超快辐射探测器性能优化与应用研究.pdf

摘要

摘要

具有超快时间分辨的粒子辐射探测技术在高能物理领域和医学物理领域占据

重要地位。影响超快辐射探测器时间分辨的关键技术主要包含四个方面：快发光

材料、超快光电器件、高速数据获取系统和数据分析算法，其中超快光电器件的

时间性能尤为重要。本文对应用于超快辐射探测器的超快光电倍增管进行了结构

设计、性能优化，并对基于超快光电倍增管的辐射探测器进行应用研究，提出了

将超快光电倍增管探测切伦科夫光作为超快辐射探测器核心器件的设计思路。

本文首先对比了闪烁发光和切伦科夫发光原理，从理论上分析了切伦科夫辐

射体作为辐射探测器发光材料的优越性。提出了采用波形采样技术用于超快光电

倍增管性能研究的数据分析方法。针对波形采样技术得到的数字化波形，比较了

三种数字定时方法，对比结果表明，数字恒比定时算法更适用于以超快光电倍增

管为核心光电器件的辐射探测器时间性能研究，为本文辐射探测器的时间性能研

究打下基础。

为实现超快光电倍增管的结构设计及优化，采用有限元积分技术建立了超快

光电倍增管的模型，提出了单阳极超快光电倍增管锥形阳极结构设计以及多阳极

超快光电倍增管8×8阳极结构设计。从结构和电压两个方面优化超快光电倍增管

的时间性能。优化后的单阳极超快光电倍增管的上升时间由1.4ns提升至153.1ps，

同时将其单光子时间分辨优化至27.2ps。

对优化后的单阳极超快光电倍增管性能进行对比测试，其单光子探测能力与

时间性能已经达到国际水平，验证了结构与电压优化的合理性。对具有8×8阳极

的超快光电倍增管进行性能研究，提出了多阳极超快光电倍增管的均匀性评估方

法。实现了单光子时间分辨均匀性小于45ps的8×8阳极超快光电倍增管研制。

为了进一步改善发光材料与超快光电倍增管的耦合方式，提出8×8阳极切伦科夫

辐射体光窗超快光电倍增管的设计，其单光子时间分辨小于40ps，可以直接进行

粒子探测。该研究成果为基于切伦科夫光探测的超快辐射探测器时间性能的提升

提供了新思路。

本文以超快辐射探测器在TOF-PET中的应用为例，首先对超快光电倍增管耦

合发光材料的辐射探测器核心单元进行了符合时间分辨研究。实验结果表明，超

快光电倍增管耦合3×3×5mm3的闪烁晶体LYSO可以实现92.6±1.6ps的符合时

间分辨，已经优于文献中SiPM耦合相同尺寸LYSO晶体的结果。超快光电倍增

管耦合3×3×5mm3的切伦科夫辐射晶体PbF2可以实现71.9±6.6ps的符合时间

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哈尔滨工业大学工学博士学位论文

分辨，验证了超快光电倍增管耦合切伦科夫辐射体作为辐射探测器核心单元的合

理性和优越性。开展了基于切伦科夫辐射体光窗超快光电倍增管的辐射探测器符

合时间分辨研究，并实现了137.5±11.5ps的符合时间分辨。此外针对辐射探测器

的符合时间分辨结果中出现侧峰事例，本文提出采用卷积神经网络算法对符合波

形进行定时优化。结果表明，卷积神经网络算法在不影响计数率的情况下可以有

效的将侧峰事例进行修正，将符合时间分辨由57.4ps提升至28.5ps，为未来机器

学习算法在辐射探测器中的应用提供了参考。

关键词：粒子辐射探测；超快光电倍增管；切伦科夫探测；时间分辨率；

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Abstract

Abstract

Particleradiationdetectiontechnologywithultra-fasttimeresolutionplaysan

importantroleinthefieldsofhigh-energyphysicsandmedicalphysics.Therearefour

keytechnologiesthataffec