CN107688193A - 一种新型高光子传输效率的闪烁探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于电离辐射测量的一种新型高光子传输效率的闪烁探测器。该探测器原理是,当射线进入晶体时，在晶体(3)入射端表面附近产生次生电子并发出荧光，荧光光子一部分会被晶体吸收损耗一部分会逃逸到晶体外。在采用侧开窗的出射方式减少光程更有利于光子的收集，逃逸出的光子经过反射层反射回到晶体(3)中，产生的光子经过增透膜(5),耦合剂(11),光学玻璃凸透镜(13)和光导腔(12)进入电子学系统(22)的光阴极(9)产生光电子，光电子经后续电子元器件放大整形形成一个脉冲信号，最终做为一个辐射事件被记录下来。

Description

一种新型高光子传输效率的闪烁探测器

技术领域

本发明涉及电离辐射探测器领域，具体是应用于γ射线能谱测量的一种新型高光子传输效率的闪烁探测器。使用新型的闪烁探测器在理论上会获得更好分辨率和探测效率，在闪烁探测器的性能提升上有很大的帮助。

背景技术

闪烁探测器是常用的一种电离辐射探测器，被广泛应用于工农业生产、医药卫生诊疗、环境保护、核谱学研究和安全稽查等领域。闪烁体探测器是由闪烁体、光电倍增管和相应的电子学系统三个主要部分组成的。

闪烁体是一般是用能够与辐射射线相互作用产生荧光的功能性材料制成，按化学成分可分为无机闪烁体例如NaI(Tl)、CsI(Tl)、ZnS(Ag)、BGO等，和有机闪烁发光体，例如有机晶体、塑料闪烁发光体等。目前广泛应用于闪烁探测器的闪烁晶体(单晶态的闪烁体)主要为无机闪烁晶体，例如NaI(Tl)、CsI(Tl)、BGO、LaBr₃等。闪烁晶体的发光机制是晶体中原子的轨道电子从入射粒子接受的能量大于其禁带宽度时，便被激发跃迁至导带。然后再经过退激到基态，根据退激的机制不同而发射出衰落时间很短的荧光(约10ns)或是较长的荧光(约1μs或更长)。通常入射至闪烁晶体中的粒子通过光电效应、康普散射应以及电子对效应发生相互作用，使闪烁晶体中的原子轨道电子受激发，跃迁成为自由电子。

目前实验室在使用的闪烁探测器有NaI(Tl)探测器、LaBr₃探测器、BGO探测器。三种探测器相互比较发现NaI(Tl)探测器时间分辨率较差，能量分辨率没有LaBr₃探测器好，但是其天然辐射本底谱简单，后期能谱分析较容易；LaBr₃探测器时间分辨率和能量分辨率有很大的优势，为电离辐射探测领域提供很好的探测手段，但是自身带有放射性本底谱较复杂，给底本底情况下谱分析带来较大的困难；BGO探测器分辨率相比较最差，但其对γ射线阻止本领强具有极高的探测效率，放射性本底弱和不易潮解。伴随着高能物理的发展，闪烁探测器在向小型化，紧凑型，高精确度的方向优化。上述的几种探测器表现出不同的缺点，不能很大程度上满足前沿实验科学的需要。因此本发明针对如何减少闪烁探测器内部光子损耗，提高探测效率和分辨率提出一种新的闪烁体探测器设计方案。

发明内容

本发明的目的是在闪烁探测器的基础上对探测器的结构进行改进，以LaBr₃探测器为例。在γ射线入射到晶体内部产生光电子，这些光电子大部分是在晶体入射端表面产生，传统探测器采取的是后端出射，这样晶体表面产生的光电子到后端出射的过程中有大量的光子发生内吸收造成损耗，而且能量较高很容易发生光电子逃逸，晶体内的沉积能量降低，影响探测器的分辨率和探测效率。通过本发明可以提高光电子的产额和输出从而提高分辨率、探测效率。

本发明使用如下技术可达到上述的发明目的：一种新型高光子传输效率的闪烁探测器，采取的是侧面作为光子出射端的方式，圆柱体晶体(3)其出射端是圆柱体的一半侧面，反射层包括两个底面(14)(16)和圆柱体的另一半侧面(2)。除去出射端，其它表面用反射层包裹，反射层是聚四氟乙烯内侧涂有硫酸钡。反射层(2)内测有两个凸起半圆环(4)使反射层与晶体之间有真空间隙。射线从入射端进入晶体发生反应产生光子，晶体(3)入射端表面产生的光子在进入空气层时发生全反射一部分光子反射回晶体内部，出射的光子经过硫酸钡和聚四氟乙烯两次反射回到晶体(3)，通过增透膜(5)，光学玻璃凸透镜(13)和光导腔(12)打在晶体的电子学系统(22)的光阴极(9)上产生光电子，并在晶体的电子学系统(22)的阳极(7)形成一个脉冲信号。LaBr₃(Ce)晶体(3)的(折射率是1.9)在出射端进入光学玻璃凸透镜(13)之间有真空层(折射率1)会发生全反射，增大了晶体内部闪烁光子内陷的几率。因此在晶体(3)与光学玻璃凸透镜(13)之间有增透膜(5)，将折射率逐渐减小过渡到光学玻璃凸透镜(13)(折射率是1.45)，降低晶体内部闪烁光子的内陷几率，使更多的光子通过光学玻璃凸透镜(13)打在晶体的电子学系统(22)的光阴极(9)上产生电子，并在阳极(7)形成一个脉冲信号。这些脉冲信号进入多道分析系统(20)形成一个能量计数被记录在能谱上。整个探测器套在圆柱形金属套筒(21)里，前端有薄金属壳(1)后端有金属后盖(17)，金属后盖(17)中有接线孔(8)用以外接多道分析系统(19)和电源。在晶体(3)出射端的光学玻璃凸透镜(13)与光电倍增管入射端的石英玻璃窗(10)之间加一个光导腔(12)，通过光导腔可以把矩形的出射端过渡到光电倍增管的圆形入射窗，使光电倍增管有效的探测记录能谱。

所述的晶体(3)是直径5cm，高10cm圆柱体溴化镧晶体含Ce 3％，溴化镧晶体对¹³⁷Cs能量667keV的全能峰的分辨率在3％左右，优于碘化钠晶体的7％左右。

所述的反射层是包括圆柱体晶体两个底面(14)(16)和反射侧面(2)，两个底面是直径5cm的圆面，在接触晶体(3)一端有一凸起的小圆环直径2.5cm封装后可以在晶体和反射底面间留有真空间隙，反射侧面有两个凸起的半圆环可以使反射层与晶体之间有真空间隙。整个反射层是聚四氟乙稀内侧喷涂一层硫酸钡，有涂层的聚四氟乙稀作为晶体(3)外包的反射层。

所述的增透膜(5)是蒸镀的一成氧化铪膜折射率为1.7介于晶体(3)和硅油之间，降低晶体内部闪烁光子的内陷几率，使更多的光子通过光学玻璃透镜(13)打在主晶体的电子学系统(22)的光阴极(9)。

所述的光学玻璃凸透镜(13)是覆盖在增透膜(6)的外侧，其两侧薄中间厚对出射光起到会聚作用，减少光在光导腔(12)的反射损耗可以使更多的出射光子通过光导腔(12)石英玻璃窗(10)打在晶体(3)的电子学系统(22)的光阴极(9)。

所述的光导腔(12)是下底面是长10cm，宽5cm的矩形，上底面是直径5cm圆，高5cm的类圆台体，其材质是聚四氟乙稀内侧涂有硫酸钡粉。其左侧矩形口与光学玻璃透镜(13)相连，右侧圆口与光电倍增管的石英玻璃窗(10)用光学耦合剂(11)硅油连接。

所述的电子学系统(22)是由光电倍增管(18)，前置放大器(19)和多道分析系统(20)组成。

所述薄金属壳(1)、圆柱体金属套筒(21)、金属后盖(17)材质为铝，薄金属壳(1)厚度低于1mm，尽可能减少对入射射线的阻挡。

本发明是为了提高在γ射线测量能谱的分辨率和探测效率。采取晶体侧开窗的出射方式主要减少光电子在晶体内部的出射光程，降低了晶体的内吸收，增加光子的出射率；在晶体外侧留有空气层是让逃逸的光子发生全反射，增大晶体反射侧面逃逸电子的内陷几率，使更多的光子从光学玻璃透镜发射出来；荧光反射层用涂有硫酸钡的聚四氟乙稀构成，可以使逃逸出的光子在硫酸钡涂层和聚四氟乙烯分别反射回到晶体内，提高晶体光子的收集能力；在光子出射端加增透膜和光学玻璃透镜，增透膜减少光子出射发生全反射的概率增加出射光子，光学玻璃透镜可以使出射的光汇聚减少在光导腔的反射损耗。以上四种措施提高了进入光阴极的光子数，提高全能峰的有效计数，降低康普顿台计数，有效的提高探测器的分辨率和探测效率。所以新型的闪烁探测器在会很大程度上改善闪烁探测器的探测性能，对核衰变测量，高能γ谱测量，中子活化元素分析等高精度核谱学测量中有很高的实用价值。

附图说明

图1为本发明正视图，图2为本发明的俯视图，图3是电子学系统示意图。

1-薄金属壳，2-反射侧面，3-晶体，4-凸起半圆环，5-增透膜，6-打拿极，7-阳极，8-接线孔，9-光阴极，10-石英玻璃窗，11-光学耦合剂，12-光导腔，13-光学玻璃凸透镜，14-反射底面，15-凸起圆环，16-反射底面，17-金属后盖，18-光电倍增管，19-前置放大器,20-多道分析器，21-圆柱形金属套筒，22-电子学系统。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明

实施例1

新型的溴化镧探测器如图1，图2所示。晶体(3)为圆柱体，半个侧面和两个底面用反射层包裹，反射层包括反射侧面(2)和反射底面(14)(16)是聚四氟乙烯内侧涂有硫酸钡。反射侧面(2)内测有两个凸起半圆环(4)使反射层与晶体之间有真空层，反射底面(14)(16)内测有凸起小圆环使反射层与晶体之间有真空层，晶体(3)出射端加有增透膜(5)和光学玻璃凸透镜(13)。探测器前端有薄金属壳(1)作为前盖保护内部结构，晶体通过增透膜(5)、光学玻璃凸透镜(13)、光导腔(12)和晶体的电子学系统(22)连接。整个系统放在圆柱形金属套筒(21)内，探测器后端有金属后盖(17)，金属后盖(17)中间有接线孔(8)将电子学系统的电源线和信号线分别与高压电源和多道分析系统(20)连接。

当γ射线穿过薄金属壳(1)进入LaBr₃晶体(3)后主要发生光电效应和少量的康普顿散射，将溴化镧分子电离、激发，分子退激产生4π立体角的荧光光子，向晶体反射侧壁和两个底面发射的光子被反射层反射回来，最终通过增透膜(5)，光导腔(12)和石英玻璃窗(10)进入晶体的电子学系统(22)。进入晶体的电子学系统(22)的光子先打到光阴极(9)上产生电子，这些电子经过打拿极(6)间的电场进行加速和聚焦，并在打拿极(6)材料上产生更多电子，最后在阳极(7)上接收到大量电子生成一个电流脉冲或电压脉冲的电信号。电信号经过前置放大器(19)降噪处理后输入到多道分析系统(20)进行数据处理得出能谱图。

晶体(3)是直径5cm，高10cm圆柱体溴化镧晶体含Ce 3％，溴化镧晶体对¹³⁷Cs能量667keV的全能峰的分辨率在3％左右，高于碘化钠晶体的7％左右。

反射侧面(2)是晶体的一个半侧面，在反射侧面(2)内测有两个凸起的半圆环(4)可以使反射层与晶体之间有真空层，反射层是聚四氟乙稀内侧喷涂一层硫酸钡。

反射底面(14)(16)是直径为5cm的圆面，在接触晶体(3)一端有一凸起的小圆环直径2.5cm。封装后可以在晶体和反射底面间有真空层，反射层的材料是涂有硫酸钡的聚四氟乙稀。

光学玻璃凸透镜(13)是覆盖在增透膜(6)的外侧，其两侧薄中间厚对出射光起到会聚作用，减少光在光导腔(12)的反射有利于出射光打在光阴极(9)。

光导腔(12)是下底面是长10cm，宽5cm的矩形，上底面是直径5cm圆，高5cm的类圆台体，其材质是聚四氟乙稀内侧涂有硫酸钡粉。

增透膜(5)是蒸镀的一成氧化哈膜折射率为1.7介于晶体(3)和硅油之间，与光学玻璃凸透镜(13)，光学耦合剂(11)一起做光子从晶体(3)进入电子学系统的耦合介质，降低晶体内部闪烁光子的内陷几率。

薄金属壳(1)、圆柱体金属套筒(21)、金属后盖(17)材质为铝，薄金属壳(1)厚度低于1mm，尽可能减少对入射射线的阻挡。

Claims (7)

1.一种新型高光子传输效率的闪烁探测器其特征在于，晶体(3)为圆柱体，半个反射侧面(2)和两个反射底面(14)、(16)用反射层包裹，反射侧面(2)内测有两个凸起半圆环(4)使反射层与晶体之间有真空层，反射底面(14)、(16)内测有凸起小圆环使反射层与晶体之间有真空层，晶体(3)出射端加有增透膜(5)和光学玻璃凸透镜(13)。

2.根据权利要求1所述一种新型高光子传输效率的闪烁探测器，其特征在于所述晶体(3)为直径5cm，高10cm圆柱体溴化镧晶体，外围用两个凸起半圆环的反射侧面(2)和两个有凸起圆环的反射底面(14)(16)包裹。

3.根据权利要求1所述一种新型高光子传输效率的闪烁探测器，其特征在于所述反射层(2)(14)(16)与晶体(3)之间有真空层。

4.根据权利要求1所述一种新型高光子传输效率的闪烁探测器，其特征在于所述出射端是晶体(3)的一个半侧面(5)。

5.根据权利要求1所述一种新型高光子传输效率的闪烁探测器，其特征在于所述晶体(3)出射端镀一增透膜(5)，材质为氧化铪，其折射系数为1.7介于晶体(3)和光学玻璃凸透镜(13)之间。

6.根据权利要求1所述一种新型高光子传输效率的闪烁探测器，其特征在于所述光学玻璃凸透镜(13)是覆盖在增透膜(6)的外侧透光性特别好，其两侧薄中间厚对出射光起到汇聚作用，减少光在光导腔(12)的反射损耗。

7.根据权利要求1所述一种新型高光子传输效率的闪烁探测器，其特征在于所述光导腔(12)是下底面是长10cm，宽5cm的矩形，上底面是直径5cm圆，高5cm的类圆台体，其材质是聚四氟乙稀内侧涂有硫酸钡粉。