CN1027021C - 气体电离型高能x.γ辐射成象阵列探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气体电离型高能x、γ辐射成象阵列探测装置，属核技术应用领域。该探测装置由安装在一支架上的多个高气压阵列电离室单元组成，每个电离室单元包括耐压密封外壳、窗口、长条形板状电极系统、电极系统支架以及充入其中的高压气体。依靠x、γ射线与高压工作气体介质相互作用产生的次级电子所引起的电离效应而输出信号。本发明设计的阵列探测装置具有很高的探测效率与信号灵敏度，可用于集装箱，汽车、列车等大型客体的辐射成象检测，也可用于对尺寸较小物体的无损检测。

Description

本发明涉及一种气体电离型高能x.γ辐射成象阵列探测装置，属核技术应用领域。

在已有技术中，中国专利86108035公开了一种气体放电型阵列探测装置，该装置主要利用一块与入射x.γ光子成小掠角（1°或更小）的高原子序数材料（如钽）制成的固态薄片状转换体同辐射相互作用产生的次级电子引起气体放电而输出信号。此类探测装置利用排成阵列的细阳极丝来分别获取不同位置的x.γ辐射强度信号。每根（或每对）阳极丝构成一个象素，其放电信号代表它所在处的入射x.γ辐射强度。工作气体一般以流气方式供给，压力保持在一个大气压左右。此专利中也谈到有可能使用压力低于10⁶帕斯卡并处于密封壳内的工作气体，以去除流气系统。但实际产品中仍采用以气体钢瓶供气的流气系统。施仑贝谢公司应用此类阵列探测装置的集装箱检测系统（“Sycoscan”系统）已投放市场。

这种探测装置信号动态范围大（10⁵），探测效率及灵敏度高，能够满足检测系统的基本要求。但是，它存在以下几方面的缺陷。

①由各阳极丝所构成的象素之间只有气体而没有其它隔离物，不能阻挡入射x.γ光子所产生的次级电子在象素之间的穿越、串行。这样，在某象素处入射的x.γ光子不仅能使此象素给出信号，同时也能使相邻的若干象素输出信号。由此，每一根（或一对）阳极丝的输出信号不仅反映了所在处的入射x.γ射线强度，而且也反映了在其它位置入射的x.γ射线的影响，这将造成图象的“模糊”。为消除这一不利因素，必须配以专用的计算机软件及调整硬件系统，进行大量的反卷积计算处理，显著增大了图象处理的难度，也就提高了成本。

②各阳极丝都很细（数十微米），长度为200-300mm，故易于因震动而产生噪声信号。

③现在采用的流气工作方式，需要配有高压气体钢瓶的供气系统，很笨重。此外，每过一段时间（如3个月）就要更换气体钢瓶。

④气体放电需要数千伏的工作电压，而且要求高压稳定度好。否则，将会导致气体放大倍数的波动。

⑤在工作气体中必须混入的多原子分子气体（如CH₄）在气体放电过程中会分解并产生沉积物，此外，放电过程本身也会使阳极丝表面损坏。因此，这类探测装置的工作寿命较短。

本发明的目的是设计一种新型的气体电离型高能x.γ辐射成象阵列探测装置，利用高能x.γ射线与特殊高压、高原子序数工作气体相互作用产生的次级电子的电离效应而输出信号，达到成象检测的目的。这种探测装置主要依靠x.γ射线与高压工作气体介质相互作用产生的次级电子所电离产生的离子、电子在电场作用下的漂移运动而输出信号，并不应用任何气体放电机制。

本发明是针对x.γ光子能量可高达20Mev的射线源而设计、研制的，这不同于医学诊断等领域中适用于最大能量低于150Kev的X射线源及能量低于150Kev的γ放射性同位素源的阵列探测装置。本发明中，将最大能量高于150Kev的X射线及能量大于150Kev的γ射线称作高能x.γ辐射（射线），以示区别。

本发明的内容是，高能x.γ辐射成象阵列探测装置由安装在一支架上的多个高气压阵列电离室单元组成。每个电离室单元包括耐压密封外壳、窗口、长条形板状电极系统、电极系统支架以及充入其中的高压气体。窗口设于密封外壳的前部，长条形电极系统由支架作支撑，电极系统中有若干组由高压极和收集极构成的象素电离室元，每个象素电离室元的条形电极均基本平行于射入此象素的x.γ辐射的行进方向。

附图说明：

图1是构成本发明装置的电离室单元结构示意图。

图2是电极系统支撑结构示意图。

图3是电极片形状。

图4是电极重叠方式。

图5是电极排序方式。

图6是电离室单元排组方式。

图7是本发明应用系统示意图。

下面结合附图，详细介绍本发明的内容。图1中，1是阵列电离室单元密封外壳顶板，2是窗口，3是电极系统，4是电极系统支撑架，5是外壳侧板，6是金属陶瓷熔封绝缘子，7是排气管，8是加强筋，图2-图5中9是绝缘垫，10是高压极，11是收集极，图6中，12是标准阵列电离室单元，13是辅助阵列电离室单元，图7中，14是射线源，15是被检测物体，16是本发明设计的辐射成象阵列探测装置，17是信号处理系统，18是显示终端。

如前所述，本发明是一种直接利用高能x.γ射线与特殊高压，高原子序数工作气体相互作用产生的次级电子的电离效应而输出信号的阵列探测装置，此装置由按装在准直器后特殊支架上的若干高压气体阵列电离室单元组成。各个阵列电离室单元包括耐压密封外壳1，很多长条状电极组成的电极系统3以及充入的高压、高原子序数工作气体。电极系统中每一组高压极（可加正高压或负高压）与收集极（信号输出极）构成一个象素电离室元，其输出信号反映了该处的x.γ射线强度-构成辐射图像中的一个“象素”。象素电离室元的截面积就是象素的面积。每个单元的电极系统包括一定数量（如16、32、64....）的象素电离室元，各象素电离室元的长条形电极均基本平行于射入此象素电离室元的x.γ射线的行进方向。入射x.γ射线将在电极间的工作气体介质中行进一段等于电极长度d的距离。在这段路程中入射x.γ光子与工作气体分子相互作用，产生次级电子，并引起气体电离。电离产生的大量正离子与电子 将在极间电场作用下漂移而产生输出电流信号。所加极间电压（电离室工作电压）要低于能使这里发生任何气体放电（汤逊雪崩放电）的电压值。

由图可见，对x.γ光子的探测主要依靠它们与极间工作气体的相互作用。利用高压密封技术，充入高气压（压力P处于1.10⁶～1.10⁷帕斯卡范围内）的高原子序数气体（氩、氪、氙等或以它们为主的混合气），并且选择足够的电极长度d，使（pd）乘积值达到2·10⁵帕斯卡米以上，从而提高了对高能x.γ射线的探测效率。例如，选用压力达5·10⁶帕斯卡的氙气及d＝20厘米的电极长度后仅依靠对Xe气体分子的相互作用，就可以使对⁶⁰Coγ射线的探测效率达到近30%，再考虑到前窗及室壁对x.γ辐射的相互作用，这种探测装置对⁶⁰Coγ的探测效率将超过30%。此外，尽管电极间距离小（例如，2.0.毫米），但由于气体密度大及原子序数高以及次级电子的前冲性与散射，x.γ光子的次级电子能在极间气体内产生大量离子电子对，因而使探测装置的信号灵敏度很高。

如果把工作气体换成对慢中子反应截面大的

、BF₃等气体，本发明即可适用于慢中子辐射成像系统。当把工作气体换成H₂或CH₄等含氢气体后，本发明就能用于快中子辐射成像系统。

为实现高气压并确保无泄漏，阵列电离室单元的外壳必须耐压而且具有极好的密封性。其耐压能力应超过所充气体实际压力的1.5倍。对于上述充入5·10⁶帕斯卡气体的情况，外壳耐压应达到8·10⁶帕斯卡。密封外壳的总漏气率必须小于1·10^-9乇.升/秒，要经过氦质谱探漏仪反复检测以确保这一点。这样可确保阵列电离室单元的工作寿命长达十年以上。

电离室单元外壳由不锈钢，碳钢或其它金属板用熔焊法（氩弧焊、等离子焊或电子束焊等）焊接而成。外壳前部有一长条形窗口2与电极系统相对准。“窗口”的宽度等于或略大于所须的象素宽度，而其质量厚度 应小于3克/cm²，以减少入射x.γ光子束穿过“窗”时的吸收损失。外壳上用钎焊法或氩弧焊法焊接有数量大于所含象素电离室元数目的金属-陶瓷熔封绝缘子，用来将各象素电离室元收集极的输出信号引出并将外加高压引入。所用陶瓷件是纯度在95%以上的氧化铝瓷，甚至是人造宝石（Al₂O₃单晶体）。封接后绝缘子的绝缘电阻应大于1·10¹²欧姆，其漏气率应小于1·10^-10乇.升/秒。为了提高外壳的承压强度，必要时可在外壳侧板上焊接若干加强肋8，以防止外壳在充气时变形。

条形电极板是由铝、铁、镍、铜、钼、钨、钽、铌、等金属或它们的合金制成，其质量厚度应大于等于0.1克/cm²，以防止x.γ光子所产生的次级电子能穿透电极板而“串行”到相邻的其它像素电离室元中去。这样就从根本上避免了前述气体放电型阵列探测器中次级电子“穿透”“串行”方面的缺陷，十分有利于图像质量的提高。

为了去除漏电流的影响，为了使高气压阵列电离室既能在脉冲状态下工作，又能在平均直流状态下工作，本发明专门设计了高压极与收集极的特殊支撑结构如图2所示。在此结构中，高压极10与收集极11之间没有直接相联的绝缘物质。它们分别通过条状绝缘垫9固定在接地的电极系统支撑架4上。在支撑高压极的绝缘垫上存在着高电位差，但是所产生的漏电流通过接地的支撑架直接通向仪器地，不会经过收集极输出回路中的负载电阻而影响输出信号。各收集极均支撑在同一绝缘垫上，但由于它们均处于相似的电位，故不存在漏电流问题。

由于电极片数量很大，故将高压极与收集极均设计成相同形状如图3所示，以便于冲压加工。电极片上下两边各有不同数量的凸起，用来插入或夹入条状绝缘垫中。在安装时，将电极片上、下方向改换就构成高压极或收集极。所有高压极均装在相同的几个绝缘垫槽中，各收集极则装入另几个绝缘垫槽中，各绝缘垫之间有接地的电极支架隔离。由于各高压极是统一供电的，故可用金属垫块或导线彼此相联结。

如果高气压阵列电离室只工作在脉冲状态，而且对信噪比的要求不高时，就可将收集极与高压极都装架在同一绝缘垫上，而不必回避漏电流的影响。

在检测大型客体（如集装箱）时，阵列探测装置必须与射线源（如电子直线加速器）有相当远的距离（如10米或更远），以避免照射野内辐射强度的方向性不均匀度过分严重。此时，阵列电离室单元内的各象素电离室元可按辐射平均方向平行排列。每个阵列电离室单元对射线源的总张角不得超过1-2°，以避免各象素电离室元与入射x.γ光子的夹角差异所引起的探测效率差异过大。由此张角及所要求的象素高度来确定各阵列电离室单元内的象素电离室元的数量。整个探测装置将由多个成扇形排列的阵列电离室单元组成，各单元的中心轴线均指向射线源。

当检测对象较小时，阵列探测装置与射线源的距离近，此时阵列电离室单元之内电极系统成扇形分布，各电极均指向扇形的中心-射线源。此时，阵列电离室单元对射线源的张角可以相当大，其中象素的数量主要决定于工艺条件。整个阵列装置将仅由一个或少数几个阵列电离室单元组成。

本发明电极系统中高压极与收集极的排列顺序有二种，如图5所示。一种是图中（a）的方式，其中高压极（图中用“+”表示，使用时可加正高压，也可加负高压）与收集极交错排列。这种排序方式的结构简单，高压极与收集极可用同一种金属材料制成。但是，需要两个高压极表面与它们所包含的一个收集极才构成一个像素电离室元。这样，阵列电离室内每一个象素的高度将大于极间距离的两倍。这比较适合像素尺寸较大（如5mm）的情况。另一种电极排列方式如图中（b）所示。由一个高压极表面及与之相对的一个收集极构成一个像素电离室元，与此收集极相贴紧但又彼此用薄绝缘材料隔开的另一收集极及与之相对的又一高压极表面构成相邻的另一像素电离室元。这时，阵列电离室单元内的各个像素 的高度基本等于极间距离。这种方式适于要求像素尺寸小的情况（如2mm以下）。但是，收集极与高压极不同，必须专门制作。本发明决定用在两薄金属片之间夹紧一层耐辐照塑料膜（如聚酰亚铵薄膜）的方法以及在陶瓷或其它绝缘材料面涂复金属化层的方法来制备收集极。

在检测集装箱等大型物体时，阵列探测装置将由多个阵列电离室单元组合而成。由于高气压阵列电离室元的外壳厚度较大，而且内部的电极系统支架也要占据一部分空间，因而其总的灵敏区高度要比电离室外壳总高度小一定数值（例如，数十毫米）。如果，整个阵列探测装置是将各阵列电离室单元沿射线照射野依次排列起来而成，则必在相邻两个阵列电离单元的交界处出现一个“死区”，x.γ光子如果射入此“死区”，将不会产生信号。本发明提出一种组合方式，如图6所示。各阵列电离室单元仍按序叠加排列起来。排列时各单元的中心轴线都要对准射线源，因而它们的倾角各不相同。然后，在这一组排列好的标准电离室单元12前面，相应于“死区”的方位，安置一组辅助阵列电离室单元13。此单元高度小（仅等于“死区”的高度），只包含几个像素电离室元，因而其上、下室壁可以相当薄，其灵敏区高度与外形高度之差很小。本发明用这组辅助电离室单元来提供原来“死区”位置的x.γ强度分布信息。固然，辅助电离室的上、下室壁总有一定厚度，因而总还存在一定的信息丢失区域，但只要这一区域小于一个像素的高度就不致影响检测精度，而这一点是完全可以作到的。这种辅助电离室单元的电极引线从侧面引出更为有利，以避免干扰主要阵列电离室单元的灵敏区。

按照本发明制作的一种典型的高气压阵列电离室单元的密封外壳可耐压8×10⁶帕斯卡，共包含65个电极，按图5（a）方式排列，组合成32个像素电离室元。极间距2mm，极板厚度0.5mm，故像素高度为5mm，宽度也取同样数值。极板长度20cm，可用铝、铁、镍、铜、钼、钨、钽、铌等金属或它们的合金制成。各收集极引出线均通过金属一陶瓷熔封绝 缘子，其绝缘电阻大于10¹²Ω，气体泄漏率小于1·10^-10乇.立升/秒。内部工作气体为5·10⁶帕斯卡压力的氙混合气。电极系统采用图4的结构，消除了漏电流的影响。

在电子直线加速器（4-5MeV）产生的高能x射线束的作用下，上述电离室单元的探测效率可达30%以上，信号灵敏度大于3·10⁵电子电荷/微戈瑞（μGY）。考虑到在集装箱（或大型客体）检测系统中，当使用电子直线加速器作轫致辐射源时，在空载情况下，探测装置所在处每次x射线脉冲的照射量为数百微戈瑞。因此，探测装置信号脉冲电荷量在空载时将达到1·10⁸电子电荷左右，这已是G-M管信号的脉冲幅度水平，十分有利于信息与图象处理工作。

由于极间距离仅2mm，因而即使工作电压不很高，信号的响应时间仍很快，仅10^-7秒量级。这有利于提高数据采集的速度。

本发明首先是为集装箱、汽车、列车等大型物体的辐射成像检测而研究、发展及创造的。然而，本发明同时也适合于其它需用较高能量x.γ辐射成像的应用场合。例如，可用于各种工业另、部件或产成品的辐射成像无损检测设备（平移扫描成像装置或工业CT）。

当多窄缝准直器将x.γ辐射准直成若干窄片状照射野时，配以多个阵列探测装置后可显著加快扫描成像的速度，甚至直接获取二维的辐射投影图象，或用于获取关于客体三维空间分布的信息。

Claims (14)

1、一种用于检测大型物体的气体电离型高能χ、γ辐射成象阵列探测装置，其中电离室由外壳、高压气体和电极片组成，通过引起气体电离产生输出信号来检测物体，其特征在于：探测装置由安装在一支架上的多个高气压阵列电离室单元组成；各阵列电离室单元的中心轴线均指向射线源，其张角小于2°；组合而成的阵列探测装置对射线源的总线角所限定的射线照射野应能包容被测的物体；各阵列电离室单元内充入高压气体，充气压力大于1.0×10⁶帕斯卡小于1.0×10⁷帕斯卡，气压值P与电极片沿射线行进方向的长度d的乘积Pd值大于2.5×10⁵帕斯卡·米。

2、如权利要求1所述的探测装置，其特征于在上述每两阵列电离室单元的交界处前面设置一组辅助阵列电离室单元，以避免阵列电离室单元外壳造成的探测死区。

3、如权利要求1和2所述的探测装置，其特征在于上述每个阵列电离室单元均由耐压密封外壳、窗口、电极系统、高压气体及熔封绝缘子引出端组成。

4、如权利要求3所述的探测装置，其特征在于上述耐压密封外壳由不锈钢或碳钢通过焊接工艺制成。

5、如权利要求3所述的探测装置，其特征在于外壳的前部有一长条形窗口与电极系统对准，窗口的宽度等于或略大于所需的象素宽度。

6、如权利要求1或3所述的探测装置，其特征在于上述高压气体为氩、氪、氙及它们的混合气体中的任何一种。

7、如权利要求1至3中任一权利要求所述的探测装置，其特征在于上述阵列电离室单元中的电极系统由高压极、收集极和绝缘垫组成，电极系统安装在一支架上，全部电极片均按射入此单元的射线的平均方向平行排列。

8、如权利要求1至3所述的探测装置，其特征在于高压极和收集极形状相同，电极片呈狭长条状，其宽度与阵列电离室象素尺寸相对应，其长度为d，两侧有数个突出部分。改变它们安装在电极支架上的方向即构成收集极或高压极。

9、如权利要求7所述的探测装置，其特征在于所述的高压极和收集极交措排列每两个高压极表面及一个收集极构成一个象素电离室元。

10、如权利要求7所述的探测装置，其特征在于所述的收集极极板由一薄层绝缘材料两边被复金属制成，每一层金属与相对的高压极板表面构成一个象素电离室元。

11、如权利要求7、8、9和10中任一权利要求所述的探测装置，其特征在于电极板由铝、铁、镍、铜、钨、钽、铌或它们的合金中的任何一种金属材料制成，质量厚度等于或大于0.1/cm²。

12、如权利要求7所述的探测装置，其特征在于上述电极支架主要为相对着的两块镶嵌有若干带槽条状绝缘垫的接地金属板，收集极片或高压极片的矩形凸出部分别插入支架上的不同绝缘垫槽内，所有收集极片均插在相同的几个条状绝缘垫的槽内，所有高压极片则插在另几个绝缘垫的槽中。

13、如权利要求3所述的探测装置，其特征在于在外壳上焊有金属-陶瓷熔封绝缘子或金属-人造宝石熔封绝缘子作为电极引线的引出端。

14、一种如上述权利要求中任一权利要求所述的探测装置的应用，其特征在于本探测装置用来取得集装箱、汽车、货车等大型物体的辐射扫描图象，包括由平移扫描得到的χ、γ辐射投影图象和由旋转式扫描得到的χ、γ辐射断层扫描图象。

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