CN101504463B - 带光波导和中子闪烁材料的集成式中子-伽马辐射探测器 - Google Patents

带光波导和中子闪烁材料的集成式中子-伽马辐射探测器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种带光波导和中子闪烁材料的集成式中子-伽马辐射探测器，具体而言，一种集成式中子-伽马辐射探测器包括伽马传感元件，中子传感元件，以及感光元件，中子传感元件包括至少部分地被光波导材料包围的中子闪烁材料，而感光元件光学地耦合在伽马传感元件和中子传感元件两者上。伽马传感元件的一部分可被布置在中子传感元件的中心孔中。在一方面，中子传感元件包括多个圆柱形的同心的壳，其形成用于接收伽马传感元件的中心孔。在另一方面，中子传感元件包括多个束，其形成多层结构，并形成用于接收伽马传感元件的中心孔。

Description

带光波导和中子闪烁材料的集成式中子-伽马辐射探测器
技术领域
本文的教义涉及一种离子辐射探测器，更具体地说，涉及一种用于探测伽马成分和中子成分的探测器。
背景技术
放射性材料的探测，尤其那些违法地隐藏在商业流中的放射性材料的探测要求各种辐射探测设备的可用性。特别地，在该领域需要手持式放射性同位素识别装置(HHRIID)来快速地确定特种核材料的存在，并将其与医疗和工业放射性同位素的存在区别开，并与正常存在的放射性材料区别开。HHRIID的一个可能的实施例由两个光学地分隔开的辐射传感器组成，传感器发射光，并耦合至(coupled to)公共的光探测器。第一辐射传感器是中子传感部件，其包含带有高中子截面的原子核，例如在化合物中的6Li，例如6LiF，其被闪烁体材料(例如ZnS:Ag)的粒子所包围，并共同被束缚在环氧树脂基体(epoxy matrix)中。第二辐射传感器是伽马传感部件，并由闪烁体晶体组成，其具有增强的伽马能量分辨率、高的伽马阻挡功率(stopping power)以及带非常低的中子吸收截面的原子成分。这两个辐射传感器以如下方式光学地分隔开，即，使得一个传感器所发射的光不会到达另一传感器，以避免光干扰(optical crosstalk)。HHRIID可包括脉冲形状识别电路，其识别发出的光的源(是由中子传感部件还是由伽马传感部件发出，基于闪烁光衰变时间上的差异)。
在中子的探测(通过固态闪烁)中，或许利用率最高的材料源自粒状的6LiF和ZnS:Ag的混合物。这种混合物中的各个成分代表“最佳的分类”性能(即，中子俘获和发光)。对于中子俘获，LiF晶体结构提供了固态形式中的最高的Li原子密度中的一种，并提高了中子相互作用的几率，尤其是当其附加地为富6Li的情况下。此外，由6Li进行的热中子的吸收导致直接蜕变成α粒子和氚核粒子，没有其它二次辐射。多反应路径(reaction pathways)和/或辐射副产物的不存在使人们可将相应的磷光体(phosphor)优化成单二次辐射类型(single secondaryradiation type)(即，重带电粒子)。对于发光，ZnS:Ag是已知的最亮的磷光体的其中一种，并且在暴露于α射线和氚核下仍在其发射方面保持无与伦比。
在确定中子闪烁体的性能中关键的度量是中子灵敏度、每入射中子通量所记录的中子事件的数量。这种测量要求对来自中子闪烁体的光子的收集和计数。然而，6LiF/ZnS:Ag材料的光输出受到这两个因素的限制：[1]由ZnS:Ag磷光体进行的发出的光的自吸收，以及[2]通过散射而发生的所发射光子的光学衰减。后者是由于材料的粒状性质(即，界面的众多与折射率的不匹配)而引起的。最终结果是厚度上的阀值，超出该阀值进一步的(有效的)光输出是无法获得的。
传统的中子探测方法通常依赖于薄的6Li/ZnS:Ag复合物盘(＜1mm)至光传感器(photosensor)的平的圆形面的光耦合。出于上述原因，无法通过增加盘的厚度来提高这种设计的中子灵敏度。相反，必须采用6LiF/ZnS:Ag复合物的多个层，这又在将合成的附加光(resultingadditional light)输送至光传感器方面造成了极大的困难。此外，平的盘可能并非用于中子俘获的所需的形状。如果应用需要中子能量的慢化(即，化成周围热能(reduction to ambient，thermal energies))，那么圆柱形壳优选于盘。对于这种几何形状，光传输的挑战变得甚至更为尖锐。
为了提高探测器的总的中子灵敏度而同时提供一种可减少探测器尺寸和重量的设计，优化的集成式伽马/中子探测器必须解决中子传感复合物(composite)的更大区域的封装的问题。
发明内容
在一方面，集成式中子-伽马辐射探测器包括伽马传感元件(gamma sensing element)、中子传感元件(neutron sensing element)以及感光元件(photosensing element)；中子传感元件包括至少部分地被光波导材料(optical waveguide material)包围的中子闪烁材料(neutronscintillating material)，伽马传感元件的至少一部分布置在中子传感元件的中心孔中；感光元件光学地耦合在伽马传感元件和中子传感元件两者上。
在另一方面，集成式中子-伽马辐射探测器包括伽马传感元件、中子传感元件以及感光元件；中子传感元件包括至少部分地被光波导材料包围的中子闪烁材料，伽马传感元件的至少一部分布置在中子传感元件的中心孔中，其中，中子传感元件包括形成中子传感元件的中心孔的多个圆柱形同心壳；感光元件光学地耦合在伽马传感元件和中子传感元件两者上。
在又一方面，集成式中子-伽马辐射探测器包括伽马传感元件、中子传感元件以及感光元件；中子传感元件包括至少部分地被光波导材料包围的中子闪烁材料，伽马传感元件的至少一部分布置在中子传感元件的中心孔中，其中，中子传感元件包括多个束；感光元件光学地耦合在伽马传感元件和中子传感元件两者上。
在另一方面，集成式中子-伽马辐射探测器包括：伽马传感元件；中子传感元件；感光元件；该中子传感元件包括至少部分地由光波导材料所包围的中子闪烁材料，该伽马传感元件的至少一部分布置在该中子传感元件的中心孔中；该感光元件光学地耦合在该伽马传感元件和该中子传感元件两者上。其中，该中子传感元件包括形成该中子传感元件的中心孔的多个圆柱形的同心的壳。该多个圆柱形的壳中的至少一个壳沿着该探测器的纵轴线基本上排列好(aligned，有时也称与之找平，校直，使其与该纵轴线成一直线或与之平行)。
在另一方面，集成式中子-伽马辐射探测器包括：伽马传感元件；中子传感元件；感光元件；该中子传感元件包括至少部分地由光波导材料所包围的中子闪烁材料，该伽马传感元件的至少一部分布置在该中子传感元件的中心孔中；该感光元件光学地耦合在该伽马传感元件和该中子传感元件两者上。其中，该中子传感元件包括多个束。该多个束形成了形成该中子传感元件的中心孔的成层的结构(layeredstructure)。各个束包括布置在该光波导材料中的该中子闪烁材料的实心芯部(solid core)。并且，各个束包括多个圆柱形的同心的壳。其中，该多个束中的至少一个束基本上沿着该探测器的纵轴线排列好。
在另一方面，该光波导材料包括光波导。
本发明提供了在集成式中子-伽马探测器中探测辐射的方法，该方法包括如下步骤：
将中子闪烁材料布置在光波导材料中，以形成中子传感元件；
将伽马传感元件的至少一部分布置在中子传感元件中；且
将中子传感元件和伽马元件都光学地耦合至感光元件。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的集成式中子/伽马探测器的分解图，其包括带有光波导材料和中子闪烁材料的中子传感元件；
图2是根据本发明一个实施例的图1的中子/伽马探测器的中子传感元件的分解图；
图3是图1的集成式中子/伽马探测器在装配状态下的透视图；
图4是根据本发明另一实施例的集成式中子/伽马探测器的分解图，其包括带有光波导材料和中子闪烁材料的中子传感元件；
图5是根据本发明另一实施例的图4的中子/伽马探测器的中子传感元件的分解图；
图6是图4的集成式中子/伽马辐射探测器在装配状态下的透视图；
图7是根据本发明的一个备选实施例的中子传感元件的束的横截面图；且
图8是根据本发明另一备选实施例的中子传感元件的束的横截面图。
具体实施方式
现在参看图1-3，其大体上在标号10之下显示了根据本发明一个实施例的集成式中子-伽马辐射探测器。探测器10在一端包括中子缓和剂(neutron moderator)12，其包括使进入缓和剂12的快中子减速而容许热中子和伽马射线轻易地从其中穿过的材料。例如，中子缓和剂12可包括氢等等。缓和剂12包括空腔14，其可衬有光学反射器材料16。伽马传感元件18布置在中子缓和剂12的空腔14中，并被光学反射器16的另一层所包围，以提高探测器10的光学效率。在一个实施例中，伽马传感元件18包括闪烁体晶体(scintillator crystal)，当伽马射线与伽马传感元件18碰撞时，其发出具有衰变时间τ的光脉冲。用于闪烁体晶体的典型材料包括，但不局限于，具有高的能量分辨率(662KeV下为3％或更好)的晶体材料，其来自卤化镧系列(Lanthanumhalides class)(LaBr3、LaCl3、LaI3)，以及这些材料的固溶体(solidsolution)。其它稠密的明亮的且快速的(dense，bright and fast)闪烁体材料也可用于加入到伽马传感器18中。例如，闪烁体晶体可由混合的卤化镧(mixed lanthanum halide)LaX3:Ce(X＝Cl、Br、I)伽马闪烁体材料制成，其发出具有大约为20毫微秒的衰变时间τ1的光脉冲。混合的卤化镧LaX3:Ce(X＝Cl、Br、I)伽马闪烁体材料具有杰出的能量分辨率，因而同当前技术，例如低温冷却的高纯锗(HP Ge)相比，其将能够以相当低的成本实现高性能的室温探测器。
探测器10包括中子传感元件20，其布置在中子缓和剂12的空腔14中。在所示的实施例中，对于如图3所示的空间紧凑的设计，中子传感元件20布置成贴近伽马传感元件18，以使得伽马传感元件18的至少一部分布置在中子传感元件20中。在包围中子传感元件20和伽马传感元件18两者的层中使用光学反射体材料16，以提供一种光学上高效的设计。
探测器10还包括感光元件或感光元件阵列24，例如光电二极管或光电倍增管(PMT)等等，其光学地耦合在伽马传感元件18和中子传感元件20上。在所示的实施例中，在感光元件24与伽马传感元件18及中子传感元件20之间布置有聚光器22。聚光器22由光学上透明的材料制成，例如环氧树脂、塑料、玻璃等等。聚光器22的目的是用作透镜，并将从具有相对较大的直径的中子传感元件20和伽马传感元件18发出的光子汇集到通常具有相对较小的直径的感光元件24中，并提高探测器10的光学效率。如果需要，聚光器22可由光学反射器(未显示)所包围，以进一步提高探测器10的光学效率。应该懂得，如果伽马传感元件和中子传感元件18，20的相对直径大致等于感光元件24的直径，可省去聚光器22。
应该懂得，本发明可在使用任何合适的光传感器(其用作感光元件)的条件下来实现，而且这里，使用光电二极管或PMT作为光传感器仅仅是说明性的且为非限制性的。感光元件24输出信号S，其通过其衰减时间特征来表示由伽马传感元件18和中子传感元件20所发出的两种不同类型的光子。因而，探测器10只需要单个感光元件24来探测由伽马传感元件和中子传感元件18，20所发射的这两种不同类型的光脉冲。
虽然在所示的实施例中，集成式探测器10包括光电二极管的阵列作为感光元件24，但是探测器10还可包括其它光敏的装置(photosensitive devices)。例如，探测器10的其它实施例可包括光电倍增管、PIN型光电二极管、雪崩光电二极管、盖革模式运行的光电二极管、混合光电探测器以及其它类似的装置，其可作为阵列而分组地或独立地来运行。简而言之，感光元件24设计成可接受并解析(interpret)来自伽马传感元件18和中子传感元件20中的各者的信号(伽马传感元件18和中子传感元件20中的各个都是闪烁体，并响应于辐射相互作用而提供光学输出)。为了解析这种信号，探测器10还可包括本领域中众所周知的脉冲整形和处理电子仪器组件(未显示)，其处理来自感光元件24的信号S，以确定给定的光子-发射事件是伽马传感元件18中的还是中子传感元件20中的辐射相互作用的象征。在伽马射线的情况下，这种电子仪器还基于感光元件24中所产生的电荷数量以及利用已知的来自放射性同位素源的伽马射线能量所进行的校准过程而确定该伽马射线的能量。例如，这种脉冲整形和处理电子仪器组件可包括模拟-数字转换器(ADC)且还可包括电荷[Q]至数字转换器(QDC)(未显示)，其接受来自感光元件24的信号S。各信号S表示伽马传感元件18和中子传感元件20中的一个中的辐射相互作用，并具有信号幅V0。
现在参看图2，本发明的一个方面在于，中子传感元件20包括包围中子闪烁材料20b的光波导材料20a，和中心孔20c，该中心孔20c具有足够的尺寸以使得可将伽马传感元件18的至少一部分布置在其中。在一个实施例中，光波导材料20a可由例如熔融的/玻璃质的硅石、透明塑料等等制成。例如，光波导材料20a可包括本领域中众所周知的类型的光波导(optical waveguide)。中子闪烁材料20b可包括例如闪烁体材料(例如ZnS:Ag)和中子俘获材料(举例而言，化合物形式的6Li，例如6LiF)的粒子混合物，两者都在光学上透明的环氧树脂基体中。
中子闪烁材料具有相对较大的用于热中子的横截面(940靶每Li6原子)。吸收热中子，6Li衰变成3H并发射α粒子，带电粒子两者具有大约为4.8MeV的总动能。α粒子和氚核被闪烁体材料，例如ZnS:Ag吸收，其发射具有为大约110毫微秒的衰变时间τ2(其不同自伽马传感元件18的闪烁体晶体发射出的光子的衰变时间τ1)的450nm光子。利用优化的半径或厚度最大限度地增加离开中子闪烁材料20b的表面区域(surface area)的光子通量。例如，可选择非常薄的6LiF/ZnS:Ag复合材料的壳的半径，以便最大限度地增加内部光发生，并且选择圆柱形壳的厚度，以优化来自外表面和内表面(exterior and interior surface)的发射。
应该懂得，本发明并不局限于使用6LiF/ZnS:Ag作为中子闪烁材料，而可将其它中子闪烁材料布置在光波导材料中。这些材料可包括这样的成分，即，中子俘获和发光功能包含在单一成分中(也就是说，不像6LiF和ZnS:Ag的情形下那样为两种成分)。例如，包含6Li、10B、157Gd等等的液态的或塑性的中子闪烁材料都是可作为中子闪烁材料的适合的候选物。
如上所述，α粒子和氚核与闪烁体材料(例如ZnS:Ag)的相互作用形成了自中子闪烁材料20b的光子发射。因此，虽然由LiF/ZnS:Ag成分所产生的信号可能包含了其它现象或潜在地被影响，但是应该认识到，“中子传感器”的使用考虑到了用于中子探测或为中子探测作准备的各个方面和各种机理(mechanism)，因此术语“中子传感器”并不受到各个方面和各种机理的限制。
在所示的实施例中，中子传感元件20包括交替的光波导和中子闪烁材料的多个同心的圆柱形的环或壳。这种材料的壳或环沿着探测器10的纵轴线26而延伸，并基本上与之找平。然而，应该懂得本发明并不局限于用于该中子传感元件20的特殊的配置，而是，许多可用于中子传感元件20的配置都在本发明的范围。在一个示例中，中子传感元件20具有最里面的光波导材料20a的壳，其后跟随着交替的中子闪烁材料20b和波导材料20a的壳，以及最外面的波导材料20a的壳。在另一示例中，中子传感元件20具有最里面的或为光波导材料20a或为中子闪烁材料20b的实心的“芯部”，其后跟随着交替的光波导材料20a和中子闪烁材料20b的壳，以及最外面的波导材料20a的壳(即，没有中心孔20c)；在这后一种情况下，不要求伽马传感元件18被布置在中子传感元件20的中心孔20c中。
此外应该懂得，本发明并不局限于交替的波导材料和中子闪烁材料壳的厚度和数量，并且可根据需要改变壳的厚度和数量。例如，中子传感元件20可包括仅三个材料壳，例如，布置在光波导材料20a的最里面壳和最外面壳之间的中子闪烁材料20b的壳。还应该懂得本发明并不限于使用交替的层，而是，可用非交替的中子闪烁材料和光波导材料的层来实践本发明。
由于光波导20a包围中子闪烁材料20b，所以由中子传感材料20b所发射的光子被聚集并被引导至光波导材料20a的端部。这样，光学地耦合在中子传感元件20上的感光元件24可探测光子(作为中子事件)。为了增强光子的内部反射，光波导材料20a(理想地)应具有比中子闪烁材料20b的折射率更大的折射率。如果需要，光波导材料20a的表面可涂覆薄的反射层(未显示)，以产生“单向镜”效应，从而改善内部反射。理想地，在中子闪烁材料20b的波长处，光波导材料20a还应具有非常高的传输(transmission)(＞90％)。应该懂得，可优化光波导材料20a的厚度和中子闪烁材料20b芯部的直径及厚度，以便最大限度地增加由波导材料20a所收集并最终被作为事件解析的光子的量(amount)。
现在参看图4-6，显示了探测器10的中子传感元件20的另一配置。在该实施例中，中子传感元件20包括布置在环状或管状光波导材料20a的内部的中子闪烁材料20b的多个“束”。该“束”沿着探测器10的纵轴线26而延伸并基本上与之找平，以形成具有中心孔20c的多层结构，从而使得伽马传感元件18的至少一部分可布置在其中，类似于图1-3中所示的中子传感元件20的圆柱形壳。在不要求将伽马传感元件18布置在中子传感元件20的中心孔20c中的情况下，“束”也可形成带有实心芯部(没有中心孔20c)的中子传感元件20。
应该懂得，本发明并不局限于用于形成中子传感元件20的“束”的层的数目，而且可用针对光子的收集和至感光元件24的传输的优化的层数来实践本发明。
在图5所显示的实施例中，中子传感元件20的各“束”包括光波导材料20a的圆柱形管和布置在该光波导材料20a的圆柱形管中的中子闪烁材料20b的实心“芯部”。然而，应该懂得，本发明并不限于用于中子传感元件20的各个“束”的配置，而且，有许多配置都是在本发明的范围内的。例如，中子传感元件20的“束”可包括外侧的光波导材料20a的圆柱形壳和最里面的同心的光波导材料20a的实心“芯部”，其中，中子闪烁材料20b布置在壳和“芯部”之间，如图7中所示。在一个备选实施例中，中子传感元件20的“束”可包括光波导材料20a的两个同心的圆柱形壳以及布置在这两个壳之间的中子闪烁材料20b，如图8中所示。
虽然已经参照示例性的实施例描述了本发明，但是本领域中的技术人员应该懂得，可做出各种变化并且元件可由其等效物替代而不脱离本发明的范围。另外，还可进行许多修改以使具体的情形或材料适应于本发明公开的教导而不脱离本发明的本质范围。因此，本发明并不局限于作为被视为实现本发明的最佳模式而公开的特定的实施例，相反，本发明将包括落在所附权利要求范围内的所有实施例。
部件列表
10    探测器；
12    中子缓和剂；
14    空腔；
16    光学反射器；
18    伽马传感元件；
20    中子传感元件；
20a   光波导；
20b   中子闪烁材料；
20c   中心孔；
22    聚光器；
24    光传感器(PMT)；
26    纵轴线。

Claims (10)

1.一种集成式中子-伽马辐射探测器(10)，其包括：
伽马传感元件(18)；
包括至少部分地由光波导材料(20a)所包围的中子闪烁材料(20b)的中子传感元件(20)，所述伽马传感元件(18)的至少一部分布置在所述中子传感元件(20)的中心孔(20c)中，其中由所述中子闪烁材料(20b)所发射的光子被聚集并被引导至所述光波导材料(20a)的端部；和
光学地耦合在所述伽马传感元件(18)和所述中子传感元件(20)两者上的感光元件(24)。
2.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述中子传感元件(20)包括形成所述中子传感元件(20)的中心孔(20c)的多个圆柱形的同心的壳(20a，20b)。
3.根据权利要求2所述的探测器，其特征在于，所述多个圆柱形的壳中的至少一个壳(20a，20b)沿着所述探测器(10)的纵轴线(26)基本上找平。
4.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述中子传感元件(20)包括多个束(20a，20b)。
5.根据权利要求4所述的探测器，其特征在于，所述多个束(20a，20b)形成了形成所述中子传感元件(20)的中心孔(20c)的成层的结构。
6.根据权利要求4所述的探测器，其特征在于，各个束(20a，20b)包括布置在所述光波导材料(20a)中的所述中子闪烁材料(20b)的实心芯部。
7.根据权利要求4所述的探测器，其特征在于，各个束(20a，20b)包括多个圆柱形的同心的壳。
8.根据权利要求4所述的探测器，其特征在于，所述多个束中的至少一个束(20a，20b)沿着所述探测器(10)的纵轴线(26)基本上找平。
9.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述光波导材料(20a)包括光波导。
10.一种在集成式中子-伽马射探测器(10)中探测辐射的方法，所述方法包括如下步骤：
将中子闪烁材料(20b)布置在光波导材料(20a)中以形成中子传感元件(20)，其中由所述中子闪烁材料(20b)所发射的光子被聚集并被引导至所述光波导材料(20a)的端部；
将伽马传感元件(18)的至少一部分布置在所述中子传感元件(20)中；以及
将所述中子传感元件(20)和伽马元件(18)都光学地耦合至感光元件(24)。
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