CN115236722B - 一种二次电子增强型真空康普顿探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明一种二次电子增强型真空康普顿探测器，主要解决现有技术中的真空康普顿探测器本征灵敏度较低，导致应用范围受到严重限制的问题。包括壳体及设置于壳体上的入射窗和出射窗；还包括设置于壳体内的栅极网、位于栅极网所围成空间中心且轴向设置的金属发射极、两个过渡层、前向二次电子发射体、后向二次电子发射体以及连接于壳体上的信号输出转接器和栅极输入转接器；两个过渡层分别设置于金属发射极靠近入射窗和靠近出射窗的侧面上，前向二次电子发射体连接于靠近入射窗的过渡层上；后向二次电子发射体连接于靠近出射窗的另一过渡层上；信号输出转接器与金属发射极电气连通；栅极输入转接器与栅极网电气连通。
Description
技术领域
本发明涉及一种真空康普顿探测器，具体涉及一种二次电子增强型真空康普顿探测器。
背景技术
真空康普顿探测器具有本征时间响应快、伽马中子分辨能力强、抗干扰能力强等突出优点，特别适合强流脉冲伽马快响应探测。其工作原理为：当准直后的窄束伽马射线入射到真空康普顿探测器中时，其首先会与金属发射极发生相互作用(光电效应、康普顿效应和电子对效应等)，产生从金属发射极表面发射次级电子的物理现象，进而引起金属发射极的电势变化，测量这种电势变化就可以获取入射伽马射线的信息。
真空康普顿探测器的灵敏度主要由金属发射极出射电子效率和数目决定，现有的探测器基本结构见附图1所示，包括筒体01，入射窗口02，出射窗口03，发射极04，绝缘体05和电流引出导线06；但是该探测器存在的缺点是：受伽马射线与物质相互作用截面及次级电子射程的限制，金属发射极在伽马射线作用下产生次级电子的出射效率较低，导致真空康普顿探测器的本征灵敏度较低，一般在5.0E-22C·γ-1左右，只能应用在测点注量率大于5E19γ·s-1的强流脉冲辐射场中。
综上所述，现有技术中的真空康普顿探测器本征灵敏度较低，应用范围受到严重限制。
发明内容
本发明的目的是解决现有真空康普顿探测器存在的本征灵敏度较低，应用范围受到严重限制的技术问题，而提供一种二次电子增强型真空康普顿探测器。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种二次电子增强型真空康普顿探测器，用于对经准直器准直的待测伽马射线时间谱进行测量；
包括壳体及设置于壳体上的入射窗和出射窗，所述入射窗设置于壳体靠近准直器的侧壁上，出射窗设置于壳体远离准直器的侧壁上；
其特殊之处在于：
还包括设置于壳体内的栅极网、位于栅极网所围成空间中心且轴向设置的金属发射极、两个过渡层、前向二次电子发射体、后向二次电子发射体以及连接于壳体上的信号输出转接器和栅极输入转接器；
两个所述过渡层分别设置于金属发射极靠近入射窗和靠近出射窗的侧面上，所述前向二次电子发射体连接于靠近入射窗的过渡层上；所述后向二次电子发射体连接于靠近出射窗的另一过渡层上；
所述信号输出转接器与金属发射极电气连通，用于引出待测伽马射线在金属发射极上产生的电势信号；所述栅极输入转接器与栅极网电气连通，用于为栅极网产生电场提供外部电压支持；
所述金属发射极，用于将待测伽马射线转化为次级电子；
所述过渡层用于实现金属发射极和前向二次电子发射体以及后向二次电子发射体的电气连通；
所述前向二次电子发射体和后向二次电子发射体用于发射二次电子。
进一步地，由于前向出射次级电子平均能量略高、后向出射次级电子平均能量略偏低，因此设置所述前向二次电子发射体的厚度大于后向二次电子发射体的厚度。
进一步地，还包括沿栅极网轴向相对地连接于壳体内壁上的两个绝缘栅极支撑件，所述栅极网通过两个绝缘栅极支撑件连接于壳体内部。
进一步地，所述栅极输入转接器通过第一连接线与栅极网连接；
靠近信号输出转接器的绝缘栅极支撑件上开设有贯穿孔，所述信号输出转接器上连接有第二连接线，所述第二连接线穿过贯穿孔与金属发射极连接。
进一步地，所述第一连接线和第二连接线均为Ni带。
进一步地，所述栅极输入转接器采用高压型同轴转接器；
所述信号输出转接器采用真空型50Ω同轴转接器。
进一步地，为了将待测伽马射线转化为平均能量较低的次级电子，设置所述金属发射极的材料为低Z金属。
进一步地，为了便于金属发射极与前向二次电子发射体及后向二次电子发射体保持电气连通，所述过渡层的材料为Au；为了为相关部件提供电磁屏蔽，设置所述壳体采用不锈钢材质。
进一步地，所述前向二次电子发射体和后向二次电子发射体均采用GaAs:Cs-O。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明设计了一种二次电子增强型真空康普顿探测器，其信号形成模式在现有真空康普顿探测器单纯伽马射线激励次级电子出射的物理过程基础上，增加了次级电子激励二次电子出射的物理过程，提供了提高真空康普顿探测器本征灵敏度的物理基础，使得探测器的灵敏度能够提高10倍以上，且具有纳秒级的时间响应能力，从而有利于拓展真空康普顿探测器的应用范围。
2、本发明采用具有电子逸出深度大(可达微米量级)优点的负电子亲和势材料制作前向二次电子发射体和后向二次电子发射体。一方面，次级电子在其电子逸出深度范围内可产生的能量损失(数keV量级)足够激励逸出数目较多的二次电子；另一方面，这种材料的本征二次电子发射系数高(可达到数十至数百)，均有利于提高真空康普顿探测器的本征灵敏度。
3、根据电子碰撞电离的Bethe-Bloch理论，电子能量越低，其在材料中的电离能量损失率越高。因此，本发明采用低Z非活泼金属制作金属发射极，可在保持金属发射极次级电子出射效率和数目基本不变的条件下，促使金属发射极出射平均能量较低的次级电子，以有利于次级电子在前向二次电子发射体和后向二次电子发射体内产生更大的电离能量损失，进而有利于激励逸出数目更多的二次电子。典型的，低Z金属发射极在1～4MeV级伽马入射条件下，前向次级电子可几峰值能量在0.2～1MeV之间，后向次级电子可几峰值能量基本在0.5MeV以下，均低于中Z和高Z金属发射极出射的次级电子平均能量。
4、本发明在金属发射极两侧设置不同厚度的前向二次电子发射体和后向二次电子发射体。一方面，实现了对金属发射极出射次级电子近360度全利用；另一方面，不同的厚度设置可以更好的适应伽马射线诱发前向出射次级电子平均能量略偏高、后向出射次级电子平均能量略偏低的特点，有利于对真空康普顿探测器灵敏度的优化提升。
5、本发明通过栅极网在前向二次电子发射体和后向二次电子发射体周边设置了有利于二次电子定向运动的外部电场，在金属发射极至栅极网间形成了二次电子定向运动，从而最终实现了二次电子在金属发射级上形成信号贡献、提升真空康普顿探测器灵敏度的目的。
附图说明
图1是现有的真空康普顿探测器；
图1中，01-筒体，02-入射窗口，03-出射窗口，04-发射极，05-绝缘体，06-电流引出导线；
图2是本发明一种二次电子增强型真空康普顿探测器实施例的结构图；
图3是本发明一种二次电子增强型真空康普顿探测器的工作原理图。
图2中，1-壳体，101-入射窗，102-出射窗，2-栅极网，3-金属发射极，4-过渡层，5-前向二次电子发射体，6-后向二次电子发射体，7-信号输出转接器，8-栅极输入转接器，9-绝缘栅极支撑件，10-第一连接线，11-第二连接线。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种二次电子增强型真空康普顿探测器作进一步详细说明。根据下面具体实施方式，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图2和图3所示，本发明一种二次电子增强型真空康普顿探测器，用于对经准直器准直的窄束待测伽马射线进行测量，准直器设置在屏蔽体上；包括壳体1及设置于壳体1上的入射窗101和出射窗102，入射窗101设置于壳体1靠近准直器的侧壁上，出射窗102设置于壳体1远离准直器的侧壁上，其中壳体1为封闭的圆筒形不锈钢材料结构，用于使壳体1内部保持高真空环境，并为壳体1内部提供电磁屏蔽，需要说明的是，本实施例中壳体1采用不锈钢材质仅为本发明的优选实施例，在满足探测器使用要求的情况下，还可选用其他性能相近的材料，在探测器装配过程中，可以采用分解方式制作，在壳体1内部各组件与壳体1完成装配后，将入射窗101和出射窗102与壳体1整体在真空环境下进行密封焊接；具体的，壳体1的直径为100mm、高度为100mm、侧壁厚3mm，入射窗101和出射窗102的直径均为98.5mm，厚1mm。
还包括相对地连接于壳体1内壁上、用于支撑栅极网2的两个绝缘栅极支撑件9(采用圆柱形陶瓷制作，具有较高的电阻率，具体的，圆柱形陶瓷的规格为外径94mm、轴向厚度20mm、壁厚5mm)、通过两个绝缘栅极支撑件9连接于壳体1内部的栅极网2、设置于栅极网2所围成空间轴向中心的金属发射极3(金属发射极3与壳体1同轴设置，金属发射极3的轴向垂直于伽马射线的入射方向)、两个过渡层4、前向二次电子发射体5、后向二次电子发射体6以及连接于壳体1上的信号输出转接器7和栅极输入转接器8。
在本发明的优选实施例中，栅极输入转接器8和信号输出转接器7均采用真空焊接的工艺固定在壳体1上，并且信号输出转接器7位于壳体1轴向中心位置，栅极输入转接器8与信号输出转接器7位于同一轴线切面但设置在偏心位置，栅极输入转接器8采用高压型同轴转接器，信号输出转接器7采用真空型50Ω同轴转接器，在靠近信号输出转接器7的绝缘栅极支撑件9上开设有贯穿孔，信号输出转接器7上连接有第二连接线11，第二连接线11穿过贯穿孔与金属发射极3连接，用于引出待测伽马射线在金属发射极3上产生的电势信号，以便于对金属发射极3上产生的电势进行测量；栅极输入转接器8通过第一连接线10与栅极网2电气连通，当进行探测时，用于为栅极网2提供外部电压支持，以此在栅极网2的内部形成电场，为二次电子的逸出提供支持，其中，第一连接线10和第二连接线11材质相同，均为Ni带。
栅极网2采用低电阻率的金属网构成，具体的，栅极网2采用两块直径88mm的600目铜网片构成，两块铜网片保持电气连通，在栅极输入转接器8的输入电压作用下，能够为前向二次电子发射体5和后向二次电子发射体6内部产生的二次电子逸出提供电场支持。
金属发射极3采用低Z金属材料(原子序数Z小于等于20的金属材料)，例如Be、Al等非活泼金属，在本实施例中优选为φ50×2mm厚的Be金属，可在保持次级电子出射效率不变的条件下，用于将待测伽马射线转化为平均能量较低(1MeV以下占大部分)的次级电子。
过渡层4采用功函数低的薄层金属材料，具体的，过渡层4采用直径50mm、厚度20nm的Au制成，用于将金属发射极3和前向二次电子发射体5以及后向二次电子发射体6保持电气连通，以便于二次电子和次级电子的通过。
前向二次电子发射体5连接于靠近入射窗101的过渡层4上，后向二次电子发射体6连接于靠近出射窗102的过渡层4上，前向二次电子发射体5和后向二次电子发射体6采用具有高二次电子发射系数的负电子亲和势材料GaAs:Cs-O，用于在次级电子损失能量的作用下发射数目更多、能量较低(数十eV量级)的二次电子；前向二次电子发射体5的厚度大于后向二次电子发射体6的厚度，具体的，前向二次电子发射体5的规格为直径50mm，厚度为2μm，后向二次电子发射体6的规格为直径50mm、厚度为1μm；由于前向出射次级电子平均能量略高、后向出射次级电子平均能量略偏低，将前向二次电子发射体5的厚度设置为2μm、后向二次电子发射体6的厚度设置为1μm是提高真空康普顿探测器灵敏度指标的优化参数，过薄和过厚都会导致对真空康普顿探测器灵敏度的提升效果变差。
金属发射极3在1～4MeV级伽马射线的入射条件下，其上前向电子的可几峰值能量在0.2～1MeV，后向电子的可几峰值能量基本在0.5MeV以下；这些平均能量较低的次级电子会以大于90％的效率传透过渡层4、入射至前向二次电子发射体5和后向二次电子发射体6中，且每个次级电子会以数keV/μm的电离能量损失率在前向二次电子发射体5或后向二次电子发射体6内部激励产生二次电子，由于激励一个二次电子所需的平均能量仅约10eV，因此次级电子损失的部分能量足可激励逸出数百个二次电子，这些二次电子在前向二次电子发射体5或后向二次电子发射体6内建电场和栅极电场的共同作用下，将以一定概率从前向二次电子发射体5和后向二次电子发射体6表面逸出，与此同时，与前向二次电子发射体5和后向二次电子发射体6保持电气连通的金属发射极3上就会因产生的二次电子得到电子补偿从而在金属发射极3上产生放大的电势信号，进而实现真空康普顿探测器灵敏度提高一个量级的目的。
需要说明的是，在本发明的上述实施例中，所有部件采用的材料和尺寸参数均仅为本发明的优选实施例。在满足探测器物理设计和制作工艺的情况下，还可选用其他性能相近的材料和相应的尺寸参数。
Claims (10)
1.一种二次电子增强型真空康普顿探测器，用于对经准直器准直的待测伽马射线时间谱进行测量；
包括壳体(1)及设置于壳体(1)上的入射窗(101)和出射窗(102)，所述入射窗(101)设置于壳体(1)靠近准直器的侧壁上，出射窗(102)设置于壳体(1)远离准直器的侧壁上；
其特征在于：
还包括设置于壳体(1)内的栅极网(2)、位于栅极网(2)所围成空间中心且轴向设置的金属发射极(3)、两个过渡层(4)、前向二次电子发射体(5)、后向二次电子发射体(6)以及连接于壳体(1)上的信号输出转接器(7)和栅极输入转接器(8)；
两个所述过渡层(4)分别设置于金属发射极(3)靠近入射窗(101)和靠近出射窗(102)的侧面上，所述前向二次电子发射体(5)连接于靠近入射窗(101)的一个过渡层(4)上；所述后向二次电子发射体(6)连接于靠近出射窗(102)的另一过渡层(4)上；
所述信号输出转接器(7)与金属发射极(3)电气连通，用于引出待测伽马射线在金属发射极(3)上产生的电势信号；所述栅极输入转接器(8)与栅极网(2)电气连通，用于为栅极网(2)产生电场提供外部电压支持；
所述金属发射极(3)，用于将待测伽马射线转化为次级电子；
所述过渡层(4)用于实现金属发射极(3)和前向二次电子发射体(5)以及后向二次电子发射体(6)的电气连通；
所述前向二次电子发射体(5)和后向二次电子发射体(6)用于发射二次电子。
2.根据权利要求1所述的一种二次电子增强型真空康普顿探测器，其特征在于：所述前向二次电子发射体(5)的厚度大于后向二次电子发射体(6)的厚度。
3.根据权利要求2所述的一种二次电子增强型真空康普顿探测器，其特征在于：还包括沿栅极网(2)轴向相对地连接于壳体(1)内壁上的两个绝缘栅极支撑件(9)，所述栅极网(2)通过两个绝缘栅极支撑件(9)连接于壳体(1)内部。
4.根据权利要求3所述的一种二次电子增强型真空康普顿探测器，其特征在于：所述绝缘栅极支撑件(9)采用柱状陶瓷。
5.根据权利要求4所述的一种二次电子增强型真空康普顿探测器，其特征在于：所述栅极输入转接器(8)通过第一连接线(10)与栅极网(2)连接；
靠近信号输出转接器(7)的绝缘栅极支撑件(9)上开设有贯穿孔，所述信号输出转接器(7)上连接有第二连接线(11)，所述第二连接线(11)穿过贯穿孔与金属发射极(3)连接。
6.根据权利要求5所述的一种二次电子增强型真空康普顿探测器，其特征在于：所述第一连接线(10)和第二连接线(11)均为Ni带。
7.根据权利要求6所述的一种二次电子增强型真空康普顿探测器，其特征在于：所述栅极输入转接器(8)采用高压型同轴转接器；
所述信号输出转接器(7)采用真空型50Ω同轴转接器。
8.根据权利要求1-7任一所述的一种二次电子增强型真空康普顿探测器，其特征在于：所述金属发射极(3)的材料为低Z金属。
9.根据权利要求8所述的一种二次电子增强型真空康普顿探测器，其特征在于：所述过渡层(4)的材料为Au；所述壳体(1)采用不锈钢材质。
10.根据权利要求9所述的一种二次电子增强型真空康普顿探测器，其特征在于：所述前向二次电子发射体(5)和后向二次电子发射体(6)均采用GaAs:Cs-O。
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