基于透镜阵列多元聚焦的连续晶体三维位置灵敏探测器设计和仿真

连续晶体闪烁体探测器可以实现γ射线作用点的三维位置定位。本文提出一种新的探测器结构,引入透镜阵列实现作用点定位。探测器采集多元聚焦图像,从而改变对连续晶体闪烁光分布探测的需求。文中建立连续晶体、透镜阵列和光子计数器阵列的模型进行模拟研究,建立多元聚焦的光路反演重建算法定位γ射线作用点的三维位置。通过重建结果分析评估基于透镜阵列的连续晶体探测器性能,这种结构具有较好的定位能力和位置分辨。对于尺寸为48 mm×48 mm×45 mm的硅酸钇镥(LYSO)闪烁晶体,实现了xy平面位置分辨优于1.54 mm,z方向位置分辨优于3.13 mm。基于连续晶体和透镜阵列结构的探测器还可对多作用点的情形进行重建,分析三组选定位置的重建结果,该结构对双作用点定位具有可行性。

“光电探测器”专题导读

光电探测器是现代光电技术的核心,具有高灵敏度、高分辨率、宽波长响应范围等优点,广泛应用于光通讯、光计算、医疗、安防、航空航天、环境监测等领域。光电探测技术的集成化和智能化已成为当前的发展趋势,通过与先进的信号处理算法和人工智能技术相结合,光电探测系统能够实现更高的自动化和智能化水平。随着微电子技术的进步,光电探测器和成像系统的微型化、便携化也成为可能。现阶段国内光电探测器蓬勃发展,基于新型材料和结构的红外探测器、可见光探测器、紫外探测器等都取得了丰硕了成果。为了促进国内光电探测领域的学术研究和发展,加强相关研究学者之间的学术交流与合作,《光子学报》特别推出“光电探测器”专题,集中展示和探讨我国光电探测领域的研究成果和研究进展。本专题文章侧重红外探测器和紫外探测器中应用的多种新材料、新结构及器件新性能.

探测器机械结构静力学分析与轻量化设计

在产品设计过程中,机械结构的静力学分析与轻量化设计对产品的整体质量有着极为重要的影响。对产品的机械结构进行静力学分析可以保证产品有较好稳定性,对产品进行轻量化设计则是提高产品的综合性能,比如在不影响强度的情况下减小产品质量,从而提高产品综合品质。基于此,本文将结合3He管探测器的设计,对其主要部件进行静力学分析,并借助静力学分析结果对探测器的密闭腔体与盖板进行轻量化设计。

基于InSe/MoTe_(2)异质结构的超灵敏宽光谱光电探测器

基于光栅效应的二维材料垂直结构可实现高灵敏度和宽光谱光探测器。本文报告了一种基于硒化铟(InSe)/二碲化钼(MoTe_(2))垂直异质结构的高灵敏度光电探测器,该探测器在365~965 nm波长范围内具有出色的宽光谱探测能力。顶层的InSe用作调节沟道电流的光栅层,MoTe_(2)则用作传输层。通过结合两种材料的优势,该光电探测器的响应时间为21.6 ms,比探测率在365 nm光照下可以达到1.05×10^(13)Jones,在965 nm光照下也可达到109 Jones数量级。外量子效率可达1.03×10^(5)%,显示出强大的光电转换能力。

地理探测器方法下长江经济带(江苏段)土地城镇化时空演变及驱动因子分析

定量分析土地城镇化时空演变驱动力可为城市可持续发展提供科学依据。本文将对地观测数据与人口、经济数据相结合,以长江经济带(江苏段)沿江8市为例,基于2000—2020年5期Landsat影像、夜间灯光影像、年末人口总数和GDP,采用GeDetector对其近20年间空间、人口及经济维度的演化及多尺度分化的进程进行探讨,分析土地城镇化时空演变规律及驱动因子。研究结果表明:(1)城镇化过程直接驱动地表类型的变化,且人口数量和GDP总量能够作为城镇化过程强度的定量指标;(2)夜间灯光(NTL)数据耦合人口或经济统计数据能够较好解释区域城镇化过程中的时空差异;(3)长江经济带(江苏段)沿江8市城镇化过程经历了由数量向质量的转变。研究结果为引导城镇建设用地合理配置提供科学依据,为城市可持续发展提供决策参考。

强流脉冲束流位置探测器标定技术

电子直线感应加速器性能提升对束流探测器提出了高精度测量要求,由此不仅要求高精度的探测器设计装配技术,而且也要求探测器的准确标定。从强流脉冲束流位置探测器测量原理出发,从理论和实验两方面开展强流脉冲束流位置探测器标定技术研究。在理论上采用解析方法,分析了不同的计算处理方法和标定方法的标定效果,提出了特征平面标定,在建立的位置标定系统上,对用于多脉冲电子直线感应加速器的No.23电阻环进行了标定实验研究,实验结果验证了理论分析结果,根据理论和实验研究结果,确定了强流脉冲束流位置探测器标定方法。

基于探测器响应机理的碳/碳构件CT图像环状伪影的校正方法

在碳/碳复合材料的计算机断层扫描(CT)中,由于探测器单元的响应非线性及不一致性导致重建图像出现严重的环状伪影,干扰图像中缺陷的检出,影响检测系统对被检构件的质量评价。结合碳/碳复合材料组分单一且密度均匀的特点,提出了一种基于探测器响应机理的CT图像环状伪影的校正方法,利用采集的劣化投影数据做预重建,对重建结果做阈值分割以获得被检测物体的三维模型。结合已知的材料和密度信息,对被检物体进行重投影,得到投影数据的理论值与实测值之间的映射关系,用于探测器响应校正以优化检测图像。与传统低通滤波的环状伪影校正方法相比,该方法考虑了环状伪影的物理成因并充分利用了检测对象的先验信息。研究结果表明,该校正方法在保留图像细节和纹理的同时,能够有效减少环状伪影,提升图像质量,消除伪影对于图形中缺陷识别的干扰,为提升检测系统对碳/碳复合材料构件缺陷的检出能力提供理论依据。

低轨星座红外探测器对临近空间高超声速目标的可探测性分析

以STSS LEO红外探测平台为例,分析其对AGM-183A类空射式高超声速目标的可探测性。为了直观比较不同条件下目标的光电探测特性,将其量化为焦平面上输出信噪比超过阈值的像元数量。首先计算目标气动温度及光谱辐射强度,再利用探测器模型,计算在不同探测方向、距离和角度下,焦平面的信噪比峰值以及超过信噪比阈值的像元数量。分析结果表明,星下点模式下信噪比峰值最高(335),且超过信噪比阈值(6)的像元数最多(54×54),此像元数代表LEO星座对AGM-183A目标的最大可探测性。在临边探测模式下,给出目标可探测性随探测角度和目标温度的变化规律。结果表明,当目标温度接近800 K且探测方位角ψ小于10°(或大于170°)时,焦平面上超过信噪比阈值的像元数量为4×4,说明此时目标可探测性已经接近探测器的理论极限(3×3)。对比来看,温度的改变对目标可探测性的影响更为显著。在临边探测模式下,目标在飞行中段采用主动冷却手段降低表面气动温度以逃脱LEO探测的概率更高。从提高预警能力角度,要提高探测器在最不利角度对温度接近800 K目标的信噪比阈值(方位角ψ小于10°或大于170°时焦平面像元数量不低于8×8)。

基于DBR增强的850 nm GaAs/AlGaAs单行载流子光电探测器

高速850 nm GaAs/AlGaAs面入射型单行载流子光电探测器(PD)是短距离光链路中的重要器件,面临着带宽和响应度之间的相互矛盾。报道了一种基于分布布拉格反射器(DBR)增强的GaAs/AlGaAs单行载流子光电探测器(UTC-PD)。DBR由20个周期的高/低Al组分的Al_(x)Ga_(1-x)As三元合金组成,可以在830~870 nm范围内形成大于0.9的反射。在AlGaAs DBR的增强下,将GaAs吸收层所需的厚度降低到1 040 nm,兼顾PD对光的吸收率和光生载流子的渡越时间。采用双台面、聚合物平面化、共面波导电极结构制作了UTC-PD器件。该器件在850 nm波长、-2 V偏压下具有19.26 GHz的-3 dB带宽和0.492 6 A/W的响应度。

无人机载LaBr_(3)(Ce)探测器对点源的最小可探测活度研究

随着核能与核技术应用的不断发展,对无人机载航空测量设备提出了新的要求。LaBr_(3)(Ce)探测器以其优良的能量分辨率(<3%@661.2 keV)以及较高的探测效率受到了特别的关注。本文通过开展对LaBr_(3)(Ce)探测器的性能测试及无人机载飞行实验,对2″×φ2″英寸LaBr_(3)(Ce)探测器在不同条件下对点源的探测能力进行了研究。测试内容主要包括对LaBr_(3)(Ce)探测器的本底测试、探测效率测试、角响应测试等。飞行实验包括在不同辐射本底下的不同高度、不同速度、不同偏航距的飞行测试。确定了2″×φ2″英寸LaBr_(3)(Ce)探测器在K为557.01 Bq/kg、U为17.64 Bq/kg、Th为29.41 Bq/kg的辐射背景场下,不同飞行条件时探测器对~(137)Cs点源的最小可探测活度。

月球探测器鲁棒环形山检测及光学导航方法

针对月球探测器环形山检测方法受光照影响、鲁棒性差的问题,本文提出一种基于极大熵阈值三值化的鲁棒环形山检测算法。采用不同滤波核对图像进行去噪平滑,然后对处理后的图像进行极大熵阈值分割、将图像信息三值化,去除图像对光源的敏感性,同时最大程度保留图像信息;提出一种归一化多指标约束环形山匹配和拟合方法完成环形山提取,将环形山提取算法应用于光学导航中进行打靶实验验证算法实时性表现。仿真结果表明:与传统基于形态学或自适应边缘检测的方法相比,本文方法在较大尺度条件下提取出连续、光滑的环形山边缘,有效环形山数量提升35%以上,同时实时性更好、计算消耗降低40%;基于鲁棒环形山提取的光学导航算法实时性更好。

基于CMOS的高响应度太赫兹探测器线阵

本文提出了一种基于CMOS 0.18μm工艺的改进型高响应度太赫兹探测器线阵,各探测像素单元由高增益片上天线、高耦合度差分自混频功率探测电路和集成电压放大器组成。其中,差分探测电路利用源极差分驱动场效应管的交叉耦合电容,将太赫兹差分信号耦合至场效应管的栅极与源极,增强场效应管沟道内自混频太赫兹信号的强度,实现高响应度。其次,该探测器配备高增益片上环形差分天线与集成电压放大器,可有效放大混频后的信号,进而提高系统信噪比,最终达到增强探测器响应度的目的。探测器1×3线阵系统充分利用CMOS工艺多层结构的特点,将电压放大器布置在天线地平面下方,提高了芯片面积的利用率,有效降低了制作成本,整个系统的面积为0.5 mm^(2)。测试结果表明,当场效应管的栅极偏置为0.42 V时,该探测系统对0.3 THz辐射信号的电压响应度(Rv)最大可达到43.8 kV/W,对应的最小噪声等效功率(NEP)为20.5 pW/Hz^(1/2)。动态测试结果显示该探测器可对不同材质的隔挡物进行区分。

大幅宽多谱段高光谱红外探测器研究

报道了基于分子束外延(Molecular Beam Epitaxy,MBE)碲镉汞(Mercury Cadmium Telluride,MCT)技术的大幅宽、多谱段、大像元高光谱红外探测器的最新研究进展。采用MBE技术制备出高质量MCT材料;采用成熟的n-on-p技术路线制备探测芯片,并针对特殊形状的大像元进行了优化;高光谱专用读出电路设计针对短波、窄谱段、小信号等典型特征进行了优化,并针对光谱应用加入行增益可调等功能设计。测试结果表明,组件基本性能良好,有效像元率大于99.5%,平均量子效率优于70%。

Ag/Bi_(2)O_(3)纳米块自供能紫外探测器的制备及性能

为了实现在无外部供能下对紫外光的有效探测,基于Ag修饰的Bi_(2)O_(3)纳米块(Ag/Bi_(2)O_(3))纳米块制备了自供能紫外探测器。通过煅烧法制备Bi_(2)O_(3)纳米块,随后采用室温溶液法在其表面沉积Ag纳米粒子,进而成功制备了Ag/Bi_(2)O_(3)纳米块,且对所制备样品的晶体结构和微观形貌等进行了表征。结果表明,Ag/Bi_(2)O_(3)纳米块的平均尺寸约为1μm,且Ag纳米粒子随机分布在Bi_(2)O_(3)纳米块表面。将涂覆Ag/Bi_(2)O_(3)纳米块的FTO作为工作电极,并进一步构建了自供能紫外探测器。在365 nm的紫外光照射下,Ag/Bi_(2)O_(3)纳米块紫外探测器能在零偏压下实现对紫外光的快速检测,这证实其具有自供能特性。相比于Bi_(2)O_(3)纳米块紫外探测器,Ag/Bi_(2)O_(3)纳米块紫外探测器的光电流得到明显提升,上升和下降时间分别缩短至29.1 ms和40.2 ms,并具有良好的循环稳定性。

宽体探测器CT血管造影与超声心动图对小儿先天性心脏病的诊断效能

目的探讨宽体探测器CT血管造影(computer tomography angiography,CTA)与超声心动图(ultrasound cardiogram,UCG)在小儿先天性心脏病(congenital heart disease,CHD)的诊断效能。方法回顾性分析2019-08/2023-09月作者医院收治的65例疑似CHD患儿的影像学资料,所有患儿均行心脏CTA及UCG检查。对两种检查方式的图像质量进行主观评价并比较其差异;以手术或数字减影血管造影(digital subtraction angiography,DSA)为“金标准”,对比两种检查方式在诊断CHD的灵敏度、特异度、阳性预测值、阴性预测值及准确率的差异,并应用Kappa检验比较与“金标准”结果的一致性;采用受试者工作特征(receiver operating characteristic,ROC)曲线分析两种检查方式对小儿CHD的诊断效能。结果CTA诊断小儿CHD心外畸形图像质量主观评分明显高于UCG,二者比较差异具有统计学意义(P<0.05),心内畸形图像质量主观评分二者比较差异无统计学意义(P>0.05)。两名医师对图像质量主观评分的一致性较好(κ=0.802)。CTA、UCG诊断小儿CHD心内畸形准确率比较差异无统计学意义(P>0.05);CTA诊断小儿CHD心外畸形准确率为96.43%,显著高于UCG 50.00%,组间比较差异具有统计学意义(P<0.05)。CTA诊断小儿CHD的灵敏度、特异度、阳性预测值、阴性预测值及准确率分别为90.00%、60.00%、96.43%、33.33%及87.69%,与手术或DSA结果一致性较好(κ=0.766);UCG诊断CHD的灵敏度、特异度、阳性预测值、阴性预测值及准确率分别为83.33%、20.00%、92.59%、9.09%及79.81%,与手术或DSA结果一致性一般(κ=0.522)。CTA、UCG两种检查方式诊断小儿CHD的灵敏度、特异度、阴性预测值及准确率差异比较均有统计学意义(P均<0.05)。ROC曲线分析结果显示,CTA与UCG诊断小儿CHD的曲线下面积(area under the cure,AUC)分别为0.853和0.773,二者比较差异有统计学意义(P<0.05)。结论宽体探测器CTA在小儿CHD心外畸形方面的诊断效能优于UCG,而在心内畸形方面稍差,因此建议二者联合检查,诊断价值更高。

太阳系边际探测器自主技术需求分析

回顾了已有的太阳系边际探测任务及其自主运行技术的初步应用情况,归纳了太阳系边际探测任务的特点。结合发展和应用历程,分析了实现太阳系边际探测器自主运行所需的关键技术,并给出了各项技术的重点研究方向,包括不确定环境下的自主任务规划技术、超长周期高可靠性自主健康管理技术、极远深空环境自主导航技术、核电源系统自主运行管理技术、极端热环境下的自主热控技术和超远距离下自主通信与休眠技术,能够为太阳系边际探测任务的关键技术研究和任务实施提供参考。

基于优化地理探测器的生态环境质量驱动力分析

[目的]克服生态环境质量(EQI)演化驱动因子在离散化过程中的随机性和主观性,优化传统地理探测器。[方法]利用相等间隔法、分位数法、自然断点法、几何间隔法和标准差法5种离散方法,对重庆市22项EQI演化驱动因子进行离散化,并结合地理探测器确定各因子的合理离散法与分类数,从而探究各驱动因子的驱动力大小和各驱动因子间交互模式。[结果](1)2005—2020年重庆市EQI处于I、Ⅲ和Ⅳ级的区县数量占比减少0.211,处于Ⅱ和V级的区县数量占比上升0.211,总体呈下降趋势,在空间上呈由西北向东南走向的梯度分布特征。(2)研究中各离散方法适用性排序为:自然断点法>几何间隔法>分位数法>相等间隔法>标准差法。不同因子适用的离散方法各异,应根据因子数据特征择优选取离散方法。(3)识别出影响重庆市EQI演化的关键驱动因子4个(0.37~0.49),主要驱动因子13个(0.14~0.33)、次要驱动因子4个(0.05~0.13)和其他因子1个(0.04),各驱动因子间交互作用均为双重增强或非线性增强。[结论]合理的离散化可以一定程度上克服连续数据离散化过程中的随机性和主观性,从而优化重庆市EQI演化驱动力探测结果。

类蜂窝结构高灵敏度裂变室探测器模拟仿真研究

目前的反应堆功率监测系统要求使用单一裂变电离室在适应反应堆堆芯的高辐射场下的中子注量率测量的同时可以以高灵敏度的脉冲工作模式适应反应堆启动阶段的低中子注量率情况下的测量。然而,由于裂变碎片在易裂变物质涂层中的射程较短,具有较强的自吸收效应,因此无法通过增大裂变材料涂层厚度提升探测器的灵敏度。本文提出了一种类蜂窝结构的圆柱栅格裂变室探测器,将探测器比表面积提高为普通圆柱电离室的3倍,从而在不增加裂变物质涂层厚度的情况下,大幅度增加了裂变物质的有效质量,实现了高的中子灵敏度。基于Geant4的蒙特卡罗模拟表明21片栅格板和2.5mg/cm^(2)的^(235)U涂层的裂变电离室可以实现3cps/nv的热中子探测灵敏度。使用Garfield++对探测器内电离电子的迁移和扩散的仿真结果表明,使用Ar/CO_(2)(96/4)作为工作气体可以平衡电离电子的漂移速度和横向扩散,并实现极间电压为725V时96.5%的电子迁移效率。本文的模拟和仿真结果表明,该类蜂窝结构裂变电离室在脉冲模式下具有高的热中子灵敏度,有希望适应反应堆从启动到满功率运行的宽量程的功率监测。

基于模式识别技术的光电探测器故障辨识研究

当前光电探测器故障辨识错误率高,为提升光电探测器故障辨识效果,设计了基于模式识别技术的光电探测器故障辨识方法。首先采集光电探测器状态信号,并从光电探测器状态信号中提取特征,然后利用主成分分析算法对特征进行降维处理,得到最优光电探测器状态辨识特征,最后将光电探测器状态特征作为支持向量机的输入,光电探测器状态作为支持向量机输出,通过支持向量机学习设计光电探测器状态辨识器,实验结果表明,本方法可以有效辨识光电探测器辨识故障,光电探测器故障辨识正确率超过了90%,光电探测器故障辨识时间控制在20 ms以内,为光电探测器状态分析提供了理论依据。

基于Bi_(2)O_(3)/g-C_(3)N_(4)复合材料的自供能紫外探测器的制备及性能研究

为了获得高性能的自供能紫外探测器,结合热聚法和溶液法成功制备了Bi_(2)O_(3)/g-C_(3)N_(4)复合材料,并对其微观形貌、晶体结构、元素组成及价态进行了表征。结果表明,Bi_(2)O_(3)呈蜂窝状结构的块体,其附着在具有层状结构的g-C_(3)N_(4)纳米片上。基于该异质结制备了无需外加偏压即能工作的紫外探测器。在紫外光照射下,Bi_(2)O_(3)/g-C_(3)N_(4)光电探测器能够立即产生光电流并达到最大稳定值约0.43μA,相比于Bi_(2)O_(3)纳米块紫外探测器,其光电流提升了约1.05倍。值得注意的是,Bi_(2)O_(3)/g-C_(3)N_(4)紫外探测器还展现出了快的响应速度(约181.7 ms),并且其光电流与入射光强也具有良好的线性关系,表明该器件对不同强度的紫外光均能实现快速且稳定的探测。