CN1010529B - 探测和定位中性粒子的设备及其应用 - Google Patents

Abstract

一种用于探测和定位中性粒子(如X光子、γ光子或中子)的设备，它主要由一个固体转化器(2)组成，转化器放置于相对被探测辐射成掠射入射(glancingin cidence)的方向，在转化器附近还安置有一个诸如(3′)的丝网。该设备可用于工业成象。

Description

本发明涉及的是探测和定位诸如x光子、γ光子或中子的中性粒子的设备，该设备至少包括一个传感器，传感器取充气外壳的形式，外壳对所说中性粒子来说是可以穿透的，并且外壳中至少包括一个转化器，转化器能够在与所说中性粒子发生碰撞时发射出电离粒子，以便通过将气体电离而产生带电粒子;该设备还包括一个探测器部件，其电位相对于所说转化器电位的差别足够大，以便能有足够大的力来吸引所说带电粒子从而产生雪崩现象。

在公开的英国专利申请№.GB2000632中，介绍了这种类型的已有技术的设备。

探测中性粒子的设备的最简单的实施例包括一个阳极丝和一个起转化器作用的阴极，二者互相靠得很近，并将此组合装置装在一个充气的外壳之内。

在“科学仪器评论”（“Review    of    scientific    lnstrument”）第50卷第5期（1979年）的第577页的文章中，介绍了具有这种结构的探测器实例。

不管这些探测器按什么方式工作，探测器中的转化器的功能都是：当与中性粒子发生碰撞时能发射电离粒子，或者更具体地说，发射快速电子或“一次”电子。这些快速电子的动能比气体原子或分子的电离能大，并且有时快速电子的动能太大，以致不可能被外壳内所建立的电场有效地导引至阳极。

但是，这些一次电子通过电离气体会产生电子/正离子对，按这种方式产生的电子称之为“二次电子”。二次电子向阳极迁徙，而正离子向阴极迁徙。

于是，在阳极上就收集到电荷，其数值取决于二次电子数目。连接到该阳极上的一个适当的电路（或通道）就传送出一个正比于阳极收集到的电荷（因而代表被观测现象的能量或强度）的测量信号。

按惯用的方式，对收集到的电荷可以进行直接探测或间接探测。在进行间接探测时，让该电荷沿一个导体流过，所谓探测就是探测所形成的电流。

除了具备上述这些共同特征之外，中性粒子探测器的类型是多种多样的，一般而言，就其是否利用“汤森雪崩”（“Townsend    avalanche”）现象为准，而将它们划分为两大类型。

汤森雪崩现象是本专业技术人员所熟知的，当阳极附近的电场足够强，以致足以加速二次电子，使两次碰撞之间二次粒子获得的动能大于该气体原子或分子的电离能，这时就会出现这一雪崩现象。

在这样的条件下，这些二次电子可能还进一步又产生二次电子，后者在向阳极运动时又参与一次雪崩现象，仅当所有自由电子都被阳极收集时雪崩才告停止。

被探测的电子这一倍增效应的结果是使测量信号显著地放大，例如放大倍数可高达10⁷，因此也就大大地改善了信号/噪声比。

条件合适，能够将二次电子数与一次电子数维持在一个很确定的比值上。在这种条件下工作的探测器称之为“正比计数器”。

但是，对雪崩现象倍增因子的准确程度仅能进行有限的控制，在某些应用场合最好使用不利用雪崩现象的探测器。尤其对于“电离室”探测器来说就是如此。在上述的“科学仪器评论”杂志中的那篇文章中，在英国专利№.GB1578325和法国专利№.FR2503381中都给出了使用电离室探测器的实例。这些仪器一般探测计量学状态下的 辐射，只要在阳极上积累的电荷是可以测到的。这就要求增强中性粒子的辐射或延长测量的时间。

这也就是为什么除了极特殊的辐射条件外，不可能使用电离室成象或定位中性粒子的原因。更详细地说，除被要探测的辐射能量在80千电子伏左右或者比80千电子伏低得多时，不能使用电离室成象。另外，用电离室成象还要求有复杂的设备，因为每一个电离室仅能为图象提供一个点（或象素），如法国专利FR2503381所示。

雪崩探测器比电离室要显著地适合于在这些方面的应用，雪崩探测器是成象领域或定位粒子领域的技术人员所公知的。

在“IEEE核科学汇刊”（“IEEE    Transactions    on    Nuclear    Science”）第27卷，第1期（1980年2月）的第157页的文章中给出了用正比计数器进行二维图象捕获的实例。

这个正比计数器包括与多个用作转化器的氧化铅晶体管路相连的二维阳极丝网，此管路与阳极丝网平面垂直放置。中性粒子辐射相对于探测器的入射角度接近于90°，这种探测器的转换效率在相当大程度上与入射角无关，并且保持小于8%。

在英国专利№.2000632中介绍了另外一种直接捕获二维图象的正比计数器。和上述设备一样，这种设备也属于被称为多丝正比计数器（multi-wire    proportional    chanber）的这类仪器，这种设备被打算用来探测垂直入射到它所在平面上的辐射。该设备包括两个长条形阴极，它们构成了固体转化器，该设备还包括一个由多个金属丝组成的平面所构成的阳极，这些金属丝相互之间具有导电的连接。

阴极长条与延迟线相连，延迟线又连到一个时间分析电路上。

这种探测器要求有一个复杂的分析电路，并且这种探测器的转换效率不可能很高，除此之外，还必然导致相当长的图象捕获时间，这样就限制了这种探测器的应用，例如，限制了在用闪烁作图法时形成准静态图象方面的应用。

因此，本发明的主要目的就是要提供一个探测和定位中性粒子的设备，和已有技术的多丝正比计数器相比，所说的设备显著地更为有效，尤其是在中性粒子的能量显著地大于50千电子伏时更是如此。

本发明提供的设备用于探测和定位诸如x光子、γ光子或中子的中性粒子，该设备至少包括一个具有可以穿透所说中性粒子的充气外壳的形式的传感器，该充气外壳中至少有一个转化器，此转化器能够在与所说中性粒子发生碰撞时发射电离粒子，通过将气体电离而产生带电粒子;该设备还包括一个探测器部件，探测器部件的电位相对于所说转化器电位的差别要足够大，以便能使探测器元件有足够大的力来吸引所说带电粒子，从而产生雪崩现象，该设备包括如下的改进：相对于所说传感器传播的粒子遵循一个固定的平均方向，转化器包括一个由固体材料构成的平板，该平板相对于所说的粒子传播的平均方向所成角度小于10°，所说的探测器部件包括一个由多个导电的细长探测器元件组成的丝网，这些探测器元件彼此基本上平行，并且还平行于转化器的平板，将这些探测器元件连接到一些电路上，从而沿着垂直于所说粒子传播平均方向的转化器板平面上突出部分的一个方向，形成一个与中性粒子强度分布相对应的一维图象。

虽然对于构成转化器的平板的形状可以推想出有平面、卷曲、中凹或波纹形的，但一般而言，平面形状是最适用的。

本发明的新颖的基本特点之一就在于，本发明提供的传感器尽管 结构简单并适于工业上制造，但却组合了正比计数器的特性与固体转化器的优点，从而适用于定位粒子。固体转化器的优点包括那些在本发明之前就已知的优点，以及由本发明所展示的优点，这些优点都和使用了掠射入射（glancing    incidence）相关。

过去，在成象领域和定位粒子领域的技术人员的习惯作法是，或者将一个图象的每一个象素与属于电离室型的一个特定探测器相连系，如法国专利№.FR2503381和英国专利№.GB1578325中介绍的那样，或者通过将每一个阳极丝或条与一整排（行或列）图象象素连系起来的方式、在基本上垂直于待定位粒子传播方向的一个平面内形成一个图象，如英国专利№.GB2000632和上述“IEEE核科学汇刊”杂志中的文章介绍的那样。与其不同，本发明建议使用一个雪崩探测器，在相对于粒子传播方向发生掠射入射的一个平面内形成一个图象，本发明还建议将一排象素与一整组细长探测器元件（丝或条）连接起来。

如果细长探测器元件是一些彼此之间相互电绝缘的金属丝，并且沿着平行于粒子传播平均方向的转化器平面上的突出部分方向延伸拉紧，则按照本发明的此探测器分辨率是最佳的。

然后，将这些金属丝连到一个分开的电荷探测器电路（或通道）上，从所说电路输出的这组信号即形成了一维图象。

这些电子电路（或通道）本身是公知的，例如可以是多丝正比计数器所用的那种类型的电路。

当转化器包含的材料的原子序数不小于25时，对x光子或γ光子的探测可获得良好的结果。

当转化器所包含的材料与中性粒子的有效反应截面不小于1毫靶 （1靶＝10^-24厘米²）时也是有益处的，尤其对于中子的探测更有益。

就可能使用的材料而论，转化器材料最好由下述元素组成的材料组中选择：钨、钽、铅、镉、钇、硼、钐、铕、锂、镝、铑、铍、碳、金、银、镧、贫铀、钚、铊、铌、钼、镍、铜、钴、铁、铱、汞、铟、锰、氢、氘、氮、氧和氯。

由比较精确的实例可知，转化器的厚度可能不超过2毫米，并且在转化器表面之一上至少有某些点与中性粒子传播的平均方向所成角度不大于5°。

例如对于能量为400千电子伏的光子，转化器可以是一个厚度不超过200微米的钽板，并且在钽板的一个表面上至少有某些点与中性粒子传播的平均方向所成角度不大于2°。

如果该设备作为低计数率应用，以及按PPAC方式（平行板雪崩计数器方式）使用或者按伪PPAC方式使用（即：不按正比方式使用），则探测器元件可以由一些适当宽度的单独长条组成。

在不要求有最大的图象清晰度时，可以用电阻相当高的导电材料构成细长探测器元件，在这种情况下，这些探测器元件平行于转化器板的平面延伸，并且沿垂直于中性粒子传播平均方向的所说平板平面上的突出部分而放置。在这种情况下，在探测器元件的各终端之间进行可以导电性的连接，并且将这些终端本身连到一个电子通道以便探测电荷。通过这样一种装置，中性粒子就依据被收集电荷所产生的电流在两电子通道之间的分配方式，沿着探测器元件的方向被定位。

例如，相邻的每对丝之间的距离以及每一个丝和转化器之间的距离都可以小于15毫米。

如果为该设备提供一个电位大致和转化器电位相同的附加平面电极，并使其平行于丝网但在丝网的另一侧放置，并且如果探测器部件在转化器的每一侧都包括有一个丝网和一个附加电极，则该设备的效率还可以得到进一步的改善。

这种安排还可以从转化器相对于粒子传播方向的掠射入射布置中得到更大的益处。这种安排使得可能使用极薄的转化器，因此非常有可能使一次电子也从未直接遭受中性粒子辐射的转化器表面上被发射出来。由这样的一次电子产生的附加的二次电子也得到了收集。

为了控制设备的工作参数（这些参数受用以将转化器和探测器元件分开的介质的性质的影响很大），封闭转化器和探测器部件的外壳至少要部分地充以惰性气体。

外壳中气体压力最好小于10⁶帕斯卡，探测器元件和转化器之间的电位差最好小于30千伏。

一种有益的作法是，该设备还要包括一个支架，使转化器和探测器部件相对于外壳外部形状的一个参考轴线保持一定的角度，当所说的参考轴线本身直接指向中性粒子传播的平均方向时，所说角度适宜于获得转化器相对于所说平均方向的所期望取向。

当将本发明的设备用于成象时，即将其用于获得一个物体的图象、或者至少是一个部分物体图象时，该设备用来探测和定位中性粒子的优点是极为明显的。

当用一个中子源照射一个物体时，通过该物体的辐射将受到衰减，衰减的程度和该物体的材料性质以及质量有关，因此就产生了一个相应的空间强度分布，由上边所描述的这种传感器就能够揭示出这种强度分布。

因此，按本发明的一种装置在这样一些应用中，一般就要包括至少一个中性粒子源，该粒子源距传感器（一个或多个传感器）保持一定的距离，这一个（或多个）传感器的安放方向应该如此取向，使得这一个（或多个）传感器与源之间的轴的方向作为中性粒子传播的平均方向。

本设备最好包括至少一个与相对应的传感器相连的中性粒子准直器，所说的准直器有一个狭缝，用于将来自所述源的粒子束限制成一个以所说中性粒子传播平均方向为中心的平直束，这一平直束与基本上垂直于所说传播平均方向的传感器的转化器的平面相交。

本设备还可能包括一个框架，用于安装多个传感器。

在这种情况下，多个传感器最好交错排列在框架上，以使传感器各自转化器当被作为整体考虑时就截取了来自中性粒子源的整个平直的中性粒子束。

还有，框架的形状最好包折成诸如L型、U型或弓型，中性粒子源距框架有一定距离，但是位于它所包成的形状之内。

本设备可以包括多个中性粒子源或一个能置于多个不同位置的中性粒子源。在这种情况下，可以将传感器按能够转动的方式安装在框架上，这样，传感器就可以朝向一个或另一个中性粒子源，或者在单个中性粒子源的情况下，朝向中性粒子源的一个或另一个可能的位置。

还可以为本设备的传感器提供一个面积大于500平方厘米左右的转化器，这种转化器并且与两个沿互相垂直的方向延伸的丝网相连，因此通过使用前述之静电感应技术，就能给出被照射物体的二维图象。

此外，本设备还可以包括由转化器和探测器部件交替排列所构成的多个平面。

这些平面彼此平行排列，并且按前述所描述过的方式，相对于中性 粒子传播方向成掠射入射地放置。

如上所述，每一个探测器部件都可以包含一系列N个导电长条（或分别绝缘的丝），它们沿着中性粒子传播平均方向的相应转化器平面上的突出部分平行地延伸。如果该设备包含有M个探测器部件，那么，该设备就适合于给出一个与具有M×N个元素的一个矩阵相对应的被照射物体的三维图象。

但是，由于以上所述的传感器的几何形状是比较适合于产生一维图象的，所以对于尺寸较大和/或体积较大（如几十立方米）的物体而言，获得二维图象的较简单的解决方案是形成待考察物体的部分图象，通过扫描待考察的物体即形成物体的各个连续部分的连续图象，并记录在一定时间内所得到的各图象。这种技术在成象中是惯用的。

在这种情况下，可将物体相对于中子源或传感器而移动，或最好同时相对于传感器和中子源两者进行移动。

可以使用根据本发明的设备来获取一个致密物体的图象，这个物体在中性粒子通路上的金属厚度可超过1厘米，对于厚度高达60厘米左右的铁或钢也可以使用本发明的设备。

因此可以使用本设备来对诸如集装箱（Containers）那样的致密而庞大的物体成象。

在这种类型的应用中，采用X光子或γ光子比较适宜。例如，使它们的能量不小于50千电子伏，最好在250千电子伏至2兆电子伏之间，典型数值约为350千电子伏至750千电子伏。

按照本发明的设备有许多优点。

传感器的效率很高，对于400千电子伏的辐射情况，效率大约为30%，因此可能获得被考察物体的一个强反差图象。

再者，借助于这一高效率，就不必使用极高的能量辐射，即使当需要形成如前所述的致密而庞大物体的图象时也是如此。因此，为预防辐射而采取的防护措施仍然只需是适中程度的，源本身（典型情况是x射线产生器）的体积和成本也是合理的。这些产生器的x射线发射角度保持相当大，这样就可以在一个较小的空间里、即在相对来说尺寸较小的装置或建筑物里，照射较大尺寸的物体。

下面，借助于实例并参照附图，描述本发明的实施例，更具体地说，描述适合于探测光子的实施例，这些附图是：

图1是按照本发明的设备中使用的一个传感器的局部轮廓剖面图，这个图用来说明传感器的工作原理;

图2是此传感器的局部分解图;

图3是整个传感器的剖面图;

图4是根据本发明的设备的一个工业成象装置的局部切开透视图;

图5a和5b给出了图4装置的细节。

本发明涉及的是一个至少包括一个传感器1（整个传感器示于图3）的设备，传感器1包括一个转化器2（见图1）和一个探测器部件，它的本身由下边将要描述的多个元件3、3′、4、4′组合而成。

传感器的作用是探测和定位照射它的中性粒子，如x光子、γ光子或中子。这些粒子传播的平均方向在图1中用波浪线表示，假定这一平均方向相对于此传感器而言基本上是固定不变的，至少在探测期间是这样。假定这些中性粒子在垂直于图1所在平面的一个平面内传播，该平面大体上沿波浪线方向与图1所在的平面相交。

转化器2是一个由高原子序数材料（例如钽）作成的平板，按相对于中性粒子传播的方向能进行掠射入射的方向而安置。例如，在所 说平板和所说方向之间的夹角α可以是1°。在图1和图3中，假定该转化器延伸在垂直于这些图的平面的一个平面内。

例如，该转化器的长度可以是30厘米（在图1和3中可见到的最大尺寸）、宽度16厘米（垂直于、或基本上垂直于图1至图3中各图的平面的尺寸）和厚度70微米。

使用平面形的转化器虽然并非必不可少，但是，却是合适的。如果构成转化器的平板的刚性不够，可将其粘结到一个刚性支架上，但在这种情况下，如果在两个半空间之一中不再能探测到电子，就要使效率损失大约20%到大约50%。

由图1可知，对于一定厚度的转化器，角度α越小，入射粒子通过转化器时所必须经过的距离越大。

如果角度α为1°，转化器厚度为70微米，则这个距离约为4000微米，即4毫米。

在转化器2的每一侧，各存在一个导电的丝网3和3′，它们所处的电位和转化器2的电位不同。

例如，丝网3和3′可以是地电位，而转化器2是2千伏至3千伏的负电位。

借助于光电效应、康普顿效应或借助于产生电子对的效应，转化器2在入射中性粒子的碰撞作用下，至少能产生一个使气体电离并生成电子/离子对的高能一次电子e^- ₁。按这种方式产生的二次电子e^- ₂根据其电荷而被吸引朝向丝网3和3′中的一个或另一个上，并且进一步再产生二次电子e^- ₂。

在本专业的术语中，经常称带电粒子、特别是在阳极上被收集的二次电子为“电荷”。

在入射粒子和转化器2之间的角度α较小时，电子e^- ₁相对于转化器2的发射角度就可能较大，几乎等于90°，因此，这些电子e^- ₁在离开转化器2之前，在其中必须遵循的路程相对于转化器提供给入射辐射的4毫米的实际可能厚度而言，是极短的。

借助于汤森雪崩现象放大电荷，阳极丝网3和3′能够使信号得以放大，阳极丝网的另一个作用是对以这种方式接收到的电荷定位。在转化器的每一侧都放置有阳极丝，阳极丝在平行于转化器的各平面内延伸，即在垂直于图1平面的各平面内延伸。

在两个丝网3和3′中的阳极丝还平行于处在中性粒子传播平均方向的平板2的平面上的突出部分。由于这一平均方向在图1中对应于波浪线的方向，所以在图1中，处在平板2上的这一方向的突起部分，就和代表所说平板横截面的细长的长方形的底边相重合，并且两个丝网3和3′中的阳极丝平行于所说突出部分而延伸。

在丝网3和3′中的所有阳极丝的电位均相同，而在每一个丝网中的每一个阳极丝与同一个丝网中所有其它阳极丝互相都是电绝缘的。但是，每一个丝网中的每一个阳极丝都可以和另一个丝网中的相对于转化器平面位置对称的阳极丝连接起来（如图1所示），从而由它们即可构成一对探测器丝。将在丝网3和3′中的这些探测器丝对中的每一对都连到一个分开的电子探测器通道（用放大器5表示）上，每一个通道都放大该通道相连的阳极丝对上收集到的与电荷e^-相对应的电流。因此，这一组电子通道就输出一组代表中性粒子在垂直于图1平面的方向上强度分布图象的电流。

如本专业技术人员所公知，这些信号最终被用来提供一个视频图象。

传感器的探测器元件还包括两个附加的平面电极4和4′，它们平行于转化器2和丝网3和3′而放置，并且处在丝网3和3′的远离转化器2的两侧。这两个附加电极的电位和转化器的电位相同，即在目前讨论的情况下它们的电位为负2千伏到负3千伏。

尽管并非起主要作用，但这些附加电极对放大作用和电荷的收集都有改善，同时这些附加电极还能消除作用在丝网3和3′的阳极丝上的静电力，否则这些静电力就可能会使阳极丝弯曲，因而改变了传感器的性能。

图2给出了一个转化器/探测器元件装置整体结构的更好的三维表示。

转化器2位于图2的中部，在所示的这个实施例中，转化器是由尺寸为30厘米×16厘米×70微米的钽平板构成的。

钽平板在两个厚度均为1.5毫米的长方形不锈钢框架6和7之间伸展。

在图2中的下边的一个框架7，在转换器接受中性粒子辐射（如图中的箭头所示）的一侧缺少一个边，这一个边由细长元件7a所代替，细长元件7a由可穿透中性粒子的能力比钢更大的材料组成。例如由玻璃丝加固的环氧树脂组成。

在由转化器及其框架构成的装置2-6-7-7a的两侧有两块平板8和9，平板8和9支撑阳极丝（例如3a），阳极丝组成了丝网3和3′。为了使附图2清楚起见，附图2中没有标出丝网3。

平板8和9比框架6和7长些，并且由可穿透中性粒子的刚性绝缘材料组成。一般常用作印刷电路板的这种玻璃纤维加固环氧树脂板就完全适用。

平板8和9的厚度都是1.5毫米，并且在其上开出其尺寸小于框架6和7尺寸的相应的窗口8a或9a。

丝网3′的阳极丝，如3a，就在平板8上面的窗口8a上方伸展（见图2）。

这些阳极丝可由例如不锈钢或镀金钨丝这样的材料构成，它们的直径约为50微米。这些阳极丝彼此互相平行地伸展，相邻两个阳极丝之间的距离例如约为2.5毫米。

可用任何一种适当的办法，如点焊而形成的焊接点10，将这些阳极丝固定到平板8上。

由于平板框架8有极高的电阻率，所以这些阳极丝彼此之间是电绝缘的，并且这些阳极丝各自独立地被连接到固定在平板8的末端的连接器11中的各个相互分开的连接孔中。

沿窗口8a的边延伸的还有两条阳极丝，这两条阳极丝的直径比其它的阳极丝的直径大些，例如它们的直径可以是70微米，这两根丝不连到连接器11上。为使图面清楚起见，没有将它们的这一特点专门示于图2之上，它们的作用是为实际连到连接器11上的所有阳极丝提供一个均匀的电场。

按完全相似的方式制造平板9上的丝网3，相对于转换器2来说，丝网3（和丝网3′）是对称放置的。

换言之，参照图2中的布置情况，丝网3是在平板9上的图中看不见的那一面上伸展。

唯一的差别就在于丝网3和3′的连接方式不同。

例如，如图2所示，平板9比平板8短些，丝网3中诸如3a和3b等阳极丝，分别单独地被连接到丝网3′中相对于转化器2的平面 来说是对称的那些阳极丝3′a和3b′等上，它们的连接点就在丝网3′上的所说阳极丝和连接器11相互连接的那些点的附近。因此，虽然连接器11仅装在平板8上，但连接器11还起到连接装在平板9上的丝网3的阳极丝的作用。

附加的平面电极4和4′对称地放置在前边描述过的装置2-6-7-8-9的两侧，距相应的丝网3和3′有一定距离，用厚度垫块12a、12b、13a和13b将这个距离调节成3毫米。

附加电极可用例如不锈钢板这样的材料制成，这些附加电极也称为“阴极”，这是因为它们的电位是负向偏置电位，它们的作用之一是将从转化器逃逸出的电子返送至丝网3和3′的阳极丝。

在阴极4′的上方（如图2所示）有一个绝缘平板14，参照图3就能比较容易地理解它的绝缘作用。

最后，在平板8和9之间有一个垫块15，用它来防止所说的两块平板之间发生的任何相对运动。

参照图2所描述的这一组零件可用任何适合的方式组装在一起，例如用穿过这一组零件的尼龙螺钉将它们夹在一起。

通过平板14将上述的整个组合件固定在支架16上（见图3），在支架16由金属构成的情况下，平板14使阴极与支架相绝缘。

可用任何适当的方式，例如用螺栓17，将支架16固定到气密外壳18的底座18a上。

外壳18主要由一个长方形盒18b构成，用适当的元件，如螺栓19a、19b和螺母20a、20b将此长方形盒18b固定到底座18a上，用密封垫21来保证此外壳确实密封。

此外壳采用中性粒子可穿透的、并有足够结构强度的材料，例如铝而制成。

在图3中，基准轴线22代表外壳18的长方形外形的纵向对称轴。

通过简单的长度测量很容易测定此对称轴线穿过底座18a及与其相对的长方形盒体18b的那一端的那些线。

为了使转化器相对于入射辐射有正确的取向，当转化器由于被包围在外壳18内而变得不再能观察到时，支架16能保持转化器2相对于基准轴线22有一个特殊的取向，这一取向就和所希望达到的相对于中性粒子传播平均方向的转化器倾斜程度相对应。

换言之，在支架16上为图2中描述过的那一组零件而提供的支承表面和基准轴线22之间的夹角α应该是1°，因此就可以通过将所说基准轴线22和粒子传播平均方向对齐的办法，使转化器2相对于垂直于图2平面的一个轴得到正确的取向。

然后，通过围绕基准轴线22而旋转，可使外壳18进行取向，从而使靠近框架元件7a的转化器2的前端平行于平直的入射粒子束23的中间平面。这一中间平面和转化器的前端于是就垂直于图3的平面。

平直的中性粒子束23由准直器25的一个长狭缝24限定边界，准直器25可由例如铅屏蔽层构成，所说狭缝5毫米宽，16厘米长。在图3中，狭缝24的长度方向垂直于图3平面，并且，平直的中性粒子束23的中间平面横切转化器2处的线就是线26，线26垂直于图3平面并且处在沿转化器方向上一半左右的位置。

外壳18的底座18a包括有一个多芯连接器27，对其中的每一个芯都有一个气密的馈入装置（feed-through）孔。将连接器11中的每一个连接孔都在外壳18的内部连到连接器27的一个芯 上，在外壳18的外部，每一个芯都连到相应的电子处理通道上。

底座18a还包含有一个阀门28，其作用是用适当的气体将外壳18充到期望的压力。

所选的气体应该是一种惰性气体（例如氩），还应该加入微量的多原子分子，例如异丁烷、乙烷、酒精蒸气、甲醛缩二甲醇或者酒精和二氧化碳的混合物。

将压力调整到5×10³帕斯卡至10⁶帕斯卡之间的某个数值，在被描述的特定实施例中调整到10⁵帕斯卡。

为了避免由于气体变质引起的各种后果，在外壳18内还要提供两个和阀门28类似的开孔，这样就可以使气体在外壳内连续流动和/或更新外壳内的气体。

最后，底座18a还包括另外一个密封的馈入装置29供电缆30之用。

电缆30的外部是绝缘的，在本实施例中电缆的作用是将转化器2和阴极4、4′连到约2千伏至3千伏的负偏置电位上。

电缆30中的导线可连接到例如转化器和阴极上的侧向连接器上（图中未示出）。

所选偏置电位的大小取决于以下因素：丝网3和3′的阳极丝和转化器2之间的距离、外壳内部的气体压力、所期望的汤森雪崩放大因子、阳极丝的直径。电压的选用按每乇每厘米约为1伏为好（其中，1乇近似等于1.3×10²帕斯卡）。

图4是按照本发明的设备的一个装置。

该设备包括一个框架31，有多个诸如图3所示的传感器安装在这个框架上，例如，大约有30个传感器（参见图5A）。 在距框架31一定距离处，放置一个中性粒子源32，例如x射线产生器、直线加速器或同位素源（如钴⁶⁰），使得中性粒子源32向所有这些传感器、至少向其中的部分传感器发射中性粒子。

框架31的形状是成包折形的，例如可以是L形或半圆形，中性粒子源和框架之间的距离可以长达几米，这样就容许在中性粒子源和传感器之间插入一个诸如拖车或集装箱（如33所示）这样的相当大的物体。假定这个物体按箭头所示的方向匀速地行进。

通过壁35来防护源32的辐射，成象装置34从安装在框架31上的每一个传感器1上的每一个连接器芯27处接收一个电流信号，此信号可选择地被诸如放大器5那样的放大器预放大。此信号也就代表了当辐射通过物体33后，被连接到相应的连接器芯上的阳极丝对（例如3a和3′a）所探测到的中性粒子辐射强度。

因此，每一个这样的信号就代表了中性粒子源发出的辐射沿高度精确的方向被考察中的物体33所吸收的程度，因而这些信号就代表了穿过辐射的材料的性质和质量。

在一个短时间间隔内，例如在20毫秒内，电流信号被逐个积分，然后将其转换成数字取样值，再存储在一个存贮器里。相应同一个积分时间里的数字取样值对应于在所说的积分时间里被照射到的物体33那一部分的图象。这整个一组存贮的数字取样值对应于整个一段积分时间、即整个物体33通过此装置所经历的时间，于是，利用这整个一组存贮的数字取样值，按常规技术就可重新组成该物体的一个二维图象。

在实际操作时，以下的方法可能是有利的：按图5A所示的情况取物体33的两个图象，从而能复盖所有的角度并且还能获得一个立体的图象。

为此，可在取两个图象时将源32移动一次位置（或者使用第一个源和第二个源）并且在每一种情况下都让传感器朝向位置适当的源。

因此，可将传感器1可旋转地安放在框架31上，使其能围绕垂直于图5A平面的一个轴旋转，因而传感器1就能够朝向源的两个可能位置之一。

图5A示出了标号36的细节，在图4中为了清楚起见将其略去未画出来。

标号36代表一个准直器，例如是一个在图5A平面具有细长狭缝的铅平板，因此它能将中性粒子的发射限制成一个平直的粒子束，该平直束的中间平面对应于框架的中间平面并且平行于图5A的平面，平直束的厚度完全和框架31的厚度一样。

图5B是沿图5A中的箭头BB的视图。

图5B给出了在实施按图5A所示的成象方法时出现的一个问题的解决方案。

每一个传感器在垂直于图3平面的方向上所占的宽度不可避免地要比装在传感器里边的转化器宽度更大些。因此，不可能沿整个一横排来布置传感器（在图5B中，从右至左），故也不可能截取由源32和准直器36在其中间平面的整个范围内所发出的整个平直的粒子束。

解决这一问题的方法是按图5B所示在框架31上交错地布置传感器1。

如果使用厚度为100微米的钽转化器，转化器到阳极丝的距离为2.5毫米，源到传感器距离为3米，x射线产生器工作在400千电子伏和10毫安条件下，则当在源和传感器之间插入4厘米厚的钢质 材料时，在阳极丝上所得到的电流约为6×10^-6安培，若插入14厘米厚的钢质材料，则可得到的电流约为3×10^-9安培。

如本专业领域技术人员很容易理解的那样，按照本发明的设备应用广泛，不仅限于按图4和图5专门示出的这些应用。

尤其，本发明可适用在x射线、γ射线、中子或正电子发射层析x射线摄影法以及闪烁作图法。

总之，由于按照本发明的传感器的效率极高，所以不必使用大剂量的辐射就能够获得一个良好的图象。

本发明还可以用在不是必需进行扫描的场合，例如用来获得一维x射线衍射图象

Claims (26)

1、一种用于探测和定位诸如x光子、γ光子或中子的中性粒子的设备，该设备至少包括一个传感器，传感器取充气外壳的形式，外壳对所说中性粒子来说是可穿透的，并且外壳中至少包括一个转化器，转化器能够在与所说中性粒子发生碰撞时发射出电离粒子，以便通过将气体电离而产生带电粒子；该设备还包括一个探测部件，其电位相对于所说转化器电位的差别要足够大，以便能有足够大的力来吸引所说带电粒子从而产生雪崩现象，该设备的特征在于：

相对于所说传感器传播的中性粒子遵循一个确定的平均方向，并且转化器包括一个由固体材料组成的平板，平板相对于所说粒子传播的平均方向所成角度小于10°；

所述探测器部件(3)包括一个由多个导电的细长探测器元件组成的网络，这些导电的细长探测器元件彼此基本相互平行，并且还平行于转化器的平板，这些导电的细长探测器元件被连到电路(5)上，从而在沿着垂直于所说粒子传播平均方向的转化器板平面上突出部分的方向上，形成一个与中性粒子强度分布相对应的一维图象。

2、一种按照权利要求1的中性粒子的探测和定位设备，其特征在于所述细长探测器元件是一些彼此电绝缘的金属丝，它们平行于所说粒子传播平均方向的转化器平板上突出部分，并保持拉紧。

3、一种按照权利要求1或2的中性粒子的探测和定位设备，其特征在于，所述转化器所含材料的原子序数不小于25。

4、一种按照权利要求1或2的中性粒子的探测和定位设备，其特征在于，所述转化器所含材料与中性粒子的有效反应截面不小于1毫靶。

5、一种按照权利要求1或2的中性粒子的探测和定位设备，其特征在于，所述转化器的厚度不大于2毫米，转化器相对于中性粒子传播平均方向所成角度不大于5°。

6、一种按照权利要求1或2的中性粒子的探测和定位设备，其特征在于，所述转化器是一个厚度不超过200微米的钽平板，该钽平板相对于中性粒子传播平均方向所成角度不大于2°。

7、一种按照权利要求2的中性粒子的探测和定位设备，其特征在于，相邻的两个阳极丝之间的距离以及每一个阳极丝和转化器之间的距离均小于15毫米。

8、一种按照权利要求2的中性粒子的探测和定位设备，其特征在于，探测器部件至少还包括一个附加平板电极，它的电位基本上和转化器的电位相同，此附加平板电极平行于转化器而放置，并处在丝网的远离转化器的一侧。

9、一种按照权利要求8的中性粒子的探测和定位设备，其特征在于，探测器部件在转化器的每一侧都包括一个丝网和一个附加电极。

10、一种按照权利要求1的中性粒子的探测和定位设备，其特征在于，外壳内的气压小于10⁶帕斯卡。

11、一种按照权利要求10的中性粒子的探测和定位设备，其特征在于，在探测器部件和转化器之间的电位差小于30千伏。

12、一种按照权利要求1的中性粒子的探测和定位设备，其特征在于，该设备还包括一个支架，这一支架使转化器和探测器部件相对于外壳外部形状的一个参考轴线保持一定的角度，所述角度适宜于在所说参考轴线直接指向所说中性粒子传播的平均方向时，获得转化器相对于所说中性粒子传播平均方向的期望取向。

13、一种按照权利要求1的中性粒子的探测和定位设备，其特征在于，该设备还包括至少一个中性粒子源，中性粒子源距传感器有一定距离，每一个传感器的取向应使中性粒子传播的平均方向在传感器和源之间轴线方向上。

14、一种按照权利要求13的中性粒子的探测和定位设备，其特征在于，该设备还包括至少一个中性粒子准直器，准直器与相应的一个传感器相连，所说准直器有一狭缝，用于将来自源的中性粒子束限制成一个以所说中性粒子传播平均方向为中心的平直束，这一平直束与基本上垂直于所说传播平均方向的传感器转化器的平面相交。

15、一种按照权利要求13的中性粒子的探测和定位设备，其特征在于，中性粒子源是一个能量不小于50千电子伏的x光子源或γ光子源。

16、一种按照权利要求13的中性粒子的探测和定位设备，其特征在于，该设备还包括一个其上装有多个传感器的框架。

17、一种按照权利要求16的中性粒子的探测和定位设备，其特征在于，在框架上，传感器交错地放置，因此各个转化器当被认为是一个整体时，就截取了来自中性粒子源的整个平直的中性粒子束。

18、一种按照权利要求16的中性粒子的探测和定位设备，其特征在于，框架包折成某种形状，例如L形、U形或弓形，中性粒子源以距框架一定距离放置在所说包折成的形状内。

19、一种按照权利要求16的中性粒子的探测和定位设备，其特征在于，传感器以可旋转的方式安装在框架上，因此传感器能朝向至少两个中性粒子源，或者在只有一个源的情况下，至少可朝向此中性粒子源的两个可能的位置。

20、一种按照权利要求1或2的设备应用，其特征在于用来获得中性粒子所照射物体的至少一部分形体的图象。

21、一种按照权利要求20的设备应用，其特征在于至少被照射物体相对于传感器或者被照射物体相对于源是可以移动的。

22、一种按照权利要求21的设备应用，其特征在于被考察的物体在中性粒子通道上提供至少为1厘米厚度的金属。

23、一种按照权利要求21的应用，其特征在于被检查物体是一个集装箱（Containter）。

24、一种按照权利要求20的应用，其特征在于中性粒子是x光子或γ光子。

25、一种按照权利要求20的应用，其特征在于所用中性粒子能量在25千电子伏至2兆电子伏之间。

26、一种按照权利要求20的应用，其特征在于所用中性粒子能量在350千电子伏至750千电子伏之间。

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