CN110824532A - 一种具有特殊出光面掺铕氟化钙闪烁晶体的辐射探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有特殊出光面闪烁晶体的辐射探测器，对闪烁晶体光出射面的形状加以优化，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折射率以及出射波段的匹配，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，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

一种具有特殊出光面掺铕氟化钙闪烁晶体的辐射探测器

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。

本申请人的技术团队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镀膜和透镜组引导闪烁光的方案后，意外发现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的改进，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特殊出光面闪烁晶体的辐射探测器，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出射率的结构，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：

一种具有特殊出光面闪烁晶体的辐射探测器，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，所述闪烁晶体为掺铕氟化钙晶体，闪烁晶体和光传感器设置在封装壳体中，其特征在于：所述闪烁光出射面具有与掺铕氟化钙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，圆柱体的轴线与光传感器的光接受面的中心轴线重合，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=-3.83，k=1.58966，A4=0.00111，A6=-0.00602，A8=0.02353，A10=-0.0391，A12=0.02458，A14=-0.00308，A16=-0.00092；

进一步地，所述光传感器为光电倍增管，光电倍增管的光接受面与所述闪烁光出射面的距离大于0.6mm；

进一步地，所述光电倍增管的受光面的面积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：

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，尤其是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为本发明特殊设计的闪烁光出射面几何形状示意图；

图中：R：放射源 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。

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，一种具有特殊出光面闪烁晶体的辐射探测器，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，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，所述闪烁晶体为掺铕氟化钙CaF2(Eu)晶体。

CaF2(Eu)掺铕氟化钙为现有技术中公知的常规闪烁晶体之一，其折射率1.47，峰值波长在435nm，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，受出光面透过率的影响，部分光子将被反射回晶体内部经过多次反射后出射，将减少晶体的一次出光率，第一次到达PMT被检测到的光子数量减少，影响探测器的时间分辨率，为了提升探测器的大角度光子的一次出光率，同时提升探测器的时间分辨率，围绕435nm左右的波长进行了大量数据的出射面形状设计，经过实际试验和性能对比，得到如图3所述的非球面形状，当然图3也仅是示意图，实际的参数满足如下关系：

闪烁晶体除了闪烁光出射面S1外的主体为圆柱体结构，圆柱体的轴线与光传感器(本次设计以光电传感器为实验装置，然而本领域技术人员熟知的其它光传感器例如硅光电管也是可以适用的)的光接受面S3的中心轴线重合，所述闪烁光出射面凸起的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=-3.83，k=1.58966，A4=0.00111，A6=-0.00602，A8=0.02353，A10=-0.0391，A12=0.02458，A14=-0.00308，A16=-0.00092；

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。

结合该非球面的出射角度，光电倍增管的光接受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0.6mm以内性能提升并不明显，大于0.6mm后性能有提升，此时需要足够大的光电倍增管的受光面才能够覆盖出射光的出射范围，距离大于0.6mm时，光电倍增管的受光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。

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，除了晶体闪烁光出射面的相关设计不同，其它条件相同时，不采取本发明的设计，晶体闪烁光出射面的平均反射率在42度以上时就达到了50%左右并随着角度增大迅速发生全反射无法一次出射，而采用本发明的设计一次出射率提高了20%左右，反映在整体的探测效率上计数率因为时间分辨率的损失减少了约3%左右。

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 (4)

1.一种具有特殊出光面闪烁晶体的辐射探测器，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，所述闪烁晶体为掺铕氟化钙晶体，闪烁晶体和光传感器设置在封装壳体中，其特征在于：所述闪烁光出射面具有与掺铕氟化钙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，圆柱体的轴线与光传感器的光接受面的中心轴线重合，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，曲率半径的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=-3.83，k=1.58966，A4=0.00111，A6=-0.00602，A8=0.02353，A10=-0.0391，A12=0.02458，A14=-0.00308，A16=-0.00092。

3.如权利要求1所述的辐射探测器，其特征在于：所述光传感器为光电倍增管，光电倍增管的光接受面与所述闪烁光出射面的距离大于0.6mm。

4.如权利要求1所述的辐射探测器，其特征在于：所述光电倍增管的受光面的面积大于所述闪烁光出射面的面积20%。

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