CN104350576B - 用于辐射、特别是高能电磁辐射的检测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于辐射、特别是高能电磁辐射的检测器。检测器包括转换区段，转换区段包括用于通过光电效应将入射在转换区段上的辐射（P）转换为电子（E）的阴极（3）。检测器还包括气体电子倍增器（4），其用于从由转换区段生成并且进入气体电子倍增器（4）的电子（E）产生电子雪崩，气体电子倍增器（4）包括第一电极（5）、介电层（6）和第二电极（7），第一电极（6）被布置在邻近于转换区段的介电层（6）的第一侧处并且第二电极（7）被布置在与第一侧相对的介电层（6）的第二侧处。气体电子倍增器（4）包括许多填充有气体的孔（9），所述孔（9）延伸通过第一电极（5）、介电层（6）和第二电极（7）。而且，检测器包括邻近于第二电极（7）的检测器阳极（8），用于检测电子雪崩。根据本发明的检测器的特征在于检测器阳极（8）在气体电子倍增器（4）的每个孔（9）处从第二电极（7）延伸到孔（9）之上，使得孔（9）在一侧完全被检测器阳极（8）覆盖。
Description
技术领域
本发明涉及用于辐射、特别是高能电磁辐射的检测器。
背景技术
针对辐射的检测，从现有技术得知许多不同类型的检测器。针对感测高能电磁辐射，包括闪烁体晶体和光电倍增管的闪烁检测器被广泛使用在不同技术领域中，例如，在医学成像装备中或者用于石油和天然气工业中的测井。在闪烁检测器中，辐射落在将辐射转换为照射在光电阴极上的光的闪烁体晶体上。该光电阴极是在玻璃外壳中包括多个倍增电极的光电倍增管的部分。由于光电效应，落在光电阴极上的光引起光电倍增管内部的初级电子的发射。电子在管中朝向倍增电极加速从而导致次级电子级联，其被检测为输出信号。闪烁检测器由于具有数厘米长的光电倍增管而相对庞大。另外，那些检测器的空间分辨率相对低。
从现有技术得知的另一类型的检测器是指所谓的气体电子倍增器，其中通过光电效应生成的电子进入填充有气体的对应孔。在孔内存在使进入孔的电子加速的高电场，从而由于电子与气体原子/分子的碰撞而结果形成次级电子。因此，产生电子雪崩。
在美国专利6,011,265中公开了包括气体电子倍增器的辐射检测器。在该检测器中，布置在距气体电子倍增器某一距离处的检测器阳极用于检测电子雪崩。气体电子倍增器包括其中具有对应孔的绝缘材料以及被布置在绝缘材料上的在孔内生成高电场的两个电极。该检测器具有以下缺点：并非电子雪崩的所有电子都能够被检测器阳极检测到，因为一些电子在邻近于检测器阳极的气体电子倍增器的电极上放电。
发明内容
本发明的目的是提供一种提供精确测量的紧凑尺寸的用于辐射的检测器。
该目的通过根据权利要求1的检测器解决。在从属权利要求中描述本发明的优选实施例。
本发明的检测器被设计用于检测辐射并且特别是高能电磁辐射。在此和在下文中，高能电磁辐射是指从10keV开始直到100MeV以及更多的辐射，特别地是指X射线辐射和/或伽马（Gamma）辐射。
本发明的检测器包括包含阴极的转换区段。该区段通过光电效应将要被检测的和入射在转换区段上的辐射转换为电子。另外，检测器包括用于从电子产生电子雪崩的气体电子倍增器，所述电子在转换区段中生成并且进入气体电子倍增器。气体电子倍增器包括第一电极、介电层和第二电极。第一电极和第二电极优选地由铜制成。另外，介电材料优选地由Kapton制成。第一电极被布置在邻近于转换区段的介电层的第一侧处并且第二电极被布置在与第一侧相对的介电层的第二侧处。气体电子倍增器包括许多孔并且特别地包括多个填充有气体（例如氖）的孔，其中所述孔延伸通过第一电极、介电层和第二电极。检测器还包括邻近于第二电极的检测器阳极以用于检测电子雪崩。
根据本发明的检测器的特征在于检测器阳极在每个孔处从第二电极延伸到孔之上，使得孔在一侧完全被检测器阳极覆盖。本发明基于以下实现：通过由检测器阳极覆盖气体电子倍增器的孔，电子雪崩中没有电子由于第二电极处的放电而损失。因而，通过该检测器可以实现辐射的更加精确的测量。另外，相比于具有光电倍增管的闪烁检测器，本发明的检测器具有紧凑得多的尺寸，因为相比于针对光电倍增器的数厘米，气体电子倍增器的厚度通常处于数微米的范围中。而且，相比于包括光电倍增管的闪烁检测器，可以使得气体电子倍增器的空间分辨率高得多。
在检测器的优选实施例中，转换区段包括光电阴极和闪烁体材料（例如NaI（Tl）），其被布置在光电阴极的面向进入转换区段的辐射的一侧处。闪烁体材料将入射辐射转换为光。由于光电效应，该光的光子使得电子直接从光电阴极被发射。因而，光电阴极可以被布置成靠近气体电子倍增器的孔从而减小检测器的尺寸。然而，在另一实施例中，转换区段还可以包括常规阴极和气体容积使得辐射通过阴极并且由于光电效应使得从气体容积中的气体原子/分子发射电子。
以上描述的实施例的光电阴极可以直接布置在第一电极上（即与其接触）。然而，在光电阴极和第一电极之间还可以存在填充有气体的间隙。
在本发明的特别优选的实施例中，检测器阳极和第二电极形成整体电极从而导致检测器的简单设计。
在本发明的另一实施例中，检测器阳极在一个或多个孔处并且特别地在每个孔处延伸于第二电极的平面中或与之平行地延伸。
在另一变型中，检测器阳极在一个或多个孔处并且特别地在每个孔处具有沿垂直于第二电极的平面的U形横截面。另外，检测器阳极可以在一个或多个孔处并且特别地在每个孔处具有半椭圆形横截面。由于使用U形或者半椭圆形横截面，增加了阳极的检测器表面。
气体电子倍增器中的孔可以具有不同的形式。在一个实施例中，至少一个孔并且特别地每个孔具有圆柱形形式。在另一实施例中，至少一个孔并且特别地每个孔从第一电极朝向第二电极成圆锥形逐渐变细。另外，至少一个孔并且特别地每个孔可以从第一电极和第二电极二者向孔的内部成圆锥形逐渐变细。
为了实现高的空间分辨率，每个孔的最大直径处于10和100μm之间和/或第一电极的平面视图中的邻近孔的中心之间的距离处于10和100μm之间。
根据本发明的检测器可以使用在不同技术领域中。在优选的实施例中，检测器是用于检测医学设备中、特别是计算机断层X光摄影装置（computer tomograph）中的辐射的检测器。换言之，本发明还涉及包括根据本发明的检测器的计算机断层X光摄影装置。另外，本发明的检测器可以使用在用于记录被钻孔穿透的地质构成的测井设备中。因而，本发明还涉及包括以上描述的检测器的测井设备。本发明还可以使用在除以上技术领域之外的技术领域中。例如，本发明的检测器可以使用在用于研究放射性核素频谱、用于测量核内核的寿命时间的核物理中，在地质学（活化分析、矿物搜索、岩石年龄界定）、生物学、探伤学等中。
附图说明
现在将关于附图来描述本发明的实施例，其中：
图1示出根据本发明的实施例的用于高能辐射的检测器的一个单元的截面视图；
图2示出针对具有多个图1中图示的单元的检测器的沿图1的线II-II的横截面视图；
图3示出根据本发明的第二实施例的检测器单元的一部分的横截面视图；
图4示出根据本发明的第三实施例的检测器单元的一部分的横截面视图；以及
图5示出根据本发明的第四实施例的检测器单元的一部分的横截面视图。
具体实施方式
在下文中，将关于用于检测高能电磁辐射和特别地X射线辐射和/或伽马辐射的包括多个单元的闪烁检测器来描述本发明的实施例。
图1示出根据本发明的第一实施例的检测器的一个单元的截面视图。检测器包括闪烁材料1，其将要被检测的高能辐射（由箭头P1指示）转换为光（由箭头P2指示），即转换为具有不同于入射辐射的另一波长的电磁辐射。取决于闪烁体材料，材料中产生的光可以处于可见光谱内或在邻近于可见光谱的光谱中。在优选实施例中，NaI（Tl）（用铊活化的碘化钠）被用作闪烁体晶体。光学透射窗2（优选地由适当的玻璃制成）被布置在该闪烁体晶体的底部处。
闪烁体晶体中产生的光通过光学窗2到达光电阴极3，其结果是由于光电效应，从光电阴极发射电子E。包括闪烁体1、光学窗2和光电阴极3的检测器的上部表示如权利要求1中限定的转换区段的实施例。在另一实施例中，该转换区段可以被不同地结构化，例如通过阴极和填充有气体的间隙使得光电效应基于在经过阴极的辐射和气体容积中的气体电子之间的相互作用。
在图1的转换区段之下，布置了气体电子倍增器4。该倍增器包括第一电极5（优选地由铜制成）、介电材料6（优选地由Kapton制成）和第二电极7（优选地由铜制成）。穿过电极5和7以及介电材料6而形成圆柱形孔9。孔填充有气体，例如氖。适当的电压（例如100V）被施加在第一和第二电极之间，使得在孔9内存在大电场区域。因而，进入孔9的电子E被加速并且碰撞气体原子/分子从而产生次级电子，次级电子再一次碰撞其它原子，诸如此类。因而，产生电子雪崩。该雪崩由孔9的底部处所布置的检测器阳极8检测到。在该阳极和阴极3之间存在适当的电势。与现有技术相对，检测器阳极8未从第二电极7间隔开。代替地，电极7和检测器阳极8形成整体电极。这具有以下优点：孔9中生成的所有雪崩电子都被检测器阳极8检测到。
与此相对，在现有技术检测器中，图1中示出的虚线L形成电极7的底侧，其中检测器阳极8从电极7间隔开。因而，并非所有雪崩电子到达检测器阳极8，因为由于从电极7离开的电场线，在孔的边缘处的一些电子将撞击在电极7的底部上。由于并非电子雪崩的全部能量被阳极捕获到，这将导致测量误差。显然，该问题通过如图1中示出的检测器解决，因为孔9的底部是封闭的，使得电子雪崩的所有电子被阳极8检测到。因而，如图1中所示的检测器单元提供了入射辐射的能量和强度的更加精确的测量。
在图1中示出的实施例中，光电阴极3直接布置在上电极5上（即与其接触）。然而，在光电阴极3和电极5之间还可以存在小的间隙，使得气体在检测器中在气体电子倍增器4的所有孔9之间延伸。
图2示出了包括多个如图1中示出的单元的检测器的沿图1的线II-II的横截面视图。如可以从图2看到的，穿过检测器中的上电极5形成若干孔9。为了清楚起见，通过参考标号9仅指明邻近孔中的一些。图2仅示出检测器的检测表面的一部分。换言之，检测器包括比图2中示出的多得多的孔，例如数千个孔。包括孔的检测器表面的尺寸优选地处于数厘米的范围中（例如10cm x 10cm）。为了实现高的空间分辨率，邻近孔之间的距离D优选地处于数微米的范围中，例如在10和100微米之间。孔的直径d优选地处于相同的范围中，即在10和100微米之间。图2中示出的检测器的空间分辨率比通过使用光电倍增管的常规闪烁体检测器可以实现的空间分辨率高得多。与包括光电倍增管的检测器相比，本检测器的另一优点在于以下事实：检测器的尺寸小得多。图1的检测器单元在竖直方向上的延伸处于数微米的范围中，而光电倍增管通常具有数厘米的长度。
在图1的实施例中，阳极8被形成为平行于第二电极7的平坦电极。另外，孔9具有圆柱的形式。然而，如图3至图5的实施例中所示，不同形式的检测器阳极和孔是可能的。那些图是形成气体电子倍增器的检测器单元的部分的横截面视图。在该倍增器的顶部上的单元的部分对应于如图1中所示的结构。在图3至5中，对应于图1的组件用相同的参考标号指明。
图3示出其中孔9从第一电极5朝向第二电极7成圆锥形逐渐变细的实施例。另外，检测器阳极8处于第二电极7的平面中使得通过阳极8和电极7形成总体平坦的电极。如图3中所示的实施例具有非常紧凑的尺寸。
图4示出其中气体电子倍增器的孔9从上电极5和下电极7二者朝向在该处孔具有最低直径的孔的中部而成圆锥形逐渐变细的实施例。另外，检测器阳极8的定位向下偏移，结果产生检测器阳极的U形形式。该实施例增强阳极8的检测表面，结果产生更好的检测能力。另外，具有逐渐变细的表面的孔的形式增加了孔内的电场。
图5示出检测器单元的另一实施例。如图4中那样，孔9具有逐渐变细的表面。与图4相对地，阳极8具有半椭圆形横截面，其同样结果产生检测器阳极的更大的表面。
如上文中所描述的实施例具有若干优点。特别地，由于在由气体电子倍增器产生的电子雪崩中不发生电子的任何丢失，因此检测器的测量更加精确。另外，相比于使用光电倍增管的闪烁检测器，检测器的尺寸小得多并且空间分辨率高得多。
Claims (14)
1.一种用于辐射的检测器，包括：
-转换区段，其用于通过光电效应将入射在转换区段上的辐射（P1）转换为电子（E）；
-气体电子倍增器（4），其用于从由转换区段生成并且进入气体电子倍增器（4）的电子（E）产生电子雪崩，气体电子倍增器（4）包括第一电极（5）、介电层（6）和第二电极（7），第一电极（5）被布置在邻近于转换区段的介电层（6）的第一侧处并且第二电极（7）被布置在与第一侧相对的介电层（6）的第二侧处，其中气体电子倍增器（4）包括许多填充有气体的孔（9），所述孔（9）延伸通过第一电极（5）、介电层（6）和第二电极（7）；
-检测器阳极（8），其邻近于第二电极（7），用于检测电子雪崩；
其特征在于
转换区段包括被布置在第一电极上的光电阴极，其一侧面向进入转换区段的辐射，所述光电阴极由于照射在光电阴极上的光的光电效应而直接发射电子；并且
检测器阳极（8）在气体电子倍增器（4）的每个孔（9）处从第二电极（7）延伸到孔（9）之上，使得孔（9）在一侧完全被检测器阳极（8）覆盖。
2.根据权利要求1所述的检测器，其特征在于转换区段包括光电阴极（3）和被布置在光电阴极（3）的面向进入转换区段的辐射（P1）的一侧的闪烁体材料（1）。
3.根据权利要求1或2所述的检测器，其特征在于光电阴极（3）直接或利用填充有气体的间隙而布置在第一电极（5）上。
4.根据权利要求1或2所述的检测器，其特征在于检测器阳极（8）和第二电极（7）形成整体电极。
5.根据权利要求1或2所述的检测器，其特征在于检测器阳极（8）在一个或多个孔（9）处并且在每个孔（9）处延伸于第二电极（7）的平面中或者平行于第二电极（7）的平面而延伸。
6.根据权利要求1或2所述的检测器，其特征在于检测器阳极（8）在一个或多个孔（9）处并且在每个孔（9）处具有沿垂直于第二电极（7）的平面的U形横截面。
7.根据权利要求1或2所述的检测器，其特征在于检测器阳极（8）在一个或多个孔（9）处并且在每个孔处具有沿垂直于第二电极（7）的平面的半椭圆形横截面。
8.根据权利要求1或2所述的检测器，其特征在于至少一个孔（9）并且每个孔（9）具有圆柱形形式。
9.根据权利要求1或2所述的检测器，其特征在于至少一个孔（9）并且每个孔（9）从第一电极（5）朝向第二电极（7）成圆锥形逐渐变细。
10.根据权利要求1或2所述的检测器，其特征在于至少一个孔（9）并且每个孔（9）从第一电极（5）和第二电极（6）二者向孔（9）的内部成圆锥形逐渐变细。
11.根据权利要求1或2所述的检测器，其特征在于每个孔（9）的最大直径处于10到100μm之间和/或第一电极（5）的平面视图中的邻近孔（9）的中心之间的距离处于10到100μm之间。
12.根据权利要求1或2所述的检测器，其特征在于检测器是医学设备或者测井设备中的用于检测辐射的检测器。
13.根据权利要求12所述的检测器，其特征在于所述医学设备是计算机断层X光摄影装置。
14.根据权利要求1或2所述的检测器，其特征在于，所述辐射是高能电磁辐射。
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