CN100342245C - 使粒子离子化的二维探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使粒子离子化的二维探测器，它包括探测纤维矩阵，每根探测纤维形成探测器的一个象素。每一根探测纤维由一个填充着液体闪烁剂的玻璃毛细管构成，选择液体闪烁剂的化学组成使得初级闪烁光子的平均自由程相对于毛细管的直径(d)来说是忽略不计的。本发明例如应用于使粒子以高分辨率成象。

Description

使粒子离子化的二维探测器
技术领域和当前的技术
本发明涉及一种使粒子离子化的二维探测器。
例如，本发明应用在具有强穿透能力的粒子成像领域。
具有强穿透能力的粒子(例如快速中子或者伽马射线)的成像需要具有良好分辨率和高密封能力的探测器。
例如，这种类型的探测器用于氘(DD)或者氘(D)和氚(T)的混合物的聚变，该聚变通过使用高能激光惰性封闭。这些氢原子的同位素的聚变发生在其体积具有50μm的特征尺寸时。这些原子核聚变反应在DT混和物的情况下伴随着14.1MeV的快速中子的释放或者在DD混和物的情况下伴随着2.45MeV的快速中子的释放。快速中子有足够长的自由路径而从燃料中出来。中子的图象定位在氢原子同位素燃烧的区域。中子的图象或伽马射线的图象通过小孔或者编码孔径例如半影光栅或环形成。具有高探测能力和定位粒子的相互作用点的能力的探测器对于记录这种图象是必需的。
此刻，通过装配成千的塑料闪烁剂的纤维来制造使粒子离子化的二维探测器，每一根纤维的长度通常是在1到10cm之间并且形成探测器的一个象素。这种探测器显示在附图1A和1B中。一组塑料闪烁剂纤维2被容纳在圆筒1中。每一根塑料闪烁剂纤维2具有大约相同的直径D，例如1mm。
附图2显示了一根塑料闪烁剂纤维。其由一个被具有低光学指数(一般是1.5左右)的管4包围的具有高折射指数(一般是1.6左右)的塑料闪烁剂棒3构成。被探测的粒子P(中子，伽马射线)沿着与纤维轴平行的通道入射并且将其能量储存在塑料闪烁剂中。产生了逆流离子I并且将一部分储存的能量转化为初级光子Ph1，随后转化成二级光子Ph2和三级光子Ph3。三级光子Ph3形成可见的闪烁光，其被传导到远至纤维的一端，在那里使用CCD(电荷耦合器件)探测器来记录图象。有效地探测具有很高穿透力的粒子例如快速中子需要几公分的纤维。
为了使纤维长度大于一公分，本技术限定最小的纤维直径大约是0.5mm。
也已知，对图象的取样将源中的最终分辨率限定到象素尺寸的两倍除以图象系统的放大倍数。因此，在成像过程中，图像系统的放大倍数应当为200左右以获得小于源尺寸的空间分辨率，例如5μm左右的分辨率。于是将测量仪器沿着长距离延伸，其可以是大约大于十米。
此外，探测器是通过几千象素一个一个的辛苦地装配起来的。结果在象素的规则排列上不是很理想。此外，塑料闪烁光体纤维的硬度的缺乏和它们的高膨胀性使得要保证每个纤维之间的精确的同线性是不可能的。
此外，在塑料闪烁剂中快速中子的相互作用受氢原子上的弹性扩散支配。因而，当入射粒子(中子，伽马射线)具有14.1MeV的能量时，逆流离子I将其能量储存在直径一般是1cm的圆筒中。因此，对于源中的空间分辨率的另一个限定是能量存储宽度(圆筒直径)除以放大倍数。
因而，根据现有的已知技术制造二维探测器受限于其中设置了这些探测器的仪器的性能。例如，在一个具有0.5mm直径的塑料闪烁剂的纤维矩阵中，中子探测器的空间分辨率对于14.1MeV的中子来说限于1.4mm，而对于2.45MeV的中子来说则限于1mm。
本发明不具备上面提到的缺点。
本发明的公开
确实，本发明涉及一种使粒子离子化的二维探测器，其包括一个探测纤维矩阵，每个探测纤维形成探测器的一个象素并且包括一个发出闪烁光的闪烁剂，其特征在于每一个探测纤维由一个填充着液体闪烁剂的玻璃毛细管组成，其中选择闪烁剂的化学结构使得初级闪烁光子的平均自由程相对于毛细管直径来说是忽略不计的。
在阅读优选的具体实施方式并参考附图后，本发明的其他特征和优点将变得清晰，其中：
-图1A显示根据现有技术的使粒子离子化的二维探测器；
-图1B显示了图1A的详细视图；
-图2显示了根据现有技术在一个塑料闪烁剂纤维中探测离子化的粒子的相互作用。
-图3显示了根据本发明的优选的实施方式的使粒子离子化的二维探测器。
在所有的附图中，相同的标记表示相同的元件。
本发明的具体实施方式的详细描述
图3显示了根据本发明的使粒子离子化的二维探测器。
根据本发明的二维探测器包括一个填充着液体闪烁剂的毛细管矩阵6。毛细管基体6设置在大筒5中。例如，毛细管具有小于或等于500μm并且可以小至20μm的平均直径d。毛细管中的玻璃的折光系数可以是例如1.49。毛细管的平行度小于100微弧度。入射粒子的路径平行于毛细管的中轴线。
例如，液体闪烁剂具有1.57的折光系数。选择液体闪烁剂的化学组成使得初级闪烁光子的平均自由程相对于毛细管的直径来说是忽略不计的。例如，在溶剂中诱导的初级闪烁光子的波长将会是300nm。
液体闪烁剂是一种二元液体闪烁剂或者是一种三元液体闪烁剂。在第一种情况下，液体闪烁剂包含第一闪烁剂组分，其吸收初级闪烁的UV光子而发射具有更长波长，例如370nm的二级发射。在第二种情况下，液体闪烁剂除了包含第一组分外，还包含第二闪烁剂组分，其吸收第一组分发射出的二级发射，并且转而以在400nm到500nm之间，例如420nm的波长发射。在这两种情况下，选择液体闪烁剂的折光指数和形成毛细管的玻璃的折光指数以便将闪烁光导向毛细管的输出端。
形成毛细管的溶剂例如可以是PXE(苯基-O-二甲苯基乙烷)。作为非限定的实例，这种二元液体闪烁剂的，空间分辨率是6μm在379nm处发射，而三元液体闪烁剂的空间分辨率是7μm，在420nm处发射。二元和三元闪烁剂可以是例如分别以参考号EJ-399-05C2和EJ-399-05C1销售的组分。
优选的是，液体闪烁剂包含氘。氘的使用可以有利于将中子的相互作用点周围的中子能量储存区域的宽度减小到二分之一。这种液体也可以包含锂或者原子量大于锂的元素的溶液。而且，闪烁发射的强度将会在几纳秒内减小到1/e(e≈2.71828)。这种性质也使得就每个飞行时间而选择中子能带成为可能。这种性质也使得可以把中子与通常伴随中子的生产而产生的光子区分开来。由于它的性质，二元闪烁剂具有少许几十皮秒的上升时间。这种性质是例如对于超快速的亚毫微秒电影摄影的应用是必要的。
筒5包含装配了一个能透过闪烁光波长的玻璃窗口的第一壁7，和位于第一壁7之前的由可以反射这种波长的镜面制成的第二壁8。在筒中，毛细管被放置在窗口和镜面之间并且它们的轴垂直于镜面和窗口。被检测的颗粒通过镜面穿入探测器。通过窗口7收集闪烁光。这种光是以各向同性方式发射的，部分飞向镜面的发射光被镜面反射而返回到输出口。
弹性膜9和10分别在筒的与毛细管的轴平行的顶部壁和底部壁上，它们吸收闪烁剂的热膨胀。
例如，探测器的矩阵具有大约100×100mm2的截面积以及在从10到50mm的范围内的厚度E。它是由单片通过将包含多个元件束的大元件束复装配而制成的。可以通过这种技术制备大截面积的单片电路探测器。制备优选毛细管矩阵以远大于所需厚度的厚度，以保证毛细管之间良好的同线性(例如小于100微弧度)。
用于获得直径为1mm的填充了氘并且通过30kJ的激光爆聚的密闭容器的中子图象的探测器的数字化的实施例在下面给出。毛细管矩阵是具有100mm的侧面尺寸和50mm厚度的块。每个毛细管具有250μm的直径。液体闪烁剂具有1.57的光学指数并包含98％的氘。其相对于蒽的闪烁效率是80％并且其衰变常数是3ns。不锈钢筒被镜面和玻璃窗口封闭。四个弹性膜使得闪烁剂可以热膨胀。

Claims (8)

1.使粒子离子化的二维探测器，它包括探测纤维矩阵和发出闪烁光的闪烁剂，其中每根探测纤维形成探测器的一个象素，其特征在于每根探测纤维是由一个填充着液体闪烁剂的玻璃毛细管构成，选择液体闪烁剂的化学结构使得初级闪烁光子的平均自由程相对于毛细管直径(d)来说是忽略不计的。
2.根据权利要求1的二维探测器，其特征在于所述的液体闪烁剂是二元液体闪烁剂。
3.根据权利要求1的二维探测器，其特征在于所述的液体闪烁剂是三元液体闪烁剂。
4.根据权利要求1的二维探测器，其特征在于用于液体闪烁剂的溶剂是PXE。
5.根据权利要求1至4中任意一项权利要求的二维探测器，其特征在于所述的液体闪烁剂包含氘。
6.根据权利要求1至4中任意一项权利要求的二维探测器，其特征在于所述的毛细管的直径为20μm至50μm，长度为10mm至50mm，并且毛细管矩阵具有大约等于100×100mm2的面积。
7.根据权利要求1至4中任意一项权利要求的二维探测器，其特征在于所述的毛细管被安置在筒中，该筒包括配有能使闪烁光的波长透过的玻璃窗口的第一壁(7)和位于第一壁(7)之前的由能够反射上述波长的镜面制成的第二壁(8)，离子化的粒子通过镜面穿入探测器。
8.根据权利要求7的二维探测器，其特征在于所述的筒包括顶部壁和底部壁，这些壁包含用于吸收热膨胀的弹性膜(9，10)。
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