[0001] 本发明属于中子检测技术领域，具体涉及一种基于SiPM三维中子检测及中子计数装置。

[0002] 随着核技术的发展，人们对核安全控制的要求越来越高，核反应时会释放出大量的中子，给现场值班人员和仪器设备带来潜在风险，核反应的剧烈程度可以通过中子释放速率来表征。为估计核辐射环境中中子能谱状况，通常需要对核辐射中子进行检测并计数。其中，中子探测器是中子测量系统的关键，中子探测器的探测效率直接决定了系统的性能指标。探测效率是指单位时间内被探测器记录到的中子数与通过探测器的中子总数之比，反映出探测器对中子检测的灵敏度，探测效率通常和中子与探测器材料的反应截面、探测器尺寸形状、辐射源与探测器的相对位置等密切相关。

[0003] 现有技术中，通常在一维层面上采用增大探测器的反应截面来提高中子检测效率。但这种方式会导致探测器的寄生电容增大，影响了后端电子学电路的带宽，降低了对入射中子检测的计数率，在高计数率中子测量应用中受到限制。此外，现有的中子探测器无法适用不同核辐射环境的中子计数。发明内容

[0004] 为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于SiPM三维中子检测及中子计数装置。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

[0005] 一种基于SiPM三维中子检测及中子计数装置，包括：中子检测模块、模拟前端电路以及脉冲计数器；

[0006] 中子检测模块包括多个中子检测单元，多个中子检测单元形成三维紧凑结构，分别用于检测不同方向入射的中子，并生成对应的脉冲电流信号；

[0007] 模拟前端电路包括多个放大器、多个脉冲甄别器、可编程阈值电压产生电路以及逻辑门电路；

[0008] 多个放大器与多个中子检测单元的输出端对应连接，用于将对应中子检测单元输出的脉冲电流信号转换为电压信号；

[0009] 可编程阈值电压产生电路用于在外部数字位的配置下生成阈值电压；

[0010] 多个脉冲甄别器的第一输入端与多个放大器的输出端对应连接，多个脉冲甄别器的第二输入端与可编程阈值电压产生电路的输出端连接；

[0011] 多个脉冲甄别器用于比较对应放大器输出的电压信号和阈值电压的脉冲幅度，并生成脉冲信号；

[0012] 逻辑门电路的输入端连接多个脉冲甄别器的输出端，用于将多个脉冲甄别器输出的脉冲信号组合成序列脉冲信号；

[0013] 脉冲计数器连接逻辑门电路的输出端，用于对序列脉冲信号进行计数，从而得到中子数量。

[0014] 本发明的有益效果：

[0015] 1、本发明提供的基于SiPM三维中子检测及中子计数装置一方面设计了包括多个中子检测单元的三维中子检测模块，可实现多个方向随机入射中子的检测，避免了过大的探测器的反应截面对后端电子学电路带宽的影响，极大的提高了中子检测概率；另一方面通过外部数字位配置可编程阈值电压产生电路输出的阈值电压大小，使得该装置可以适用不同核辐射环境的中子计数，有利于增加电路的噪声抑制能力，提升了中子计数的鲁棒性，满足了高计数率中子测量的需求，适用于不同核辐射环境的中子计数；

[0016] 2、本发明采用SiPM作为光电检测器响应中子检测产生的光脉冲信号，进一步提高了中子检测的灵敏度；同时采用跨阻放大器放大上述光电检测器的输出，中子计数率更高，适用于高计数率中子测量应用。

[0017] 以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

[0025] 下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

[0026] 实施例一

[0027] 请参见图1，图1为本发明实施例提供的基于SiPM三维中子检测及中子计数装置的结构框图。本发明提供的基于SiPM三维中子检测及中子计数装置包括中子检测模块100、模拟前端电路140以及脉冲计数器150；

[0028] 中子检测模块100包括多个中子检测单元，多个中子检测单元形成三维紧凑结构，分别用于检测不同方向入射的中子，并生成对应的脉冲电流信号；

[0029] 模拟前端电路140包括多个放大器、多个脉冲甄别器、可编程阈值电压产生电路147以及逻辑门电路148；

[0030] 多个放大器与多个中子检测单元的输出端对应连接，用于将对应中子检测单元输出的脉冲电流信号转换为电压信号；

[0031] 可编程阈值电压产生电路147用于在外部数字位的配置下生成阈值电压；

[0032] 多个脉冲甄别器的第一输入端与多个放大器的输出端对应连接，多个脉冲甄别器的第二输入端与可编程阈值电压产生电路147的输出端连接；

[0033] 多个脉冲甄别器用于比较对应放大器输出的电压信号和阈值电压的脉冲幅度，并生成脉冲信号；

[0034] 逻辑门电路148的输入端连接多个脉冲甄别器的输出端，用于将多个脉冲甄别器输出的脉冲信号组合成序列脉冲信号；

[0035] 脉冲计数器150连接逻辑门电路148的输出端，用于对序列脉冲信号进行计数，从而得到中子数量。

[0036] 可选的，作为一种实现方式，请参见图2，图2为本发明实施例提供的基于SiPM三维中子检测及中子计数装置的一种结构示意图，在本实施例中，模拟前端电路具体包括三个中子检测单元，分别为第一中子检测单元110、第二中子检测单元120以及第三中子检测单元130；且第一中子检测单元110、第二中子检测单元120以及第三中子检测单元130的检测面互相垂直，以形成三维紧凑结构，模拟前端电路置于三块中子检测单元形成的内部空间，通过增加中子与探测器接触维度提高中子检测的效率。

[0037] 优选的，本实施例中的第一中子检测单元110、第二中子检测单元120以及第三中6
子检测单元130具有相同的结构，均包括一组耦合的 Li玻璃和SiPM(Silicon 
photomultiplier，硅光电倍增管)光电检测器，所有SiPM光电检测器外部均接入高压电源VHV，其中，SiPM光电检测器采用多个单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)形成的面阵列结构。

[0038] 本发明采用SiPM作为光电检测器响应中子检测产生的光脉冲信号，进一步提高了中子检测的灵敏度，且单个SPAD具有单光子检测灵敏度。

[0039] 需要说明的是，在本实施例中，6Li玻璃和SiPM光电检测器的接触断面涂抹硅油，旋转挤压使两者紧密耦合，增加光传导效率。

[0040] 下面以第一中子检测单元110为例，对中子检测原理进行介绍。请参见图3，图3为本发明实施例提供的第一中子检测单元的检测原理示意图。可以看出，第一中子检测单元6 6
110包括第一Li玻璃111和第一SiPM光电检测器112，中子入射进入第一Li玻璃闪烁体中产生脉冲荧光，脉冲荧光光子撞击第一SiPM光电检测器中的单光子雪崩二极管阵列的光敏面，并将脉冲荧光光子转换为第一脉冲电流信号II,out。

[0041] 相应的，第二中子检测单元120和第三中子检测单元130分别输出第二脉冲电流信号III,out和第三脉冲电流信号IIII,out。

[0042] 进一步的，请参见图4，图4为本发明实施例提供的模拟前端电路的结构示意图。与三个中子检测单元对应，模拟前端电路140采用三通道结构，并选用跨阻放大器实现，具体包括三个跨阻放大器，分别为第一通道跨阻放大器141、第二通道跨阻放大器142以及第三通道跨阻放大器143。相应的，模拟前端电路140还包括三个脉冲甄别器，分别为第一脉冲甄别器144、第二脉冲甄别器145以及第三脉冲甄别器146；其中，

[0043] 第一通道跨阻放大器141、第二通道跨阻放大器142以及第三通道跨阻放大器143的输入端分别与前级中子检测单元中的SiPM光电检测器对应连接。即如图4所示，第一通道跨阻放大器141的输入端连接第一中子检测单元中的第一SiPM光电检测器112，用以处理第一脉冲电流信号II,out；第二通道跨阻放大器142的输入端连接第二中子检测单元中的第二SiPM光电检测器122，用以处理第二脉冲电流信号III,out；第三通道跨阻放大器143的输入端连接第三中子检测单元中的第三SiPM光电检测器132，用以处理第三脉冲电流信号IIII,out。

[0044] 第一脉冲甄别器144、第二脉冲甄别器145以及第三脉冲甄别器146的第一输入端分别与第一通道跨阻放大器141、第二通道跨阻放大器142以及第三通道跨阻放大器143的输出端对应连接，用于接入对应通道跨阻放大器输出的电压信号VI,out、VII,out、VIII,out；第一脉冲甄别器144、第二脉冲甄别器145以及第三脉冲甄别器146的第二输入端接入可编程阈值电压产生电路147的输出端输出的阈值电压VTH。

[0045] 第一脉冲甄别器144、第二脉冲甄别器145以及第三脉冲甄别器146的输出端分别输出脉冲信号VI,pw、VII,pw、VIII,pw至逻辑门电路148的输入端。

[0046] 可以理解的是，本实施例中的逻辑门电路148采用多输入与门电路结构，以便于将多个脉冲甄别器输出的脉冲信号组合成序列脉冲信号Dout。

[0047] 可选的，作为一种实现方式，本实施例中的第一通道跨阻放大器141、第二通道跨阻放大器142以及第三通道跨阻放大器143采用相同的结构。

[0048] 具体的，以第一通道跨阻放大器141为例，其结构如图5所示，包括第一前馈放大器AMP‑Ⅰ、反馈电阻RF,I以及反馈电容CF,I，其中，

[0049] 前馈放大器AMP‑Ⅰ的输入端对应连接前级中子检测单元的输出端，前馈放大器AMP‑Ⅰ的输出端对应连接后级脉冲甄别器的输入端；

[0050] 反馈电阻RF,I和反馈电容CF,I并联在前馈放大器AMP‑Ⅰ的输入端和输出端之间。

[0051] 本实施例采用跨阻放大器放大光电检测器的输出，中子计数率更高，适用于高速率中子检测。

[0052] 进一步的，在本实施例中，第一脉冲甄别器144、第二脉冲甄别器145以及第三脉冲甄别器146具有相同的结构，均包括电压比较器和脉冲压缩电路。

[0053] 电压比较器的同相输入端作为脉冲甄别器的第一输入端对应连接前级跨阻放大器中的输出端；电压比较器的反相输入端作为脉冲甄别器的第二输入端连接可编程阈值电压产生电路的输出端；

[0054] 电压比较器的输出端连接脉冲压缩电路的输入端；

[0055] 脉冲压缩电路的输出端连接逻辑门电路的输入端。

[0056] 下面以第一脉冲甄别器144为例，对本实施例提供的脉冲甄别器的结构和原理进行详细介绍。请参见图6，图6为本发明实施例提供的第一脉冲甄别器的结构及原理示意图，其中，第一脉冲甄别器144包括第一电压比较器144‑1和第一脉冲压缩电路144‑2。

[0057] 第一电压比较器144‑1的同相输入端接入第一通道跨阻放大器141输出的电压信号VI,out；第一电压比较器的反相输入端接入阈值电压VTH，第一电压比较器144‑1的输出端输出电压信号VI,comp至第一脉冲压缩电路144‑2的输入端，第一脉冲压缩电路144‑2的输出端输出脉冲信号VI,pw。

[0058] 进一步的，请继续参见图6，其中，第一脉冲压缩电路144‑2包括延迟单元INV和两输入与门AND；

[0059] 延迟单元INV的输入端作为第一脉冲压缩电路144‑2的输入端接入第一电压比较器144‑1输出的电压信号VI,comp，同时还连接与门AND的第一输入端；延迟单元INV的输出端连接与门AND的第二输入端；与门AND的输出端作为第一脉冲压缩电路的输出端输出脉冲信号VI,pw。

[0060] 图6还展示了阈值电压VTH和第一电压比较器144‑1的同相输入电压VI,out的波形，第一电压比较器的输出电压VI,comp的波形以及第一脉冲压缩电路144‑2输出的脉冲信号VI,pw的波形。可以看到，阈值电压VTH为直流电压，同相输入电压VI,out为脉冲波形，当脉冲电压VI,out幅度大于阈值电压时，第一电压比较器输出电压VI,comp为高电平，当脉冲电压VI,out幅度小于阈值电压时，第一电压比较器输出电压VI,comp为低电平；当VI,comp从低电平变为高电平时，第一脉冲压缩电路144‑2输出的脉冲信号VI,pw变为高电平，该高电平延迟固定时间tpw，显然固定延迟时间tpw小于输入电压脉冲宽度。其中，脉冲信号VI,pw的波形宽度tpw由延迟单元INV决定。

[0061] 本实施例提供的三通道模拟前端电路可将脉冲光电流转换为序列脉冲电压信号，且一个脉冲光电流对应一个脉冲高电平，其它时间输出为低电平。

[0062] 进一步的，请参见图7，图7为本发明实施例提供的可编程阈值电压产生电路的结构示意图，包括恒流源147‑1、多路电流源147‑2、可编程开关单元147‑3以及电阻RX；

[0063] 多路电流源147‑2包括PMOS晶体管MP1、MP2、MP3、MP4、MP5；可编程开关单元147‑3包括NMOS晶体管MN1、MN2、MN3、MN4；

[0064] 其中，MP1、MP2、MP3、MP4、MP5的源极连接电源电压VDD；MP5的栅极与源极短路，并与MP1、MP2、MP3、MP4的栅极共同连接至恒流源的第一端VBP；

[0065] MN1的漏极连接MP1的漏极，MN2的漏极连接MP2的漏极，MN3的漏极连接MP3的漏极，MN4的漏极连接MP4的漏极；

[0066] MN1的栅极连接外部可编程数字位RT[0]，MN2的栅极连接外部可编程数字位RT[1]，MN3的栅极连接外部可编程数字位RT[2]，MN4的栅极连接外部可编程数字位RT[3]；

[0067] MN1、MN2、MN3、MN4的源极均连接至电阻RX的第一端；

[0068] 电阻RX的第二端与恒流源147‑1的第二端接地GND。

[0069] 可选的，在本实施例中，晶体管MP1的物理尺寸与MP5物理尺寸之比为1：1，晶体管MP2的物理尺寸与MP5物理尺寸之比为2：1，晶体管MP3的物理尺寸与MP5物理尺寸之比为4：1，晶体管MP4的物理尺寸与MP5物理尺寸之比为8：1，也即PMOS晶体管MP1、MP2、MP3、MP4、MP5的物理尺寸比为1:1:2:4:8。由此，MP1的漏极电流IMP1,D＝IREF，MP2的漏极电流IMP2,D＝2IREF，MP3的漏极电流IMP3,D＝4IREF，MP4的漏极电流IMP1,D＝8IREF。

[0070] 本实施例提供的可编程阈值电压产生电路的工作原理如下：

[0071] 当可编程数字位输入为低电平时，与其相连的NMOS晶体管闭合，无电流流出，当任一可编程数字位输入为高电平时，与其相连的NMOS晶体管MP[x]打开，NMOS晶体管漏极电流IMP[x],D流经电阻RX，产生相应的阈值电压，由此，可通过四位可编程数字位输入的高低电平组合，产生16个阈值电压，实现阈值电压的可编程。

[0072] 需要说明的是，本实施例提供的脉冲计数器可采用现有相关技术实现。可以理解的是，脉冲计数器还与外部复位信号连接以实现复位功能。

[0073] 本实施例提供的基于SiPM三维中子检测及中子计数装置的工作原理如下：

[0074] 具有三维结构的中子检测模块检测来自不同方向的入射中子，并生成对应的脉冲电流信号，模拟前端电路对不同的脉冲电流信号分别进行放大处理，并与可调节的阈值电压进行脉冲幅度，生成对应的脉冲信号，逻辑门电路的将多个脉冲信号组合成一个序列脉冲信号；最后，利用脉冲计数器进行计数，从而得到中子数量。

[0075] 本发明提供的基于SiPM三维中子检测及中子计数装置一方面设计了包括多个中子检测单元的三维中子检测模块，可实现多个方向随机入射中子的检测，极大的提高了中子检测概率；另一方面通过外部数字位配置可编程阈值电压产生电路输出的阈值电压大小，使得该装置可以适用不同核辐射环境的中子计数，有利于增加电路的噪声抑制能力，提升了中子计数的鲁棒性，满足了高计数率中子测量的需求。

[0076] 在本说明书的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

[0077] 此外，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

[0078] 尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。

[0079] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。