CN107091851B - 大面积x射线气体探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种大面积X射线气体探测器，包括外壳、薄型的入射窗以及信号收集模块，外壳具有一内腔，所述外壳具有一射线入口，所述射线入口连通至所述内腔，且内腔内填充有工作气体，所述工作气体为对X射线敏感的非负电性气体，可以是惰性气体、多原子分子气体或它们的混合物；入射窗密封连接于所述射线入口，用于使X射线进入所述内腔；信号收集模块包括相互平行地设置于所述内腔内的阳极丝电极层以及阴极漂移电极层，所述阳极丝电极层具有阳极丝，所述阳极丝接入高压，所述阴极漂移电极层接地，所述阳极丝电极层收集所述工作气体在X射线的作用下产生的电子。
Description
技术领域
本发明涉及一种辐射探测装置，尤其涉及用于辐射探测的大面积X射线气体探测器装置。
背景技术
X射线背散射成像技术是人体、车辆等安检领域的主要技术之一。通过X射线扫描人体、车辆等，同时使用大面积射线探测器接收X射线的背散射信号，经过数据收集和图像处理后即可得到被散射物的背散射图像。
在背散射安检技术中，背散射用探测器装置的性能指标直接关系到图像质量和被检测物的检测率。
具有能够接收X射线的大面积入射窗且有较高探测效率的探测器结构是对背散射检测用探测器的关键要求。另外，由于当前采用飞点形式的背散射成像的技术手段，这决定了探测器应采用积分模式，将X射线信号转换为可探测电信号，且转换时间应尽可能的短，一般应在几十微秒之内。
目前常见的可用于大面积射线探测的有气体探测器、半导体探测器以及闪烁体加各种光电倍增器件的组合体探测器。
气体探测器主要包括工作在不同放大区域的电离室、正比管和G-M计数管等形式，自Charpark发明了多丝正比室及微条气体探测器MSGC出现后，各种基于微条、微丝、微孔和微网的正比形式或其变体的气体探测器结构层出不穷，它们的特点是位置分辨率和计数率得到极大提高，在科学研究上得心应手，不过市面上大部分高位置精度的新形式气体探测器允许射线的入射深度不够，一般在毫米到几厘米之间，在正确给出入射射线的光子个数和位置的同时，却没法比较准确的反映入射射线的总体能量和剂量，多数光子能量沉积有限，探测效率较低；另外，可用于射线探测的半导体探测器方兴未艾，但是目前普遍存在探测器灵敏面积较小，环境稳定性有待提高的现状；此外，用于大面积射线探测的还有闪烁体加光电倍增器件的组合体探测器形式，其光收集转换效率较低，且成本较高。
在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种能够大面积探测X射线的大面积X射线气体探测器。
本发明的额外方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中变得显然，或者可以通过本发明的实践而习得。
根据本发明的一个方面，一种大面积X射线气体探测器，包括外壳、薄型的入射窗以及信号收集模块，外壳具有一内腔，具有一内腔，所述外壳具有一射线入口，所述射线入口连通至所述内腔，且内腔内填充有工作气体，所述工作气体对X射线敏感的非负电性气体；入射窗密封连接于所述射线入口，用于使X射线进入所述内腔；信号收集模块包括相互平行地设置于所述内腔内的阳极丝电极层以及阴极漂移电极层，所述阳极丝电极层具有阳极丝，所述阳极丝用于接入高压，所述阴极漂移电极层接地，所述阳极丝电极层收集所述工作气体在X射线的作用下产生的电子。
根据本发明的一实施方式，所述阳极丝电极层以及阴极漂移电极层设置有多层，多层所述阳极丝电极层以及阴极漂移电极层呈间隔设置并交互叠加，所述阳极丝电极层相互并联，所述阴极漂移电极层相互并联。
根据本发明的一实施方式，所述阳极丝电极层以及阴极漂移电极层各设置有一层，所述阳极丝电极层以及阴极漂移电极层之间还设置有一个屏栅电极层，所述屏栅电极层的电压值介于所述阳极丝电极层和阴极电极层的电压值之间。
根据本发明的一实施方式，所述屏栅电极层包括金属丝网或者腐蚀镂空的金属板。
根据本发明的一实施方式，所述阳极丝电极层还包括阳极框架，所述阳极框架的相对两侧的框体上设有多个绝缘柱；所述阳极丝蛇形缠绕于多个所述绝缘柱，阳极丝两端通过固定组件固定连接于所述阳极框架。
根据本发明的一实施方式，所述阴极漂移电极层包括表面具有导电层的超薄电路板。
根据本发明的一实施方式，所述导电层为全覆盖于所述超薄电路板的正反两面的井字形铜线层。
根据本发明的一实施方式，所述阴极漂移电极层包括金属丝网或腐蚀镂空的金属板。
根据本发明的一实施方式，所述阳极丝电极层以及阴极漂移电极层平行于所述X射线的入射方向。
根据本发明的一实施方式，所述阳极丝电极层以及阴极漂移电极层垂直于所述X射线的入射方向。
根据本发明的一实施方式，所述工作气体为惰性气体、多原子分子气体或者由惰性气体与多原子分子气体组成的混合物。
根据本发明的一实施方式，所述外壳上还设有与所述射线入口位置相对的底板，所述底板可拆卸地密封连接于所述外壳并与所述入射窗共同封闭所述内腔。
根据本发明的一实施方式，所述工作气体的气压大于等于1个大气压。
根据本发明的一实施方式，所述入射窗为电路板、金属薄膜结构或非金属薄膜结构中的一种
根据本发明的一实施方式，所述阴极漂移电极层双面均匀涂覆有中子敏感材料。
由上述技术方案可知，本发明的优点和积极效果在于：
本发明大面积X射线气体探测器，其信号收集模块包括相互平行地设置于所述内腔内的阳极丝电极层以及阴极漂移电极层，阳极丝电极层能够对内腔中的电子进行收集，从而能够对进入到入射窗的X射线的总体能量和剂量进行高效探测，并且具有较大的探测面积，较快的电荷收集速度、结构简单、制造方便、成本较低。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1是本发明一实施方式的大面积X射线气体探测器的剖面示意图；
图2是图1所示大面积X射线气体探测器的结构简图；
图3是本发明另一实施方式的大面积X射线气体探测器的结构简图；
图4是本发明第三种实施方式的大面积X射线气体探测器的结构简图；
图5是图1中的阳极丝电极层的示意图。
图中：11、外壳；110、内腔；111、密封圈；12、入射窗；120、入射窗框架；13、底板；14、支柱；15、阴极漂移电极层；16、阳极丝电极层；161、阳极丝；162、阳极框架；163、绝缘柱；164、固定组件；17、充排气口；18、高压接口；19、信号接口；20、屏栅电极层。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
参见图1、图2及图5，本发明实施方式公开了一种大面积X射线气体探测器。该探测器可以用于X射线背散射成像设备中，在地铁口、机场等场合进行安检检查。在本实施方式中，该大面积X射线气体探测器包括外壳11、入射窗12以及信号收集模块。
外壳11作为探测器的主要外部支撑结构，其可由铝、铜、铁等金属材料制成，也可有足够强度的内部涂有导电涂层的非金属材料制成。该外壳11的内部具有一内腔110，该外壳11具有一个射线入口，该射线入口连通至内腔，以供X射线进入到内腔110中。在内腔110内填充有工作气体，该工作气体为对X射线敏感的非负电性气体。该工作气体为例如可为惰性气体、多原子分子气体或者由惰性气体和多原子分子气体组成的混合物，工作气体的气压较佳可设定为大于等于1个大气压。其中，惰性气体可以是氦气、氖气、氩气、氪气、氙气等高纯气体或者是它们的混合气，多原子分子气体包括二氧化碳、烷类和四氟化碳等，少量的多原子分子气体可以吸收多余紫外光子，防止电子增殖的不可控。
该外壳11的形状可为圆筒或者立方体。在本实施方式中，外壳11为立方体，其内腔的长×宽×高分别是40厘米×40厘米×25厘米。在外壳11的外壁上还设置了相应的加强筋以提高整体强度。为了提高探测效率，原子序数越高的惰性气体，其拦截射线的本领越高。具体在本实施方式中，该工作气体采用的是高纯的95％氪气与高纯5％二氧化碳气体的混合物。工作气体的大气压为1个大气压。由于外壳11的内腔高度为25厘米，因而其内部的工作气体的高度也为25厘米，本实施方式通过调整工作气体的厚度及充入惰性气体不同比例，可以在满足探测效率的同时实现成本最优化。对应225kev的X光机产生的背散射X射线，探测效率可以达到31％。在满足结构安全的情况下，适当提高工作气体的气压，还能够进一步提高探测效率。在外壳11上可以设置充排气口17、高压接口18、信号接口19等各种辅助端口，使得工作气体或者各种导线能够由外部进入到该外壳11内部。
入射窗12为薄膜型的，其能够使X射线进入到内腔110，同时避免内腔110内的气体逸出，因此，该入射窗12选用尽可能薄的材料。该入射窗12可为电路板、金属薄膜结构或者非金属薄膜结构中的一种。例如入射窗12可由表面有导电层的薄电路板制作，如FR-4或陶瓷材料电路板，也可以由柔性的涂有导电涂层薄膜制作，例如：ETFE薄膜或者Mylar膜。在本实施方式中，该入射窗12选用的材料为250微米厚的ETFE薄膜。入射窗12密封连接于外壳11的射线入口，以避免工作气体泄漏，其中该入射窗12密封连接于外壳11的方式并不限制，只要满足密封要求即可。
在本实施方式中，如图1所示，该入射窗12被固定在中空的入射窗框架120上，在外壳11的射线入口处设有环形的沟槽，该入射窗框架120再通过密封圈111与外壳11上的沟槽配合，实现密封效果，然后利用螺钉等紧固件将入射窗框架120与外壳11固定。该入射窗12的面积一般大于500平方厘米，并可轻易地可设为大于等于1000平方厘米。也就是说，本发明公开的探测器可以非常容易地满足1000平方厘米以上的X射线接收面积。只要在工作场地许可的情况下，还可以进一步扩大入射窗12的面积，增强X射线探测效果。
信号收集模块用于接收X射线激发的电子和离子并向外输出电信号。该信号收集模块包括相互平行地设置于内腔110内的阳极丝电极层16以及阴极漂移电极层15。该阳极丝电极层16以及阴极漂移电极层15都是能够导电的大致为平板状的结构。参见图5，在本实施方式中，该阳极丝电极层16包括阳极丝161及阳极框架162。其中阳极框架162为中空的矩形，在阳极框架162的相对两侧的框体上设有多个绝缘柱163，阳极丝161蛇形缠绕于这些绝缘柱163上，缠绕后的每段阳极丝161之间彼此平行，相互之间的间距大约为1厘米。该阳极丝161也可由多个相互平行的小段阳极丝组成，这些小段并联成完整的阳极丝。
阳极丝161较佳地可以选用直径在50微米以内的电阻丝或者镀金钨丝。在本实施方式中，该阳极丝161选用的是直径30微米的镀金钨丝。阳极丝161为一整根丝的结构，它的中间部位缠绕在绝缘柱163上，两端则通过固定组件164固定连接于阳极框架162上。该固定组件可为弹簧丝固定组件，但不以此为限。
在本实施方式中，阴极漂移电极层15包括表面具有导电层的超薄电路板。该超薄电路板可以采用尽可能薄的尺寸，一般厚度选用0.3毫米，该导电层可为完整连续的平面导电结构，也可为全覆盖超薄电路板正反两面的井字形铜线层，铜线的线宽0.1毫米，格宽1毫米，铜线高18微米。在本发明的其他实施方式中，该阴极漂移电极层15也可包括金属丝网或者腐蚀镂空的金属板。
阳极丝161接入高压，其电压可高达20000伏，而阴极漂移电极层接地。X射线从入射窗12进入到内腔110后，与工作气体发生相互作用，该作用主要包括光电效应、康普顿散射或者是正负电子对的产生，并最终产生大量的电子离子对，在阳极丝电极层16和阴极漂移电极层15之间的电压作用下，产生的电子向阳极丝电极层16漂移，离子向阴极漂移电极层15漂移。感应产生的电荷被阳极丝收集、放大并传输到后续的电子系统进行下一步处理。
背散射成像的技术特点要求电子和离子信号收集时间小于几十微秒，一般来说，电子漂移速度是离子的1000倍级，所以离子的漂移速度决定整个信号的收集速度，即便可以只收集电子感应信号，但未漂移到低电极的离子所形成离子云有可能会影响下一周期的信号收集。本发明通过图2至图4所示的结构进一步提高了离子漂移的速度。
参见图2，在本发明另一实施方式中，该阳极丝电极层16以及阴极漂移电极层15设置有多层，这些阳极丝电极层16以及阴极漂移电极层15呈间隔设置并交互叠加，并且所有的阳极丝电极层16相互并联，所有的阴极漂移电极层15相互并联。这里所说的交互叠加是指：该阳极丝电极层16和阴极漂移电极层15之间是按照层阴极漂移电极层15、叠加一层阳极丝电极层16、再叠加一层阴极漂移电极层15、再加一层阳极丝电极层16的这样的重复叠加的方式进行排列的。阳极丝电极层16以及阴极漂移电极层15之间的层间距大约1.7厘米，层与层之间通过绝缘柱163连接。如此一来，可以提高探测效率，且这种结构极为简单，各个阳极丝电极层16的电压较低并能够保持一致。本实施方式的探测器可以较为方便地工作在正比区，电子能够被雪崩放大，在电压较低的情况下，阳极丝也可以工作在电离室区，此时电子不被放大。
图2中的箭头表示X射线的入射方向，由图2可知，在本实施方式中，阳极丝电极层16以及阴极漂移电极层15与X射线的入射方向大致上是垂直的，也就是说，阳极丝电极层16以及阴极漂移电极层15被设置为平行于所述入射窗12的方向。
参见图3，在图3中的箭头表示X射线入射方向。在本发明的另一实施方式中，该阳极丝电极层16以及阴极漂移电极层15与X射线的入射方向大致上是平行的，也就是说，阳极丝电极层16以及阴极漂移电极层15被设置为垂直于所述入射窗12的方向。此外，还可以根据X射线发射源点位置，调整每个阳极丝电极层16以及阴极漂移电极层15都平行于入射线方向。
参见图4，在本发明的第三个实施方式中，阳极丝电极层16以及阴极漂移电极层15各设置有一层，在阳极丝电极层16以及阴极漂移电极层15之间还设置有一个屏栅电极层20。屏栅电极层20的电压值介于所述阳极丝电极层16和阴极漂移电极层15的电压值之间。该屏栅电极层20可以包括金属丝网或者腐蚀镂空的金属板，但并不以此为限。屏栅电极层20与阴极漂移电极层15之间的区域为漂移区，屏栅电极层20与阳极丝电极层16之间为雪崩区。电子在漂移区不放大，但在两端形成的电场作用下向屏栅电极层20漂移，其中很大一部分穿过屏栅电极层20，然后在屏栅电极层20与阳极丝电极层16之间更强电场的作用下被雪崩放大。产生的大量电子被阳极丝电极层16引出。屏栅电极层20的设置有利于离子被快速吸收，极大缩短离子漂移时间。同时，本探测器工作于正比区。如果电压降低，也可以工作在电离室区。
由图1可知，在外壳11上还设有与射线入口位置相对的底板13。该底板13可拆卸地密封连接于外壳11，并与入射窗12共同封闭内腔110。通过设置底板13，可以从入射窗12的另一侧打开外壳11，对探测器进行维修。这样在维修时就无需拆卸入射窗框架120。该底板13可采用3毫米厚的FR-4电路板，并通过密封圈等结构与外壳进行密封。
在本发明的其他实施方式中，在阴极漂移电极层15的双面还可以均匀涂覆有中子敏感材料，例如10B的单质、化合物或它们的混合物，敏感材料层厚在1到5微米之间，可以使该探测器转变为中子和X射线双重敏感的探测器，其中子探测灵敏度理论上可以达到一支直径5厘米、长100厘米、充1个大气压的3He管中子探测器模块的灵敏度水平。由此也扩展了探测器的使用范围。
综上可知，本发明的大面积X射线气体探测器，对X射线具有较大的接收面积、较快的电荷收集速度，能够提高X射线的能量沉积总量；阳极丝电极层16能够对内腔中的电子进行收集，，X射线产生的离子能够被阴极漂移电极层吸收，多层电极层以及屏栅电极层的使用，缩短了电子、离子的漂移距离，意味之提高了探测器整体的电荷收集速度，结构简单、制造方便，成本较低。
以上具体地示出和描述了本发明的示例性实施方式。应该理解，本发明不限于所公开的实施方式，相反，本发明意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效布置。
Claims (14)
1.一种大面积X射线气体探测器，其特征在于，包括：
外壳，具有一内腔，所述外壳具有一射线入口，所述射线入口连通至所述内腔，且内腔内填充有工作气体，所述工作气体为对X射线敏感的非负电性气体；
薄型的入射窗，密封连接于所述射线入口，用于使X射线进入所述内腔；
信号收集模块，包括相互平行地设置于所述内腔内的阳极丝电极层以及阴极漂移电极层，所述阳极丝电极层具有阳极丝，所述阳极丝用于接入高压，所述阴极漂移电极层接地，所述阳极丝电极层收集所述工作气体在X射线的作用下产生的电子，
其中，所述阳极丝电极层还包括阳极框架，所述阳极框架的相对两侧的框体上设有多个绝缘柱；所述阳极丝蛇形缠绕于多个所述绝缘柱，阳极丝两端通过固定组件固定连接于所述阳极框架。
2.根据权利要求1所述的大面积X射线气体探测器，其特征在于，所述阳极丝电极层以及阴极漂移电极层设置有多层，多层所述阳极丝电极层以及阴极漂移电极层呈间隔设置并交互叠加，所述阳极丝电极层相互并联，所述阴极漂移电极层相互并联。
3.根据权利要求1所述的大面积X射线气体探测器，其特征在于，所述阳极丝电极层以及阴极漂移电极层各设置有一层，所述阳极丝电极层以及阴极漂移电极层之间还设置有一个屏栅电极层，所述屏栅电极层的电压值介于所述阳极丝电极层和阴极电极层的电压值之间。
4.根据权利要求3所述的大面积X射线气体探测器，其特征在于，所述屏栅电极层包括金属丝网或者腐蚀镂空的金属板。
5.根据权利要求1所述的大面积X射线气体探测器，其特征在于，所述阴极漂移电极层包括表面具有导电层的超薄电路板。
6.根据权利要求5所述的大面积X射线气体探测器，其特征在于，所述导电层为全覆盖于所述超薄电路板的正反两面的井字形铜线层。
7.根据权利要求1所述的大面积X射线气体探测器，其特征在于，所述阴极漂移电极层包括金属丝网或腐蚀镂空的金属板。
8.根据权利要求1所述的大面积X射线气体探测器，其特征在于，所述阳极丝电极层以及阴极漂移电极层平行于所述X射线的入射方向。
9.根据权利要求1所述的大面积X射线气体探测器，其特征在于，所述阳极丝电极层以及阴极漂移电极层垂直于所述X射线的入射方向。
10.根据权利要求1所述的大面积X射线气体探测器，其特征在于，所述工作气体为惰性气体、多原子分子气体或者由惰性气体与多原子分子气体组成的混合物。
11.根据权利要求1所述的大面积X射线气体探测器，其特征在于，所述外壳上还设有与所述射线入口位置相对的底板，所述底板可拆卸地密封连接于所述外壳并与所述入射窗共同封闭所述内腔。
12.根据权利要求1所述的大面积X射线气体探测器，其特征在于，所述工作气体的气压大于等于1个大气压。
13.根据权利要求1所述的大面积X射线气体探测器，其特征在于，所述入射窗为电路板、金属薄膜结构或非金属薄膜结构中的一种。
14.根据权利要求1至13中任一所述的大面积X射线气体探测器，其特征在于，所述阴极漂移电极层双面均匀涂覆有中子敏感材料。
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