數(shù)以及所述列擬合函數(shù)中的每個具有隨著離開最大值點的距離而嚴格地下降的函數(shù)形式。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述R個行求和信號中的每個與源自所述輸出的RX S矩陣內(nèi)的對應行的所有放大信號的和成比例，并且所述S個列求和信號中的每個與源自所述輸出的RX S矩陣內(nèi)的對應列的所有放大信號的和成比例。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，還包含: 將所述R個行求和信號的每個集合轉(zhuǎn)換成R個數(shù)字化的行求和信號的集合；以及 將所述S個列求和信號的每個集合轉(zhuǎn)換成S個數(shù)字化的列求和信號的集合。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，還包含:基于從所述R個行求和信號的至少一個集合以及所述S個列求和信號的至少一個集合產(chǎn)生的參數(shù)值是否超過預定義的閾值，觸發(fā)關(guān)于所述第一和第二時間積分和的信號的積分。
【文檔編號】G01T3/06GK104246536SQ201380013799
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年1月15日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月31日
【發(fā)明者】L.G.科隆茨, Y.迪亞瓦拉, 小柯內(nèi)利爾斯.多納休, C.A.蒙特卡姆, R.A.里德爾, T.韋斯切 申請人:Ut-巴特勒有限責任公司