CN115524734A

CN115524734A - 一种用于质子、重离子位置探测的薄膜空气电离室

Info

Publication number: CN115524734A
Application number: CN202211072943.6A
Authority: CN
Inventors: 樊星明; 童腾; 张伟华; 黄先超; 李道武; 张传文; 魏存峰; 章志明; 帅磊; 魏龙
Original assignee: Institute of High Energy Physics of CAS
Current assignee: Institute of High Energy Physics of CAS
Priority date: 2022-09-02
Filing date: 2022-09-02
Publication date: 2022-12-27

Abstract

本发明公开了一种用于质子、重离子位置探测的薄膜空气电离室，其特征在于，包括平行板电离探测器和信号引出结构；所述平行板电离探测器的顶部为入射窗、底部为出射窗，所述入射窗、出射窗之间依次为第一高压电极膜、读出电极膜、第二高压电极膜；所述读出电极膜的基材为聚酰亚胺薄膜，其上下表面均镀有读出电极；其中，第一、二高压电极膜的基材为聚酰亚胺薄膜，其朝向所述读出电极膜的表面镀有导电膜，用于接入高压电信号；第一、二高压电极膜与所述读出电极膜之间形成两个腔室，用于对入射的粒子进行电离；所述信号引出结构与两所述读出电极连接，用于将两所述读出电极所产生的信号输出。本发明可实现大面积、高位置精度的粒子束探测。

Description

一种用于质子、重离子位置探测的薄膜空气电离室

技术领域

本发明属于核技术应用、电离粒子探测领域，涉及一种用于质子、重离子位置探测的薄膜空气电离室，可用于科研、辐射探测，特别是放射医学。

背景技术

电离室是电离辐射探测器中发展较早、发展完善的一类，是辐射测量的基础技术之一。电离室的基本工作原理是当电离性粒子穿过气体介质时产生电离，产生带正电的离子和带负电的自由电子。当外部不存在电场时，正离子和电子会再次配对；而当外部存在电场时，电子和离子会向着反方向运动，在电极上产生感应电流，从而形成信号。电离室有多种形状、气体组份，在科研、辐射测量、医学等领域都发挥着较大的作用。

电离室在使用中一般采用电离性强而电负性弱的气体，以确保电离室的信号以脉冲信号的方式读出。传统电离室采用的主气体物质为惰性气体——例如氩气、氖气、氙气等。当采用这些气体时，需要采取气体密封措施，因而在一定程度上限制了电离室的使用。而使用自由空气作为工作气体具有以下优点：空气的性质稳定，而且不需要采取气体密封，有利于降低成本，使系统更加简易。然而，自由空气具有较强的电负性，即容易俘获电子形成负离子，从而将信号削弱。

高能粒子穿过电离室的腔室时产生电离效应，并且引发连串的次级电离，从而形成一个信号。电子、离子的运动过程中会在两边的电极平面产生感应电流。当电离数较多时，就会在电极板上形成信号。强电离粒子与空气粒子或电极发生作用时所产生的电子会引发簇射。尽管每个自由电子都会很快与空气分子结合，但是经过放大后仍然可以探测到信号。因此，自由空气电离室可在辐射剂量测量、核医学等高剂量的场合下应用。

传统的自由空气电离室的灵敏区域一般是一个比较小的封闭腔，根据其灵敏度及辐射强度的要求而有尺寸的不同。目前，自由空气电离室在剂量检测中已经有广泛的应用。例如各类用于X射线监测的圆柱形自由空气电离室等。近年来，随着质子、重离子治疗设备的研发和推进，对射线的位置探测精度提出了较高要求。

质子、重离子有较强的电离性，在厚、重的物质中能损极大，而且会发生一定的位置偏移。典型的电离室采用导体作为电极材料，常见的铜、铝等材质都会对高能质子、重离子产生很强的阻挡作用。另外有一些电极，可采用表面涂覆导电涂层的玻璃、板材等。尽管原子序数比典型的金属低，但是与粒子的相互作用仍然是比较明显的。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种用于质子、重离子位置探测的薄膜空气电离室，属于高位置精度的大面积平行板电离室，为精确测量重离子、质子等电离性粒子束位置提供了强有力的技术手段。本发明是一个多专业、系统性设备的一个组成部分。系统的三个部分包括：平行板电离室探测器、超多路信号读出及处理系统、配套软件系统。其中本发明涉及的是系统中的平行板电离室系统，包其包括大面积平板薄膜电离室探测器及配套的信号引出结构。

本发明的技术方案为：

一种用于质子、重离子位置探测的薄膜空气电离室，其特征在于，包括平行板电离探测器和信号引出结构；所述平行板电离探测器的顶部为入射窗、底部为出射窗，所述入射窗、出射窗之间依次为第一高压电极膜、读出电极膜、第二高压电极膜；所述读出电极膜的基材为聚酰亚胺薄膜，其上下表面均镀有读出电极；其中，

所述第一高压电极膜的基材为聚酰亚胺薄膜，其朝向所述读出电极膜的表面镀有导电膜，用于接入高压电信号；所述第一高压电极膜与所述读出电极膜的上表面之间形成第一腔室，用于对经所述入射窗入射的粒子进行电离；

所述第二高压电极膜的基材为聚酰亚胺薄膜，其朝向所述读出电极膜的表面镀有导电膜，用于接入高压电信号；所述读出电极膜的下表面与所述第二高压电极膜之间形成第二腔室，用于对穿过所述读出电极膜的入射粒子进行电离；

所述信号引出结构与两所述读出电极连接，用于将两所述读出电极所产生的信号输出。

进一步的，所述读出电极为多个平行排列的电极条，所述读出电极膜的上表面的电极条与下表面的电极条垂直。

进一步的，所述信号引出结构包括用于夹持连接所述读出电极的双层支撑框架和针排；所述双层支撑框架的一边框上设置多个通孔及读出条，所述读出电极上与所述边框上通孔对应位置分别加工有一孔，每一孔周围施加导电单元，每一导电单元分别与所述读出电极膜上下表面中一对垂直的电极条电连接；所述排针中的每一针分别穿过所述通孔及对应的孔与所述导电单元电连接，每一所述读出条分别与所述排针中的一针电连接，用于读取粒子束穿过对应电极条位置产生的信号。

进一步的，所述双层支撑框架的材料为PCB；所述导电单元为导电胶、石墨层或铜箔。

进一步的，所述聚酰亚胺薄膜的厚度小于或等于100微米。

进一步的，所述第一高压电极膜、第二高压电极膜的外侧分别设置一支撑框架。

进一步的，第一腔室、第二腔室的气隙宽度均为4mm-10mm。

进一步的，所述入射窗、出射窗的厚度为100～900微米。

进一步的，所述导电膜为铜薄膜或铝薄膜。

本发明的优点如下：

传统的探测器，往往采用金属等物质构成电极材料。较大的金属构件的存在，会引发粒子的能量偏移和能量衰减。为了减少探测器的构成材料对粒子束的影响，实现高位置精度的粒子束探测，本发明提出一种轻薄、大面积、耐辐照的电离探测器，具有对质子、重粒子束的二维位置分辨能力。

例如，对于典型的GeV能量的质子束或重离子束，其在金属中的穿深一般为厘米级。如果采用金属的视窗或电极，一般也具有毫米级以上的厚度，会引发射线能量的衰减。在本发明中，电极膜都采用小于百微米厚度的材料，因此对于粒子束的能量和分布几乎没有影响；电极膜表面的电极为镀层或打印层，厚度更小。

本系统采用干燥空气作为信号层，不需要像传统探测器一样使用惰性气体混合物进行换气。因此，本系统操作简便，无需额外的气体系统，利于与其他装置相结合。

附图说明

图1为本发明的电离室结构示意图。

图2为本发明双面读出电极的结构示意图。

图3为信号引出结构示意图。

附图标记：1-高压电极膜，2-读出电极膜，3-入射窗，4-高压电离区，5-出射窗，6-读出电极膜或电极条，7-支撑框架，8-接触片，9-排针，10-焊盘。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明的核心组成部分是由三层电极薄膜所隔离出来的两个腔室。如图1所示，电离室的核心部件是三个平行的电极膜，两边的是高压电极，中间的是读出电极。电极膜为正方形，宽度为10-100cm，以满足各类实际探测需求。高压电极和读出电极之间，存在高压电离区，气隙宽度在4mm-10mm之间，在这个区间可保证电场均匀、信号稳定。在电离室核心部分的外侧，采用数百微米厚度的耐辐照材料制作入射、出射窗，起到对内部空气与外部空气的隔绝作用。

电极膜的基材是聚酰亚胺薄膜，薄膜的厚度根据硬度等实际需求，需要选取一个小于等于100微米厚度。薄膜表面镀一层导电金属，可以是铜或者铝等。高压电极膜1采用大面积的镀膜工艺，在表面的镀膜上接通高压，形成完整高压平面。

读出电极膜2的两面都要镀多个平行的导电金属条，且上表面的导电金属条与下表面的导电金属条垂直。这样的设计，可以使得在任意位置发生的电离，只有此位置的电极条可以接收到。从探测器的两边分别读出信号，就可以通过信号的位置确定电离粒子束通过的位置。

读出电极膜2可采用柔性PCB技术、微刻槽或微打印工艺制作出平行分布的电极读出条，见图2。发明人已经成功实现了铜读出条电极膜的工艺、生产，并已经完成导通。后续还将会开发铝等材料的电极膜。电极膜是本电离室的设计可以最终实现的有效保证。

与读出电极膜2不同，高压电极膜1采用整面的导电膜即可。高压电极膜1需要朝向读出电极膜2的一面有导电层，而另一面不做要求。高压电极膜1的制作工艺可与读出电极膜2共享。

为了支撑电极，高压电极膜1的外侧分别设计一个方形的支撑框架，使其平整。这个支撑框架与电极薄膜的固定方式，可采用机械压接、机械拉伸，也可结合粘胶的方式。框架的强度需要较高，并且不具有导电性。综上，框架可以考虑各类硬质塑料及板材等，或者可以使用PCB材料制作。

在固定电极的基础上，需要进行信号的引出。考虑信号引出的需求，应采用PCB作为外部框架。读出电极3的引出利用PCB制作出用于与电极条连接的焊盘或焊孔，使其一端与电极条接触，另一端则引出到标准接口，如2.54mm接插件等。再制作专用的接插件排线用于将标准接口的信号引出至探测器外壳。探测器外壳采用硬塑料或铝合金材质，其粒子入射和出射的两个表面同样采用阻挡性能低的薄板或塑料材质，同时需要具备一定的硬度以起到基础的保护作用。

考虑到以上的需求，本发明设计出一种可行的信号引出结构，如图3所示，信号引出结构的框架采用PCB材料，并且在特定位置设计通孔及读出条。两块PCB板对应焊孔的位置上，在电极膜上也加工出一个孔，并在孔周围施加导电胶、石墨层或铜箔。再利用一根排针穿过两块PCB和中间的薄膜，并将排针焊接在此位置。由此，读出电极3上的信号就可以通过导电胶、排针到达PCB框架的外侧焊盘，最终通过PCB上的接插件完成读出。每一个电极条都配备一个读出孔，用于读取粒子束穿过此处的信号。注意，排针的两侧都进行了焊接，因此排针两侧都可以读出信号。在使用中仅从一边读出，另一边需采取相应的保护。

对于两侧的高压电极膜1，也可采用类似的方法与高压相连。两高压电极膜既可以分别连接正高压，也可以分别连接负高压，也可以一正一负。使用上没有区别，仅对于信号极性有差异。

以上是我们发明的平行板电离探测器。在探测器外部还有一个高压供电系统和一个多路电子学读出系统，从而组成用于探测射线束位置的二维平板探测器。本发明可以填补国内相关领域的空白，为重离子、质子束的科研和应用提供一种简便、稳定而且准确的定位工具。

尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims

1.一种用于质子、重离子位置探测的薄膜空气电离室，其特征在于，包括平行板电离探测器和信号引出结构；所述平行板电离探测器的顶部为入射窗、底部为出射窗，所述入射窗、出射窗之间依次为第一高压电极膜、读出电极膜、第二高压电极膜；所述读出电极膜的基材为聚酰亚胺薄膜，其上下表面均镀有读出电极；其中，

2.根据权利要求1所述的薄膜空气电离室，其特征在于，所述读出电极为多个平行排列的电极条，所述读出电极膜的上表面的电极条与下表面的电极条垂直。

3.根据权利要求1所述的薄膜空气电离室，其特征在于，所述信号引出结构包括用于夹持连接所述读出电极的双层支撑框架和针排；所述双层支撑框架的一边框上设置多个通孔及读出条，所述读出电极上与所述边框上通孔对应位置分别加工有一孔，每一孔周围施加导电单元，每一导电单元分别与所述读出电极膜上下表面中一对垂直的电极条电连接；所述排针中的每一针分别穿过所述通孔及对应的孔与所述导电单元电连接，每一所述读出条分别与所述排针中的一针电连接，用于读取粒子束穿过对应电极条位置产生的信号。

4.根据权利要求3所述的薄膜空气电离室，其特征在于，所述双层支撑框架的材料为PCB；所述导电单元为导电胶、石墨层或铜箔。

5.根据权利要求1所述的薄膜空气电离室，其特征在于，所述聚酰亚胺薄膜的厚度小于或等于100微米。

6.根据权利要求1～5任一所述的薄膜空气电离室，其特征在于，所述第一高压电极膜、第二高压电极膜的外侧分别设置一支撑框架。

7.根据权利要求1～5任一所述的薄膜空气电离室，其特征在于，第一腔室、第二腔室的气隙宽度均为4mm-10mm。

8.根据权利要求1～5任一所述的薄膜空气电离室，其特征在于，所述入射窗、出射窗的厚度为100～900微米。

9.根据权利要求1～5任一所述的薄膜空气电离室，其特征在于，所述导电膜为铜薄膜或铝薄膜。