CN109581467B - 一种伽马射线探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种伽马射线探测器，包括：组合支架，组合支架包括上组合支架以及下组合支架，其中，上组合支架上设置有凸缘；减振器，减振器固定在上组合支架的凸缘上；减振器转接组件，减振器转接组件的一端与复合晶体组件连接，减振器转接组件用于安装和固定减振器；探头结构体，探头结构体与减振器转接组件的另一端固定连接，探头结构体被上组合支架包围，其中，探头结构体包括复合晶体组件；以及标定探测器，标定探测器固定在复合晶体组件上；光电倍增管组件以及前端电子学组件，前端电子学组件安装在光电倍增管组件底部；并且其中，复合晶体组件包括：复合晶体组件外壳、NaI晶体和石英玻璃。

Description

一种伽马射线探测器

技术领域

本发明是关于空间硬X射线和软伽马射线探测器的高性能封装、组装和集成技术领域，特别是关于一种伽马射线探测器。

背景技术

伽马射线暴是宇宙中最强烈的爆发现象。本发明涉及的空间伽马射线探测器将用于多波段观测空间伽马射线暴，确定其谱形，从而深入了解并掌握伽马射线暴的产生机制。

空间硬X射线和伽马射线探测器需通过航天器发射阶段严酷力学条件的考验，并需应对非常复杂的空间环境。本探测器探测面积大，探测阈值极低，能量分辨率高，因此对产品封装技术和磁场屏蔽要求更高。尤其晶体复合组件和光电倍增管均为力学敏感部组件，如果探测器抗振动、抗冲击设计不足将导致晶体封装开裂、晶体破损或者光电倍增管的损坏。在空间探测器整体轻量化的约束下，很难做到同时满足以上高性能需求和工程适应性要求。

本发明将晶体超大超薄窗密封技术，晶体高效率耦合技术，多层嵌套坡莫合金薄膜屏蔽技术，三向阻尼减振技术巧妙的集成在一起，完美实现了科学需求和工程需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种伽马射线探测器，其能够克服现有技术的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供了一种伽马射线探测器，伽马射线探测器包括：组合支架，组合支架包括上组合支架以及下组合支架，其中，上组合支架上设置有凸缘；减振器，减振器通过减振器转接组件固定在上组合支架的凸缘上，减振器包括上下两层，上下两层减振器交错排布；减振器转接组件，减振器转接组件的一端与复合晶体组件外壳固定连接；探头结构体，探头结构体与减振器转接组件的另一端固定连接，探头结构体被上组合支架包围，其中，探头结构体包括复合晶体组件；以及标定探测器，标定探测器固定在复合晶体组件上；并且其中，复合晶体组件包括：复合晶体组件外壳；晶体密封窗，晶体密封窗通过压环固定在复合晶体组件外壳上，晶体密封窗是铍片；NaI晶体，NaI晶体的顶面和侧面被反射层包裹，并且NaI晶体与复合晶体组件外壳和晶体密封窗之间均具有间隙，其中NaI晶体与复合晶体组件外壳之间的间隙内填充光学胶粘接；和石英玻璃，石英玻璃设置于NaI晶体下方，NaI晶体与石英玻璃通过光学胶粘接，并且其中，石英玻璃通过U形环与复合晶体组件外壳粘接。

在一优选的实施方式中，复合晶体组件包括：晶体密封窗位于压环与复合晶体组件外壳之间；其中，压环以及复合晶体组件外壳是由铝合金制造的。

在一优选的实施方式中，探头结构体还包括：光电倍增管组件，光电倍增管组件位于上组合支架内部，光电倍增管组件位于复合晶体组件下方。

在一优选的实施方式中，光电倍增管组件包括：光电倍增管外壳；外壳磁屏蔽膜，外壳磁屏蔽膜位于光电倍增管外壳内侧；光电倍增管，光电倍增管位于光电倍增管外壳的空腔内，其中，在光电倍增管入射窗与复合晶体组件之间具有光学耦合膜；光电倍增管磁屏蔽膜，光电倍增管磁屏蔽膜包围在光电倍增管的外侧；以及减振套，减振套位于外壳磁屏蔽膜与光电倍增管磁屏蔽膜之间。

在一优选的实施方式中，光电倍增管组件包括：防高压放电衬套，防高压放电衬套填充在光电倍增管与光电倍增管磁屏蔽膜之间的空隙中。

在一优选的实施方式中，光电倍增管组件包括：分压器，分压器位于光电倍增管底端；以及前端电子学，前端电子学位于分压器下方。

在一优选的实施方式中，其中，减振套的斜面和侧面上设置有减震棱以增加径向弹性能力，实现压力疏散排减。

在一优选的实施方式中，其中，外壳磁屏蔽膜和光电倍增管磁屏蔽膜组成嵌套式磁屏蔽方式，通过两者之间的错位来实现良好的磁屏蔽效果。

在一优选的实施方式中，标定探测器包括：标定探测器盖以及标定探测器盒，其中，标定探测器盖以及标定探测器盒能够连接为一体以形成标定探测器；其中，在标定探测器中设置有读出电子学板、柔性电路板以及硅光电倍增管电路板。

与现有技术相比，本发明的伽马射线探测器具有如下优点：本发明重点解决探测器敏感部件的抗振问题。光电倍增管外壳用于保护光电倍增管，保持光电倍增管与晶体盒之间耦合连接的紧密性，实现探测器结构的整体性，并且在外壳和光电倍增管之间设计有减振套，提高了光电倍增管的抗震性。光电倍增管前端通过Sylgard 184光学耦合膜与晶体良好耦合，同时起到一定的减振作用。由于光电倍增管的结构异性，且0.2mm厚的磁屏蔽膜的可成型工艺差，所以设计防高压放电衬套保证与光电倍增管良好贴合的同时对光电倍增管磁屏蔽膜起到支撑作用，防高压放电衬套选用聚四氟乙烯材料，其能够防止光电倍增管发生高压放电现象。光电倍增管为磁场敏感器件，为了减小磁场对探测器的影响，在伽马射线探测器外壳内侧及光电倍增管外侧面分别铺设一层磁屏蔽膜，两层磁屏蔽膜形成的错位可提高屏蔽能力。

附图说明

图1是根据本发明一实施方式的伽马射线探测器的整体结构示意图。

图2是根据本发明一实施方式的复合晶体组件的结构示意图。

图3是根据本发明一实施方式的伽马射线探测器的磁屏蔽设计的结构示意图。

图4是根据本发明一实施方式的伽马射线探测器的分解结构示意图。

图5是根据本发明一实施方式的伽马射线探测器的剖视结构示意图。

图6是根据本发明一实施方式的减振套的结构示意图。

图7是根据本发明一实施方式的减振器的结构示意图。

图8是根据本发明一实施方式的标定探测器的结构示意图。

图9是根据本发明一实施方式的标定探测器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

如图1-9所示，伽马射线探测器包括：组合支架102、减振器103、减振器转接组件104、探头结构体101以及标定探测器 105，其中，组合支架102包括上组合支架以及下组合支架，其中，上组合支架上设置有凸缘。减振器103通过减振器转接组件固定在上组合支架的凸缘上。减振器转接组件104的一端与探头组合体101中的复合晶体组件连接固定，减振器103安装到减振器转接组件的通孔中。探头结构体101光电倍增管组件与减振器转接组件104的另一端固定连接，探头结构体101被上组合支架102包围，其中，探头结构体包括复合晶体组件，光电倍增管组件。标定探测器 105固定在复合晶体组件上。并且其中，复合晶体组件包括：复合晶体组件外壳201；晶体密封窗（铍片）202、207，晶体密封窗通过压环203固定在复合晶体组件外壳上；NaI晶体204，NaI晶体的顶面和侧面被反射层包裹，并且NaI晶体与复合晶体组件外壳和晶体密封窗之间均具有间隙，NaI晶体和鼓和晶体组件外壳之间的间隙填充光学胶粘接；和石英玻璃205，石英玻璃设置于NaI晶体下方，NaI晶体与石英玻璃通过光学胶粘接，并且其中，石英玻璃通过U形环206与复合晶体组件外壳粘接。

在一优选的实施方式中，复合晶体组件包括：晶体密封窗207位于压环与复合晶体组件外壳之间；其中，压环以及复合晶体组件外壳是由铝合金制造的。本发明的磁屏蔽接地设计包括外部磁屏蔽接地点301、内部磁屏蔽接地点302、光电倍增管外壳磁屏蔽接地点303。

在一优选的实施方式中，探头结构体还包括：光电倍增管组件，光电倍增管组件位于上组合支架内部，光电倍增管组件位于复合晶体组件下方。

在一优选的实施方式中，光电倍增管组件包括：光电倍增管外壳406；外壳磁屏蔽膜405，外壳磁屏蔽膜位于光电倍增管外壳内侧；光电倍增管401，光电倍增管位于光电倍增管外壳的空腔内，其中，在光电倍增管入射窗与复合晶体组件之间具有光学耦合膜；光电倍增管磁屏蔽膜403，光电倍增管磁屏蔽膜包围在光电倍增管的外侧；减振套404，减振套位于外壳磁屏蔽膜与光电倍增管磁屏蔽膜之间。

在一优选的实施方式中，光电倍增管组件包括：防高压放电衬套402，防高压放电衬套填充在光电倍增管与光电倍增管磁屏蔽膜之间的空隙中。

在一优选的实施方式中，光电倍增管组件包括：分压器501，分压器位于光电倍增管底端；前端电子学407，前端电子学位于分压器下方。在一优选的实施方式中，其中，减振套的斜面和侧面上设置有减震棱601以增加径向弹性能力，实现压力疏散排减。在一优选的实施方式中，标定探测器包括：标定探测器盖801以及标定探测器盒802，其中，标定探测器盖以及标定探测器盒能够连接为一体以形成标定探测器；其中，在标定探测器中设置有读出电子学板901、柔性电路板902以及硅光电倍增管电路板903。

光电倍增管外壳用于保护光电倍增管，保持光电倍增管与晶体盒之间耦合连接的紧密性，实现探测器结构的整体性，提高光电倍增管的抗震性。光电倍增管外壳与光电倍增管相匹配，采用中心对称结构，并通过减振套耦合及压紧装置与光电倍增管相接，这样可以避免因外界力学环境而产生的结构破损，尤其是避免光电倍增管玻璃外壳的损坏，同时又能够保证光电倍增管窗口与晶体玻璃窗处于压紧状态。光电倍增管前端通过Sylgard 184光学耦合膜与晶体良好耦合，并起到一定的减震作用。由于光电倍增管的结构异性，且0.2mm厚的磁屏蔽膜的可成型工艺差，所以设计防高压放电衬套保证与光电倍增管良好贴合的同时对光电倍增管磁屏蔽膜起到支撑作用，防高压放电衬套选用聚四氟乙烯材料，其能够防止光电倍增管发生高压放电现象。

光电倍增管为磁场敏感器件，为了减小磁场对探测器的影响，在伽马射线探测器外壳内侧及光电倍增管外侧面分别铺设一层磁屏蔽膜。两层磁屏蔽膜均采用0.2mm厚焊接成型的一体结构，并且通过错位叠加的方式来实现磁屏蔽效果，同时，将外壳磁屏蔽膜的底部做成封闭形，只留走线孔，可有效地保障光电倍增管底端的屏蔽效果。为了保证良好的接地效果，在光电倍增管磁屏蔽膜侧壁及外壳磁屏蔽膜底部设计凸台结构分别用于焊接和螺接接地线，同时在光电倍增管外壳底部开设接地线安装孔，将两个磁屏蔽膜与外壳导通。由于磁屏蔽膜较薄，容易发生变形，为了保证磁屏蔽在安装及试验过程中不发生损坏及磕碰，首先在光电倍增管外部安装整体加工成型的聚四氟乙烯衬套，既能够提供内层磁屏蔽膜的支撑又能够防止光电倍增管高压放电而带来损坏；内层磁屏蔽膜和外层磁屏蔽膜之间通过减振套进行减震，外层磁屏蔽膜能够很好的贴和在光电倍增管外壳内壁，安装后可保证光电倍增管组件的内部结构之间紧凑不发生碰撞。

光电倍增管与晶体玻璃窗之间的2mm厚的光学耦合膜可以将光电倍增管真空吸附到晶体上（最大吸附力约为100kg），这样光电倍增管外壳并不是主要承力部件，而成为约束各组件的结构件，所以将光电倍增管的外壳减到2mm厚，更加轻量化。

光电倍增管外壳用来保护光电倍增管，保持光电倍增管与晶体盒之间耦合连接的紧密性，实现探测器结构的整体性，提高光电倍增管的抗震性。光电倍增管外壳与光电倍增管相匹配，采用中心对称结构，并通过减振套耦合及压紧装置与光电倍增管相接，这样可以避免因外界力学环境而产生的结构破损，尤其是避免光电倍增管玻璃外壳的损坏，同时又能够保证光电倍增管窗口与晶体玻璃窗处于压紧状态。

由于分压器与光电倍增管管脚采用焊接的方式进行连接，为了防止由力学环境引起光电倍增管管脚的拉扯造成的损坏，将分压器与光电倍增管尾端通过GN522进行灌封，从而有效地防止分压器在力学环境中发生甩尾现象；前端电子学模块中的高压电源仅靠焊针固定，可靠性较差，所以也通过GN522灌封将高压电源与结构粘接，并起到减震的作用。另外，所有引线的焊点处都通过GD414点胶加固。

三台伽马射线探测器单机取不同指向。每台伽马射线探测器与平台主光轴的夹角是30度，水平角相隔120度均匀摆放。为了保证三个伽马射线探测器轴线投影的夹角，设计了角度组合支架和平面安装角度旋转来满足安装要求。支架分为两部分，分别为上支架和下支架，上支架主要用于提供与探头8个减振器的安装接口，下支架主要实现探测器的轴线角度需求。为了防止探头尾部在力学环境中摆动而造成的元器件损坏，设计了上下两层交错布局的减振器结构，既能达到良好的减振效果，又能有效的固定整个探头。为了保证支架在轻量化的同时有足够的强度，在支架上进行了开槽设计和加强筋设计。

标定探测器包含一个嵌有241Am放射源的塑料闪烁体，硅光电倍增管（SiPM）及读出电子学，为了减小对伽马射线探测器视场的遮挡，将标定探测器设计为异型结构，塑料闪烁体及SIPM耦合后灌封到凸出至伽马射线探测器铍窗上方的方形盒中，读出电子学根据晶体盒形状设计为弧形结构，SIPM电路板与读出电子学之间采用柔性电路板连接。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (7)

1.一种伽马射线探测器，其特征在于：所述伽马射线探测器包括：

组合支架，所述组合支架包括上组合支架以及下组合支架，其中，所述上组合支架上设置有凸缘；

减振器，所述减振器通过减振器转接组件固定在所述上组合支架的凸缘上，所述减振器包括上下两层，上下两层减振器交错排布；

减振器转接组件，所述减振器转接组件的一端与复合晶体组件外壳固定连接；

探头结构体，所述探头结构体与所述减振器转接组件的另一端固定连接，所述探头结构体被所述上组合支架包围，其中，所述探头结构体包括复合晶体组件；以及

标定探测器，所述标定探测器固定在所述复合晶体组件上；

并且其中，所述复合晶体组件包括：

复合晶体组件外壳；

晶体密封窗，所述晶体密封窗通过压环固定在所述复合晶体组件外壳上，所述晶体密封窗是铍片；

NaI晶体，所述NaI晶体的顶面和侧面被反射层包裹，并且所述NaI晶体与所述复合晶体组件外壳和所述晶体密封窗之间均具有间隙，其中所述NaI晶体与所述复合晶体组件外壳之间的间隙内填充光学胶粘接；和

石英玻璃，所述石英玻璃设置于所述NaI晶体下方，所述NaI晶体与所述石英玻璃通过光学胶粘接，并且其中，所述石英玻璃通过U形环与所述复合晶体组件外壳粘接；

所述探头结构体还包括：光电倍增管组件，所述光电倍增管组件位于所述上组合支架内部，所述光电倍增管组件位于所述复合晶体组件下方；

所述光电倍增管组件包括：

光电倍增管外壳；

外壳磁屏蔽膜，所述外壳磁屏蔽膜所述位于光电倍增管外壳内侧；

光电倍增管，所述光电倍增管位于所述光电倍增管外壳的空腔内，其中，在所述光电倍增管入射窗与所述复合晶体组件之间具有光学耦合膜；

光电倍增管磁屏蔽膜，所述光电倍增管磁屏蔽膜包围在所述光电倍增管的外侧；以及

减振套，所述减振套位于所述外壳磁屏蔽膜与所述光电倍增管磁屏蔽膜之间。

2.如权利要求1所述的伽马射线探测器，其特征在于：所述复合晶体组件包括：所述晶体密封窗位于所述压环与所述复合晶体组件外壳之间；其中，所述压环以及所述复合晶体组件外壳是由铝合金制造的。

3.如权利要求1所述的伽马射线探测器，其特征在于：所述光电倍增管组件包括：防高压放电衬套，所述防高压放电衬套填充在所述光电倍增管与所述光电倍增管磁屏蔽膜之间的空隙中。

4.如权利要求3所述的伽马射线探测器，其特征在于：所述光电倍增管组件包括：

分压器，所述分压器位于所述光电倍增管底端；以及

前端电子学，所述前端电子学位于所述分压器下方，前端电子学安装于光电倍增管外壳底端。

5.如权利要求1所述的伽马射线探测器，其特征在于：其中，所述减振套的斜面和侧面上设置有减震棱以增加径向弹性能力，实现压力疏散排减。

6.如权利要求5所述的伽马射线探测器，其特征在于：其中，所述外壳磁屏蔽膜和光电倍增管磁屏蔽膜组成嵌套式磁屏蔽方式，通过所述外壳磁屏蔽膜和光电倍增管磁屏蔽膜之间的错位来实现良好的磁屏蔽效果。

7.如权利要求1所述的伽马射线探测器，其特征在于：所述标定探测器包括：标定探测器盖以及标定探测器盒，其中，所述标定探测器盖以及所述标定探测器盒能够连接为一体以形成标定探测器；其中，在所述标定探测器中设置有读出电子学板、柔性电路板以及硅光电倍增管电路板。

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