CN110687572A - 一种具有与透镜组配合的出射面的钨酸镉闪烁晶体辐射探测器 - Google Patents
一种具有与透镜组配合的出射面的钨酸镉闪烁晶体辐射探测器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种具有与透镜组配合的特殊出光面的闪烁晶体辐射探测器，构建了相匹配的广角度和大景深透镜组，增加了光传感器对闪烁光的收集效率并提高了能量分辨率，其具体的参数设计考虑了与闪烁晶体本身的出射波段的匹配，能够增加对闪烁光进行聚焦收集后入射光传感器，提高了能量分辨率，并且相应设计了与透镜组相配合的闪烁晶体的出光面形状，进一步提高了测量效率和测量精度，尤其是在研制高性能探测器时能够进一步提高探测性能。
Description
技术领域
本发明涉及核辐射或X射线辐射的测量，尤其涉及X射线辐射、γ射线辐射、微粒子辐射或宇宙线辐射的测量，具体来说是辐射强度测量中闪烁体是晶体的闪烁探测器。
背景技术
辐射测量已在许多领域发挥着重要的作用，如核电站热电厂辐射测量，对测量地点的辐射剂量进行连续测量；工业和民用建筑，建筑装修，建筑材料生产制造，对各种建筑材料的放射性测量;地质勘探，地质找矿与矿山辐射测量;用于射线安检通道门，能够为海关、机场、边境检查、重要会议场所的安全检查提供帮助;医疗中使用的辐射测量和辐射治疗（CT，PET，射线刀等）均需要通过测量辐射强度用于诊断和治疗，辐射测量已经广泛应用于放射性监测、工业无损探伤、医院的治疗和诊断、同位素应用、废料回收等放射性场所，辐射测量一方面监测辐射防止辐射产生危害，另一方面起到诊断和治疗的监测和计算作用。
辐射探测是辐射测量最基础的研究领域，辐射探测器的基本原理是，利用辐射在气体或者液体或者固体中引起的电离激发效应或者其它物理或化学变化进行辐射探测，探测器的公知类型包括气体探测器，闪烁探测器和半导体探测器，气体探测器结构复杂而半导体探测器的探测效率不够理想，闪烁探测器是目前最常用的探测器，闪烁探测器严格意义上分为液体闪烁探测器和固体闪烁探测器，液体闪烁探测器相比与固体闪烁探测器的便携性要差很多，基本用于实验室研究，利用闪烁晶体测量辐射的固体探测器是本领域研究最多的探测器类型。
传统的闪烁晶体辐射测量装置比较典型的结构如图1所示，使用闪烁晶体作为探测晶体，面向发射源的面和四周设置反射层，剩下一面为激发光出射面，该面通过光耦合结构与光传感器(典型的例如光电倍增管)相连接，光传感器光电倍增管分别与高压分压器、以及前置放大器相连；输入高压通过高压分压器加载在光电倍增管，输出信号依次经过前置放大器、线性放大器和多道分析器的处理形成最终的输出信号。这种使用闪烁晶体的探测器因为便于使用并且结构简单成为应用最广的探测器，也已经被本领域技术人员研究得较为透彻。
目前，如何进一步提高探测器的能量分辨率和时间分辨率是研制高性能探测器的技术瓶颈。
为了进一步提高探测器性能，本申请人的技术团队另辟蹊径创造性提出了外部光导的思路，传统的技术思路通常不会针对晶体的闪烁光出射面和光传感器之间光路进行针对性研究，通常集中在如何避免射线对于光传感器的损伤需要改变光路或者在使用光纤连接时为了光能够集中到光纤传输进而才设置相应的透镜进行光引导和聚焦，以及在需要成像时才设置相应的透镜单元，然而申请人团队在实验中发现，在如图1所示的不需要成像的计数型辐射探测器中，经过特别设计的透镜组后可以明显提高光电倍增管的探测效率，降低噪音。众所周知，多组透镜组合的透镜组的设计非常复杂，技术偏见在于，通常本领域技术人员认为在有限的空间内设计提高探测器本身相应效率的透镜组是得不偿失的，即使在少数现有技术中提高设置透镜组也仅仅停留在简单描述上，并未给出任何可实施的透镜组设计参数，申请人团队得益于核心技术团队设计的高通量线性实验方法，能够在大量无规律的实验数据中找到突破常规效果的几组可适用于探测器系统的透镜组设计方案（拟在研究成果上进行多组专利布局）并在此基础上构成了探测系统，本案是基于其中一种设计方案的探测系统，其它方案另案提出申请。
在使用透镜组提高探测器探测效率的基础上，本申请人的技术团队进一步研究发现了现有技术中的技术思路死角，现有技术通常使用外部的反射膜和增透膜提高闪烁光的出射效率和出射时间，然而实际上忽视了闪烁晶体本身也是重要的光导组件的一部分，尤其是在本申请人团队提出了最新的透镜组引导闪烁光的方案后，闪烁晶体本身对于光出射效率的影响也成为了可以考虑的重要因素，本申请人的技术团队通过进一步突破性设计，提出了闪烁体出射面形状与透镜组的匹配关系，能够进一步提高探测器的能量分辨率和时间分辨率。
需要说明的是，本申请人技术团队经过三年多对该领域的研究，得出了多项技术成果，为了避免在先申请可能成为在后申请的现有技术或者抵触申请，特意将技术成果同日提出申请进行不同技术之间组合形成专利布局，相应的背景技术中提到的现有技术并不一定是已经对公众公开的技术，有些是申请人技术团队研究对应技术时未公开的内部的在先技术，因此背景技术中提到的技术或者声称的现有技术均无法作为相关技术已经被公众获悉的证据，更不能成为公知常识的证据。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题和瓶颈，本发明提供了一种具有与透镜组配合的特殊出光面的闪烁晶体辐射探测器，主要目的是提供一种在研制高性能辐射探测器时可以进一步提升光收集率的结构，以提升探测效率和精度。
为实现上述目的，本发明通过如下技术方案实现：
一种具有与透镜组配合的特殊出光面的闪烁晶体辐射探测器，包括闪烁晶体，光传感器，前置放大电路和多道分析仪，闪烁晶体表面设置有反光层和增透层，反光层设置在除了闪烁光出射面以外的表面，增透层设置在闪烁光出射面，所述闪烁晶体为钨酸镉晶体，闪烁晶体和光传感器设置在封装壳体中，壳体外设置有多道分析仪，其特征在于：所述闪烁光出射面与所述光传感器之间设有与钨酸镉晶体闪烁光的波段相匹配的透镜组，所述闪烁光出射面具有与钨酸镉晶体闪烁光波段相匹配的非球面凸起结构；
进一步地，所述闪烁晶体除了闪烁光出射面外的主体为圆柱体结构，圆柱体的轴线与透镜组的光轴以及光传感器的光接受面的中心轴线重合，所述透镜组沿着闪烁光出射方向依次包括第一透镜，第二透镜，第三透镜，第四透镜，第五透镜和第六透镜，各透镜的两侧表面均为非球面，并满足以下非球面方程：
y＝(x2/R)/（1+（1－(k+1) (x2/R2)）1/2 +A4x4+A6x6+A8x8+A10x10+A12x12+A14x14+A16x16，
其中，R是中心轴上的曲率半径（绝对值的长度单位为mm），k是圆锥系数，A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16是非球面系数，
取值如下：
| 透镜面 | R | k | A4 | A6 | A8 | A10 | A12 | A14 | A16 |
| 1-R | 1.51 | 1.12E-01 | 3.55E-03 | -9.76E-03 | 1.24E-02 | -1.23E-02 | 5.25E-03 | 7.10E-04 | -1.71E-03 |
| 1-L | 4.67 | -4.46E-01 | 2.39E-02 | 2.16E-02 | -1.42E-03 | 2.44E-03 | 9.23E-04 | -8.71E-03 | 9.58E-04 |
| 2-R | 7.58 | 2.67E+01 | -1.00E-01 | 1.32E-01 | -5.66E-02 | 2.40E-02 | -8.04E-03 | -6.88E-03 | 2.32E-03 |
| 2-L | 3.63 | 4.02E+01 | 6.73E-03 | 3.84E-02 | 1.50E-02 | -1.43E-02 | 4.48E-03 | 5.95E-04 | 2.37E-03 |
| 3-R | 6.90 | 1.76E+01 | -5.76E-02 | 4.34E-02 | 2.13E-02 | -1.64E-02 | -1.82E-04 | 6.00E-03 | 6.78E-03 |
| 3-L | 34.05 | -3.37E+01 | -1.64E-02 | -4.72E-02 | 1.98E-05 | 4.21E-03 | 8.25E-04 | 1.74E-04 | 1.15E-03 |
| 4-R | -5.38 | 1.92E+01 | -3.38E-02 | -2.37E-02 | 4.49E-02 | -2.01E-02 | 4.31E-03 | 3.45E-03 | -1.66E-03 |
| 4-L | -14.79 | 6.18E+01 | -5.34E-02 | -2.49E-02 | 2.88E-02 | -3.81E-05 | -1.75E-03 | -5.43E-04 | 1.22E-04 |
| 5-R | 13.33 | -2.85E+01 | 2.38E-02 | -4.17E-02 | 1.53E-02 | -1.03E-03 | -1.73E-03 | 6.76E-04 | -6.68E-02 |
| 5-L | -1.44 | -1.89E+04 | 4.48E-02 | -1.92E-02 | 6.17E-03 | -1.31E-03 | 2.39E-04 | -4.11E-05 | 2.72E-06 |
| 6-R | -4.50 | -5.13E+01 | -7.44E-02 | 2.16E-02 | -1.73E-03 | -2.98E-05 | 1.84E-06 | 2.12E-07 | 3.44E-08 |
| 6-L | 2.06 | -1.12E-01 | -3.68E-02 | 8.71E-03 | -1.48E-03 | 1.28E-04 | -4.06E-06 | -5.41E-08 | 9.44E-10 |
其中透镜面列中N-R列表示第N透镜的物侧表面，N-L表示第N透镜的像侧表面；
所述闪烁光出射面的凸起形状满足以下非球面公式：
y＝(x2/R)/（1+（1－(k+1) (x2/R2)）1/2 +A4x4+A6x6+A8x8+A10x10+A12x12+A14x14+A16x16，
其中，R是中心轴上的曲率半径（绝对值的长度单位为mm），k是圆锥系数，A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16是非球面系数，取值如下：
R=-3.84，k=6.46775，A4=-0.02447，A6=-0.03823，A8=0.05579，A10=-0.06482，A12=0.02892，A14=-0.00213，A16=-0.0003；
进一步地，所述光传感器为硅光电倍增管；
进一步地，所述第一至第六透镜的焦距分别为4.04 mm，-11.44 mm，16.57 mm，-13.73mm，2.54 mm，2.66 mm；
进一步地，所述第一至第六透镜的厚度分别为：0.61 mm，0.22 mm，0.35 mm，0.24 mm，0.83 mm，0.43mm。
进一步地，所述第一透镜的物侧表面与所述闪烁光出射面的距离大于0.5mm；
进一步地，所述第一透镜的物侧表面大于所述闪烁光出射面的面积20%。
本发明同现有技术相比，其优点在于：
1）本发明突破了传统技术思路，针对闪烁晶体本身的主要出射波段，克服了透镜组设计时的数据量过大难以选择和优化的固有缺陷，构建了相匹配的广角度和大景深透镜组，增加了光传感器对闪烁光的收集效率并提高了能量分辨率，其具体的参数设计考虑了与闪烁晶体本身的出射波段的匹配，能够增加对闪烁光进行聚焦收集后入射光传感器，提高了能量分辨率，相应提高了测量效率和测量精度，尤其是在研制高性能探测器时能够进一步提高探测性能；
2）现有技术中的辐射探测器通常考虑的都是闪烁体外部的反光和增透，很少从闪烁晶体自身的形状和性能出发，本发明首创性提出了对闪烁晶体光出射面的形状加以优化的构思，通过闪烁体本身的出射端构成了光学导光结构，其具体的形状设计考虑了与闪烁晶体本身的出射波段的匹配，能够增加现有技术中第一次出射发生全反射的出射光的出射几率，提高了测量效率和测量精度，在与透镜组相配合时，这种提升尤为明显，在研制高性能探测器时能够进一步提高探测性能。
附图说明
图1为现有技术中的辐射探测器结构示意图；
图2为本发明的辐射探测器结构示意图；
图3为本发明的晶体光出射面和透镜组几何形状的示意图（相对大小关系在图中并未考虑）；
图中：R：放射源 L：透镜组 S1：闪烁晶体光出射面 S2：闪烁晶体光反射面 S3：光电倍增管的受光面 1：闪烁晶体 2：光传感器 3：内部电路 4：探测器封装壳体 5：外部电源和电路，L1-L6：第一至第六透镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明，如图2所示，一种具有与透镜组配合的特殊出光面的闪烁晶体辐射探测器，包括闪烁晶体1，光传感器2，前置放大电路和多道分析仪3和5，闪烁晶体表面设置有反光层和增透层，反光层设置在除了闪烁光出射面以外的表面S2上，增透层设置在闪烁光出射面S1上，所述闪烁晶体为钨酸镉晶体，闪烁晶体1和光传感器3设置在封装壳体4中，多道分析仪设置在壳体外部，闪烁光出射面S2与所述光传感器3之间设有与钨酸镉晶体闪烁光的波段相匹配的透镜组L。
钨酸镉为现有技术中公知的常规闪烁晶体之一，晶体内部产生的低能可见光子成各向同性分布，晶体内部产生的可见光子到达末端闪烁光出射面S1时，出射角度范围较大，影响探测器的能量分辨率，为了提升探测器的大角度光子的收集率，同时提升探测器的能量分辨率，围绕钨酸镉闪烁光的波长进行了大量数据的透镜组设计，经过实际试验和性能对比，得到如图3所述的非球面形状透镜组，当然图3也仅是示意图并不表征绝对距离和相对大小关系，并且本领域公知，非球面关系均以非球面本身与轴线的交点为原点，图3中仅仅示意出了闪烁光出射面的非球面坐标，其它非球面关系形成的坐标系的y轴并不与闪烁光出射面的非球面关系所在的坐标的y轴重合，实际的各非球面参数满足如下关系：
所述闪烁晶体除了闪烁光出射面外的主体为圆柱体结构，圆柱体的轴线与透镜组的光轴以及光传感器的光接受面的中心轴线重合，所述透镜组沿着闪烁光出射方向依次包括第一透镜L1，第二透镜L2，第三透镜L3，第四透镜L4，第五透镜L5和第六透镜L6，各透镜的两侧表面均为非球面，并满足以下非球面方程：
y＝(x2/R)/（1+（1－(k+1) (x2/R2)）1/2 +A4x4+A6x6+A8x8+A10x10+A12x12+A14x14+A16x16，
其中，R是中心轴上的曲率半径（绝对值的长度单位为mm），k是圆锥系数，A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16是非球面系数，
取值如下：
| 透镜面 | R | k | A4 | A6 | A8 | A10 | A12 | A14 | A16 |
| 1-R | 1.51 | 1.12E-01 | 3.55E-03 | -9.76E-03 | 1.24E-02 | -1.23E-02 | 5.25E-03 | 7.10E-04 | -1.71E-03 |
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| 4-R | -5.38 | 1.92E+01 | -3.38E-02 | -2.37E-02 | 4.49E-02 | -2.01E-02 | 4.31E-03 | 3.45E-03 | -1.66E-03 |
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其中透镜面列中N-R列表示第N透镜的物侧表面，N-L表示第N透镜的像侧表面；
所述闪烁光出射面的凸起形状满足以下非球面公式：
y＝(x2/R)/（1+（1－(k+1) (x2/R2)）1/2 +A4x4+A6x6+A8x8+A10x10+A12x12+A14x14+A16x16，
其中，R是中心轴上的曲率半径（绝对值的长度单位为mm），k是圆锥系数，A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16是非球面系数，取值如下：
R=-3.84，k=6.46775，A4=-0.02447，A6=-0.03823，A8=0.05579，A10=-0.06482，A12=0.02892，A14=-0.00213，A16=-0.0003。
第一至第六透镜的焦距分别为为4.04 mm，-11.44 mm，16.57 mm，-13.73 mm，2.54mm，2.66 mm，厚度分别为0.61 mm，0.22 mm，0.35 mm，0.24 mm，0.83 mm，0.43mm。
本次实验采用的光传感器为光电倍增管，但本领域技术人员熟知的其它光传感器亦可采用。
结合该非球面的出射角度，第一透镜的物侧表面与所述闪烁光出射面的距离与传统的经验不一致，经过试验在0.5mm以内性能提升并不明显，大于0.5mm后性能有提升，此时需要足够大的第一透镜的物侧表面才能够覆盖出射光的出射范围，距离大于0.5mm时，光第一透镜的物侧表面的面积大于闪烁光出射面的面积至少要20%才能够完全接受出射的闪烁光，图3中仅是形状示意，并没有按照实际相对大小作图。
需要说明的是，非球面公式为透镜设计的公知公式，难点在于具体的非球面参数设计，在公开了非球面公式的参数以后，现有技术中的常规制造技术能够轻易实现该非球面的加工，具体的加工方式不再赘述。
经过大量实验数据的对比，本发明的设计对比实验的平均数据如下，其它条件相同时，不采取本发明的透镜组和出光面的设计，符合事件的被检测数量下降超过13%，可见透镜组和晶体光出射面的设置可以有效提升系统的能量分辨率。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种具有与透镜组配合的特殊出光面的闪烁晶体辐射探测器，包括闪烁晶体，光传感器，前置放大电路和多道分析仪，闪烁晶体表面设置有反光层和增透层，反光层设置在除了闪烁光出射面以外的表面，增透层设置在闪烁光出射面，所述闪烁晶体为钨酸镉晶体，闪烁晶体和光传感器设置在封装壳体中，壳体外设置有多道分析仪，其特征在于：所述闪烁光出射面与所述光传感器之间设有与钨酸镉晶体闪烁光的波段相匹配的透镜组，所述闪烁光出射面具有与钨酸镉晶体闪烁光波段相匹配的非球面凸起结构。
2.如权利要求1所述的辐射探测器，其特征在于：
所述闪烁晶体除了闪烁光出射面外的主体为圆柱体结构，圆柱体的轴线与透镜组的光轴以及光传感器的光接受面的中心轴线重合，所述闪烁晶体除了闪烁光出射面外的主体为圆柱体结构，圆柱体的轴线与透镜组的光轴以及光传感器的光接受面的中心轴线重合，所述透镜组沿着闪烁光出射方向依次包括第一透镜，第二透镜，第三透镜，第四透镜，第五透镜和第六透镜，各透镜的两侧表面均为非球面，并满足以下非球面方程：
y＝(x2/R)/（1+（1－(k+1) (x2/R2)）1/2 +A4x4+A6x6+A8x8+A10x10+A12x12+A14x14+A16x16，
其中，R是中心轴上的曲率半径（绝对值的长度单位为mm），k是圆锥系数，A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16是非球面系数，
取值如下：
其中透镜面列中N-R表示第N透镜的物侧表面，N-L表示第N透镜的像侧表面；
所述闪烁光出射面的凸起形状满足以下非球面公式：
y＝(x2/R)/（1+（1－(k+1) (x2/R2)）1/2 +A4x4+A6x6+A8x8+A10x10+A12x12+A14x14+A16x16，
其中，R是中心轴上的曲率半径（绝对值的长度单位为mm），k是圆锥系数，A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16是非球面系数，取值如下：
R=-3.84，k=6.46775，A4=-0.02447，A6=-0.03823，A8=0.05579，A10=-0.06482，A12=0.02892，A14=-0.00213，A16=-0.0003。
3.如权利要求1所述的辐射探测器，其特征在于：所述光传感器为硅光电倍增管。
4. 如权利要求1所述的辐射探测器，其特征在于： 所述第一至第六透镜的焦距分别为4.04 mm，-11.44 mm，16.57 mm，-13.73 mm，2.54 mm，2.66 mm。
5. 如权利要求1所述的辐射探测器，其特征在于： 所述第一至第六透镜的厚度分别为0.61 mm，0.22 mm，0.35 mm，0.24 mm，0.83 mm，0.43mm。
6.如权利要求1所述的辐射探测器，其特征在于：所述第一透镜的物侧表面与所述闪烁光出射面的距离大于0.5mm。
7.如权利要求1所述的辐射探测器，其特征在于：所述第一透镜的物侧表面大于所述闪烁光出射面的面积20%。
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