CN117214940A - 闪烁晶体射线探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及核辐射探测设备技术领域，提供一种闪烁晶体射线探测器，包括晶体封装组件和电子学盒组件，所述晶体封装组件包括：闪烁晶体；晶体封装件，设置于所述闪烁晶体的外周；铍入射窗和密封窗，分别气密封装于所述晶体封装壳的两侧，以使所述闪烁晶体与空气隔绝；所述电子学盒组件通过光学耦合膜与所述密封窗耦合为一体，并使用多个硅光电倍增管对晶体闪烁光信号进行读出。本发明通过晶体封装壳设置于闪烁晶体的外周，且铍入射窗和密封窗气密封装于晶体封装壳的两侧，以使闪烁晶体与空气隔绝，解决了闪烁晶体潮解的问题；而且，电子学盒组件通过光学耦合膜与密封窗耦合为一体，解决了闪烁晶体射线探测器的耐振动的问题。

Description

闪烁晶体射线探测器

技术领域

本发明涉及核辐射探测设备技术领域，尤其涉及一种闪烁晶体射线探测器。

背景技术

闪烁晶体是指在X射线和γ射线等高能粒子的撞击下，能将高能粒子动能转变为光能而发出闪光的晶体。闪烁晶体可以用于X射线、γ射线、中子及其他高能粒子的探测，以闪烁晶体为核心的探测和成像技术已经在核医学、高能物理、安全检查、工业无损探伤、空间物理以及核探矿等方面得到了广泛的应用。

由于高光产额的卤化物闪烁晶体大多具有较强的潮解性，一旦发生潮解，闪烁晶体将会与空气中的水发生化学反应生成不发光的物质，潮解后闪烁晶体的光输出逐渐变差，将会在闪烁晶体的表面形成死层，直接影响低能X射线的探测。因此，此类吸湿性闪烁晶体需要做封装结构设计，采用全密封结构。

但是，现有技术中的吸湿性闪烁晶体大多采用铝窗进行封装，很大程度影响了低能X射线的探测。而且，现有技术中的闪烁晶体射线探测器大多是基于吸湿性闪烁晶体直接耦合真空光电倍增管，体积较大，耐振动性差。

发明内容

本发明提供一种闪烁晶体射线探测器，用以解决现有技术中闪烁晶体容易发生潮解且耐振动性差的缺陷。

本发明提供一种闪烁晶体射线探测器，包括晶体封装组件和电子学盒组件，所述晶体封装组件包括：

闪烁晶体；

晶体封装壳，设置于所述闪烁晶体的外周；

铍入射窗和密封窗，分别气密封装于所述晶体封装壳的两侧，以使所述闪烁晶体与空气隔绝；

所述电子学盒组件通过光学耦合膜与所述密封窗耦合为一体。

根据本发明提供的一种闪烁晶体射线探测器，

所述电子学盒组件包括：

电路板；

多个硅光电倍增管，均匀阵列在所述电路板的一侧；且所述硅光电倍增管通过光学耦合膜与所述密封窗耦合为一体；

漫反射膜，所述漫反射膜粘贴于多个所述硅光电倍增管的间隙中；

电连接器，一端与所述电路板电连接，另一端与外部数据采集电路电连接。

根据本发明提供的一种闪烁晶体射线探测器，所述铍入射窗与所述晶体封装壳采用紧固件连接，并用密封胶密封。

根据本发明提供的一种闪烁晶体射线探测器，所述密封窗为石英窗，且所述石英窗与所述闪烁晶体通过硅胶耦合。

根据本发明提供的一种闪烁晶体射线探测器，所述石英窗和所述闪烁晶体之间还设置有光耦合剂。

根据本发明提供的一种闪烁晶体射线探测器，所述电子学盒组件还包括前放板，所述前放板设置于所述电路板远离所述硅光电倍增管的一侧，所述前放板用于将所述硅光电倍增管的信号放大成形。

根据本发明提供的一种闪烁晶体射线探测器，所述电子学盒组件还包括电子学盒和盖体，所述电子学盒用于支撑所述电路板和所述前放板，所述盖体与所述电子学盒可拆卸连接。

根据本发明提供的一种闪烁晶体射线探测器，所述电子学盒靠近所述前放板的一侧设置有十字加强筋，且所述十字加强筋与所述前放板接触。

根据本发明提供的一种闪烁晶体射线探测器，所述电子学盒的内周设置有飞边，所述飞边用于增加所述电子学盒和所述前放板的导热能力。

根据本发明提供的一种闪烁晶体射线探测器，所述光学耦合膜为硅胶垫。

本发明提供的闪烁晶体射线探测器，通过晶体封装壳设置于闪烁晶体的外周，且铍入射窗和密封窗气密封装于晶体封装壳的两侧，以使闪烁晶体与空气隔绝，解决了闪烁晶体潮解的问题；而且，电子学盒组件通过光学耦合膜与密封窗耦合为一体，解决了闪烁晶体射线探测器的耐振动的问题。

另外，漫反射膜粘贴于多个硅光电倍增管的间隙中，能够提高闪烁光子收集效率，闪烁晶体信号通过硅光电倍增管读出，可对低能的射线进行有效探测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的晶体封装组件的爆炸图；

图2是本发明提供的闪烁晶体射线探测器的爆炸图；

图3是本发明提供的闪烁晶体射线探测器的剖视图；

图4是本发明提供的电子学盒的结构示意图；

附图标记：

1、晶体封装组件；11、闪烁晶体；12、晶体封装壳；13、铍入射窗；14、密封窗；15、压框；16、螺钉；

2、电子学盒组件；21、电路板；22、硅光电倍增管；23、漫反射膜；24、电连接器；25、电子学盒；251、十字加强筋；252、飞边；26、盖体；

3、光学耦合膜。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下面结合图1至图4描述本发明实施例提供的闪烁晶体射线探测器。

如图1和图2所示，本发明实施例提供一种闪烁晶体射线探测器，包括晶体封装组件1和电子学盒组件2，晶体封装组件1和电子学盒组件2采用分体设计，形成独立的组件，晶体封装组件1和电子学盒组件2可以通过螺接的方式连接。

如图1所示，晶体封装组件1包括闪烁晶体11、晶体封装壳12、铍入射窗13、密封窗14和压框15。晶体封装壳12可以采用镁合金材料制成，晶体封装壳12设置于闪烁晶体11的外周；即晶体封装壳12可以设置为两侧通透的环形体，闪烁晶体11设置于晶体封装壳12的内周侧。铍入射窗13通过压框15压住，通过螺钉16与晶体封装壳12固定。铍入射窗13和密封窗14分别气密封装于晶体封装壳12的两侧，即，铍入射窗13气密封设置于晶体封装壳12的一侧，密封窗14气密封设置于晶体封装壳12的另一侧，以使闪烁晶体11与空气隔绝，保证闪烁晶体11的干燥，避免闪烁晶体11发生潮解影响低能摄像探测。

如图2和图3所示，电子学盒组件2通过光学耦合膜3与密封窗14耦合为一体，解决了闪烁晶体11耐振动的问题。

其中，闪烁晶体11可以采用碘化钠晶体或溴化镧晶体。碘化钠晶体以及溴化镧晶体是目前性能最优异的量产闪烁晶体之一。碘化钠晶体主要运用在核医学、环境探测、核物理、航天探测、石油勘探及其他领域。碘化钠晶体具有很高的发光效率，并且在发光波段没有明显的自吸收，对X射线和γ射线均有良好的分辨能量，是所有闪烁晶体材料中，应用相对较为广泛的一种。溴化镧(LaBr₃)光产额比碘化钠晶体更高，在662keV光产额是碘化钠晶体的1.65倍；其发射波长也能很好的与硅光电倍增管(光子探测效率可达30-40％)的灵敏波长匹配。溴化镧晶体对低能X射线也具有很好的响应能力，由于溴化镧密度较大为5.08g/cm³，对高能伽马射线的吸收能力较强，溴化镧晶体的能量分辨率接近3-4％@662keV，显著好于碘化钠晶体的6％-7％@662keV。但溴化镧晶体目前量产的最大直径只能做到3英寸，而且价格也较碘化钠晶体高很多，所以目前对于低能X/γ射线的探测仍然是碘化钠晶体和溴化镧晶体为主。

如图2所示，在本发明的一个可行的实施例中，电子学盒组件2包括：电路板21和多个硅光电倍增管22，多个硅光电倍增管22均匀阵列在电路板21的一侧，且硅光电倍增管22通过光学耦合膜3与密封窗14耦合为一体。硅光电倍增管(SiPM)是工作在盖革模式下的光电器件，其基本单元是尺寸在百微米量级以内的雪崩光电二极管，通过串联淬灭电阻实现雪崩可控，并利用先进的工艺集成在一块几毫米大小的单晶硅上。相比传统光电倍增管，硅光电倍增管具有很多突出的优点：高量子效率，大动态范围，单光子灵敏且光子数分辨能力强，工作电压低功耗小，体积小易于拼接成大面积阵列，不受外界磁场干扰等。

另外，采用铍入射窗封装的闪烁晶体，由于铍窗对低能射线的透过率很高，而且由于像碘化钠和溴化镧这样的晶体光产额很高，使用这类吸湿性闪烁体和硅光电倍增管阵列耦合组装在一起后的新探测器，对低能射线的探测能力会强很多。而且由于硅光电倍增管阵列与真空光电倍增管相比较，体积更小，经过特殊的结构设计，探测器整体更容易满足紧凑性和耐振动性，在低能射线探测，空间射线探测器等方面有非常大的应用前景。

在本发明的一个实施例中，电子学盒组件2还包括漫反射膜23，漫反射膜23粘贴于多个硅光电倍增管22的间隙处，提高闪烁光子收集效率，闪烁晶体信号通过硅光电倍增管读出，实现了闪烁晶体对耐振动、防吸湿，可对低能射线进行有效探测。电连接器24，一端与电路板21电连接，另一端与外部数据采集电路电连接。其中，漫反射膜23的规格与闪烁晶体11截面规格相同，且漫反射膜23上对应于每片硅光电倍增管22的位置均设置有贯穿通过口。

在本发明的一个可行的实施例中，铍入射窗13与晶体封装壳12采用紧固件连接，紧固件可以为螺钉16，并用密封胶密封，使得闪烁晶体与空气隔绝，保证闪烁晶体的干燥，其中铍入射窗的厚度可以为200-400微米。

在本发明的一个可行的实施例中，密封窗14为石英窗，当选用碘化钠晶体时，由于碘化钠晶体的发光波长峰值在415nm，在波长300-560nm范围内石英玻璃有很好的透过率，因此碘化钠晶体的密封窗选择石英玻璃。石英窗与闪烁晶体11通过硅胶耦合在一体，以增加闪烁光的透过率。闪烁晶体光输出面耦合石英窗，一方面起到密封效果，另一方面将晶体产生的闪烁光透过石英窗传输出去，闪烁光通过硅光电倍增管阵列进行读出。

在本发明的一个可行的实施例中，石英窗和闪烁晶体11之间还设置有光耦合剂。碘化钠晶体的折射率为1.85，溴化镧晶体的折射率1.9，石英玻璃的折射率为1.46，碘化钠晶体、溴化镧晶体与石英玻璃之间如果存在的低折射率气体(折射率为1)，会增大闪烁晶体11内部闪烁光子内陷落的几率。因此需要在闪烁晶体11和石英玻璃之间填充合适折射率的光耦合剂，增大全反射角，提高晶体封装件的光子输出的数量。一般选择折射率较大(折射率>1.5)的光学耦合剂以提高闪烁晶体窗口的透光率。

具体的，晶体封装组件1的封装工艺如下：

将带孔的铍片通过螺钉16以及密封胶粘接固定在晶体封装壳12上，固化后放置在手套箱中备用；

闪烁晶体11表面抛光后，包裹膜状反射层材料聚四氟乙烯，与石英玻璃通过光耦合剂耦合，放在手套箱中固化；

将固化的晶体与石英窗放入已安装铍片的晶体封装壳12中，灌入密封胶水进行密封；

将封装好的晶体组件放入温度循环箱内，做应力释放以及密封性检查。

在本发明的一个可行的实施例中，电子学盒组件2还包括前放板，前放板设置于电路板21远离硅光电倍增管22的一侧，前放板用于将硅光电倍增管22的信号放大成形。硅光电倍增管热噪声以单光子为主，计数率在最大偏压下为70kHz/mm²，采用并联读出方式，将硅光电倍增管阵列合为一路读出，简单的通过触发阈值压低热噪声，实现对低能X射线的探测。

晶体封装组件1通过1mm光学胶垫与SiPM耦合读出，对于4.5英寸的晶体，建议晶体耦合100片SiPM(对于3英寸的晶体通过计算建议耦合64片SiPM)。SiPM供电电压需要约28V左右。将所有SiPM阵列信号放大，实现对低能X射线的探测。SiPM的热噪声与温度直接相关，因此降低探测器的工作温度可以有效减少热噪声，降低探测器的阈值。SiPM小单元均匀排列在直径为约4.5英寸或3英寸的电路板上，为了增加闪烁光的收集效率，可以在SiPM间隙粘贴tyvek反射膜。SiPM电路板的背面为前放板，将SiPM的信号放大成形。SiPM的放大倍数与温度相关，需要做温度补偿。通过温度传感器采集SiPM温度，由数据采集和控制电路根据温度调节SiPM偏压，实现SiPM增益温度修正，保持SiPM增益的稳定性。

如图2所示，在本发明的一个可行的实施例中，电子学盒组件2还包括电子学盒25和盖体26，电子学盒25用于支撑电路板21和前放板，盖体26与电子学盒25可拆卸连接。

如图4所示，在本发明的一个可行的实施例中，电子学盒25靠近前放板的一侧设置有十字加强筋251，且十字加强筋251与前放板接触，十字加强筋251在保证良好热接触的同时还可以保证前放板安装后的整体平面度，使得前放板与晶体封装组件1能够良好的耦合，提高整体的探测能力。

如图4所示，在本发明的一个可行的实施例中，电子学盒25的内周设置有飞边252，飞边252用于增加电子学盒25和前放板的导热能力，从而更好地通过电子学盒25对于内部电子学的温度控制。

电子学盒25的组装流程以及闪烁晶体的安装流程如下：

将硅光电倍增管以及前放板焊接到电路板；

将电路板安装到电子学盒中；

在硅光电倍增管阵列间隙粘贴漫反射膜；

在晶体封装组件1的石英窗口粘贴硅胶垫；

将晶体封装组件1与电子学盒组件2进行组装，完成闪烁晶体射线探测器。

在本发明的一个可行的实施例中，光学耦合膜为硅胶垫。闪烁体11截面直径为4.5英寸；硅光电倍增管规格为6x6mm，数量为100片。为了保证故障后闪烁探测器仍可用，100片硅光电倍增管的供电电路分为两组供电，可以切断一组而不影响另外一组，提高出现故障后的可用性。晶体封装件与硅光电倍增管使用硅胶垫耦合。

本发明提供的闪烁晶体射线探测器的安装过程为：

将带孔的铍片通过螺钉16以及密封胶粘接在晶体盒子上，固化后放置在手套箱中备用；

晶体表面抛光后，包裹膜状反射层材料聚四氟乙烯，与石英玻璃通过光耦合剂耦合，放在手套箱中固化；

固化的晶体与石英窗放入按安装铍片的晶体中，灌入密封胶进行密封；

将封装好的晶体组件放入高、低温循环箱中做应力释放及密封检测；

将硅光电倍增管以及前放板焊接到后端的电子学盒电路板并安装在电子学盒中；

在硅光电倍增管的间隙粘贴漫反射膜23，在石英窗出粘贴硅胶垫；

封装好的晶体组件与电子学盒进行组装，完成闪烁晶体探测器。

综上，本发明提供的闪烁晶体射线探测器以铍入射窗、石英窗和晶体封装壳将闪烁晶体11气密封，解决了闪烁晶体潮解的问题，硅光电倍增管与闪烁晶体11通过硅胶垫进行耦合，解决了耐振动的问题，通过在硅光电倍增管间隙处设置漫反射膜，提高闪烁光子收集效率，闪烁晶体信号通过硅光电倍增管读出，可对低能的射线进行有效探测。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“方式”、“具体方式”、或“一些方式”等的描述意指结合该实施例或方式描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或方式中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或方式。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或方式中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或方式以及不同实施例或方式的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种闪烁晶体射线探测器，其特征在于，包括晶体封装组件(1)和电子学盒组件(2)，所述晶体封装组件(1)包括：

闪烁晶体(11)；

晶体封装壳(12)，设置于所述闪烁晶体(11)的外周；

铍入射窗(13)和密封窗(14)，分别气密封装于所述晶体封装壳(12)的两侧，以使所述闪烁晶体(11)与空气隔绝；

所述电子学盒组件(2)通过光学耦合膜(3)与所述密封窗(14)耦合为一体。

2.根据权利要求1所述的闪烁晶体射线探测器，其特征在于，所述电子学盒组件(2)包括：

电路板(21)；

多个硅光电倍增管(22)，均匀阵列在所述电路板(21)的一侧；且所述硅光电倍增管(22)通过所述光学耦合膜(3)与所述密封窗(14)耦合为一体；

漫反射膜(23)，所述漫反射膜(23)粘贴于多个所述硅光电倍增管(22)的间隙中；

电连接器(24)，一端与所述电路板(21)电连接，另一端与外部数据采集电路电连接。

3.根据权利要求1所述的闪烁晶体射线探测器，其特征在于，所述铍入射窗(13)与所述晶体封装壳(12)采用紧固件连接，并用密封胶密封。

4.根据权利要求1所述的闪烁晶体射线探测器，其特征在于，所述密封窗(14)为石英窗，且所述石英窗与所述闪烁晶体(11)通过硅胶耦合。

5.根据权利要求4所述的闪烁晶体射线探测器，其特征在于，所述石英窗和所述闪烁晶体(11)之间还设置有光耦合剂。

6.根据权利要求2所述的闪烁晶体射线探测器，其特征在于，所述电子学盒组件(2)还包括前放板，所述前放板设置于所述电路板(21)远离所述硅光电倍增管(22)的一侧，所述前放板用于将所述硅光电倍增管(22)的信号放大成形。

7.根据权利要求6所述的闪烁晶体射线探测器，其特征在于，所述电子学盒组件(2)还包括电子学盒(25)和盖体(26)，所述电子学盒(25)用于支撑所述电路板(21)和所述前放板，所述盖体(26)与所述电子学盒(25)可拆卸连接。

8.根据权利要求7所述的闪烁晶体射线探测器，其特征在于，所述电子学盒(25)靠近所述前放板的一侧设置有十字加强筋(251)，且所述十字加强筋(251)与所述前放板接触。

9.根据权利要求7所述的闪烁晶体射线探测器，其特征在于，所述电子学盒(25)的内周设置有飞边(252)，所述飞边(252)用于增加所述电子学盒(25)和所述前放板的导热能力。

10.根据权利要求1-9任一项所述的闪烁晶体射线探测器，其特征在于，所述光学耦合膜为硅胶垫。