CN102183776B - 气体辐射探测器及辐射成像系统 - Google Patents

Abstract

一种气体辐射探测器，包括：电极对，该电极对包括多个子电极对，所述多个子电极对沿射线的入射方向排列。所述多个子电极对分别探测不同能区的射线。当前的发明在同一个气体室内实现了多能射线同时测量的功能，材料成本低，几何结构简单，操作方便，使用寿命长，可根据应用的射线能量区间来灵活调整气体种类和压力，以达到高的探测效率，解决了双能固体探测器的低能探测器太薄，不易制备的难题，而且同一气体室保证了各路信号的一致性高，后续数据处理简单。该发明可以广泛应用于辐射成像领域。

Description

气体辐射探测器及辐射成像系统

本申请是申请号为200810106280.9、发明名称为“气体辐射探测器及辐射成像系统”、申请日为2008年5月9日的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及气体辐射探测器及辐射成像系统。

背景技术

在核辐射探测及核技术应用领域中经常需要同时探测几种不同能量的伽玛射线或X射线。尤其在辐射成像领域，不同能量的射线与被检物中不同成分的反应机制不同，双能或多能伽玛射线或X射线的探测不仅可以获得被检物由于密度不同产生的投影图像，还可计算出被检物的Z值分布，用以区分金属和有机物，毒品，爆炸物等危险物品和禁运物品。

从射线源考虑，双能和多能图像的获得方式有：用不同能量的伽玛射线源；X光机交替使用不同高压来产生多种能量；X光机前加不同组分的滤片，来实现多种能量的选择。这几种方式的优点是简单，易于实现，缺点是要获得被检物同一部位的双能或多能数据时，必须对被检物的同一部位用不同能量进行多次照射，增加了检测剂量，延长了被检测时间，降低了通过率。无论怎样产生的双能和多能射线，都需要相应的双能或多能探测器进行探测。

从探测器系统考虑，双能和多能图像的获得方式有：单个探测器可测得单光子能谱，然后按能量分区成像；探测器分为低能探测器组和高能探测器组，在射线的径迹上前后相叠组成，来分别测量高低能的射线，不同探测器之间可夹入低能射线滤层，使低能射线完全被阻挡，而高能探测器中只接收高能射线；或低能探测器组和高能探测器组分开排列，分别探测高低能射线。能谱计数型的方法中X光机的电流不可太大，且电子学系统要足够快，才能分开一个束流中的单个光子，且要求探测器具有高的能量分辨性能。后者的方式中，低能射线所需的固体探测器厚度太薄，不易切割制备，且其后相应的读出电路对射线有一定的吸收作用。

可用作多能探测器的有闪烁探测器加光电二级管，或半导体探测器等固体探测器，它们体积小，操作方便，但低能区要求的低能探测器太薄，不易制备，同时半导体探测器的耐辐照性能影响了它的使用寿命。气体探测器是另一类多能探测器，优点是价格便宜，制备简单，使用寿命长。为了提高探测器的探测效率，可采用高气压，使得其对射线的探测效率可与固体探测器相比。双能的固体探测器可由两个气体探测器，中间夹低能射线滤片组成；也可由气体探测器加固体探测器组成。前者的缺点是两个探测器室，增加了操作的复杂性；后者由于是两种类型的探测器，两种响应产生的信号需进行较正。

传统的电离式气体探测器是在密封的气体室内，充有探测气体，内部固定两个平行板的平面电极，电极是连续金属层，用来收集平行板间的探测气体与入射到室内的射线发生反应产生的电荷。密封的室外形可以是长方形或圆柱形，室壁可以是铝，不锈钢或其它密封性能好的材料。探测室的大小由应用的需求来定。所有能量的射线被同时不加区分的测量。

发明内容

针对上述的双能系统存在的问题，本发明的目的是提供一种气体探测器，该气体探测器能够至少部分地减轻上述问题。

本发明的另一个目的是提供一种可灵活实现双能和多能X射线探测的气体探测器。

本发明的另一个目的是提供一种气体探测器，该气体探测器能够克服低能固体探测器太薄，不易制备的缺点，同时在一个气体室内实现多能探测，易于操作，并大大提高了各路信号的一致性，还满足了探测器寿命长，成本低的需求。

根据本发明的一方面，一种气体辐射探测器，包括：电极对，该电极对包括多个子电极对，所述多个子电极对沿射线的入射方向排列。

根据本发明的另一方面，所述多个子电极对中的每一对电极的每一个电极板都具有大体沿垂直于射线的入射方向延伸的相对的两边。

根据本发明的另一方面，所述多个子电极对中的每一对电极的每一个电极板都具有大体矩形形状。

根据本发明的另一方面，所述多个子电极对中的每一对电极的相对的电极板都大体相互平行。

根据本发明的另一方面，所述多个子电极对中的每一对电极的阳极的电极板具有沿垂直于射线的入射方向排列的多个电极条。

根据本发明的另一方面，所述多个电极条是细长的，并且所述多个电极条的长度方向大体与射线的入射方向相同。

根据本发明的另一方面，所述多个子电极对中的每一对电极的阳极的电极板的多个电极条具有大体矩形形状。

根据本发明的另一方面，所述多个子电极对中的每一对电极的一个电极板都大体在一个平面中，并且所述多个子电极对中的每一对电极的另一个电极板都大体在另一个平面中。

根据本发明的一方面，本发明提供了一种辐射成像系统，该辐射成像系统包括：用于发射射线的射线源；以及用于接收所述射线源发射的射线的探测器，其中所述探测器是上述气体辐射探测器。

本发明提供了一种可同时实现多能量段X或伽马射线同时测量的气体探测器，能够工作在积分电流模式或计数模式，大大提高了探测系统对源强的需求限制。由于气体的成分可以是氙气，氩气，甲烷等，也可以是多种气体的混合物，所以可灵活用于不同用途和不同能量区域的测试需求。气体的压力也可随所测射线的能量和类型进行调节，以满足高的探测效率需求。

本发明的多能X或伽马射线同时探测原理是依据不同能量的射线在探测介质中能穿透的厚度不同来设计的，射线源可以是多个单能射线源组成的，也可以是单个X光机发射的能量连续的X射线，高能和低能射线的区分不需要X光机高压的转换或光机前的滤片和准直器的使用，而是由探测器自身的几何结构和物理测量原理实现。高低能区的射线探测是在同一个气体探测室内，阴极和阳极两个电极板相距一定距离，电极板基材可以是PCB板或陶瓷等，其上覆盖一层牢固的金属层，两个电极板间的空间充满气体，用于探测进入探测器的射线。阴极和阳极两个电极板上的金属层按照需要测试的能量段对应的分为几段，金属层沿射线方向的长度由被检测的射线能量和气体种类及压力通过计算决定。所有的电极对和子电极对可以是在相对的两个平行板上，板材可以是PCB板，或陶瓷等，子电极对的区分可以是由平行板间相对平面上分段形成的金属电极层实现的)

本发明的多能同时探测工作原理还可用于所有微条气体探测器，包括电离室工作原理的，和电极条为阴阳极的正比放大型的。其平面阴极金属层按照被检测能量分为几段，而信号收集或放大的微条电极也相应的分为几段。不同位置的金属层电极可通过基板上的金属过孔从基板的背面提供电压并引出信号。

当前的发明在同一个气体室内实现了多能射线同时测量的功能，材料成本低，几何结构简单，操作方便，使用寿命长，可根据应用的射线能量区间来灵活调整气体种类和压力，以达到高的探测效率，解决了双能固体探测器的低能探测器太薄，不易制备的难题，而且同一气体室保证了各路信号的一致性高，后续数据处理简单。该发明可以广泛应用于辐射成像领域。

附图说明

图1是多能气体探测器

图2a-2c是不同能量的X射线在15atm的氙气中的能量沉积分布。

图3是一维位置灵敏的多能气体探测器。

图4是一维位置灵敏的多能正比计数式气体探测器。

具体实施方式

如图1中所示，根据本发明的气体辐射探测器包括：电极对，该电极对包括多个子电极对，所述多个子电极对沿射线的入射方向2排列。具体而言，在一个密封并充有高压探测气体的探测室内，可以是氙气，氩气等多种探测气体，或混合探测气体。图中1是充有探测气体的探测器，2是X射线的入射方向，3是按能量分段的电荷收集阳极板，4是与阳极对应的按能区分段的阴极板，5是驱动射线在气体中产生的电荷漂移的电场。两个电极板均是在PCB板或陶瓷等绝缘材料上蒸镀或电镀的金属层，沿着射线入射的方向，阴极和阳极电极板分为几段，即几个能区，分别用于探测不同能量的射线。分能区探测的原理是根据不同能量的射线在高压探测气体内穿透的深度不同来划分的。该探测器是工作在电离室状态下。此外，电极板也可以用其它方式形成，例如，将多块金属板固定在探测室内。

本发明的电极并不限于上述阳极板3和阴极板4。本发明的电极也可以是任何合适的其它电极。

图1中多个子电极对由电荷收集阳极板3的各段与阴极板4的相应的(即相对的)各段构成。

所述多个子电极对中的每一对电极的每一个电极板都可以具有大体沿垂直于射线的入射方向延伸的相对的两边。如图1中所示，所述多个子电极对中的每一对电极的每一个电极板都具有大体矩形形状。

显然，在探测器是其他结构时，所述多个子电极对中的每一对电极的每一个电极板可以具有与射线的入射方向成一锐角延伸的相对的两边。此外，每一对电极的每一个电极板也可以是其它形状。例如，在探测器是圆柱形时，电荷收集阳极板3的各段与阴极板4的各段都整体构成圆形。

根据本发明的一种实施方式，所述多个子电极对中的每一对电极的相对的电极板都大体相互平行。即电荷收集阳极板3的各段与阴极板4的各段都大体平行，作为选择，电荷收集阳极板3的各段与相应的阴极板4的各段可以成一锐角。

根据本发明的一方面，所述多个子电极对中的每一对电极的一个电极板都大体在一个平面中，并且所述多个子电极对中的每一对电极的另一个电极板都大体在另一个平面中。即荷收集阳极板3的各段都大体在一个平面中，并且阴极板4的各段都大体在一个平面中。作为选择，电荷收集阳极板3的各段可以不在一个平面中和/或阴极板4的各段不在一个平面中。

探测器内的辐射探测气体的原子序数，气体压力决定了不同能量的射线在气体中所能穿透的厚度，同时也决定了射线与气体的反应机制主要是光电反应。我们用蒙卡方法模拟计算了15个大气压的氙气对10keV到160keV X射线由光电吸收引起的能量沉积情况。其中纵轴表示射线的光电转换率，横轴表示射线所通过的氙气在射线入射方向上的厚度(单位mm)。

如图2a所示，由计算可得4mm厚的15atm氙气完全阻止了10keV的X射线，20mm厚时阻挡了98％的20keV X射线，对于40keV以下的X射线，30mm厚的15atm氙气的阻挡率近90％，所以低能探测区可选为0mm-30mm厚的15atm氙气；

类似地，对于50-70keV的X射线，60mm厚的15atm氙气的阻挡率近90％，所以中能区可选为30-60mm的氙气区，同时通常X光机的X射线谱，也是在这个能区出现高计数的X射线特征峰；

如图2b所示，随着射线能量的提高，在探测气体内的能量沉积分布有所改变，在射线初始路径上的能量沉积比例降到10％，穿透的气体厚度增加，所以这个能区选为60mm-120mm厚的氙气区，对80keV-110keV的X射线的吸收比例近90％.

如图2c所示，当X射线能量再增高时，它会在射线穿过的整个路径上较均匀地沉积少量的能量，如少于10％的能量，穿透的厚度大大增加，因而这个高能区选为120mm-360mm厚的氙气区，对120keV-160keV的X射线的吸收比例近90％.

如果是两个或多个单能的射线源，高能射线在低能探测区内能量沉积的数据修正相对简单，根据射线在气体内能量沉积的分布计算，先由高能探测区的信号值，得出高能射线的能量沉积，其中高能射线在低能探测区沉积能量的比例，可由模拟计算的能量沉积分布比例求得。再计算低一级的能量区内的能量沉积，以此类推，计算所有能量段的射线在探测器不同测试区的能量沉积。对于X光机的连续能谱，不同能区的能量值可以使用平均能量，也可以是用X射线连续能谱的积分求得。

在高能探测区为了更精确的得到高能射线的测量值，可在不同能量测量区之间加低能射线滤片，吸收一定比例的低能射线，确保在相邻的较高能量测量区内没有相邻低能区的低能射线的能量沉积。但高能射线在相邻低能区内是有能量沉积的，同时在较正高能射线的探测数据时，需把低能滤片对高能射线的吸收同时考虑进去。

这种简单结构的多能气体探测器可用于仅作简单的能量分段的测量目的。同时也可以应用于剂量计，更方便更容易区分整体剂量中低能射线的贡献，从而进行精确较正。而不是仅依赖辐射源项与剂量计之间的屏蔽层阻挡低能射线，因为实际状态是低能射线也同样产生了剂量。

本发明的另一种实施方式见图3，探测器的阴极仍然为分块的平面电极板，原信号收集阳极的分块平面电极板改为按能区分段的均匀微条电极条33，在实现一维位置灵敏的同时具有多能量段测量的能力。各能区分段的原则同上。

如图3中所示，所述多个子电极对中的每一对电极的阳极的电极板具有沿垂直于射线的入射方向排列的多个电极条33。优选方式是，电极条33具有大体矩形形状。

根据本发明的一方面，多个电极条33是细长的，并且所述多个电极条33的长度方向大体与射线的入射方向相同。

显然，电极条33的宽度可以根据需要而改变，例如电极条33的宽度可以是几毫米，几微米等等。

本发明的另一种实施方式见图4，探测器的阴极仍然为分块的平面电极，信号收集电极变为按能区分段的阴-阳电极，探测器阴极用于射线产生的电荷的漂移电场，信号收集处的阴极32和阳极31产生用于迁移到此处的电子正比放大的电场，并最终被阳极31收集。各能区分段的原则同上。

由于所选用的气体的Z值范围和X或伽玛射线的能量段决定了气体与射线发生反应的主要方式是光电效应。当该气体探测器工作在计数模式时，更精确分离高能低能射线能量沉积的另一个方法是，每个能区的计数器设置高低两个阈值，高能射线在同一能量区内沉积的能量产生的信号大，而低能射线沉积能量产生的信号小，所以提高每个能区的低阈值，可以进一步有效去除相邻低能射线区的低能射线在高能区内的少部分能量沉积，同时适当降低每个能区的高阈值，可以有效去除相邻高能射线在低能区内的能量沉积。

该发明的两个扩展应用的一维位置灵敏的探测器可应用于辐射成像，在160keV内的能量区是小型物品安检的X射线能区，同时医学成像的能量也多在160keV以内。所以根据具体应用所需的射线能量，计算选择相应的气体种类，气体压力，根据气体对不同能量射线的阻止厚度来确定高低不同能区的尺寸和数据修正。

当该一维位置灵敏的多能气体探测器加电子学处理系统，与射线源，机械扫描装置，电气控制系统，计算机和系统操作和图像处理软件组成一个线阵扫描成像装置时，就可以对位于射线源于探测器之间的被检物体进成像，并实现多能量分段测量，鉴别被检物的原子序数Z值得分布。

对于图1所示的简单的多能探测器，信号读出的阳极平面按能区划分为几段，则有几路相应的信号读出通道，每一路信号代表一个能量。因为能区的划分有限，所以这种结构的多能探测器读出电子学部分相对简单。

对于图3的一维位置灵敏的多能探测器，信号读出的阳极条按能区划分为几段，每段能区中的每个电极条是一个读出通道，每个能区中的各路读出通道给出了这个能区产生信号的射线的一维空间分布情况。所有能区的读出通道由多路的前端放大器处理后，经AD模数变换数字化，进入信号传输和处理，系统和数据控制部分，最后进入计算机进行成像处理，电子学系统同时提供系统和探测器工作所需的电源。

本发明还提供了一种辐射成像系统。该辐射成像系统包括：用于发射射线的射线源；用于接收所述射线源发射的射线的探测器，其中所述探测器是上述的气体辐射探测器。由于除了上述的气体辐射探测器之外，该辐射成像系统的其他部件可以是任何现有的部件，因此这里不再赘述。换句话说，本发明的气体辐射探测器可以应用于各种合适的现有辐射成像系统。

本发明通过一个简单的几何结构，实现了同一个气体室内多能射线同时测量的功能，材料成本低，操作简单，可根据应用的射线能量区间来灵活调整气体种类和压力，以达到高的探测效率，解决了双能固体探测器的低能探测器太薄，不易制备的难题，而且同一气体室保证了各路信号的一致性高，后续数据处理简单。

本发明的多能射线同时探测技术，具有低的噪声，高的探测效率，成本低，结构简单，操作方便，使用寿命长等特点。借用成熟的电路板制备技术，通过微米量级的电极条宽度实现了高的位置分辨能力。该多能探测技术可以广泛用于辐射探测领域，尤其是辐射成像领域，提高了辐射成像的对比度。

该探测器系统既可用于简单的多能射线同时检测，还可用于线阵列或面阵列的辐射成像探测器系统。

此外，上述实施例中的各种结构或特征可以相互组合而形成新的实施方式，除非这种组合是不可行的。

Claims (9)

1.一种气体辐射探测器，包括：

充有气体的气体室，射线在气体中产生电荷，

电极对，该电极对包括多个子电极对，所述多个子电极对沿射线的入射方向排列，

其中所述多个子电极对分别探测不同能区的射线，所述能区根据射线在所述气体内穿透的深度进行划分，以能够同时测量不同能区的射线，并且每一子电极对包括用于收集电荷的阳极板。

2.根据权利要求1所述的气体辐射探测器，其中所述多个子电极对中的每一对电极的每一个电极板都具有大体沿垂直于射线的入射方向延伸的相对的两边。

3.根据权利要求2所述的气体辐射探测器，其中所述多个子电极对中的每一对电极的每一个电极板都具有大体矩形形状。

4.根据权利要求3所述的气体辐射探测器，其中所述多个子电极对中的每一对电极的相对的电极板都大体相互平行。

5.根据权利要求4所述的气体辐射探测器，其中所述多个子电极对中的每一对电极的阳极的电极板具有沿垂直于射线的入射方向排列的多个电极条。

6.根据权利要求5所述的气体辐射探测器，其中所述多个子电极对中的每一对电极的阳极的电极板的多个电极条具有大体矩形形状。

7.根据权利要求2至6中的任意一项所述的气体辐射探测器，其中所述多个子电极对中的每一对电极的一个电极板都大体在一个平面中，并且所述多个子电极对中的每一对电极的另一个电极板都大体在另一个平面中。

8.根据权利要求5所述的气体辐射探测器，其中所述多个电极条是细长的，并且所述多个电极条的长度方向大体与射线的入射方向相同。

9.一种辐射成像系统，包括：

用于发射射线的射线源；以及

用于接收所述射线源发射的射线的探测器，其中所述探测器是根据权利要求1-7中的任意一项所述的气体辐射探测器。