CN107807377A - 多通道硬x射线位置灵敏探测器及其探测硬x射线方法 - Google Patents
多通道硬x射线位置灵敏探测器及其探测硬x射线方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了多通道硬X射线位置灵敏探测器及其探测硬X射线方法，解决了现有技术在探测能段范围为10keV‑300keV的硬X射线时成本高昂、以及不适合真空极端环境探测的问题。本发明包括多通道硬X射线探测光阴极、探测阳极、高压供电系统、数据采集系统和微通道板组，多通道硬X射线探测光阴极探硬X射线并将其转换为电子信号输出至微通道板组进行增益，数据采集系统将电信号进行采集转换并分析后给出所测硬X射线光子的时间信息和位置信息。本发明结构简单，设计科学合理，造价低廉，可直接在真空等极端条件下对能段范围为10keV‑300keV的硬X射线进行探测，并同时能给出所测光子的位置信息和时间信息。
Description
技术领域
本发明涉及多通道硬X射线位置灵敏探测器及其探测硬X射线方法。
背景技术
硬X射线与物质相互作用，主要是发生光电效应和康普顿效应，并且每种效应都产生相应的高能次级电子。这些次级电子继续与物质相互作用，产生电离和激发是产生电子离子对、闪光和电子空穴对等。显然这些信号在不透明的绝缘材料和较厚的导体中是无法引出的。而极薄的金属膜探测阴极只能探测软X射线，所以目前的硬X射线成像探测器一般为闪烁体探测器。
闪烁体会将硬X射线信号转换为更为容易的测量的可见光信号，然而闪烁体具有较长的余晖时间(几个ns至几百个ns)，从而使得时间分辨和计数率受到限制。最近出现了一种带有时间门控的多通道硬X射线成像探测器，相对传统的闪烁体探测器，提高了时间分辨和位置分辨，并使得时间门控技术更为精确有效。然而，该探测器和闪烁体探测器一样仍然需要CCD等设备采集探测由其发出的可见光信号，而CCD的使用一方面大大提高探测器的造价，另一方面也使得其使用范围受到了限制。例如，在很多科学实验中，由于真空环境的影响，必须对CCD进行特殊处理，实验布局受到了严重的限制，科学实验的流畅性也受到一定程度的影响。
因此，设计一种成本相对低廉、更适应真空等极端条件的多通道硬X射线位置灵敏探测器，以探测能段范围为10keV-300keV的硬X射线并能同时给出硬X射线光子的时间信息和位置信息，成为所述技术领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供多通道硬X射线位置灵敏探测器及其探测硬X射线方法，解决现有技术在探测能段范围为10keV-300keV的硬X射线时成本高昂、以及不适合真空极端环境探测的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种多通道硬X射线位置灵敏探测器，包括多通道硬X射线探测光阴极、探测阳极、高压供电系统、数据采集系统和由1-3块微通道板组成的微通道板组，所述多通道硬X射线探测光阴极、所述微通道板组和所述探测阳极依次并排设置于被探测环境中，所述高压供电系统分别与所述多通道硬X射线探测光阴极、所述探测阳极和所有所述微通道板电连接，用于为所述多通道硬X射线探测光阴极和所述微通道板组提供工作电压，同时，所述高压供电系统还在所述多通道硬X射线探测光阴极和所述微通道板组之间、以及在所述微通道板组和所述探测阳极之间加载电压，所加载电压起引导电子传播的作用；
所述多通道硬X射线探测光阴极用于探测被探测环境中的硬X射线，同时将所探测到的硬X射线信号转换为电子信号输出至所述微通道板组，所述微通道板组用于对来自所述多通道硬X射线探测光阴极的电子进行增益，经过所述微通道板组增益后的电子束打到所述探测阳极上，并由所述探测阳极给出相应的电信号，所述数据采集系统与所述探测阳极连接，用于对探测阳极给出的电信号进行采集转换并分析，同时给出所测硬X射线光子的时间信息和位置信息。
进一步地，所述多通道硬X射线探测光阴极包括在硬X射线光子照射下与该照射的硬X射线光子发生作用产生初级光电子的阴极基底，以及等距陈列于所述阴极基底上的两个以上阴极通道，每个所述阴极通道内壁上均设有一层碱金属镀层，所有所述阴极通道均为贯穿所述阴极基底正反两面的贯穿性孔道，当产生于所述阴极基底上的初级光电子到达所述阴极通道时将电离该阴极通道内壁上的碱金属镀层从而产生低能二级电子，并且所述二级电子在该阴极通道内经过雪崩放大后在所述多通道硬X射线探测光阴极和所述微通道组之间的电压作用下来到所述微通道组；所有所述阴极通道的直径相同，为3μm-30μm，所有相邻的所述阴极通道之间的间距相同，为5μm-35μm，并且所有所述阴极通道与所述阴极基底的法线之间的夹角一致，为0.1°-15°。
进一步地，所述阴极基底的成份为Pb、Si和O元素，其中铅元素的质量百分比不低于40％。
进一步地，所述多通道硬X射线探测光阴极的工作增益为5-100，所述阴极基底的厚度为0.5mm-3mm，所述二级电子为能量小于50eV的电子，所述碱金属镀层为金属Na镀层或金属K镀层。
进一步地，所述微通道组和所述多通道硬X射线探测光阴极之间的距离为0.3mm-2mm，所述探测阳极和所述微通道组之间的距离为0.8mm-3mm。
进一步地，每块所述微通道板的厚度为0.4mm-2mm，每块所述微通道板对电子的增益为103-104，所述探测阳极为电阻型阳极或楔条形阳极。
进一步地，所述多通道硬X射线探测光阴极的前后两个端面之间的电压为200V-2000V，每块所述微通道板的前后两个端面之间的电压为500V-2000V，所述多通道硬X射线探测光阴极和所述微通道板组之间的电压为50V-500V，所述微通道板组和所述探测阳极之间的电压为50V-500V。
进一步地，所述数据采集系统包括与所述探测阳极连接的数据采集卡，与所述数据采集卡连接的FPGA芯片，以及与所述FPGA芯片连接的PC机，所述数据采集卡将所述探测阳极给出的电信号转换成数字信号并将该数字信号传送至所述FPGA芯片，所述FPGA芯片对所接收到的数字信号进行运算分析并将包含有所测硬X射线光子的时间信息和位置信息的运算分析结果传送至所述PC机，所述PC机用于对运算分析结果进行显示和储存。
进一步地，所述硬X射线为能段范围为10keV-300keV的硬X射线，硬X射线光子每秒计数小于106。
一种多通道硬X射线位置灵敏探测器探测硬X射线的方法，包括以下步骤：
(1)通过外界高压供电系统分别在阴极基底上加载200V-2000V的工作电压，在阴极基底与微通道板组之间加载50V-500V的工作电压，在微通道板组与探测阳极之间加载50V-500V的工作电压；
(2)硬X射线射在阴极基底入射面发生光电效应，产生初级电子；
(3)初级电子进入阴极通道，并电离阴极通道内壁上的碱金属镀层，产生低于50eV的低能二级电子；
(4)在200V-2000V的电压作用下，低能二级电子在阴极通道内产生雪崩放大，形成电子束；
(5)电子束在阴极基底与微通道板组之间的电压作用下来到微通道板组进行增益放大；
(6)增益放大后的电子束在微通道板组与探测阳极之间的电压作用下打到探测阳极上，同时数据采集卡实时采集探测阳极上的电荷信息并将所采集到的电荷信息转换成数据信息传送至FPGA芯片；
(7)FPGA芯片对所接收到的数据信息进行运算分析并将包含有所探测硬X射线光子的时间信息和位置信息的运算分析结果传送至PC机进行显示和储存。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明结构简单、设计科学合理，使用方便，造价低廉，可直接在真空等极端条件下对能段范围为10keV-300keV的硬X射线进行探测，并同时能给出所测光子的位置信息和时间信息。
(2)与现有技术相比，本发明在使用时对多通道硬X射线探测光阴极、微通道板组和探测阳极所加载的工作电压较低，对高压供电系统要求较低。
(3)本发明采用纯电子学进行信号采集转换及存储显示，相比于现有技术采用CCD等设备，不仅极大地降低了设备本身的成本，同时对探测场地要求更加宽松，扩大了适用范围，并且使探测更加流畅。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明多通道硬X射线探测光阴极结构示意图。
图3为图2中的A-A截面图。
图4为本发明电阻阳极与数据采集系统连接示意图。
图5为本发明楔条形阳极与数据采集系统连接示意图。
图6为本发明各部件连接框图。
其中，附图标记对应的名称为：
1-多通道硬X射线探测光阴极、2-探测阳极、3-高压供电系统、4-数据采集系统、5-微通道板、6-微通道板组、7-数据采集卡、8-FPGA芯片、9-PC机、11-阴极基底、12-阴极通道、13-碱金属镀层。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
如图1-6所示，本发明提供的一种多通道硬X射线位置灵敏探测器，结构简单、设计科学合理，使用方便，造价低廉，可直接在真空等极端条件下对能段范围为10keV-300keV的硬X射线进行探测，并同时能给出所测光子的位置信息和时间信息。本发明包括多通道硬X射线探测光阴极1、探测阳极2、高压供电系统3、数据采集系统4和由1-3块微通道板5组成的微通道板组6，所述多通道硬X射线探测光阴极1、所述微通道板组6和所述探测阳极2依次并排设置于被探测环境中，所述高压供电系统3分别与所述多通道硬X射线探测光阴极1、所述探测阳极2和所有所述微通道板5电连接，用于为所述多通道硬X射线探测光阴极1和所述微通道板组6提供工作电压，同时，所述高压供电系统3还在所述多通道硬X射线探测光阴极1和所述微通道板组6之间、以及在所述微通道板组6和所述探测阳极2之间加载电压，所加载电压起引导电子传播的作用。
本发明所述多通道硬X射线探测光阴极1用于探测被探测环境中的硬X射线，同时将所探测到的硬X射线信号转换为电子信号输出至所述微通道板组6，所述微通道板组6用于对来自所述多通道硬X射线探测光阴极1的电子进行增益，经过所述微通道板组6增益后的电子束打到所述探测阳极2上，并由所述探测阳极2给出相应的电信号，所述数据采集系统4与所述探测阳极2连接，用于对探测阳极2给出的电信号进行采集转换并分析，同时给出所测硬X射线光子的时间信息和位置信息。
本发明所述多通道硬X射线探测光阴极1包括在硬X射线光子照射下与该照射的硬X射线光子发生作用产生初级光电子的阴极基底11，以及等距陈列于所述阴极基底11上的两个以上阴极通道12，每个所述阴极通道12内壁上均设有一层碱金属镀层13，所有所述阴极通道12均为贯穿所述阴极基底11正反两面的贯穿性孔道，当产生于所述阴极基底11上的初级光电子到达所述阴极通道12时将电离该阴极通道12内壁上的碱金属镀层13从而产生低能二级电子，并且所述二级电子在该阴极通道12内经过雪崩放大后在所述多通道硬X射线探测光阴极1和所述微通道组之间的电压作用下来到所述微通道组；所有所述阴极通道12的直径相同，为3μm-30μm，所有相邻的所述阴极通道12之间的间距相同，为5μm-35μm，并且所有所述阴极通道12与所述阴极基底11的法线之间的夹角一致，为0.1°-15°。
本发明所述阴极基底11的成份为Pb、Si和O元素，其中铅元素的质量百分比不低于40％。所述多通道硬X射线探测光阴极1的工作增益为5-100，所述阴极基底11的厚度为0.5mm-3mm，所述二级电子为能量小于50eV的电子，所述碱金属镀层13为金属Na镀层或金属K镀层。
本发明所述微通道组和所述多通道硬X射线探测光阴极1之间的距离为0.3mm-2mm，所述探测阳极2和所述微通道组之间的距离为0.8mm-3mm，每块所述微通道板5的厚度为0.4mm-2mm，每块所述微通道板5对电子的增益为103-104。
本发明所述多通道硬X射线探测光阴极1的前后两个端面之间的电压为200V-2000V，每块所述微通道板5的前后两个端面之间的电压为500V-2000V，所述多通道硬X射线探测光阴极1和所述微通道板组6之间的电压为50V-500V，所述微通道板组6和所述探测阳极2之间的电压为50V-500V。
本发明所述数据采集系统4包括与所述探测阳极2连接的数据采集卡7，与所述数据采集卡7连接的FPGA芯片8，以及与所述FPGA芯片8连接的PC机9，所述数据采集卡7将所述探测阳极2给出的电信号转换成数字信号并将该数字信号传送至所述FPGA芯片8，所述FPGA芯片8对所接收到的数字信号进行运算分析并将包含有所探测硬X射线光子的时间信息和位置信息的运算分析结果传送至所述PC机9，所述PC机9用于对运算分析结果进行显示和储存。
本发明所述硬X射线为能段范围为10keV-300keV的硬X射线，硬X射线光子每秒计数小于106。
本发明与现有技术相比，在使用时对多通道硬X射线探测光阴极、微通道板组和探测阳极所加载的工作电压较低，对高压供电系统要求较低；本发明采用纯电子学进行信号采集转换及存储显示，相比于现有技术采用CCD等设备，不仅极大地降低了设备本身的成本，同时对探测场地要求更加宽松，扩大了适用范围，并且使探测更加流畅。
一种多通道硬X射线位置灵敏探测器探测硬X射线的方法，包括以下步骤：
(1)通过外界高压供电系统分别在阴极基底上加载200V-2000V的工作电压，在阴极基底与微通道板组之间加载50V-500V的工作电压，在微通道板组与探测阳极之间加载50V-500V的工作电压；
(2)硬X射线射在阴极基底入射面发生光电效应，产生初级电子；
(3)初级电子进入阴极通道，并电离阴极通道内壁上的碱金属镀层，产生低于50eV的低能二级电子；
(4)在200V-2000V的电压作用下，低能二级电子在阴极通道内产生雪崩放大，形成电子束；
(5)电子束在阴极基底与微通道板组之间的电压作用下来到微通道板组进行增益放大；
(6)增益放大后的电子束在微通道板组与探测阳极之间的电压作用下打到探测阳极上，同时数据采集卡实时采集探测阳极上的电荷信息并将所采集到的电荷信息转换成数据信息传送至FPGA芯片；
(7)FPGA芯片对所接收到的数据信息进行运算分析并将包含有所探测硬X射线光子的时间信息和位置信息的运算分析结果传送至PC机进行显示和储存
如图4和5所示，本发明所述探测阳极2可以是电阻型阳极，也可以是楔条形阳极。
当探测阳极2为电阻型阳极时，数据采集卡7分别与电阻型阳极的四个输出端连接，当电子束打在阳极上后，由于位置的不同，其到四个输出端的电阻也不同，所以四个输出端得到的电荷量不同，根据四个输出端的电荷不同可以分析计算出其位置信息，具体为：
其中，x和y为所探测硬X射线光子的位置坐标，S1、S2、S3和S4分别为所探测硬X射线光子打在阳极上后分配在四个输出端的电荷量。
当探测阳极2为楔条形阳极时，阳极表面为金属膜，由绝缘线分割成不同形状的三个电极，分别为条形电极S、楔形电极W和补偿极Z，其中S电极面积占比随着坐标x的变化而变化，W电极面积占比随着坐标y的变化而变化。电极随着电子束打在阳极上后，由于位置的不同，其到三个电极的电荷分配也不同，所以三个输出端得到的电荷量不同，根据三个输出端的电荷不同可以分析计算出其位置信息，具体为：
其中，x和y为所探测硬X射线光子的位置坐标，Qs、Qw、Qz分别是分配在三个输出端上的电荷量，而a、b、c、d均为常数并由阳极的形状参数所决定。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多通道硬X射线位置灵敏探测器，其特征在于，包括多通道硬X射线探测光阴极(1)、探测阳极(2)、高压供电系统(3)、数据采集系统(4)和由1-3块微通道板(5)组成的微通道板组(6)，所述多通道硬X射线探测光阴极(1)、所述微通道板组(6)和所述探测阳极(2)依次并排设置于被探测环境中，所述高压供电系统(3)分别与所述多通道硬X射线探测光阴极(1)、所述探测阳极(2)和所有所述微通道板(5)电连接，用于为所述多通道硬X射线探测光阴极(1)和所述微通道板组(6)提供工作电压，同时，所述高压供电系统(3)还在所述多通道硬X射线探测光阴极(1)和所述微通道板组(6)之间、以及在所述微通道板组(6)和所述探测阳极(2)之间加载电压，所加载电压起引导电子传播的作用；
所述多通道硬X射线探测光阴极(1)用于探测被探测环境中的硬X射线，同时将所探测到的硬X射线信号转换为电子信号输出至所述微通道板组(6)，所述微通道板组(6)用于对来自所述多通道硬X射线探测光阴极(1)的电子进行增益，经过所述微通道板组(6)增益后的电子束打到所述探测阳极(2)上，并由所述探测阳极(2)给出相应的电信号，所述数据采集系统(4)与所述探测阳极(2)连接，用于对探测阳极(2)给出的电信号进行采集转换并分析，同时给出所测硬X射线光子的时间信息和位置信息。
2.根据权利要求1所述的一种多通道硬X射线位置灵敏探测器，其特征在于，所述多通道硬X射线探测光阴极(1)包括在硬X射线光子照射下与该照射的硬X射线光子发生作用产生初级光电子的阴极基底(11)，以及等距陈列于所述阴极基底(11)上的两个以上阴极通道(12)，每个所述阴极通道(12)内壁上均设有一层碱金属镀层(13)，所有所述阴极通道(12)均为贯穿所述阴极基底(11)正反两面的贯穿性孔道，当产生于所述阴极基底(11)上的初级光电子到达所述阴极通道(12)时将电离该阴极通道(12)内壁上的碱金属镀层(13)从而产生低能二级电子，并且所述二级电子在该阴极通道(12)内经过雪崩放大后在所述多通道硬X射线探测光阴极(1)和所述微通道组之间的电压作用下来到所述微通道组；所有所述阴极通道(12)的直径相同，为3μm-30μm，所有相邻的所述阴极通道(12)之间的间距相同，为5μm-35μm，并且所有所述阴极通道(12)与所述阴极基底(11)的法线之间的夹角一致，为0.1°-15°。
3.根据权利要求2所述的一种多通道硬X射线位置灵敏探测器，其特征在于，所述阴极基底(11)的成份为Pb、Si和O元素，其中铅元素的质量百分比不低于40％。
4.根据权利要求3所述的一种多通道硬X射线位置灵敏探测器，其特征在于，所述多通道硬X射线探测光阴极(1)的工作增益为5-100，所述阴极基底(11)的厚度为0.5mm-3mm，所述二级电子为能量小于50eV的电子，所述碱金属镀层(13)为金属Na镀层或金属K镀层。
5.根据权利要求4所述的一种多通道硬X射线位置灵敏探测器，其特征在于，所述微通道组和所述多通道硬X射线探测光阴极(1)之间的距离为0.3mm-2mm，所述探测阳极(2)和所述微通道组之间的距离为0.8mm-3mm。
6.根据权利要求5所述的一种多通道硬X射线位置灵敏探测器，其特征在于，每块所述微通道板(5)的厚度为0.4mm-2mm，每块所述微通道板(5)对电子的增益为103-104，所述探测阳极(2)为电阻型阳极或楔条形阳极。
7.根据权利要求6所述的一种多通道硬X射线位置灵敏探测器，其特征在于，所述多通道硬X射线探测光阴极(1)的前后两个端面之间的电压为200V-2000V，每块所述微通道板(5)的前后两个端面之间的电压为500V-2000V，所述多通道硬X射线探测光阴极(1)和所述微通道板组(6)之间的电压为50V-500V，所述微通道板组(6)和所述探测阳极(2)之间的电压为50V-500V。
8.根据权利要求7所述的一种多通道硬X射线位置灵敏探测器，其特征在于，所述数据采集系统(4)包括与所述探测阳极(2)连接的数据采集卡(7)，与所述数据采集卡(7)连接的FPGA芯片(8)，以及与所述FPGA芯片(8)连接的PC机(9)，所述数据采集卡(7)将所述探测阳极(2)给出的电信号转换成数字信号并将该数字信号传送至所述FPGA芯片(8)，所述FPGA芯片(8)对所接收到的数字信号进行运算分析并将包含有所测硬X射线光子的时间信息和位置信息的运算分析结果传送至所述PC机(9)，所述PC机(9)用于对运算分析结果进行显示和储存。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的一种多通道硬X射线位置灵敏探测器，其特征在于，所述硬X射线为能段范围为10keV-300keV的硬X射线，硬X射线光子每秒计数小于106。
10.一种多通道硬X射线位置灵敏探测器探测硬X射线的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过外界高压供电系统分别在阴极基底上加载200V-2000V的工作电压，在阴极基底与微通道板组之间加载50V-500V的工作电压，在微通道板组与探测阳极之间加载50V-500V的工作电压；
(2)硬X射线射在阴极基底入射面发生光电效应，产生初级电子；
(3)初级电子进入阴极通道，并电离阴极通道内壁上的碱金属镀层，产生低于50eV的低能二级电子；
(4)在200V-2000V的电压作用下，低能二级电子在阴极通道内产生雪崩放大，形成电子束；
(5)电子束在阴极基底与微通道板组之间的电压作用下来到微通道板组进行增益放大；
(6)增益放大后的电子束在微通道板组与探测阳极之间的电压作用下打到探测阳极上，同时数据采集卡实时采集探测阳极上的电荷信息并将所采集到的电荷信息转换成数据信息传送至FPGA芯片；
(7)FPGA芯片对所接收到的数据信息进行运算分析并将包含有所探测硬X射线光子的时间信息和位置信息的运算分析结果传送至PC机进行显示和储存。
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| CN107402401A (zh) * | 2017-09-12 | 2017-11-28 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 一种带有时间门控的多通道硬x射线成像探测器 |
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2017
- 2017-11-29 CN CN201711221944.1A patent/CN107807377A/zh active Pending
Patent Citations (3)
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