CN105093263B - 基于气体正比室的单粒子径迹成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于气体正比室的单粒子径迹成像装置，用于解决现有粒子束径迹成像装置对单粒子成像困难的技术问题。技术方案是包括阴极管、阳极丝、绝缘支架、高压电源、准直器和成像设备。所述阴极管、阳极丝、绝缘支架和高压电源组成气体正比室。准直器使单粒子平行于阳极丝射入工作气体中，保证单粒子在阳极丝附近各径迹点产生的电子和荧光的放大效果一致。单粒子在气体正比室中电离产生电子雪崩放大，获得足够高的能量，继续碰撞气体发光或使之电离产生电子‑离对，这样激发出的荧光信号就会倍增，成像设备捕获经过放大荧光信号，形成单粒子径迹图像。相对于背景技术，基于气体正比室的单粒子径迹成像装置更容易形成清晰的单粒子径迹图像。
Description
技术领域
本发明涉及一种粒子束径迹成像装置，特别是涉及一种基于气体正比室的单粒子径迹成像装置。
背景技术
探测射线粒子并提取其基本性质是人类藉以深入微观世界的一种主要途径与手段，伴随着辐射探测技术的发展，其应用也日趋广泛。其中粒子径迹的测量是辐射探测领域很重要的一种探测方法，根据粒子径迹的粗细、稀密、长度、分布角度、径迹弯曲程度和径迹数量分布等，可以获得粒子的强度、剂量、能量、能量分布、发射角分布及时间等信息，进而可鉴别粒子的种类。
在实际应用中，对射线粒子的探测方法和探测器大都基于电子记录，例如多丝正比室、漂移室、气体电子倍增器、半导体探测器及闪烁探测器等，这些探测方法的结构复杂或读出线路多。早期也有基于照相和显微扫描方法技术的一些单粒子径迹探测方法，如云雾室、气泡室、核乳胶等，但是需要经过复杂后处理和判读过程才能获得粒子径迹。
随着核科学与技术在基础研究、航空航天及工农业等应用领域的不断发展，已有的射线粒子测量方法和技术面临着诸多挑战，需要提高灵敏度、保证实时性、测量直观便捷等。
参照图2。博士论文“基于光学成像的中子能谱测量[D].北京:清华大学工程物理系,2013”公开了一种粒子束在气体闪烁体中径迹成像的测量装置，包括粒子束源、气体闪烁腔室及成像系统。粒子束从加速器靶头引出，经准直后入射到气体闪烁腔体中激发气体闪烁体发光。实验中使用的He、Ar、CF4等气体闪烁体纯度为99.999％，主要杂质为水蒸气和氮气。成像系统包括气体腔体上开的成像窗口及成像设备，成像设备位于成像窗口外侧，选用小焦距、大景深的Cannon镜头，配合PI CCD相机对气体发光成像。此装置已成功获取质子束的径迹图像，但要求质子束强度至少105n/s，对于强度更弱的粒子束，甚至是单粒子，在气体闪烁体中产生的荧光微弱，直接成像困难，很难获得单个射线粒子的径迹图像。
发明内容
为了克服现有粒子束径迹成像装置对单粒子成像困难的不足，本发明提供一种基于气体正比室的单粒子径迹成像装置。该装置包括阴极管、阳极丝、绝缘支架、高压电源、准直器和成像设备。所述阴极管、阳极丝、绝缘支架和高压电源组成气体正比室。准直装置使得单粒子平行于阳极丝射入工作气体中，保证单粒子在阳极丝附近各径迹点产生的电子和荧光的放大效果一致。单粒子在气体正比室中电离产生电子雪崩放大，获得足够高的能量，继续碰撞气体发光或使之电离产生电子-离对，这样激发出的荧光信号就会倍增，成像设备用来捕获荧光信号，形成清晰的单粒子径迹图像。相对于背景技术测量装置，基于气体正比室的单粒子径迹成像装置利用气体正比室将单粒子的微弱荧光信号放大增强，这样产生足够多的光子数目，确保能够被成像设备捕获到，形成清晰的的单粒子径迹图像。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于气体正比室的单粒子径迹成像装置，其特点是包括阴极管1、阳极丝2、绝缘支架3、高压电源7、准直器9和成像设备12。所述阴极管1、阳极丝2、绝缘支架3和高压电源7组成气体正比室。所述阴极管1是圆柱形，靠近阴极管1的两端部分别开有进气孔5和出气孔6，阴极管1管壁的中间位置开有成像窗口11，成像设备12置于成像窗口11外侧，镜头对准成像窗口11。阴极管1的两端分别镶嵌有绝缘支架3，绝缘支架3的外径与阴极管1的内径等大，绝缘支架3的中心有用于固定阳极丝2的孔，所述阳极丝2穿过阴极管1的轴线固定在阴极管1两端的绝缘支架3上，使阴极管1与阳极丝2绝缘；阳极丝2的一端接高压电源7，另一端是自由端，地线接在阴极管1外壁。工作气体4充满气体正比室。阴极管1左端端绝缘支架3中心点下方开有粒子入射窗口8，准直器9紧贴入射窗口8，单粒子源10置于准直器9。并且准直器9的准直孔与粒子入射窗口8以及单粒子源10处于同一轴线上。
所述阴极管1的材料是不锈钢，阴极管1直径6-10cm，长度20-30cm，厚度5cm。
所述阳极丝2的材料是钨丝或镀金钨丝的任一种。
所述阳极丝2的直径为10-100um。
所述阴极管1与绝缘支架3以及绝缘支架3与阳极丝2之间为静密封。
所述静密封的密封材料是环氧树脂或者低分650型聚酰胺树脂固化剂的任一种。
所述工作气体4是Ar、He、N2或者CF4的任一种。
所述成像窗口11的材料是透射率大于90％的石英玻璃。
所述粒子入射窗口8采用钛膜密封。
所述准直器9的准直孔直径为1mm。
本发明的有益效果是：该装置包括阴极管、阳极丝、绝缘支架、高压电源、准直器和成像设备。所述阴极管、阳极丝、绝缘支架和高压电源组成气体正比室。准直装置使得单粒子平行于阳极丝射入工作气体中，保证单粒子在阳极丝附近各径迹点产生的电子和荧光的放大效果一致。单粒子在气体正比室中电离产生电子雪崩放大，获得足够高的能量，继续碰撞气体发光或使之电离产生电子-离对，这样激发出的荧光信号就会倍增，成像设备用来捕获荧光信号，形成清晰的单粒子径迹图像。相对于背景技术测量装置，基于气体正比室的单粒子径迹成像装置利用气体正比室将单粒子的微弱荧光信号放大增强，这样产生足够多的光子数目，确保能够被成像设备捕获到，形成清晰的的单粒子径迹图像。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明基于气体正比室的单粒子径迹成像装置的结构示意图。
图2是背景技术粒子束径迹成像装置的结构示意图。
图中，1-阴极管，2-阳极丝，3-绝缘支架，4-工作气体，5-进气孔，6-出气孔，7-高压电源，8-粒子入射窗口，9-准直器，10-单粒子源，11-成像窗口，12-成像设备。
具体实施方式
以下实施例参照图1。
本发明基于气体正比室的单粒子径迹成像装置包括阴极管1、阳极丝2、绝缘支架3、高压电源7、准直器9和成像设备12。所述阴极管1、阳极丝2、绝缘支架3和高压电源7组成气体正比室。
所述阴极管1是一个圆柱形的不锈钢管，靠近阴极管1的端部开有两个小孔，分别是进气孔5和出气孔6，二者相对位置没有要求，阴极管1管壁的中间位置开有一个成像窗口11，所述进气孔5和出气孔6的气流进出由阀门控制；所述阳极丝2位于阴极管1的轴线上；所述绝缘支架3是两个正好镶进阴极管1的圆形绝缘片，分别位于阴极管1的两端，直径严格等于阴极管1内径，其中心被阳极丝2穿透，并使阴极管1和阳极丝2绝缘；阴极管1和两个绝缘支架3组成一个腔体；所述工作气体4是可以闪烁发光的气体，工作时会充满腔体；所述高压电源7与阳极丝2连接，置于腔体外面。
所述粒子入射窗口8是其中一个绝缘支架3上开的一个小孔，位置靠近绝缘支架3被阳极丝穿透的圆心处；所述准直器9紧贴入射窗口8的外侧，准直器9的准直孔与入射窗口8的小孔处于同一轴线上；所述单粒子源10置于准直器9的准直孔的轴线位置，并贴近准直器9的准直孔。
所述成像窗口11是阴极管1管壁的中间位置开的一个窗口；所述成像设备12置于成像窗口11外侧，其焦距、位置和景深根据具体成像情况来调节。
更具体的，阴极管1是圆柱形的不锈钢管，直径最佳范围6-10cm，长度最佳范围20-30cm，厚度5cm左右；阳极丝2是直径为10-100um的钨丝或镀金钨丝，位置与阴极管轴线重合；阴极管1和阳极丝2通过绝缘支架3绝缘；绝缘支架3是两个厚度为5厘米左右的绝缘圆片，直径严格等于阴极管1的内径，以使两个绝缘片刚好镶进阴极管1内壁，并分别固定于阴极管1两端的内壁；阳极丝2的两端要分别穿透两个绝缘支架3正中心，并在绝缘支架3外侧焊接固定，固定好后要保证阳极丝有足够的张力，太松弛会影响电场分布的均匀性；阴极管1内壁与绝缘支架3之间以及绝缘支架3与阳极丝2之间要进行静密封，密封材料可选用环氧树脂和低分650型聚酰胺树脂固化剂。
高压电源7与阳极丝2的一端连接，地线接在阴极管1外壁，中间由绝缘支架3绝缘，这样阴极和阳极之间就形成电势差。
工作气体4选用可以闪烁发光的气体，如Ar、He、N2等稀有气体以及CF4等闪烁气体，以使单粒子在径迹位置激发气体产生荧光信号，根据气体种类及配比可以调节光谱和强度。
进气孔5和出气孔6是阴极管1管壁上靠近端部开的两个孔，直径可为2cm左右，各自带有控制气流的阀门，二者相对位置没要求。
成像窗口11位于阴极管1管壁的中间位置，整体为圆形，直径约10cm，材料可以采用透射率大于90％的石英玻璃。
成像设备12包括成像镜头和高灵敏相机，置于成像窗口11外侧其，焦距、位置和景深根据具体成像清晰程度来调节。
粒子放射源准直装置由粒子入射窗口8、准直器9及单粒子源10组成。
粒子入射窗口8是其中一个绝缘支架3(左端)上开通的一个小孔，小孔直径1-2mm，其位置与绝缘支架3被阳极丝穿透的圆心相距1cm左右，工作时采用百纳米到十微米的薄膜密封该孔，薄膜可选用钛膜，若测量的是高能粒子，厚度可以为几个微米，若测低能粒子就换成更薄的。
准直器9是一个轴线上开有准直孔的圆柱体，紧贴粒子入射窗口8外侧(正左方)，二者处于同一轴线上，以保证单粒子在空气中损失的能量尽量少，准直器9选用可屏蔽挡住射线粒子的铅等材料，准直器9的准直孔直径为1mm左右。
单粒子源10置于准直器9的轴线上，处在准直器的正左方，并靠近准直器9的准直孔，以使准直的粒子平行于阳极丝2射入气体中。
本发明的原理是：
带电粒子沿着平行于阳极丝的方向准直射入气体闪烁体中，沿其路径不断损失能量，其中一部分能量用于与气体分子碰撞激发，退激发出荧光；另一部分能量用于使气体电离，产生电子-离子对。
本发明设计的圆柱形正比室中电场强度分布为
其中,V0是阳极丝所加电压，b是阴极管内半径，a是阳极丝半径。
可看出阳极丝附近的电场强度会急剧增大，只要保证阳极丝附近的电场强度在106V/m左右，电离产生的电子就会在该区域雪崩倍增放大，并获得足够高的能量继续碰撞气体发光或使之电离产生电子-离对，这样激发出的荧光信号也会倍增，最终能够产生足够多的光子数被成像系统捕获到。
荧光产生的位置就是粒子作用的位置，即径迹点的信息，径迹位置的荧光信号放大后，用成像设备读取荧光即可得到单粒子的径迹图像。
本发明的具体工作过程如下：
1、选好成像镜头和相机，调好焦距、景深和位置，使阳极丝附近位置成像清晰；
2、粒子入射窗口用薄膜封孔，用密封材料将气体正比室密封好，以保证气压的稳定性；
3、用真空泵对气体正比室抽真空到10-2Pa量级后停止，关闭密封；
4、将工作气体从进气孔充入正比室，且使气体压强为大气压强后关闭密封，工作气体常选用Ar+CF4混合气体；
5、将单粒子源及准直器置于粒子入射窗口正前方；
6、阳极丝连接高压源，将高压源电压调到2KV-3KV，具体值根据发光强弱定；
7、将成像系统按步骤1中调好的焦距、景深和位置，对单粒子径迹发光图像进行成像。
8、成像完毕后，将高压源归零，从出气孔放气。
9、对获得的径迹图像进行降噪、背景扣除及径迹特征的提取，得出单粒子径迹与其发光强度变化的信息，最终反演出单粒子的能量等特征信息。
Claims (10)
1.一种基于气体正比室的单粒子径迹成像装置，其特征在于：包括阴极管(1)、阳极丝(2)、绝缘支架(3)、高压电源(7)、准直器(9)和成像设备(12)；所述阴极管(1)、阳极丝(2)、绝缘支架(3)和高压电源(7)组成气体正比室；所述阴极管(1)是圆柱形，靠近阴极管(1)的两端部分别开有进气孔(5)和出气孔(6)，阴极管(1)管壁的中间位置开有成像窗口(11)，成像设备(12)置于成像窗口(11)外侧，镜头对准成像窗口(11)；阴极管(1)的两端分别镶嵌有绝缘支架(3)，绝缘支架(3)的外径与阴极管(1)的内径等大，绝缘支架(3)的中心有用于固定阳极丝(2)的孔，所述阳极丝(2)穿过阴极管(1)的轴线固定在阴极管(1)两端的绝缘支架(3)上，使阴极管(1)与阳极丝(2)绝缘；阳极丝(2)的一端接高压电源(7)，另一端是自由端，地线接在阴极管(1)外壁，所述阳极丝(2)附近的电场强度为106V/m；工作气体(4)充满气体正比室；阴极管(1)左端端绝缘支架(3)中心点下方开有粒子入射窗口(8)，准直器(9)紧贴粒子入射窗口(8)，单粒子源(10)置于准直器(9)；并且准直器(9)的准直孔与粒子入射窗口(8)以及单粒子源(10)处于同一轴线上。
2.根据权利要求1所述的基于气体正比室的单粒子径迹成像装置，其特征在于：所述阴极管(1)的材料是不锈钢，阴极管(1)直径6-10cm，长度20-30cm，厚度5cm。
3.根据权利要求1所述的基于气体正比室的单粒子径迹成像装置，其特征在于：所述阳极丝(2)的材料是钨丝或镀金钨丝的任一种。
4.根据权利要求1或3所述的基于气体正比室的单粒子径迹成像装置，其特征在于：所述阳极丝(2)的直径为10-100um。
5.根据权利要求1所述的基于气体正比室的单粒子径迹成像装置，其特征在于：所述阴极管(1)与绝缘支架(3)以及绝缘支架(3)与阳极丝(2)之间为静密封。
6.根据权利要求5所述的基于气体正比室的单粒子径迹成像装置，其特征在于：所述静密封的密封材料是环氧树脂或者低分650型聚酰胺树脂固化剂的任一种。
7.根据权利要求1所述的基于气体正比室的单粒子径迹成像装置，其特征在于：所述工作气体(4)是Ar、He、N2或者CF4的任一种。
8.根据权利要求1所述的基于气体正比室的单粒子径迹成像装置，其特征在于：所述成像窗口(11)的材料是透射率大于90％的石英玻璃。
9.根据权利要求1所述的基于气体正比室的单粒子径迹成像装置，其特征在于：所述粒子入射窗口(8)采用钛膜密封。
10.根据权利要求1所述的基于气体正比室的单粒子径迹成像装置，其特征在于：所述准直器(9)的准直孔直径为1mm。
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