一种高灵敏度且能量响应平坦的真空型康普顿探测器

摘要

本发明涉及一种真空型康普顿伽马探测器，具体说是在强流脉冲伽马辐射场中测量伽马射线的、灵敏度能量响应平坦的康普顿探测器。在现有的脉冲伽马射线探测中，探测器能量响应不平坦，不具备对入射粒子能量的分辨能力。在伽马射线强度测量中，由于脉冲辐射场能谱是通过理论计算给出，与实际能谱存在一定差异，测量不确定度大，不能满足高精度强度测量的需求。本发明采用厚薄材料叠加的发射极，通过探测器前端挡铅，大大改善了康普顿探测器的能量响应平坦特性。在此基础上，对发射极薄材料优化以及采用多组发射极结构，提高了探测器的灵敏度。

权利要求

1.一种高灵敏度且能量响应平坦的真空型康普顿探测器，包括挡铅(1)、准直器(2)、入射窗(3)、密封筒体(4)、真空除气通道(5)、绝缘定位环(6)、绝缘固定支架(7)、电子发射极板、信号引出导线(9)、同轴电缆转接座(10)、出射窗(11)；

所述电子发射极板包括初级电子发射极板(8)和次级电子发射极板(12)；

所述初级电子发射极板(8)和次级电子发射极板(12)分别通过绝缘定位环(6)固定在绝缘固定支架(7)上，且依次位于准直器(2)后方的入射窗(3)和出射窗(11)之间；

所述初级电子发射极板(8)包括同轴线设置且贴合在一起的环状厚极板和板状薄极板；所述板状薄极板在环状厚极板远离射线通道侧压接在环状厚极板上；所述初级电子发射极板(8)的环状厚极板的外径大于准直器(2)的内径；所述环状厚极板的外径和内径比为

1.5:1-5:1；所述环状厚极板和板状薄极板的厚度比为100:1-20:1；所述环状厚极板采用mm级中Z或高Z金属材料；所述板状薄极板采用能量响应具有下弧线趋势的十微米级高Z金属材料；

其特征在于：

所述次级电子发射极板(12)包括同轴线设置的环状厚极板和板状薄极板；所述板状薄极板在环状厚极板远离射线通道侧压接在环状厚极板上；所述次级电子发射极板(12)的环状厚极板的内径大于初级电子发射极板(8)的环状厚极板的内径；所述环状厚极板的外径和内径比为1.5:1-5:1；所述环状厚极板和板状薄极板的厚度比为100:1-20:1；所述环状厚极板采用mm级中Z或高Z金属材料；所述板状薄极板采用能量响应具有下弧线趋势的十微米级高Z金属材料。

2.根据权利要求1所述的高灵敏度且能量响应平坦的真空型康普顿探测器，其特征在于：初级电子发射极板中的板状薄极板和次级电子发射极板中的板状薄极板均采用Ta、W、Os、Pt或Au。

3.根据权利要求1或2所述的高灵敏度且能量响应平坦的真空型康普顿探测器，其特征在于：初级电子发射极板中的环状厚极板的外径与内径之比以及次级电子发射极板中的环状厚极板的外径与内径之比均为2:1。

4.根据权利要求3所述的高灵敏度且能量响应平坦的真空型康普顿探测器，其特征在于：所述挡铅1～3mm厚，所述入射窗为1～4mm的Fe板。

说明书

一种高灵敏度且能量响应平坦的真空型康普顿探测器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种测量脉冲伽马射线的康普顿探测器，具体说是为测量注量率在1017～1022γ/(s·cm2)，能量区间在0.4～5MeV，时间谱半宽度在1ns以上的脉冲伽马射线而设计的一种真空型康普顿探测器。

背景技术

[0002] 射线与物质相互作用中，康普顿效应是在很宽的能量范围内占优势的一种效应，所以直接收集γ射线发生康普顿效应所产生电流的一类探测器，就被称之为康普顿探测器(或康普顿二极管)。

[0003] 图1为真空康普顿探测器(VCD)结构示意图。强流伽马射线束由准直孔射入，一部分透过入射窗、发射极，由出射窗射出；另一部分射线与入射窗、发射极和出射窗发生康普顿散射、光电效应和电子对效应，产生电子。对于能量处于0.5～10MeV的γ射线来说，后两种作用几率很小，主要作用是康普顿散射。发射极上既可以收集入射窗、出射窗产生的康普顿电子，又与γ射线作用发射康普顿电子，其差额部分就在发射极回路中形成电流信号。

[0004] 伽马射线强度或总数测量是脉冲伽马辐射场的主要参数之一，它直接决定了脉冲辐射场核反应过程的结果。因此，测量伽马射线绝对强度、数目及其随时间的变化成为脉冲伽马辐射场诊断中的核心内容。获得脉冲伽马射线辐射场的绝对强度、数目，要求准确知晓脉冲辐射场伽马能谱以及探测器对不同能量伽马射线的灵敏度响应。然而，脉冲伽马辐射场能谱测量在技术上存在极大的困难，在这种情形下，要获得脉冲伽马射线的绝对强度和数目等参数，可行的方法之一就是探索和建立在脉冲伽马辐射场能量范围内灵敏度能量响应不随伽马射线能量变化的脉冲伽马射线探测技术原理和系统结构，研制出能量响应平坦的探测器。

[0005] 在现有的脉冲伽马射线探测中，主要采用两类探测器：一种是闪烁体与光电器件组成的闪烁探测器；另一种是基于康普顿效应设计的真空康普顿探测器(VCD)和介质康普顿探测器(DCD)。基于闪烁体的光电探测器灵敏度高，适合于低强度伽马射线束的测量，其灵敏度通常在10-10-10-20C·cm2/γ，这类探测器是基于能量收集的探测器，对伽马射线的探测灵敏度随能量变化比较剧烈，能量响应不平坦；康普顿探测器是电荷收集型探测器，灵敏度很低，通常在10-19-10-23C·cm2/γ，适合于高强度伽马射线束参数测量，其能量响应比闪烁探测器要平坦，但依然不够理想。在这两种探测器应用于脉冲伽马辐射场强度测量时，由于脉冲辐射场能谱是通过理论计算给出，与实际能谱存在一定差异，导致测量结果不确定度较大。总之，使用现有的探测手段或探测器，在脉冲辐射探测中，探测器都不具备在宽能量范围内能量响应平坦的特点，不具备对入射粒子能量的分辨能力。

[0006] 2005年11月出版的《核电子学与探测技术》第25卷第6期第668-674页公开了一种能量响应相对平坦的介质康普顿探测器，采用的是前后散射体、吸收体厚度可调的结构，虽然起到一定效果，但报道的结果显示平坦性效果并不是很理想。2008年4月清华大学博士学位论文《基于散射电子的脉冲伽马闪烁探测技术研究》通过收集散射靶出射的电子，研究获得了在0.4～5MeV能量区间，灵敏度变化小于15％的探测器系统。而散射靶转换效率低，伽马散射本底对有效信号影响大，使得探测系统灵敏度标定较困难，标定不确定度较大。2012年6月出版的《强激光与粒子束》第24卷第6期第1488-1492页公开了一种能量响应平坦的康普顿探测器设计方法，采用0.01、1.00mm厚Au叠加的发射极，3mm厚Fe前窗以及3mm挡铅，在Ф40mm准直下，实现了在0.4～7MeVγ能区内，探测器本征灵敏度极值变化小于10.7％，探测器本征探测效率为1.611×10-3e/γ，灵敏度为3.2×10-21C·cm2/γ。虽然能量响应平坦性取得了较好的效果，但是探测器的灵敏度值还偏低。同时兼有高灵敏度和平坦响应的康普顿探测器还未见诸报道。

发明内容

[0007] 本发明目的是提供一种高灵敏度且能量响应平坦的真空型康普顿伽马探测器，以满足更大动态范围强流脉冲伽马射线源强度的高精度测量要求。

[0008] 本发明采用的技术方案是：

[0009] 一种高灵敏度且能量响应平坦的真空型康普顿探测器，包括挡铅1、准直器2、入射窗3、密封筒体4、真空除气通道5、绝缘定位环6、绝缘固定支架7、电子发射极板、信号引出导线9、同轴电缆转接座10、出射窗11；其特殊之处是：所述电子发射极板包括初级电子发射极板8和次级电子发射极板12；所述初级电子发射极板8和次级电子发射极板12分别通过绝缘定位环6固定在绝缘固定支架7上，且依次位于准直器2后方的入射窗3和出射窗11之间；所述初级电子发射极板8包括同轴线设置且贴合在一起的环状厚极板和板状薄极板；所述板状薄极板在环状厚极板远离射线通道侧压接在环状厚极板上；所述初级电子发射极板8的环状厚极板的外径大于准直器2的内径；所述环状厚极板的外径和内径比为1.5:1-5:1；所述环状厚极板和板状薄极板的厚度比为100:1-20:1；所述环状厚极板采用mm级中Z或高Z金属材料；所述板状薄极板采用能量响应具有下弧线趋势的十微米级高Z金属材料；所述次级电子发射极板12包括同轴线设置的环状厚极板和板状薄极板；所述板状薄极板在环状厚极板远离射线通道侧压接在环状厚极板上；所述次级电子发射极板12的环状厚极板的内径大于初级电子发射极板8的环状厚极板的内径；所述环状厚极板的外径和内径比为1.5:1-5:1；所述环状厚极板和板状薄极板的厚度比为100:1-20:1；所述环状厚极板采用mm级中Z或高Z金属材料；所述板状薄极板采用能量响应具有下弧线趋势的十微米级高Z金属材料。

[0010] 初级电子发射极板中的板状薄极板和次级电子发射极板中的板状薄极板均采用Ta、W、Os、Pt或Au。

[0011] 初级电子发射极板中的环状厚极板的外径与内径之比以及次级电子发射极板中的环状厚极板的外径与内径之比的最佳比值均为2:1

[0012] 上述挡铅1～3mm厚，上述入射窗为1～4mm的Fe板。

[0013] 本发明相对现有技术的有益效果是：

[0014] 1、瞄准的探测器在0.4～5MeV区间能量响应平坦，实际能量响应平坦区间拓展到0.4～7MeV；

[0015] 2、在0.4～7MeV能量区间，能量响应变化波动小于6％。其在宽能量区间的平坦特性优于当前的各种探测器。

[0016] 3、本发明可以同时获得探测器灵敏度为10-20C·cm2/γ量级且能量响应不平坦性小于10％的真空型康普顿探测器。

[0017] 4、本发明满足强流脉冲伽马射线强度需求，能大大降低测量不确定度。

[0018] 5、本发明采用次级发射极板的内径大于初级发射极板的内径，从而实现灵敏度极大与极小偏差小于5.5％。

附图说明

[0019] 图1是现有常见真空康普顿探测器结构；

[0020] 图2是本发明双发射极高灵敏度真空康普顿探测器整体结构；

[0021] 图3是不同厚度Au发射极出射电子数随入射伽马能量变化曲线；

[0022] 图4是100μm内不同厚度Au发射极出射电子数随入射伽马能量变化曲线；

[0023] 图5是双发射极高灵敏度真空康普顿探测器与一般的单发射极平坦康普顿探测器能量响应曲线对比；

[0024] 附图标记如下：1-挡铅，2-准直器，3-入射窗，4-密封筒体，5-真空除气通道，6-绝缘定位环，7-绝缘固定支架，8-厚薄材料叠加电子发射极板，9-信号引出导线，10-同轴电缆转接座，11-出射窗，12-次级电子发射极板。具体实施例

[0025] 本发明原理：

[0026] 本发明采用厚薄材料叠加发射极板，并增加发射极板的数目，以提高探测器的灵敏度。

[0027] 为了改善探测器的能量响应平坦特性，应选用灵敏度能量响应曲线变化趋势在厚薄两种情形下有相反变化趋势金属，并配合挡铅、入射窗确定。

[0028] 发射极厚材料采用mm级常见金属材料，外形为圆柱孔，外径为50mm，内径为25mm；薄材料采用能量响应具有下弧线趋势的十微米级高Z金属材料，主要有Ta、W、Os、Pt、Au，形状为外径为50mm的薄圆片。薄材料在发射极板远离射线通道侧压接在厚材料上。主要通过调节不同厚度材料面积比来调整能量响应平坦特性。图3、图4给出了不同厚度Au的出射电子特性示例。

[0029] 为了降低低能段能量响应，在探测器射线通道前端200mm处设置1～3mm Pb块(挡铅)。入射窗为1～4mm的Fe板，与探测器外壳圆筒密封体进行焊接密封。通过挡铅对低能段衰减和入射窗对挡铅后端中高能射线进一步衰减调节康普顿探测器中高能平坦特性。

[0030] 出射窗和密封筒体材料均为不锈钢，其中，出射窗厚度为2-7mm，密封筒体厚度为2-5mm。真空除气通道为可进行压接封装的铜管材料。不同材料厚度叠加的发射极板通过信号导线与同轴电缆转接座的芯线连接引出测量信号。

[0031] 绝缘固定支架固定在出射窗内表面上，绝缘定位环固定在支架上，发射极通过绝缘定位环压接固定。

[0032] 探测器使用时需要做好周围屏蔽以减小干扰提高信噪比。用于准直的铅通道孔径Φ40，小于发射极直径，长度为200mm(或更长)。

[0033] 下面通过实施例对本发明给予进一步说明：

[0034] 实施例双发射极能量响应平坦探测器

[0035] 参见图2，本实施例由挡铅1，准直器2，入射窗3，密封筒体4，真空除气通道5，绝缘定位环6，绝缘固定支架7，初级电子发射极板8，信号引出导线9，同轴电缆转接座10，出射窗11，次级电子发射极板12组成。

[0036] 密封筒体4选用SUS304不锈钢材料，规格为外径100(单位为mm，下同)，内径96，长度157的圆筒。在密封筒体纵向长度的中点上，对称切割两个Φ15的圆孔。将外径15内径13长30的铜管焊接在其中一个圆孔上，构成真空除气通道5；将外径15内径13长30的不锈钢管焊接在另一个圆孔上，另一端密封焊接L16-50K同轴电缆座(电缆座的皮连接不锈钢管)，构成同轴电缆转接座10。信号引出线9选用直径为1mm的铜导线，一端连接厚薄材料叠加的发射极板，另一端连接同轴电缆转接座10的芯。

[0037] 入射窗3选用纯铁材料，规格为Φ96×3，密封焊接在密封筒体4的一端，出射窗11选用纯铁材料，规格为Φ96×2，密封焊接在密封筒体4的另一端。挡铅1mm。

[0038] 图5中“双靶”为该实施例下的能量响应曲线，探测器0.4-7MeV能量区间，灵敏度极大与极小偏差小于5.5％。