CN104502945B - 一种γ射线时间探测装置及其探测器的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种γ射线时间测量装置及其探测器的制造方法，该装置包括：探测器、定时甄别电路、放大成形电路、单道脉冲分析器、延迟电路、时间幅度转换电路、符合电路和多道分析器。本发明以BaF₂晶体、POPOP、硅橡胶为材料采用特殊流程制作成复合闪烁体，并加工成蜂窝煤形状来组成探测器，可将BaF₂晶体发出的220nm波长的荧光转换为波长420nm左右的可见光，不再需要石英窗的光电倍增管，从而大大拓展了其应用范围；蜂窝煤形状的结构设计增加了闪烁体的表面积，从而使得部分闪烁光经过折射后，可在空气介质中传播到达光电探测器件，到达光电探测器件的时间变短，使得信号初始阶段的上升更快，有利于定时甄别器进行定时，从而提高γ射线时间测量装置的定时精度。

Description

一种γ射线时间探测装置及其探测器的制造方法

技术领域

本发明属于辐射探测技术领域，具体涉及一种γ射线时间探测装置及其探测器的制造方法。

背景技术

γ射线的时间测量是辐射探测技术的重要方面，可用于正电子湮灭寿命测量、正电子断层扫描等多个领域。

通常的时间测量方法为采用塑料闪烁体耦合光电倍增管组成的时间探测器来测量时间，快响应塑料闪烁体的发光衰减时间在1ns量级，具有优秀的时间分辨性能，也可匹配多种硅硼玻璃的光电倍增管、光电二极管、雪崩二极管等多种光电转换器件组成时间探测器。但由于该时间探测器原子序数低，对γ射线的阻止本领小，因此探测效率低。另一种方法是采用BaF₂晶体耦合石英窗的光电倍增管组成时间探测器来测量时间。还有采用LSO、LaBr₃晶体耦合光电倍增管组成探测器来测量时间的方法，虽然这些晶体具有高的γ射线阻止本领，但时间性能不如BaF₂晶体。在上述各种时间测量方法中，采用BaF₂晶体与石英窗光电倍增管组成的时间探测器具有最好的时间分辨性能，并且BaF₂晶体具有比塑料闪烁体强得多的γ射线阻止本领。

BaF₂晶体与石英窗的光电倍增管(比如XP2020Q)组成的时间探测器主要是利用BaF₂晶体的发光快成分，其发光衰减时间为0.6ns，发光波长为220nm，有着非常优秀的时间分辨性能；而BaF₂晶体的发光慢成分的发光衰减时间为630ns，比发光快成分大了4个数量级，因此其时间分辨能力差得多，BaF₂晶体的性能见表1。BaF₂晶体的发光快成分在紫外波段，与众多光电转换器件(例如光电二极管、雪崩二极管、硅光电倍增管、硅硼玻璃光电倍增管)不匹配，从而无法与这些器件配套使用组成时间探测器，例如硅硼玻璃光电倍增管Hamamatsu R9800的敏感波段为300nm～650nm，其峰值在420nm处，对于BaF₂晶体的发光快成分几乎不响应，因而无法采用BaF₂晶体与Hamamatsu R9800光电倍增管组成高性能的时间探测器。石英窗的光电倍增管品种极少，价格贵，体积较光电二极管、雪崩二极管、硅光电倍增管等大得多，这些都是影响其广泛使用的问题。

表1 BaF₂晶体的性能参数

发明内容

为了克服上述现有技术中各种时间探测器存在的问题，本发明提供一种γ射线时间探测装置及其探测器的制造方法。

根据本发明的一方面，提出一种γ射线时间探测装置，该装置包括：第一、第二探测器，第一、第二定时甄别电路，第一、第二放大成形电路，第一、第二单道脉冲分析器，延迟电路，时间幅度转换电路，符合电路和多道分析器，其中：

所述第一探测器分别与第一定时甄别电路和第一放大成形电路连接，所述第二探测器分别与第二定时甄别电路和第二放大成形电路连接，用于将探测到的γ射线转换为荧光信号，并将所述荧光信号转换为电信号分别输出给相应的定时甄别电路和放大成形电路；

所述第一定时甄别电路与时间幅度转换电路连接，所述第二定时甄别电路与延迟电路连接，用于根据接收到的电信号进行定时甄别，确定γ事例发生的时间，并将记录下的时间信息发送给时间幅度转换电路或延迟电路；

所述第一放大成形电路与第一单道脉冲分析器连接，所述第二放大成形电路与第二单道脉冲分析器连接，用于对接收到的电信号进行放大成形，并将记录的γ事例的能谱信息发送给第一或第二单道脉冲分析器；

所述第一单道脉冲分析器和第二单道脉冲分析器均与符合电路连接，用于根据接收的能谱信息，选择某一能量范围内的γ事例，并将其发送给所述符合电路；

所述符合电路用于对接收到的相关联的两个γ事例进行慢道符合，输出选通信号以对时间幅度转换电路进行选通；

所述延迟电路与时间幅度转换电路连接，用于对接收到的时间信号延迟一固定时间；

所述时间幅度转换电路与所述第一定时甄别电路、符合电路、延迟电路和多道分析器连接，用于根据符合电路的选通信号，将以第一定时甄别电路输出的时间信号为起点，以延迟电路输出的时间信号为终点的时间段进行时间幅度转换，并输出信号给所述多道分析器进行分析；

所述多道分析器用于测量接收信号的信号幅度，进行时间谱分析，得到γ射线的时间信息。

可选地，所述第一探测器与第二探测器的结构相同。

可选地，所述第一探测器与第二探测器均包括闪烁体、光电探测器件和反射层，其中：

所述闪烁体与所述光电探测器件固定连接，用于探测γ射线，发出荧光光子；

所述光电探测器件用于将所述闪烁体发出的荧光光子转换为电信号；

所述反射层覆盖在所述闪烁体的外表面，用于增加光收集效率。

可选地，所述闪烁体为以BaF₂晶体、POPOP、硅橡胶为材料制得的复合闪烁体。

可选地，所述复合闪烁体呈蜂窝煤结构。

可选地，所述闪烁体与光电探测器件之间采用硅油耦合的方式进行连接。

可选地，所述反射层为多层聚四氟乙烯薄膜。

根据本发明的另一方面，还提出一种所述时间探测装置使用的探测器的制造方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，将BaF₂晶体粉碎，筛选出100目～200目大小的晶体颗粒A；

步骤2，将硅橡胶与固化剂按照一第一比例配制，并按照一第二比例加入POPOP，搅拌均匀，得到复合硅橡胶溶胶B；

步骤3，按照一第三比例在复合硅橡胶溶胶B中加入晶体颗粒A，并搅拌均匀，得到复合闪烁体溶胶C；

步骤4，复合闪烁体溶胶C固化后得到复合闪烁体D；

步骤5，将复合闪烁体D加工成蜂窝煤形状，并对各个表面进行抛光，得到抛光后的复合闪烁体E；

步骤6，将所述抛光后的复合闪烁体E与光电探测器件之间采用硅油进行耦合，并在所述抛光后的复合闪烁体E的外表面覆盖多层反射层，得到探测器。

可选地，所述复合闪烁体D中，BaF₂晶体颗粒、硅橡胶、POPOP的质量比为100∶10∶1。

可选地，所述反射层为聚四氟乙烯薄膜。

如上所述，本发明以BaF₂晶体、POPOP、硅橡胶为材料采用特殊流程制作成复合闪烁体，并加工成特殊的形状来组成探测器，进而得到时间探测装置，该装置具有以下优点：

1)硅橡胶具有透紫外光的性质，用硅橡胶粘接BaF₂晶体颗粒和POPOP材料，既可使POPOP材料按照一定的比例包裹在BaF₂晶体颗粒外面，从而形成块状复合材料，又不会造成紫外光的明显损失；POPOP材料具有移波性质，可将BaF₂晶体发出的220nm波长的荧光转换为波长420nm左右的可见光，不再需要石英窗的光电倍增管，从而可以与硅光电倍增管、光电二极管、雪崩二极管、硅硼玻璃光电倍增管等光电探测器件配套使用，从而具备相应的各种特点、大大扩展了其应用范围，例如与雪崩二极管配套使用可大大减小体积，与硅硼玻璃光电倍增管配套使用可大大降低成本等；

2)采用蜂窝煤形状的结构设计闪烁体，如图3所示，由于BaF₂晶体的折射系数为1.50，硅橡胶的折射系数为1.32，因此复合材料闪烁体的折射系数在1.32～1.50之间，光子在该闪烁体中的传播速度明显小于在空气中的传播速度c。同时，蜂窝煤形状的结构设计增加了闪烁体的表面积，从而使得小角度的荧光光子经过折射后(如图5所示)，可在空气介质中传播到达光电探测器件，到达光电探测器件的时间变短，从而使得信号初始阶段的上升更快，有利于定时甄别器进行定时，从而提高γ射线时间探测装置的定时精度。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的时间探测装置的结构示意图；

图2是根据本发明一实施例的探测器的结构示意图；

图3是根据本发明一实施例的复合闪烁体的结构示意图；

图4是根据本发明一实施例的桶状容器的结构示意图；

图5是荧光光子从复合闪烁体表面折射的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

根据本发明的一方面，提出一种γ射线时间探测装置，图1是根据本发明一实施例的γ射线时间探测装置的结构示意图，如图1所示，所述时间探测装置包括：第一探测器11、第二探测器12、第一定时甄别电路21、第二定时甄别电路22、第一放大成形电路31、第二放大成形电路32、第一单道脉冲分析器41、第二单道脉冲分析器42、延迟电路5、时间幅度转换电路(TAC)6、符合电路7和多道分析器8，其中：

所述第一探测器11分别与所述第一定时甄别电路21和第一放大成形电路31连接，所述第二探测器12分别与第二定时甄别电路22和第二放大成形电路32连接，用于将探测到的γ射线转换为荧光信号，并将所述荧光信号转换为电信号分别输出给相应的定时甄别电路和放大成形电路；

所述第一探测器11与第二探测器12的结构相同，图2是根据本发明一实施例的探测器的结构示意图，如图2所示，所述探测器包括闪烁体101、光电探测器件102和反射层103，其中：

所述闪烁体101与所述光电探测器件102固定连接，用于探测γ射线，发出荧光光子；

在本发明一实施例中，所述闪烁体101为以BaF₂晶体、POPOP(1，4-bis(5-phenyloxazol-2-yl)benzene即(1，4-双-(5-苯基噁唑基-2)苯)，用作移波剂，将短波长的光子转换为长波长的光子)、硅橡胶为材料制得的复合闪烁体，γ射线与闪烁体内的晶体相互作用，使得晶体电离，晶体退激发发出荧光，荧光光子通过光导传播到光电探测器件102。

在本发明一实施例中，所述复合闪烁体呈蜂窝煤结构，如图3所示，这种结构增加了复合闪烁体的表面积，从而缩减了小角度的荧光光子到达光电探测器件的时间，使得信号脉冲上升初段较陡，提高了时间探测装置的时间分辨率。

在本发明一实施例中，所述闪烁体101与光电探测器件102之间采用硅油耦合的方式进行连接。

所述光电探测器件102用于将所述闪烁体101发出的荧光光子转换为电信号；

在本发明一实施例中，所述光电探测器件为Hamamatsu R9800。

所述反射层103覆盖在所述闪烁体101的外表面，用于增加光收集效率。

在本发明一实施例中，所述反射层为多层。

在本发明一实施例中，所述反射层为聚四氟乙烯薄膜。

所述第一定时甄别电路21与所述第一探测器11和时间幅度转换电路6连接，所述第二定时甄别电路22与所述第二探测器12和延迟电路5连接，用于根据接收到的电信号进行定时甄别，确定γ事例发生的时间，并将记录下的时间信息发送给时间幅度转换电路6或延迟电路5；

在本发明一实施例中，所述定时甄别电路为恒比定时甄别电路，比如可以选择Ortec公司的恒比定时电路Ortec 935。

所述第一放大成形电路31与所述第一探测器11和第一单道脉冲分析器41连接，所述第二放大成形电路32与所述第二探测器12和第二单道脉冲分析器42连接，用于对接收到的电信号进行放大成形，并记录γ事例的能谱信息，将所述能谱信息发送给第一单道脉冲分析器41或第二单道脉冲分析器42；

在本发明一实施例中，所述放大成形电路为Ortec公司的Ortec 572。

所述第一单道脉冲分析器41与所述第一放大成形电路31和符合电路7连接，所述第二单道脉冲分析器42与所述第二放大成形电路32和符合电路7连接，用于根据接收的能谱信息，选择某一能量范围内的γ事例，即感兴趣的γ事例，并将其发送给所述符合电路7；

在本发明一实施例中，所述单道脉冲分析器为Ortec公司的Ortec 552。

所述符合电路7与所述第一单道脉冲分析器41、第二单道脉冲分析器42进行符合连接，用于对接收到的相关联的两个γ事例进行慢道符合，并向时间幅度转换电路6输出选通信号用于对于时间幅度转换电路6进行选通，即，使时间幅度转换电路6只对于感兴趣的事例进行时间幅度转换；

在本发明一实施例中，所述符合电路7采用单道脉冲分析器所带有的选通功能进行符合。

所述延迟电路5与所述第二定时甄别电路22和时间幅度转换电路6连接，用于对接收到的时间信号延迟一固定时间，以使来自第一探测器11和第二探测器12的两路定时信号一前一后地到达时间幅度转换电路6；

在本发明一实施例中，所述延迟电路5采用同轴电缆进行延迟，50Ω阻抗的同轴电缆的延迟性能为5ns/m。

所述时间幅度转换电路6与所述第一定时甄别电路21、符合电路7、延迟电路5和多道分析器8连接，用于根据所述符合电路7的选通信号，将以第一定时甄别电路21输出的时间信号为起点，以延迟电路5输出的时间信号为终点的时间段进行时间幅度转换，并输出信号给所述多道分析器8进行分析，其中，符合电路输出的选通信号用于为时间幅度转换电路6开门，即让时间幅度转换电路6只对感兴趣的事例进行时间幅度转换；在本发明一实施例中，所述时间幅度转换电路6为Ortec公司的Ortec 566。

所述多道分析器8与所述时间幅度转换电路6连接，用于测量所述时间幅度转换电路6转换后的信号幅度，从而对于接收到的信号进行时间谱分析，得到γ射线的时间信息。

在本发明一实施例中，所述多道分析器8为Ortec公司的Ortec 921E。

根据本发明的另一方面，还提出一种所述探测器的制造方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，将BaF₂晶体粉碎，使用比如分样筛之类的工具筛选出100目～200目大小的晶体颗粒A；

步骤2，将硅橡胶与固化剂按照一第一比例配制，并按照一第二比例加入POPOP，搅拌均匀，得到复合硅橡胶溶胶B；

在本发明一实施例中，所述硅橡胶采用道康宁公司的Slygard 184硅橡胶。

在本发明一实施例中，所述第一比例为硅橡胶的基本组分与固化剂的质量比为10∶1；所述第二比例为硅橡胶与POPOP的质量比为10∶1，该比例可以保证硅橡胶的性质基本不受影响。

步骤3，按照一第三比例在复合硅橡胶溶胶B中加入晶体颗粒A，并搅拌均匀，得到复合闪烁体溶胶C；

在本发明一实施例中，所述第三比例为晶体颗粒A与复合硅橡胶溶胶B的质量比为10∶1，该比例可以保证最终得到的复合闪烁体D与γ射线相互作用的过程中，90％以上为与BaF₂晶体相互作用，从而保证了探测效率。

步骤4，复合闪烁体溶胶C固化后得到复合闪烁体D，所述复合闪烁体D的成分为BaF₂晶体颗粒、硅橡胶、POPOP，其质量比大致为100∶10∶1，所述复合闪烁体D以BaF₂晶体为主体，从而保证了复合闪烁体D的探测效率；

在本发明一实施例中，可先采用油性纸制作成一个桶装容器，如图4所示，再将复合闪烁体溶胶C倒入该桶装容器中，然后放置到通风处等待固化。

步骤5，将复合闪烁体D按照所需要的尺寸加工成图3所示的蜂窝煤形状，并对各个表面进行抛光，得到抛光后的复合闪烁体E；

在本发明一实施例中，抛光级别为镜面级。

步骤6，将所述抛光后的复合闪烁体E与光电探测器件之间采用硅油进行耦合，并在所述抛光后的复合闪烁体E的外表面覆盖多层反射层，得到探测器，如图3所示。

在本发明一实施例中，所述反射层为聚四氟乙烯薄膜。

上述过程中，将BaF₂晶体粉碎，选择100～200目大小的晶体颗粒可以保证BaF₂晶体的发光性能，以便于将其与POPOP、硅橡胶均匀混合，从而使得BaF₂晶体发出的荧光可以快速进入到POPOP材料中进行波长转换。

硅橡胶具有透紫外光的性质，用硅橡胶粘接BaF₂晶体颗粒和POPOP材料，可使POPOP材料按照一定的比例包裹在BaF₂晶体颗粒的外面，从而形成块状复合材料闪烁体，同时又不会造成紫外光的明显损失。

POPOP材料具有移波性质，可将BaF₂晶体发出的220nm波长的荧光转换为波长为420nm左右的可见光，不再需要石英窗的光电倍增管，从而使得可以与硅光电倍增管、光电二极管、雪崩二极管、硅硼玻璃光电倍增管等光电探测器件配套使用，从而具备相应的各种特点、大大扩展了其应用范围，例如与雪崩二极管配套使用可大大减小体积，与硅硼玻璃光电倍增管配套使用可大大降低成本等。

另外，复合闪烁体D采用蜂窝煤形状这一特殊的结构设计，如图3所示，这是因为：由于BaF₂晶体的折射系数为1.50，硅橡胶的折射系数为1.32，因此复合闪烁体的折射系数在1.32～1.50之间，光子在复合闪烁体中的传播速度明显小于在空气中的传播速度c。如图5所示，蜂窝煤形状的结构设计增加了复合闪烁体的表面积，从而使得小角度闪烁光子经过折射后，可在空气介质中传播到达光电探测器件，并且到达光电探测器件的时间变短，从而使得信号初始阶段的上升更快，有利于定时甄别器进行定时，从而提高γ射线时间测量装置的定时精度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种γ射线时间探测装置，其特征在于，该装置包括：第一、第二探测器，第一、第二定时甄别电路，第一、第二放大成形电路，第一、第二单道脉冲分析器，延迟电路，时间幅度转换电路，符合电路和多道分析器，其中：

所述第一探测器分别与第一定时甄别电路和第一放大成形电路连接，所述第二探测器分别与第二定时甄别电路和第二放大成形电路连接，用于将探测到的γ射线转换为荧光信号，并将所述荧光信号转换为电信号分别输出给相应的定时甄别电路和放大成形电路；

所述第一定时甄别电路与时间幅度转换电路连接，所述第二定时甄别电路与延迟电路连接，用于根据接收到的电信号进行定时甄别，确定γ事例发生的时间，并将记录下的时间信息发送给时间幅度转换电路或延迟电路；

所述第一放大成形电路与第一单道脉冲分析器连接，所述第二放大成形电路与第二单道脉冲分析器连接，用于对接收到的电信号进行放大成形，并将记录的γ事例的能谱信息发送给第一或第二单道脉冲分析器；

所述第一单道脉冲分析器和第二单道脉冲分析器均与符合电路连接，用于根据接收的能谱信息，选择某一能量范围内的γ事例，并将其发送给所述符合电路；

所述符合电路用于对接收到的相关联的两个γ事例进行慢道符合，输出选通信号以对时间幅度转换电路进行选通；

所述延迟电路与时间幅度转换电路连接，用于对接收到的时间信号延迟一固定时间；

所述时间幅度转换电路与所述第一定时甄别电路、符合电路、延迟电路和多道分析器连接，用于根据符合电路的选通信号，将以第一定时甄别电路输出的时间信号为起点，以延迟电路输出的时间信号为终点的时间段进行时间幅度转换，并输出信号给所述多道分析器进行分析；

所述多道分析器用于测量接收信号的信号幅度，进行时间谱分析，得到γ射线的时间信息；

所述第一探测器与第二探测器均包括闪烁体、光电探测器件和反射层，其中：

所述闪烁体与所述光电探测器件固定连接，用于探测γ射线，发出荧光光子；

所述光电探测器件用于将所述闪烁体发出的荧光光子转换为电信号；

所述反射层覆盖在所述闪烁体的外表面，用于增加光收集效率；

所述闪烁体为以BaF₂晶体、1，4-双-(5-苯基噁唑基-2)苯和硅橡胶为材料制得的复合闪烁体。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一探测器与第二探测器的结构相同。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述复合闪烁体呈蜂窝煤结构。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述闪烁体与光电探测器件之间采用硅油耦合的方式进行连接。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述反射层为多层聚四氟乙烯薄膜。

6.一种权利要求1所述的时间探测装置使用的探测器的制造方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，将BaF₂晶体粉碎，筛选出100目～200目大小的晶体颗粒A；

步骤2，将硅橡胶与固化剂按照一第一比例配制，并按照一第二比例加入1，4-双-(5-苯基噁唑基-2)苯，搅拌均匀，得到复合硅橡胶溶胶B；

步骤3，按照一第三比例在复合硅橡胶溶胶B中加入晶体颗粒A，并搅拌均匀，得到复合闪烁体溶胶C；

步骤4，复合闪烁体溶胶C固化后得到复合闪烁体D；

步骤5，将复合闪烁体D加工成蜂窝煤形状，并对各个表面进行抛光，得到抛光后的复合闪烁体E；

步骤6，将所述抛光后的复合闪烁体E与光电探测器件之间采用硅油进行耦合，并在所述抛光后的复合闪烁体E的外表面覆盖多层反射层，得到探测器。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述复合闪烁体D中，BaF₂晶体颗粒、硅橡胶、1，4-双-(5-苯基噁唑基-2)苯的质量比为100∶10∶1。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述反射层为聚四氟乙烯薄膜。