一种具有优化集成光学光子传输系统的仿真引导式光纤耦合闪烁体探测器系统及辐射测量方法

本发明涉及辐射探测、闪烁体探测器，更具体的说是涉及一种具有优化集成光学光子传输系统的仿真引导式光纤耦合闪烁体探测器系统及辐射测量方法。

背景技术：

1、闪烁体因其与电离辐射相互作用时能够发射可探测的光学光子而被用于闪烁体探测器。基于此特性，它们在诸多应用中得到了广泛使用，包括医学成像、环境监测、扫描设备、国土安全、核检验中的辐射防护及辐射剂量测定等领域。在已开发的多种辐射探测用闪烁体材料中，铈掺杂钆铝镓石榴石（gagg:ce）因其闪烁衰减时间短、光产额高、能量分辨率优异、非吸湿性及良好的耐辐射性而受到广泛关注。然而，尽管其优势显著，基于gagg的探测器系统的整体性能不仅取决于闪烁体本身，更关键地受限于闪烁光子传输至光电探测器的效率。传输效率低下会导致光子损失、信号衰减、时间特性劣化及测量精度下降。因此，光学传输系统设计已成为现代闪烁体探测器开发的关键环节。

2、目前使用的大多数闪烁体探测器采用闪烁体与光电倍增管（pmt）或硅光电倍增管（sipm）等光电探测器直接耦合的配置。尽管直接耦合架构因无需光纤而简化了探测器结构并降低了成本，但其可能并不完全适用于某些flash剂量测定应用，因为此类应用要求具有辐射硬度。此外，这种几何配置限制了探测器的灵活性，因为光电探测器必须紧邻闪烁体放置，这使其在受限环境中的应用变得更为复杂。

3、在闪烁体与光电探测器之间引入光纤可实现几何布置上的灵活性、促进光子传输，并保护置于受限环境中的远程光电探测器免受辐射损伤。然而，现有探测器系统中光纤的引入因光学耦合不完善、界面损耗、表面反射及光学传输效率低下而遭受显著的光学光子损失，致使从闪烁体到达光电探测器系统的光子数量大幅减少。这导致探测器灵敏度下降、时间特性劣化、能量响应性能受损，并造成对sipm实际饱和行为的认识不足。

4、近年来，超高剂量率（uhdr）flash放射治疗的出现为辐射探测器设计带来了新的挑战。与常规放射治疗不同，flash照射在极短时间内输送处方剂量，其剂量率比标准临床治疗高出数个数量级。因此，用于flash剂量测定的探测器需具备快速时间响应、高灵敏度、低信号失真以及在强辐射场下进行精准实时剂量测量的能力。

5、uhdr flash放射治疗对闪烁体探测器提出了现有系统难以满足的新要求。用于flash剂量测定的探测器必须具备：快速闪烁响应、高效光子传输、低光学损耗、高探测效率、强辐射下稳定运行、适应不同照射配置的灵活几何结构，以及与实时电子读出系统的兼容性。同时满足所有这些要求仍然是一项重大的工程挑战。

6、尽管蒙特卡罗仿真技术已广泛应用于研究闪烁体探测器中的辐射相互作用和光学光子传输，但其通常仅用作评估探测器性能的分析工具，而非用于探测器设计和优化的集成工程工具。现有探测器开发往往依赖于迭代实验样机制作和经验参数选择，这可能导致开发时间延长、制造成本增加和设计复杂度提高，同时对探测器几何结构、反射体特性、光学耦合界面、光学传输路径、光电探测器配置及信号调理等因素对探测器整体性能的综合影响缺乏深入理解。

7、因此，提出一种具有优化集成光学光子传输系统的仿真引导式光纤耦合闪烁体探测器系统及辐射测量方法，来解决现有技术存在的困难，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种具有优化集成光学光子传输系统的仿真引导式光纤耦合闪烁体探测器系统及辐射测量方法，旨在克服用于辐射剂量测定的常规闪烁体探测器系统的局限性，特别是在超高剂量率（uhdr）flash照射条件下的局限性；采用闪烁晶体与光电探测器直接耦合的传统探测器系统会将光电探测器及相关电子电路暴露于强辐射场中，导致辐射诱导性能退化、屏蔽要求增加、探测器几何结构受限以及操作灵活性降低；现有的光纤耦合闪烁体探测器系统通常依赖经验性设计方法，缺乏对光学光子传输及相关探测器参数的系统性优化，从而导致光学传输损耗、光子收集效率降低以及探测器性能不一致。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种具有优化集成光学光子传输系统的仿真引导式光纤耦合闪烁体探测器系统，包括：闪烁晶体、围绕闪烁晶体的反射外壳、第一光学耦合界面、光学传输路径、第二光学耦合界面、硅光电倍增管、信号调理与读出子系统、探测器验证模块以及辐射分析模块；其中，光学传输路径包括弯曲光纤，弯曲光纤包括纤芯和包层；

4、闪烁晶体与电离辐射相互作用产生闪烁光子，反射外壳将闪烁光子导向第一光学耦合界面，第一光学耦合界面将闪烁晶体光学耦合至弯曲光纤，弯曲光纤通过全内反射传输闪烁光子，第二光学耦合界面将弯曲光纤光学耦合至硅光电倍增管，硅光电倍增管将闪烁光子转换为电信号，信号调理与读出子系统对电信号进行处理，探测器验证模块监测探测器工作状态，辐射分析模块根据经处理的信号确定辐射测量参数，探测器系统根据光学光子传输与探测的仿真引导式优化进行配置，且弯曲光纤将硅光电倍增管与闪烁晶体远程间隔设置，使硅光电倍增管位于直接辐射场之外。

5、可选的，闪烁晶体采用铈掺杂钆铝镓石榴石闪烁晶体。

6、可选的，反射外壳包括硫酸钡反射体，反射体被配置为将闪烁光子朝向第一光学耦合界面反射，反射体的反射率至少为0.90。

7、可选的，单根弯曲光纤包括折射率为1.55-1.60的聚苯乙烯纤芯和折射率为1.47-1.50的聚甲基丙烯酸甲酯包层，其中纤芯的折射率大于包层的折射率，使得闪烁光子通过全内反射在光纤中传输。

8、可选的，第一光学耦合界面和第二光学耦合界面为相同结构，包括光学润滑脂、光学凝胶、光学粘合剂或其他折射率匹配介质，折射率匹配介质的折射率为1.46-1.70，厚度为0.01 mm-0.2 mm，且直径与光纤纤芯的直径一致。

9、可选的，信号调理与读出子系统包括sipm偏压电源、信号调理与读出电源、跨阻放大器、脉冲整形器、模数转换器、数字总线或连接器、数据采集电子设备；其中，

10、sipm偏压电源，通过绝缘铜线与硅光电倍增管电连接，用于为硅光电倍增管提供工作偏压；

11、跨阻放大器，通过同轴屏蔽电缆与硅光电倍增管电连接，用于将硅光电倍增管产生的电流信号转换为电压信号；

12、脉冲整形器，与跨阻放大器的输出端连接，用于对电脉冲进行整形并优化信噪比；

13、模数转换器，与脉冲整形器的输出端连接，用于将经调理的模拟信号转换为数字数据；

14、数字总线或连接器，连接于模数转换器与数据采集电子设备之间，用于传输数字化测量数据及通信信号；

15、数据采集电子设备，与数字总线或连接器连接，用于接收并处理数字数据；

16、信号调理与读出电源，与跨阻放大器、脉冲整形器、模数转换器及数据采集电子设备电连接，用于为信号调理与读出子系统提供工作电源。

17、可选的，探测器性能验证模块，被配置为与信号调理与读出子系统并行工作，以监测探测器工作状态并验证探测器性能；经处理的测量数据通过传输接口传输至主机，以进行实时显示、存储及辐射分析；

18、探测器性能验证模块还用于评估探测器增益、基线稳定性、光子计数一致性、时间特性、光学传输效率以及探测器校准状态。

19、可选的，仿真引导式光纤耦合闪烁体探测器系统通过一种具有优化集成光学光子传输系统实现，具体传输过程为：

20、构建三维数值探测器模型，并赋予光学和材料属性；

21、对不同材料之间的光学界面进行精确建模；

22、进行辐射相互作用和闪烁光子产生的仿真，从而能够评估光学光子通过探测器几何结构的传输。

23、一种具有优化集成光学光子传输系统的仿真引导式光纤耦合闪烁体探测器系统的辐射测量方法，执行上述任一项的一种具有优化集成光学光子传输系统的仿真引导式光纤耦合闪烁体探测器系统，包括以下步骤：

24、s1、制备闪烁晶体、反射外壳、弯曲光纤；在闪烁晶体与光纤之间以及光纤与硅光电倍增管之间形成第一光学耦合界面和第二光学耦合界面；根据优化设计参数组装探测器组件；连接信号调理与读出子系统；在辐射测量之前验证探测器对准、光学耦合质量并对探测器进行校准；

25、s2、用辐射照射闪烁晶体；

26、s3、在闪烁晶体中产生闪烁光子；

27、s4、在反射外壳内重新导向闪烁光子；

28、s5、通过弯曲光纤传输闪烁光子；

29、s6、使用硅光电倍增管探测闪烁光子；

30、s7、调理并数字化处理探测器信号，得到测量数据；

31、s8、根据测量数据确定辐射剂量、剂量率、脉冲特性及时间信息。

32、可选的，s1中根据优化设计参数组装探测器组件中的优化设计参数通过光学光子传输与探测的蒙特卡罗仿真确定；

33、蒙特卡罗仿真包括对以下一项或多项的优化：反射体反射率、反射体表面光洁度、闪烁晶体几何形状、光学耦合特性、光纤弯曲半径和弯曲长度、光纤长度、纤芯和包层折射率、辐射束位置以及光学光子收集效率。

34、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种具有优化集成光学光子传输系统的仿真引导式光纤耦合闪烁体探测器系统及辐射测量方法，具有以下有益效果：

35、（1）本发明采用仿真引导式集成探测方法，在制备前系统地确定探测器几何结构、光学界面、反射体特性及光纤布线，减少了经验性试错，提高了探测器的可重复性；

36、（2）本发明将高反射率外壳、优化的光学耦合界面和优化的光学传输路径集成为高效的光学传输路径，增强了闪烁光子探测并最大程度地减少了光学传输损耗；

37、（3）本发明通过优化的光学传输路径实现了sipm的远程布置，从而减少了光电探测器及相关电子设备的辐射暴露，同时为探测器部署提供了更大的灵活性；

38、（4）本发明提高了组装一致性、光学对准和制造可重复性；

39、（5）本发明集成了信号调理、数字化、探测器性能验证和辐射分析，用于实时超高剂量率（uhdr）flash剂量测定；

40、（6）本发明提供了一套用于设计、制备、操作和性能验证的综合仿真引导式探测器工程框架，从而能够高效开发和部署用于医学、工业和科学辐射测量应用的高性能闪烁体探测器系统；

41、（7）本发明通过用系统性的仿真引导式优化方法替代迭代经验样机制作，缩短了探测器开发时间并降低了制造成本，从而在保持探测器性能和可重复性的同时提高了工程效率；

42、（8）本发明仿真引导式优化方法能够同时优化多个相互关联的探测器参数，包括反射体特性、光学耦合界面、光学传输路径、探测器几何结构、光电探测器配置和信号调理，从而提高了集成探测器系统的整体性能。