CN1079553A - 用于对中子进行检测和二维定位的装置 - Google Patents

Abstract

使穿过欲用光电图像方法测定的物体的中子敲 击在安全壳中的用于产生电子的光电图像变换器(变 像器)上，该安全壳中装有气体这些电子通过产生光 子流的汤森雪崩作用被放大。增强装置使产生的光 子变成校准的光脉冲。用耦合荷载的探测器的矩阵 装置以有规律的速率对上述发光脉冲进行定位和计 数。其中能放出对被检测物体所形成的图像进行处 理的信号。

Description

本发明乃是一个对中子进行检测和二维定位的装置。它应用于图像显示，尤其是用来进行非破坏性的工业检验、非破坏性安全检验。或者更具体地说应用用于对金属结构的腐蚀性检测。

众所周知，许多装置可通过粒子流显示出物体的图像，这些粒子包括X光子、γ光子、粒子或者质子。

在欧洲专利申请说明书EP0228933和EP0368694中叙述了：把一待检测物体放置于中性粒子源和检测装置之间，这种检测器，一般来说包括一个能够产生致电离粒子的光电图像变换器（变像器）。更确切说，通过中性粒子的撞击，使光电图像变换器产生快速的电子。这些快速电子可电离一种气体，并因此产生了电子-正离子对。这样形成的电子被称为一次电子。可以通过一些装置激起“汤森雪崩”现象。让一次电子在强电场的作用下得到加速，以便使其得到的动能可以超过气体分子或者原子的电离能。

在该条件下，这些一次电子能够在其周围形成被称为二级电子的其他电子，它们本身参与了雪崩现象。

这些二级电子被延伸型（线状或者带状）的检测元件所组成的装置收集，并结合成一系列的象元（素）（每一个象元相对应所形成的象点）。然而，人们借助于上述的这些装置，只能得到线性的（一维）图像（相对应象元的排列）。人们可以通过一排列一排列地对被检测物体进行扫描，从而能够形成二维的完整图像。

在英国专利说明书GB200032所叙述的一种装置中，人们可以借用一种检测器，出是引用汤森雪崩现象，形成二维图象。这种装置属于一类已知的设备，其名称是多股线成比例室。该装置用于检测垂直入射在其平面上所照射的辐射线。该装置还包括两个带状的阴极和一个由电线所组成的平面状的阳极，它们彼此间带电相连接。

这些带状的阴极连接到一些延迟线，而后者本身又连接到时间分析电路上。我们由此还可以通过检测显示出图像，并且计算出在雪崩过程中所产生的带电粒子的数量。

本发明提出引用汤森雪崩现象，都用来检测在雪崩过程中产生的光子，以形成一个二维的图像。而该图像是与那些穿过了被检测物体的粒子流在该装置的入射表面上的撞击点的分布相对应。在雪崩现象中，由于入射电子的激励使一些原子或者分子松驰，从而产生了一些光子。

这种对上述所产生的光子进行检测，从而达到对粒子的撞击进行定位的检测方法，可以避免使用那些现有技术中电子检测系统的复杂组合的装置。

此外，对光子的检测可以使得用于形成雪崩现象的放大装置与光学读数装置之间完全分开。

更确切地说，本发明涉及一个用于中子的检测和二维定位的装置，该装置包括：

-在入射中子撞击下产生电荷的装置;

-电荷的放大装置，该装置在放大过程中发射光子;

-被射出的光子的聚集装置;

-能在其出口表面上释放出光脉冲的装置，该光脉冲的释放是由于聚集光子发生作用的结果。每一个光脉冲是与粒子在入射表面上的撞击点相对应。这些分布在出口表面上的光脉冲与在入射表面上粒子的撞击分布相对应，而且对其进行放大直至饱和。以便能获得校准的光脉冲。

-由上述出口表面放出的校准的光脉冲的定位和计数装置。

根据本发明的第一实施方案，这些用于释放出光脉冲的装置，包括一个图像增强器，它属于能起线性放大器作用的“微型通道板”类型。

根据本发明的第二实施方案，这些用于释放出光脉冲的装置，包括一个第一微型通道板和一个第二微型通道板。

在这种情况下，根据特定的实施方案，这些用于释放出光脉冲的装置包括一个第一微型通道板和一个第二微型通道板。能起线性放大器作用的第一微型通道板的入口处与一个光电阴极成对地联结。能起饱和放大器作用的第二微型通道板的出口处与一个荧光屏成对地联结。这个荧光屏对于所有输入的光脉冲释放出校准强度的输出的光信号，其强度超过了固定的极限值。

通过入射粒子的作用所形成的每个电子经雪崩现象和放大作用能产生大量的电子。但是电子的数量随时不断的起伏变化，而且被发射出的这些电子并不显示出单一的能量，而是各具有范围较大的不同的能量。因此，在雪崩过程中生成的光子的数量也受到这种起伏变化的影响。再者，放大后所获得的光子的数量也是起伏变化的。这是由于弥散现象的缘故。

与撞击作用相对应的光子数量的起伏变化降低了检测中的信号/噪声的比例，也降低了装置的性能。对校准强度的光脉冲进行计数，可以摆脱放大线路固有的统计起伏。

好在用于计数和定位的装置，还包括一个耦合荷载的矩阵装置。

耦合荷载传感器的矩阵装置，可以使照射转变成电信号。矩阵的每个传感器是与每个定位的图像点相对应，后者又与在入射表面的撞击点相对应。当有规律实施时，对由矩阵的每个传感器放出的信号进行计数，就可以推算出相应的入射表面上的撞击数目。

无论是线性模式或是饱和模式，这些生成的光脉冲所显示的强度足于应用标准的耦合荷载矩阵装置。由此，可以限制装置的成本，而且可避免使用对冷却特别敏感的耦合荷载装置。

光学的匹配装置，可以用于使来自第二个图像增强装置的出口表面的图像的规格适应于耦合荷载传感器矩阵规格。

好在电荷放大装置包括一个混合气体，该气体能被电荷发生装置放出的电荷所电离，还包括能使电离后的混合气体至少经受电势差的装置。

根据特定的实施方案，光子的放大装置是由前述的宜于电离的混合气体所组成，这种混合气体至少含有一种光电发射性的气体。这种光电发射性的气体最好是三乙胺。

能产生电荷的装置最好包括一个明显呈平面的牢固的光电图像变换器（变像器）。

这种变换器可以是任意形状，例如长方形或正方形，其边长可以是几米长。由于放大部件和光学读码部件可以彼此分开安装。因此，因多个检测器相联接所带来的问题，尤其是在变换器很大的情况下，就不复存在了。

所获得的光学图像可以轻易地调整，以适合于耦合荷载矩阵装置。

通过阅读附图中的说明文字，这些文字都是阐述性的而不是限定性的，你可以更好地了解本发明的特征。

其中：

图1是本发明装置的示意图;

图2是带电粒子的放大装置的局部示意图，该装置能生成相应的光子。

图3是图像增强装置的剖面示意图;

图4是微型通道板的其中一个通道的剖面示意图;

图5是另一种图像增强装置的剖面示意图;

图6是又另一种图像增强装置的剖面示意图。

图1是本发明装置的示意图，把欲测物件10放置在中子源12和用于探测与定位的装置之间，入射中子束14在穿过物件10以后汇集在用于探测与定位的装置上。上述用于探测与定位的装置包括紧紧密封的安全壳15，正对着中子源12的安全壳的板壁16是一个平面变像器，该变像器是由涂附在铝基物体上几微米厚的钆涂层组成的。

变像器16可呈显正方形或者长方形面。

在安全壳15中与变像器16相对的另一方面是由出口窗26所封闭，它是一个紫外线可以穿过的二氧化硅板片。

本发明装置包括一些可激起汤森雪崩现象的带电粒子的放大装置，这些装置是一种和平行板相应的计数器（PPAC，或者用英文译成平行板雪崩室）。

这些放大装置包含装在安全壳15中的混合气体17，通过激发电离会使带电粒子出现放大现象。为此，这种混合气体是氩气和碳氢化合物气体，例如乙烷或甲烷的混合气体。碳氢化合物气体构成了熄灭物质（熄灭剂）。安全壳内混合气体17的压力约为1巴。

在安全壳15中循环的混合气体是通过入口e进入壳内，并经出口s排出壳外。

这些放大装置还包括一个可以使混合气体得到电势差的装置。在图2中我们更详细描述这种装置。该装置是由平行板19、23所组成。实际上19和23是两个电极，它们是由拉紧在框架20、24上的特别紧密靠近的线18、22所组成的平面，比如印刷电路。线网18接地，而线网22则与正电位的高压电源相连，高压电源的电压为4000伏。

试举一例，线网18和22是由不锈钢或者镀金的钨所制成的。这些丝线的直径是100μm。这些丝线彼此几乎平行排列，而且彼此间距离大约是1毫米。

电极18被固体在安全壳15内，距变像器16约1毫米。电极22固体在安全壳15内，距电极18约4毫米。

变像器的功能是当入射中子PN冲击其入射表面（安全壳15的入口表面）时，由于撞击作用从而在安全壳内生成电离粒子，在图2中用混合线PC1表示上述电离粒子的轨迹。

这些电离粒子如按PC1轨迹传播的电离粒子一样激发了在安全壳15中的混合气体17的分子，从而生成了电荷。更确切地说生成了电子和离子。

这些生成的电子被称为一次电子，它们被电线22强烈吸引，因而在其周围生成了二级电子。它们也被电线22吸引，这些在雪崩过程中所生成的二级电子都被电线22所吸引。在图2中用粗实线的箭头PC2表示了负电荷被这些电线22所吸引的现象。

在这一实施例中，电线22还扮演了收集这些负电荷的角色。

在放大过程中所生成的正离子被接地的线网18所收集。

在雪崩过程中发射了一些光子，从而导致了在这些气体分子和电子之间形成了无弹性碰撞。在图2中用波状箭头pH表示这些光子，这些光子被射成γ紫外线。

借助于放大装置可以增大光子的数量。这种放大装置是由电子放大器的常规的气体的混合所组成的;例如，稀有气体与碳氢化合物气体的混合。人们加入具有弱电离电位的蒸汽分子，以便能增加由电子所生成的光子数目。

幸好三乙胺（TEA）具有这种特性，而且还能增大发射光子的波长。它的发射光谱位于紫外线，即在260nm和310nm（核距）之间。

在安全壳内的混合气体17的组成是90%的氩气，8%的甲烷和2%的三乙胺。

再回到图1中，我们可以看到本发明装置中的聚焦装置28（单一透镜或是已知的较复杂光学装置），它被置于与出口窗26相对的位置上;图像增强装置29;用于适应图像尺寸的匹配装置60，以及具有耦合电荷传感器的矩阵装置58（CCD，在英文称为“电荷耦合器件”）。

通过聚集装置28，可以使放大现象中生成的光子在图像增强装置29的入口表面上形成一个分布图像。

图3是根据第一实施方案图像增强装置29的剖面视图。这些能够释放光脉冲的装置是由图像增强器所构成的，例如由RTC公司生产的XX1410型号的产品。

正如人们在图3中所看到的那样，这种图像增强器包括一个石英窗30;一个光电阴极32，它对混合气体的发射波长起作用;一个微型通道板34;一个荧光屏36;以及一个光导纤维装置38，这些光导纤维并肩组合，以使它们的终端能形成平面。

被聚集装置28所聚集的光子穿过石英窗30，并敲击能产生电子的光电阴极32。该光电阴极32接地，而与其相对的微型通道的顶端接上一个电位V₁，其电压是200伏。

这些由光电阴极所产生的电子由于电位差而受到加速，并穿入与产生电子的装置正相对的微型通道内。

微型通道板是由约10⁷个通道所组成的，并在其两端之间经受V₂-V₁的电位差。V₁是200伏，V₂可以是1000伏。

正如我们从图4中所见，每个通道是由一个管子35所组成的，例如是一个内径约为10微米的玻璃管。其内壁覆盖了导体保护层。

在撞击通道内壁的过程中，每个入射电子ee可以获得多个电子，而这些产生的电子又可以通过在通道内壁的撞击作用又生成其他的电子。

电子数量的增益，即通道出口电子数es与通道入口的电子数的比例，是随通道两端的电压变化而变化的。

再回到图3，由通道出去的电子敲击荧光屏36，荧光屏36上的电压V₃是7000伏。由于从通道出去的电子的撞击，使荧光屏产生光子。这些光子进入到与通道出去的电子的撞击点相对的光导纤维管道中去。

人们由此以在与石英窗上的入射光子的撞击点相对应的出口表面的一个点上获得许多放大了的光子。通过调节电位差V₂-V₁可以控制这种增强效应。

图5是图像增强装置的示意图。该装置可以获得比原图像更大的增强图像。在这一装置中，需两个包含在两个图像增强器中的微型通道板34a、34b，它们可以是RTC公司生产的、型号为XX1410的产品。把它们用一个适应层联结，例如用Baume    de    Canada联结，如图中的符号40所表示。

图5中的标引号所表示的物体与图3中的表示一样。从图中我们可以看到第二个图像增强器与第一个图像增强器不同，它是与入口光导纤维31组合在一起，而不是与石英窗相联结。

每一个增强器都分别包括一个光电阴极32a，32b。对于第一个光电阴极32a而言，其效能主要适于入射光子的波长;而对于第二个光电阴极32b而言，其效能主要适于从第一个荧光屏出来的光子的波长。

它们的电位也是不同的。

V₄表示第一个图像增强器的光电阴极的电位;

V₅表示第一个微型通道板的通道入口端上的电位;

V₆表示第一个微型通道板的通道出口端上的电位;

V₇表示第一个图像增强器的荧光屏上的电位;

V₈表示第二个图像增强器的光电阴极的电位;

V₉表示第二个微型通道板的通道入口端上的电位;

V₁₀表示第二个微型通道板的通道出口端上的电位;

V₁₁表示第二个图像增强器的荧光屏上的电位;

各电位的值如下所示：

V₄＝-7000伏;V₅＝-6800伏;V₆＝-6000伏;

V₇＝0伏;V₈＝0伏;V₉＝200伏;

V₁₀＝1150伏;V₁₁＝7000伏。

由图像增强装置29所释放的光脉冲呈现出一个校准强度。为此，第一个微型通道板34a，如前所述，被用于线性模式，它的光放大因数大于10³。而第二个微型通道板34b则用于饱和模式，也就是说，出口的光通量不与入口的光通量成比例。当第二个微型通道板34b的一个通道中的出口电子数目不再受其入口电子数目的束缚时（即当后者超过一个极限时），就达到饱和状态。

为了达到饱和状态，穿入第二个图像增强器中的光通量应该大于一个取决于V₁₀-V₉电位差值的极限值。

图6是用于饱和模式的另一个图像增强器的示意图。图6中的标引号所表示的物体与图5中的表示一样。这种图像增强装置包括两个并排相联结的微型通道板34a、34b，每个微型通道板中的微型通道分别以同样的角度相对倾斜，呈现人字斜纹形。

微型通道的倾斜可以避免通道内由于离子在通道壁上的复合而生成的正离子在光电阴极32上撞击。

第一微型通道板34a被用于线性模式，而第二微型通道板34b被用于饱和模式。

对于一个作用于光电图像变换器（变像器）的入射表面的中子来说，可以使一个校准强度的光脉冲，在多个相邻的光导纤维所形成的组合体38的出口处被释放出来。这个脉冲形成一个定位在出口表面上的光点，而该点是与粒子在变换器的入射表面上的撞击点位置相对应的。

以下的说明又重新回到图1上。

这些出现在增强装置29出口处的光脉冲被耦合荷载传感器的矩阵组合装置58所检测。被图像增强装置29所释放的图像的大小规格，经光学匹配系统60的调整，可适应矩阵装置的规格。

这些耦合荷载传感器的排列形式是，横排有500个，纵列有500个传感器。并且规定每一个传感器能形成一个图像的象元。每个传感器可检测被图像增强装置29中的大约十来个微型通道所释放出的光信号。

耦合荷载传感器矩阵被监控信号S所激起，它限定了光脉冲的计算时间和计算节拍。矩阵的每个传感器是与用于接收被测粒子的入射表面的单一表面相对应。当被信号S所限定的计算时间是从1秒到十几秒时，矩阵的每个传感器接收一定数量的光脉冲，其数量与敲击在光电图像变换器的已定“点”（单一表面）上的粒子的数目是相对应的。

当计算时间结束时，这些矩阵的传感器按照预先限定的指令逐一地被读出来。

把每个传感器所释放的模拟电信号系统组合起来就可以形成一个图像。一个传感器所释放的电信号强度是与计算时间中所考虑的该传感器所接收的光脉冲的数目相对应。它限定了象元的灰色度。

由于统计起伏变化，使得与给定数量的粒子的撞击相对应的光信号的归入强度，从一个计算周期到另一个计算周期，在一个又一个的象元，以及同一个象元上发生激烈的变化。校准脉冲的有节拍的计算，对于相同数量的归入脉冲而言，能够导致一个明显相同的电信号，而且还可以除掉由于不同的放大过程造成的统计起伏所引起的干扰。由此，可以更精确地对象元上的灰色度进行评估。

耦合荷载传感器的矩阵装置与获取图像的装置62相连。装置62可以是Data    Translation公司生产的DT2861型号的产品，它可以把由这些传感器释放的模拟信号数值化。

把获得图像的装置62与一个处理机64，例如一个微处理机相连。该处理机能导引装置62，以便获得来自传感器的矩阵装置58的信号。并且与装置62一起对一些数据，例如平均值，求和，滤除进行不同的处理，或者进行所有不同类型的图像处理。

微处理机64可以用来储存已处理并数值化了的图像，它还可以起动装置62，使已数值化的图像显示在质量控制器66上。

计算出在每一个象元（或者CCD矩阵装置的传感器）上的光脉冲，就可以用灰色度表示出粒子在光电图像变换器的入射表面上的撞击数目。换句话说，每个象元的灰色度是与所考虑的粒子对被测物体的局部透过系数相对应的。人们就是这样获得被测物体的“明显的”图像。

Claims (9)

1、用于对入射中子进行检测和二维定位的装置，其中包括接受中子的入射表面，其特征在于它包括：

-经入射中子的敲击能产生电荷的装置(16)；

-电荷放大装置(17、19、23)，该装置在放大过程中发射光子；

-用于使发射光子聚焦的装置(28)；

-装置(29)，它适用于使聚焦光子在出口表面上释放出光脉冲，每个光脉冲相对应于入射表面上的各粒子的撞击；这些分布在出口表面上的光脉冲与在入射表面上各粒子的撞击分布相对应，并使其放大直至饱和，以便能获得校准的光脉冲；

-由上述出口表面发射的校准的光脉冲的定位和计数装置(58、60、62)。

2、根据权利要求1的装置，其特征在于：用于释放出校准的光脉冲的装置（29）包括一个图像增强器，它属于能起线性放大器作用的“微型通道板”类型。

3、根据权利要求1的装置，其特征在于：用于释放出校准的光脉冲的装置（29）包括第一和第二微型通道板（34a，34b）。

4、根据前述权利要求中之一的装置，其特征在于：用于释放出校准的光脉冲的装置（29）包括第一和第二微型通道板（34a、34b），起线性放大器作用的第一微型通道板（34a）和入口处与一个光电阴极（32a）成对地联结，起饱和放大器作用的第二个微型通道板的出口处与一个荧光屏（36）成对地联结，荧光屏（36）对于所有输入的光脉冲释放出校准强度的输出的光信号，其强度超过了固定的极限值。

5、根据权利要求1的装置，其特征在于：用于定位和计数的装置包括一个具有耦合荷载的矩阵装置（58）。

6、根据权利要求1的装置，其特征在于：电荷的放大装置包括一个混合气体（17），它可以被能产生电荷的装置（16）所释放出的电荷所电离;还有装置（19，23），它们至少可以使电离后的混合气体得到电位差。

7、根据权利要求6的装置，其特征在于：光子的放大装置（17）是由前述的适于电离化的混合气体所组成，这种混合气体至少含有一种光电发射性的气体。

8、根据权利要求7的装置，其特征在于：上述的光电发射性气体是三乙胺。

9、根据权利要求1的装置，其特征在于：用于产生电荷的装置（16）包括一个明显呈平面的牢固的光电图像变换器（变像器）。

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