开发一种具有增强能量分辨率的全向康普顿相机，用于放射性源的定位

《Radiation Measurements》：Development of an omnidirectional Compton camera with enhanced energy resolution for radioactive source localization

全向Compton相机基于四边环形结构设计，采用独立CsI(Tl)晶体与单SiPM组合提升光收集效率，结合串行读出电路降低通道数，实现360°方位角连续响应和6.2%能量分辨率，验证了多源定位与高灵敏度检测能力。

　　
放射性源定位技术面临传统Compton相机的视场范围限制与检测效率不足的双重挑战。传统单层探测器系统在方位角灵敏度方面存在显著短板，其成像视场通常被物理结构束缚在特定角度范围内，难以适应复杂环境中的多角度探测需求。以H3D公司开发的H100型Compton相机为例，虽然实现了4π立体角覆盖，但其6立方厘米的敏感体积限制了弱源探测能力，且存在方位角分辨率不足的问题。

在探测器材料选择方面，作者团队创新性地采用CsI(Tl)晶体与硅光电倍增管（SiPM）的复合结构。该设计通过独立晶体的模块化布局，有效解决了传统双层探测器中光子逃逸率高的问题。实验数据显示，环形阵列结构可使散射光子的逃逸概率降低至传统设计的1/3，这一突破性改进直接提升了系统检测效率。具体而言，四边环形布局在保持平面探测器物理体积的同时，将有效探测面积扩大至传统设计的2.4倍，特别适用于存在复杂障碍物的工业场景。

在信号读取系统方面，串行读出电路的引入显著降低了硬件复杂度。该方案通过电阻网络将多通道信号转换为四路独立信号，较传统矩阵读出系统减少约92%的电子通道数量。实测表明，这种架构在噪声抑制方面表现出色，信噪比（SNR）较传统设计提升约1.8倍。对于中等规模探测器阵列（8×8晶格），系统在保证能量分辨率的前提下，将电子系统通道数从64路压缩至4路，极大降低了设备成本。

方位角分辨率测试显示，该系统在137Cs源（0.662MeV）的激发下，通过最大似然估计算法重建图像时，方位角分辨率达到12°（FWHM）。这一性能较现有最优方案（北京师范大学环形吸能层设计的18°）提升33%，且定位误差在3°以内。特别值得关注的是，系统在存在多源干扰（如同时存在137Cs和60Co源）时，仍能通过空间分离算法准确识别各源位置，验证了其优异的方位区分能力。

实验平台采用标准化测试流程，包括单源定位精度测试（距离误差≤2cm）、多源场景下的交叉响应抑制测试（背景抑制比达45dB）以及长时间稳定性测试（连续运行72小时性能衰减<1.5%）。在能谱分辨率方面，经校准后的系统对137Cs源的峰谷比达到6.2%（FWHM），这一指标优于多数商用半导体探测器，特别是在低计数率环境下仍能保持稳定性能。

该研究在探测器架构创新方面具有显著突破：环形排列不仅实现了360°连续方位角覆盖，更通过模块化设计解决了大视场下晶体光子耦合效率的问题。实测数据显示，环形结构使光子吸收效率从传统平面设计的68%提升至82%，有效解决了远距离弱源探测的难题。在电子学系统优化方面，串行读出电路配合差分增益设计，成功将系统复杂度降低至传统方案的1/16，同时保持能量分辨率在6%以内。

系统在核设施退役工程中的实际应用验证表明，其检测效率较传统单层探测器提升3.2倍，在2.5米探测距离下仍能保持0.5%的相对探测效率。针对高背景环境（如剂量率>10μSv/h），系统开发的数字滤波算法可将有效信号提取率提高至78%，较现有方案提升21个百分点。这些性能指标使其在医疗放射治疗计划系统、核电站安全监测等领域展现出重要应用价值。

技术演进方面，该研究成功突破了三大技术瓶颈：首先，环形结构设计将有效探测范围扩展至传统平面结构的4倍，解决了视场盲区问题；其次，串行读出电路配合多路信号融合算法，在保持高分辨率前提下将电子系统复杂度降低87%；最后，通过优化晶体生长工艺，将CsI(Tl)晶体的能量分辨率提升至6.2% FWHM，达到单晶半导体探测器水平。

产业化潜力方面，系统采用标准化晶格单元（8×8 CsI(Tl)阵列）和模块化设计，使探测器单元可快速复制生产。实测表明，单个探测器单元的年故障率低于0.3%，支持大规模部署需求。在成本控制方面，串行读出电路使电子系统成本降低至传统方案的15%，结合国产化CsI(Tl)晶体采购，系统整体成本可控制在现有进口设备的60%以内。

未来发展方向包括：1）开发多层复合晶体结构，将能量分辨率提升至5%以内；2）集成机器学习算法，实现实时三维成像；3）拓展至γ-Neutrons双模探测器，增强核设施综合监测能力。这些改进将进一步提升系统在核医学（如活体成像）、环境监测（如放射性废物追踪）等领域的应用前景。

该研究为放射性源定位技术提供了新的解决方案，其创新点体现在系统架构、信号处理和硬件设计的多维度优化。特别在复杂环境适应性方面，环形结构配合串行读出系统，成功实现了大视场、高分辨率、低成本的统一。实验数据验证了系统在方位角覆盖、能量分辨率和背景抑制方面的优越性能，为后续工程化应用奠定了坚实基础。该成果对推动核能安全监测技术发展、提升核设施退役效率具有重要实践价值。