CN110174693A - 一种堆叠式多通道康普顿二极管探测器及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种堆叠式多通道康普顿二极管探测器及测量方法，所述探测器包括：探测器的外壳，探测器的外壳上设有N个电缆接口，探测器的外壳内固定有N个电极，相邻两个电极之间具有间隙，电缆接口与电极一一对应，金属引线将电极以及其对应的电缆接口连接，单个电极及其对应的金属引线和电缆接口形成所述探测器的一个通道，所述探测器内具有N个通道，N为大于等于2的正整数，探测器的外壳内填充有绝缘介质；本发明中的探测器及方法能够用于时间分辨的X/γ射线辐射能谱测量。
Description
技术领域
本发明涉及辐射能谱探测器领域，具体地，涉及一种堆叠式多通道康普顿二极管探测器及测量方法。
背景技术
在脉冲X/γ光机的科学研究应用中，需要对X/γ射线的辐射能谱进行测量。通常采用热释光剂量片的叠片能谱探测器(R.Nolte,et al.,Radiation ProtectionDosimetry,Vol 84,Nos.1-4,pp.367-370,1999)只能探测时间积分的辐射能谱，无法满足某些要求时间分辨辐射能谱的研究需求。传统康普顿二极管(G.A.Carison,et al.,Rev.Sci.Instrum.61(11),1990)采用高原子序数金属作为电极，主要适用于能量高于1MeV的γ脉冲信号测量，并不适合用作辐射能谱测量。其原理为利用γ射线辐照材料产生康普顿电子形成电信号被电极接收，电极对γ射线显著衰减从而减弱电极发出的康普顿电子。
发明内容
本发明提供了一种堆叠式多通道康普顿二极管探测器及测量方法，本发明中的探测器及方法能够用于时间分辨的X/γ射线辐射能谱测量。
本发明提供了一种适用于0.1-5MeV轫致辐射的辐射能谱探测器，使用该探测器对脉冲X/γ射线分能段进行时间分辨的辐射通量测量，能够计算出时间分辨的辐射能谱。
为实现上述发明目的，本申请一方面提供了一种堆叠式多通道康普顿二极管探测器，所述探测器包括：
探测器的外壳，探测器的外壳上设有N个电缆接口，探测器的外壳内固定有N个电极，相邻两个电极之间具有间隙，电缆接口与电极一一对应，金属引线将电极以及其对应的电缆接口连接，单个电极及其对应的金属引线和电缆接口形成所述探测器的一个通道，所述探测器内具有N个通道，N为大于等于2的正整数，探测器的外壳内填充有绝缘介质。
本发明涉及的探测器继承了康普顿二极管时间响应快、探测上限高的优点，并在传统康普顿二极管基础上做出两个方面的改进：1)通过改变电极结构消除光电效应的影响，使其能够适用于更低的能段；2)通过将多个电极集成在一起，利用前面的电极对后面的电极的遮挡效应过滤能谱，使得靠前的电极对能量较低的X射线有较大的响应而靠后的电极对能量较高的X/γ射线有较大的响应，从而使该探测器可用于时间分辨的X/γ射线辐射能谱测量。
本发明提供的一种含两个以上通道的X/γ射线探测器，各通道均被容纳在导体外壳内部，每个通道含一个被绝缘介质包裹的导体电极，各通道的绝缘介质连成一体或被导体隔板隔离，且当X/γ射线照射探测器时，绝缘介质或外壳等电极外的其它材料产生的康普顿电子能够部分到达电极被电极接收，电极自身对X/γ射线有一定衰减，使得自身产生并流出电极的康普顿电子少于电极接收的康普顿电子。其中，导体外壳和导体隔板的作用为电磁隔离，电极的作用为将X/γ射线信号按一定的规律转化为电信号，多个通道的作用为提供多个信号使得可以求解时间分辨的辐射能谱。
本发明提供的探测器的电极为双层结构，外部为低原子序数导体，内部为原子序数高于外壳的高原子序数材料。所述电极由原子序数小于或等于20的低原子序数导体外壳和原子序数大于导体外壳原子序数的高原子序数电极芯组成。采用原子序数小于等于20的低原子序数导体作为外壳的原因在于，光子能量在0.1-5MeV之间的X/γ射线与低原子序数材料的相互作用以康普顿散射效应为主，其它效应较弱。采用高原子序数材料作电极芯的原因有两个方面：一方面，0.1-1MeV区间，原子序数越高的材料对X/γ射线的衰减系数随光子能量的变化越大，越有利于能谱测量；另一方面，高原子序数材料对X/γ射线衰减能力较强，有利于减小电极厚度。
外部低原子序数导体的作用为阻挡内部高原子序数材料产生的光电子，使得电极主要对康普顿电子响应；内部高原子序数材料的主要作用为提高X/γ射线衰减效率以及衰减效率随光子能量的变化率。
本发明提供的探测器每个电极的尺寸具有以下特点：离光源较远的电极尺寸小于或等于离光源较近的电极尺寸。其作用为：使用该探测器测量X射线时，每个电极都可以被前一个电极的电极芯部分完全遮挡。
优选的，探测器的外壳为导体，探测器的外壳为圆柱状，探测器的外壳除电缆接口处开口外其余部位呈封闭结构。
优选的，N个电极均为圆柱状；N个电极的直径大小相等，或N个电极的直径大小沿探测射线传输方向依次减小。
优选的，所述电极由原子序数小于等于20的低原子序数导体外壳和原子序数大于外壳原子序数的高原子序数电极芯组成。采用原子序数小于等于20的低原子序数导体作为外壳的原因在于，光子能量在0.1-5MeV之间的X/γ射线与低原子序数材料的相互作用以康普顿散射效应为主，其它效应较弱。采用高原子序数材料作电极芯的原因有两个方面：一方面，0.1-1MeV区间，原子序数越高的材料对X/γ射线的衰减系数随光子能量的变化越大，越有利于能谱测量；另一方面，高原子序数材料对X/γ射线衰减能力较强，有利于减小电极厚度。
优选的，相邻2个电极之间设有导体隔板作电磁隔离。
优选的，绝缘介质为原子序数小于等于20的低原子序数的固体绝缘介质。采用原子序数小于等于20的低原子序数材料的原因在于光子能量在0.1-5MeV之间的X/γ射线与低原子序数材料的相互作用以康普顿散射效应为主，其它效应较弱。
优选的，N个电极的中心线重合。
另一方面，本发明还提供了一种脉冲X/γ射线能谱测量方法，所述方法基于前面所述的堆叠式多通道康普顿二极管探测器，所述方法包括：
将电信号测量设备通过电缆与各通道的电缆接口连接；
待测辐射源发出射线；
利用探测器探测射线，各电极串列于光路上，电信号测量设备对各通道产生的电信号进行监测。
优选的，所述电信号测量设备为示波器。
本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
由于采用被绝缘介质包裹的导体电极接收康普顿电子测量X/γ射线的技术手段，所以，本申请中的探测器具有具有较快的响应时间，对脉冲X/γ射线具有时间分辨能力。
由于采用大于等于2个通道测量X/γ射线，且每个通道对X/γ射线的谱响应特性不相同，所以，本申请中的探测器可以提供多个信号使得可以求解时间分辨的辐射能谱。
由于采用离光源较远的电极尺寸小于或等于离光源较近的电极尺寸，且使用该探测器测量X射线时，使得每个电极都可以被前一个电极的电极芯部分完全遮挡，所以，本申请中的探测器能够实现对大面积辐射源的辐射能谱测量。
由于采用导体外壳，且导体外壳除电缆开口外呈封闭结构，所以，本申请中的探测器具有抗电磁干扰能力。
由于采用原子序数小于等于20的低原子序数导体外壳和原子序数高于外壳的高原子序数电极芯的双层结构的电极，所以，本申请中的探测器能够测量光子能量在0.1-5MeV之间的X/γ射线。
由于采用导体隔板对相邻2个电极作电磁隔离，所以，本申请中的探测器能够实现通道之间无串扰。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1是本发明的原理示意图；
图2是本发明的整体结构示意图；
图3是电极及其与电缆接口相连接的结构示意图；
图中，1待测辐射源(待测X/γ射线辐射源)，2X/γ射线(入射X/γ射线)，3遮挡区(从辐射源入射的X/γ射线被第一个电极完全遮挡的区域)，4康普顿电子(入射到电极上的康普顿电子),5光电子(X/γ射线辐照高原子序数电极芯产生的光电子)，6、7、12电极，8高原子序数电极芯，9低原子序数导体电极外壳，10探测器的外壳，11导体隔板(用于电极间电磁隔离的导体隔板)，13绝缘介质，14、18引线，15、19电缆接口，16电极外壳，17电极芯。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明公开一种堆叠式多通道康普顿二极管探测器。探测器外观可以采用圆柱形。内部含2个以上(含2个)堆叠放置的圆盘(柱)状电极。
上述各电极直径相等或依次减小，并且由低原子序数导体外壳和高原子序数电极芯组成。
其中，在本申请实施例中，上述各电极之间有一定的距离，从而不相互接触。
其中，在本申请实施例中，上述各电极均由金属引线连接到位于外壳上的与电极一一对应的电缆接口。每个电极、引线及电缆接口形成该探测器的一个通道。外壳为导体，除电缆接口处开口外呈封闭结构。电极之间采用薄导体隔板作电磁隔离或者不采用导体隔板不作电磁隔离。
其中，在本申请实施例中，上述各电极与电极之间，电极与导体隔板之间，以及电极与外壳之间的间隙皆由低原子序数的固体绝缘介质填充。
用于探测器X射线时，摆放探测器使得各电极串列于光路上，且前面的电极遮挡后面的电极，使得从辐射源发出的X射线必须穿透前面的电极才能直射到后面的电极。将电缆连接到各通道的电缆接口，从而利用示波器等仪器对各通道产生的电信号进行监测。
请参考图1-图3，绝缘介质13装配到探测器的外壳10内部。当采用导体隔板11时，导体隔板11装配在探测器的外壳10内部且导体隔板11的外周与探测器的外壳10的内壁紧密连接使得探测器的外壳10的内部空间被分割为多个空腔。在上述情形下，绝缘介质13由数个分离部分组成，分离部分数量与上述空腔个数相等，且每个部分分别装配到各空腔中。电极12有2个以上(含2个)独立件。绝缘介质13有数量与电极12的独立件数量相等的空腔。电极12的各独立件分别装配在绝缘介质13的各空腔内。当采用导体隔板11时，电极12的各独立件分别在由探测器外壳10与导体隔板11形成的各空腔内。电极12由电极芯17装配到电极外壳16内部构成。电极12与引线18相连接，引线18与电缆接口19相连接。电缆接口19装配在探测器外壳10外部。探测器的外壳10和绝缘介质13在引线18所处位置开有孔洞，使得引线18可以穿过孔洞从电极12连接到电缆接口19。在使用时，电缆接口19通过电缆或电线联结到示波器等电信号测量设备。
在测量脉冲X射线时间分辨辐射能谱的实验中，本发明专利所涉及的探测器与被测辐射源之间按照图1所示的相对位置放置。被测X射线由1发出，依次到达并部分穿过探测器的外壳10和绝缘介质13，产生康普顿电子达到电极6，在第一个通道产生电信号。部分X射线穿过电极6，继续达到并部分穿过绝缘介质13，产生康普顿电子达到电极7，在第二个通道产生电信号。在有更多的通道的情形，以此类推。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种堆叠式多通道康普顿二极管探测器，其特征在于，所述探测器包括：
探测器的外壳，探测器的外壳上设有N个电缆接口，探测器的外壳内固定有N个电极，相邻两个电极之间具有间隙，电缆接口与电极一一对应，金属引线将电极以及其对应的电缆接口连接，单个电极及其对应的金属引线和电缆接口形成所述探测器的一个通道，所述探测器内具有N个通道，N为大于等于2的正整数，探测器的外壳内填充有绝缘介质。
2.根据权利要求1所述的堆叠式多通道康普顿二极管探测器，其特征在于，探测器的外壳为导体，探测器的外壳为圆柱状，探测器的外壳除电缆接口处开口外其余部位呈封闭结构。
3.根据权利要求1所述的堆叠式多通道康普顿二极管探测器，其特征在于，N个电极均为圆柱状；N个电极的直径大小相等，或N个电极的直径大小沿探测射线传输方向依次减小。
4.根据权利要求1所述的堆叠式多通道康普顿二极管探测器，其特征在于，所述电极包括：电极外壳和电极芯。
5.根据权利要求4所述的堆叠式多通道康普顿二极管探测器，其特征在于，其中，所述电极由导体外壳和电极芯组成，导体外壳材料的原子序数小于或等于20，电极芯材料的原子序数大于导体外壳材料的原子序数。
6.根据权利要求1所述的堆叠式多通道康普顿二极管探测器，其特征在于，相邻2个电极之间设有导体隔板作电磁隔离。
7.根据权利要求1所述的堆叠式多通道康普顿二极管探测器，其特征在于，绝缘介质为原子序数小于等于20的低原子序数的固体绝缘介质。
8.根据权利要求1所述的堆叠式多通道康普顿二极管探测器，其特征在于，N个电极的中心线重合。
9.一种脉冲X/γ射线能谱测量方法，所述方法基于权利要求1-8中任意一个所述的堆叠式多通道康普顿二极管探测器，其特征在于，所述方法包括：
将电信号测量设备通过电缆与各通道的电缆接口连接；
待测辐射源发出射线；
利用探测器探测射线，各电极串列于光路上，电信号测量设备对各通道产生的电信号进行监测。
10.根据权利要求9所述的脉冲X/γ射线能谱测量方法，其特征在于，所述电信号测量设备为示波器。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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