一種高靈敏度且能量響應(yīng)平坦的真空型康普頓探測器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種真空型康普頓伽馬探測器，具體說是在強(qiáng)流脈沖伽馬輻射場中測量伽馬射線的、靈敏度能量響應(yīng)平坦的康普頓探測器。在現(xiàn)有的脈沖伽馬射線探測中，探測器能量響應(yīng)不平坦，不具備對入射粒子能量的分辨能力。在伽馬射線強(qiáng)度測量中，由于脈沖輻射場能譜是通過理論計算給出，與實際能譜存在一定差異，測量不確定度大，不能滿足高精度強(qiáng)度測量的需求。本發(fā)明采用厚薄材料疊加的發(fā)射極，通過探測器前端擋鉛，大大改善了康普頓探測器的能量響應(yīng)平坦特性。在此基礎(chǔ)上，對發(fā)射極薄材料優(yōu)化以及采用多組發(fā)射極結(jié)構(gòu)，提高了探測器的靈敏度。
【專利說明】一種高靈敏度且能量響應(yīng)平坦的真空型康普頓探測器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種測量脈沖伽馬射線的康普頓探測器，具體說是為測量注量率在117?122 y/(s -cm2)，能量區(qū)間在0.4?5MeV,時間譜半寬度在Ins以上的脈沖伽馬射線而設(shè)計的一種真空型康普頓探測器。

【背景技術(shù)】
[0002]射線與物質(zhì)相互作用中，康普頓效應(yīng)是在很寬的能量范圍內(nèi)占優(yōu)勢的一種效應(yīng)，所以直接收集Y射線發(fā)生康普頓效應(yīng)所產(chǎn)生電流的一類探測器，就被稱之為康普頓探測器(或康普頓二極管)。
[0003]圖1為真空康普頓探測器(VCD)結(jié)構(gòu)示意圖。強(qiáng)流伽馬射線束由準(zhǔn)直孔射入，一部分透過入射窗、發(fā)射極，由出射窗射出；另一部分射線與入射窗、發(fā)射極和出射窗發(fā)生康普頓散射、光電效應(yīng)和電子對效應(yīng)，產(chǎn)生電子。對于能量處于0.5?1MeV的Y射線來說，后兩種作用幾率很小，主要作用是康普頓散射。發(fā)射極上既可以收集入射窗、出射窗產(chǎn)生的康普頓電子，又與Y射線作用發(fā)射康普頓電子，其差額部分就在發(fā)射極回路中形成電流信號。
[0004]伽馬射線強(qiáng)度或總數(shù)測量是脈沖伽馬輻射場的主要參數(shù)之一，它直接決定了脈沖輻射場核反應(yīng)過程的結(jié)果。因此，測量伽馬射線絕對強(qiáng)度、數(shù)目及其隨時間的變化成為脈沖伽馬輻射場診斷中的核心內(nèi)容。獲得脈沖伽馬射線輻射場的絕對強(qiáng)度、數(shù)目，要求準(zhǔn)確知曉脈沖輻射場伽馬能譜以及探測器對不同能量伽馬射線的靈敏度響應(yīng)。然而，脈沖伽馬輻射場能譜測量在技術(shù)上存在極大的困難，在這種情形下，要獲得脈沖伽馬射線的絕對強(qiáng)度和數(shù)目等參數(shù)，可行的方法之一就是探索和建立在脈沖伽馬輻射場能量范圍內(nèi)靈敏度能量響應(yīng)不隨伽馬射線能量變化的脈沖伽馬射線探測技術(shù)原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，研制出能量響應(yīng)平坦的探測器。
[0005]在現(xiàn)有的脈沖伽馬射線探測中，主要采用兩類探測器:一種是閃爍體與光電器件組成的閃爍探測器；另一種是基于康普頓效應(yīng)設(shè)計的真空康普頓探測器(VCD)和介質(zhì)康普頓探測器(DCD)?；陂W爍體的光電探測器靈敏度高，適合于低強(qiáng)度伽馬射線束的測量，其靈敏度通常在10_1(1-10_2°C.cm2/ Y，這類探測器是基于能量收集的探測器，對伽馬射線的探測靈敏度隨能量變化比較劇烈，能量響應(yīng)不平坦；康普頓探測器是電荷收集型探測器，靈敏度很低，通常在10_19-10_23C.cm2/Y，適合于高強(qiáng)度伽馬射線束參數(shù)測量，其能量響應(yīng)比閃爍探測器要平坦，但依然不夠理想。在這兩種探測器應(yīng)用于脈沖伽馬輻射場強(qiáng)度測量時，由于脈沖輻射場能譜是通過理論計算給出，與實際能譜存在一定差異，導(dǎo)致測量結(jié)果不確定度較大?？傊?，使用現(xiàn)有的探測手段或探測器，在脈沖輻射探測中，探測器都不具備在寬能量范圍內(nèi)能量響應(yīng)平坦的特點，不具備對入射粒子能量的分辨能力。
[0006]2005年11月出版的《核電子學(xué)與探測技術(shù)》第25卷第6期第668-674頁公開了一種能量響應(yīng)相對平坦的介質(zhì)康普頓探測器，采用的是前后散射體、吸收體厚度可調(diào)的結(jié)構(gòu)，雖然起到一定效果，但報道的結(jié)果顯示平坦性效果并不是很理想。2008年4月清華大學(xué)博士學(xué)位論文《基于散射電子的脈沖伽馬閃爍探測技術(shù)研究》通過收集散射靶出射的電子，研究獲得了在0.4?5MeV能量區(qū)間，靈敏度變化小于15%的探測器系統(tǒng)。而散射靶轉(zhuǎn)換效率低，伽馬散射本底對有效信號影響大，使得探測系統(tǒng)靈敏度標(biāo)定較困難，標(biāo)定不確定度較大。2012年6月出版的《強(qiáng)激光與粒子束》第24卷第6期第1488-1492頁公開了一種能量響應(yīng)平坦的康普頓探測器設(shè)計方法，采用0.01、1.0Omm厚Au疊加的發(fā)射極，3mm厚Fe前窗以及3mm擋鉛,在Φ40_準(zhǔn)直下,實現(xiàn)了在0.4?7MeV Y能區(qū)內(nèi)，探測器本征靈敏度極值變化小于10.7%，探測器本征探測效率為1.611X10_3e/y，靈敏度為3.2X 10_21C.cm2/Y。雖然能量響應(yīng)平坦性取得了較好的效果，但是探測器的靈敏度值還偏低。同時兼有高靈敏度和平坦響應(yīng)的康普頓探測器還未見諸報道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明目的是提供一種高靈敏度且能量響應(yīng)平坦的真空型康普頓伽馬探測器，以滿足更大動態(tài)范圍強(qiáng)流脈沖伽馬射線源強(qiáng)度的高精度測量要求。
[0008]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0009]一種高靈敏度且能量響應(yīng)平坦的真空型康普頓探測器，包括擋鉛1、準(zhǔn)直器2、入射窗3、密封筒體4、真空除氣通道5、絕緣定位環(huán)6、絕緣固定支架7、電子發(fā)射極板、信號引出導(dǎo)線9、同軸電纜轉(zhuǎn)接座10、出射窗11 ;其特殊之處是:所述電子發(fā)射極板包括初級電子發(fā)射極板8和次級電子發(fā)射極板12 ;所述初級電子發(fā)射極板8和次級電子發(fā)射極板12分別通過絕緣定位環(huán)6固定在絕緣固定支架7上，且依次位于準(zhǔn)直器2后方的入射窗3和出射窗11之間；所述初級電子發(fā)射極板8包括同軸線設(shè)置且貼合在一起的環(huán)狀厚極板和板狀薄極板；所述板狀薄極板在環(huán)狀厚極板遠(yuǎn)離射線通道側(cè)壓接在環(huán)狀厚極板上；所述初級電子發(fā)射極板8的環(huán)狀厚極板的外徑大于準(zhǔn)直器2的內(nèi)徑；所述環(huán)狀厚極板的外徑和內(nèi)徑比為1.5:1-5:1 ;所述環(huán)狀厚極板和板狀薄極板的厚度比為100:1-20:1 ;所述環(huán)狀厚極板采用mm級中Z或高Z金屬材料；所述板狀薄極板采用能量響應(yīng)具有下弧線趨勢的十微米級高Z金屬材料；所述次級電子發(fā)射極板12包括同軸線設(shè)置的環(huán)狀厚極板和板狀薄極板；所述板狀薄極板在環(huán)狀厚極板遠(yuǎn)離射線通道側(cè)壓接在環(huán)狀厚極板上；所述次級電子發(fā)射極板12的環(huán)狀厚極板的內(nèi)徑大于初級電子發(fā)射極板8的環(huán)狀厚極板的內(nèi)徑；所述環(huán)狀厚極板的外徑和內(nèi)徑比為1.5:1-5:1 ;所述環(huán)狀厚極板和板狀薄極板的厚度比為100:1-20:1 ;所述環(huán)狀厚極板采用mm級中Z或高Z金屬材料；所述板狀薄極板采用能量響應(yīng)具有下弧線趨勢的十微米級高Z金屬材料。
[0010]上述板狀薄極板采用Ta、W、Os、Pt或Au。
[0011]上述環(huán)狀厚極板的最佳外徑與內(nèi)徑比2:1
[0012]上述擋鉛I?3mm厚,上述入射窗為I?4mm的Fe板。
[0013]本發(fā)明相對現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是:
[0014]1、瞄準(zhǔn)的探測器在0.4?5MeV區(qū)間能量響應(yīng)平坦，實際能量響應(yīng)平坦區(qū)間拓展到
0.4 ?7MeV ；
[0015]2、在0.4?7MeV能量區(qū)間，能量響應(yīng)變化波動小于6%。其在寬能量區(qū)間的平坦特性優(yōu)于當(dāng)前的各種探測器。
[0016]3、本發(fā)明可以同時獲得探測器靈敏度為10_2°C.cm2/ Y量級且能量響應(yīng)不平坦性小于10%的真空型康普頓探測器。
[0017]4、本發(fā)明滿足強(qiáng)流脈沖伽馬射線強(qiáng)度需求，能大大降低測量不確定度。
[0018]5、本發(fā)明采用次級發(fā)射極板的內(nèi)徑大于初級發(fā)射極板的內(nèi)徑，從而實現(xiàn)靈敏度極大與極小偏差小于5.5%。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是現(xiàn)有常見真空康普頓探測器結(jié)構(gòu)；
[0020]圖2是本發(fā)明雙發(fā)射極高靈敏度真空康普頓探測器整體結(jié)構(gòu)；
[0021]圖3是不同厚度Au發(fā)射極出射電子數(shù)隨入射伽馬能量變化曲線；
[0022]圖4是100 μ m內(nèi)不同厚度Au發(fā)射極出射電子數(shù)隨入射伽馬能量變化曲線；
[0023]圖5是雙發(fā)射極高靈敏度真空康普頓探測器與一般的單發(fā)射極平坦康普頓探測器能量響應(yīng)曲線對比；
[0024]附圖標(biāo)記如下:1_擋鉛，2-準(zhǔn)直器，3-入射窗，4-密封筒體，5-真空除氣通道，
6-絕緣定位環(huán)，7-絕緣固定支架，8-厚薄材料疊加電子發(fā)射極板，9-信號引出導(dǎo)線，10-同軸電纜轉(zhuǎn)接座，11_出射窗，12-次級電子發(fā)射極板。
具體實施例
[0025]本發(fā)明原理:
[0026]本發(fā)明采用厚薄材料疊加發(fā)射極板，并增加發(fā)射極板的數(shù)目，以提高探測器的靈敏度。
[0027]為了改善探測器的能量響應(yīng)平坦特性，應(yīng)選用靈敏度能量響應(yīng)曲線變化趨勢在厚薄兩種情形下有相反變化趨勢金屬，并配合擋鉛、入射窗確定。
[0028]發(fā)射極厚材料采用mm級常見金屬材料，外形為圓柱孔，外徑為50mm,內(nèi)徑為25mm ；薄材料采用能量響應(yīng)具有下弧線趨勢的十微米級高Z金屬材料，主要有Ta、W、0s、Pt、Au，形狀為外徑為50mm的薄圓片。薄材料在發(fā)射極板遠(yuǎn)離射線通道側(cè)壓接在厚材料上。主要通過調(diào)節(jié)不同厚度材料面積比來調(diào)整能量響應(yīng)平坦特性。圖3、圖4給出了不同厚度Au的出射電子特性示例。
[0029]為了降低低能段能量響應(yīng)，在探測器射線通道前端200mm處設(shè)置I?3mm Pb塊(擋鉛)。入射窗為I?4_的Fe板，與探測器外殼圓筒密封體進(jìn)行焊接密封。通過擋鉛對低能段衰減和入射窗對擋鉛后端中高能射線進(jìn)一步衰減調(diào)節(jié)康普頓探測器中高能平坦特性。
[0030]出射窗和密封筒體材料均為不銹鋼，其中，出射窗厚度為2_7mm，密封筒體厚度為
2-5_。真空除氣通道為可進(jìn)行壓接封裝的銅管材料。不同材料厚度疊加的發(fā)射極板通過信號導(dǎo)線與同軸電纜轉(zhuǎn)接座的芯線連接引出測量信號。
[0031]絕緣固定支架固定在出射窗內(nèi)表面上，絕緣定位環(huán)固定在支架上，發(fā)射極通過絕緣定位環(huán)壓接固定。
[0032]探測器使用時需要做好周圍屏蔽以減小干擾提高信噪比。用于準(zhǔn)直的鉛通道孔徑Φ 40，小于發(fā)射極直徑，長度為200mm (或更長)。
[0033]下面通過實施例對本發(fā)明給予進(jìn)一步說明:
[0034]實施例雙發(fā)射極能量響應(yīng)平坦探測器
[0035]參見圖2，本實施例由擋鉛1，準(zhǔn)直器2，入射窗3，密封筒體4，真空除氣通道5，絕緣定位環(huán)6，絕緣固定支架7，初級電子發(fā)射極板8，信號引出導(dǎo)線9，同軸電纜轉(zhuǎn)接座10，出射窗11，次級電子發(fā)射極板12組成。
[0036]密封筒體4選用SUS304不銹鋼材料，規(guī)格為外徑100(單位為mm，下同)，內(nèi)徑96，長度157的圓筒。在密封筒體縱向長度的中點上，對稱切割兩個Φ15的圓孔。將外徑15內(nèi)徑13長30的銅管焊接在其中一個圓孔上，構(gòu)成真空除氣通道5 ;將外徑15內(nèi)徑13長30的不銹鋼管焊接在另一個圓孔上，另一端密封焊接L16-50K同軸電纜座(電纜座的皮連接不銹鋼管)，構(gòu)成同軸電纜轉(zhuǎn)接座10。信號引出線9選用直徑為1_的銅導(dǎo)線，一端連接厚薄材料疊加的發(fā)射極板，另一端連接同軸電纜轉(zhuǎn)接座10的芯。
[0037]入射窗3選用純鐵材料，規(guī)格為Φ96Χ3，密封焊接在密封筒體4的一端，出射窗11選用純鐵材料，規(guī)格為Φ96Χ2，密封焊接在密封筒體4的另一端。擋鉛1mm。
[0038]圖5中“雙靶”為該實施例下的能量響應(yīng)曲線，探測器0.4-7MeV能量區(qū)間，靈敏度極大與極小偏差小于5.5%。
【權(quán)利要求】
1.一種高靈敏度且能量響應(yīng)平坦的真空型康普頓探測器，包括擋鉛(I)、準(zhǔn)直器(2)、入射窗(3)、密封筒體(4)、真空除氣通道(5)、絕緣定位環(huán)(6)、絕緣固定支架(7)、電子發(fā)射極板、信號引出導(dǎo)線(9)、同軸電纜轉(zhuǎn)接座(10)、出射窗(11);其特征在于: 所述電子發(fā)射極板包括初級電子發(fā)射極板(8)和次級電子發(fā)射極板(12)； 所述初級電子發(fā)射極板(8)和次級電子發(fā)射極板(12)分別通過絕緣定位環(huán)￠)固定在絕緣固定支架(7)上，且依次位于準(zhǔn)直器(2)后方的入射窗(3)和出射窗(11)之間； 所述初級電子發(fā)射極板(8)包括同軸線設(shè)置且貼合在一起的環(huán)狀厚極板和板狀薄極板；所述板狀薄極板在環(huán)狀厚極板遠(yuǎn)離射線通道側(cè)壓接在環(huán)狀厚極板上；所述初級電子發(fā)射極板(8)的環(huán)狀厚極板的外徑大于準(zhǔn)直器(2)的內(nèi)徑；所述環(huán)狀厚極板的外徑和內(nèi)徑比為1.5:1-5:1 ;所述環(huán)狀厚極板和板狀薄極板的厚度比為100:1-20:1 ;所述環(huán)狀厚極板采用mm級中Z或高Z金屬材料；所述板狀薄極板采用能量響應(yīng)具有下弧線趨勢的十微米級高Z金屬材料； 所述次級電子發(fā)射極板(12)包括同軸線設(shè)置的環(huán)狀厚極板和板狀薄極板；所述板狀薄極板在環(huán)狀厚極板遠(yuǎn)離射線通道側(cè)壓接在環(huán)狀厚極板上；所述次級電子發(fā)射極板(12)的環(huán)狀厚極板的內(nèi)徑大于初級電子發(fā)射極板(8)的環(huán)狀厚極板的內(nèi)徑；所述環(huán)狀厚極板的外徑和內(nèi)徑比為1.5:1-5:1 ;所述環(huán)狀厚極板和板狀薄極板的厚度比為100:1-20:1 ;所述環(huán)狀厚極板采用mm級中Z或高Z金屬材料；所述板狀薄極板采用能量響應(yīng)具有下弧線趨勢的十微米級高Z金屬材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度且能量響應(yīng)平坦的真空型康普頓探測器，其特征在于:所述板狀薄極板采用Ta、W、Os、Pt或Au。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高靈敏度且能量響應(yīng)平坦的真空型康普頓探測器，其特征在于:所述環(huán)狀厚極板的外徑與內(nèi)徑比2:1。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高靈敏度且能量響應(yīng)平坦的真空型康普頓探測器，其特征在于:所述擋鉛I?3mm厚,所述入射窗為I?4mm的Fe板。
【文檔編號】G01T1/16GK104407370SQ201410683543
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月24日
【發(fā)明者】黑東煒, 翁秀峰, 宋朝暉, 韓和同, 傅錄祥, 李剛 申請人:西北核技術(shù)研究所