CN220584409U - 一种提高快中子探测器转换效率和空间分辨的结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种提高快中子探测器转换效率和空间分辨的结构，涉及中子探测器、快中子成像技术领域，包括聚乙烯转化层、聚乙烯立方体阵列结构、阻止层、双层V形排列微通道板、荧光屏、CCD相机；基于快中子微通道板成像探测器，通过添加有立方体阵列结构的平板聚乙烯将快中子转换为质子，立方体阵列结构增加了反冲质子的发射面积，同时使得更大份额的质子能够从聚乙烯中逃逸出来，阻止层的添加降低了反冲质子能量，减少其在微通道板中的串扰，改善了其空间分辨，从而使快中子微通道板探测器探测效率和空间分辨优于传统的GEM气体成像探测器和闪烁光纤阵列探测器。
Description
技术领域
本实用新型涉及中子探测器、快中子成像技术领域，更具体的是涉及提高快中子探测器转换效率和空间分辨的结构。
背景技术
中子的发现和应用是现代最重要的技术成就之一，其应用广泛，除核能外，由于其中子穿透、对氢元素敏感、成分识别准确等突出优势，可应用于高精度无损检测、油气勘探、矿产勘探、肿瘤精准治疗等领域。在高精度无损检测领域，中子射线照相可以弥补X射线等无损检测技术的不足，可以检测物体的深层，并准确识别不同的元素成分。中子射线照相术通常可分为几种类型，包括冷中子射线照相、热中子射线照相和快中子射线照相。目前，热中子照相已经有了大量的研究，世界上大部分的中子照相设备都是基于热中子照相的，但基于快中子的中子照相装置相对较少，技术尚不成熟。与热中子相比，快中子具有更高的能量和更强的穿透能力。因此，使用快中子的中子射线照相术可以处理更大体积和更高密度的样本，能够广泛应用于航空航天和先进制造等需要使用辐射检查大型物体的领域。
快中子成像探测器的研制是快中子照相技术的关键问题之一，快中子成像检测器的性能直接决定了快中子照相的图像质量。已经开发了几种快中子成像探测器，已被广泛研究的四种主要类型的快中子成像探测器包括：光纤闪烁转换器和CCD相机组成的快中子探测器、配合聚乙烯转化层的GEM探测器、带转换层的半导体阵列探测器和快中子灵敏硅微通道板探测器。对于光纤闪烁体转换器，由于闪烁体阵列中反冲质子的串扰，快中子图像的空间分辨率只能达到毫米级；GEM探测器对γ射线比较敏感，且气体的雪崩放电会导致位置分辨下降；对于带转换层的半导体阵列探测器，快中子会对半导体探测器造成损坏，导致性能下降；而快中子灵敏硅微通道板探测器，硅微通道板同样会受到快中子的直接照射造成探测器的性能下降。因此，在研究快中子成像探测器时，近年来关注焦点是探测效率提升和空间分辨率的改善，以实现更优的成像探测器性能。
实用新型内容
本实用新型的目的在于：针对现有快中子探测器探测效率低、空间分辨差的问题，提出了基于聚乙烯的微通道快中子成像探测器的改进结构，有效的提高成像探测器的探测效率和空间分辨能力。
微通道板(MCP)是由数百万个紧密间隔的中空通道组成的薄板，其内壁涂有一层具有高二次电子发射的半导体材料，两侧施加直流高压。入射粒子在微通道内壁上产生二次电子，二次电子被电场加速并轰击，在微通道的内壁上产生更多的电子，最终获得大量电子。微通道板对于带电粒子具有较高的探测效率和放大增益，具备有超快的时间响应，可达到ps量级。
快中子探测器使用的中子探测方法是核反冲法，中子参数是通过测量中子与靶核相互作用产生的反冲核参数而获得的，由于中子与氢原子核之间的反应具有较大的弹性散射截面和简单的角度分布，含氢材料通常被用作产生反冲质子的转换器。
本实用新型为了实现上述目的具体采用以下技术方案：一种提高快中子探测器转换效率和空间分辨的结构，所述结构包括聚乙烯转化层、聚乙烯立方体阵列结构、阻止层、双层V形排列微通道板、荧光屏、CCD相机；双层V形排列微通道板和荧光屏之间存在一定间隙，并施加有电压以减少电子在运动过程中的发散，入射的快中子与转换器中的氢发生弹性碰撞，产生反冲质子，入射到双层V形排列微通道板中产生二次电子并使其倍增，倍增电子轰击在荧光屏上并发光，采用CCD相机获得输出图像。
优选的，所述聚乙烯立方体阵列结构包括有多个均匀排布的聚乙烯立方体。
优选的，所述阻止层的材料为质子降能材料，例如铝材质，用于降低反冲质子能量，减少其在微通道板中的射程，从而降低串扰，改善快中子探测器的空间分辨。
优选的，所述聚乙烯立方体阵列结构、阻止层、双层V形排列微通道板、荧光屏、CCD相机依次沿着聚乙烯转化层厚度方向布置。
优选的，所述双层V形排列微通道板作为电子倍增器件，由两个微通道板叠加组成，两个微通道板的微通道成V字形排布，放大增益约为106。
优选的，所述微通道板与荧光屏之间设置有加速电场，微通道板与荧光屏之间间隙为2mm，间隙通有2kV的电压。
本实用新型的有益效果如下；
1、本实用新型的结构使中子打在聚乙烯片上所产生的反冲质子在聚乙烯片上的运动时间小于30ps，且所采用的二次电子倍增器件MCP的时间响应极快，故基于本实用新型结构的快中子成像探测器具备较高的快中子灵敏度、ps量级的时间响应；
2、本实用新型通过添加了聚乙烯阵列结构，相比平板转换层，该结构增加了反冲质子的发射面积，且更多份额的质子能从聚乙烯中逃逸出来，反冲质子的转换效率得到提升，从而提高了探测器的探测效率；
3、本实用新型通过添加了阻止层结构，降低了反冲质子能量，减少了反冲质子的发射角度，使得反冲质子在微通道板中的串扰降低，进而改善了快中子成像探测器的空间分辨；
4、本实用新型通过添加了微通道板和荧光屏之间电场，减少了倍增电子在探测器中的位移，从而降低了电子在空间上的发散，提高了快中子成像探测器的空间分辨率。
附图说明
图1是本实用新型的基于聚乙烯的MCP快中子探测器优化系统示意图；
图2是聚乙烯转化层后添加立方体阵列结构的示意图；
图3是聚乙烯阵列的反冲质子转化效率与聚乙烯立方体阵列结构高度的依赖关系图；
图4是改进后的快中子微通道板成像探测器空间分辨的MTF曲线图。
附图标记：1、聚乙烯转化层；2、聚乙烯立方体阵列结构；3、阻止层；4、双层V形排列微通道板；5、荧光屏；6、CCD相机。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本实用新型，在此本实用新型的示意性实施例以及说明来解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
实施例1
如图1和图2所示，聚乙烯转化层1在厚度方向上的一侧依次设有聚乙烯立方体阵列结构2、阻止层3、双层V形排列微通道板4、荧光屏5和CCD相机6。双层V形排列微通道板4和荧光屏5之间有2mm的间隙，施加2kV的电压以缩短电子在探测器中的位移，降低电子在空间分布上发散。入射的快中子与聚乙烯转化层1和聚乙烯立方体阵列结构2中的氢发生弹性碰撞产生反冲质子，通过阻止层3降低反冲质子的发射能量和发射角度，入射到双层V形排列微通道板4中产生二次电子并使其倍增，倍增后的电子轰击在荧光屏5上并发光，使用置于荧光屏5后方的CCD相机6获得输出图像。
如图2所示，为平板聚乙烯转化层1后均匀排布的聚乙烯立方体阵列结构2，一方面带有一定角度发射的反冲质子不会被损耗在转换层中，可以从侧面逃逸，另一方面与平面结构相比，立方体结构提供了更大的反冲质子发射面积，使得反冲质子转换效率得到大幅提升，且反冲质子的转换效率与束斑面积内的立方体阵列侧面积占比成正相关。
如图3所示为聚乙烯立方体阵列结构2的高度与反冲质子转换效率的关系。随着聚乙烯立方体阵列结构2高度的增加，呈现增加的趋势，相较于聚乙烯转化层1后方无聚乙烯立方体阵列结构2时，质子转换效率由0.38％显著增加，验证了聚乙烯立方体阵列结构2结构对于反冲质子转换效率的改善效果显著。
如图4所示，采用调制传递函数(MTF)来评估探测器输出图像的空间分辨率，MTF描述了光学系统如何传输不同的空间频率，即系统对各种细节的成像能力，本实例中采用对应于MTF值10％的空间频率用于确定探测器的有效空间分辨率，得到相较于未改进基础上空间分辨率提高了约20％。
本实施例中：
一、通过添加阻止层3，降低了反冲质子能量，减少了反冲质子的发射角度，使得反冲质子在微通道板中的串扰降低，进而改善了快中子成像探测器的空间分辨，阻止层材料从具有低原子序数和高密度的材料中选择，实例中采用铝作为阻止层材料。
二、通过采用双层V形排列微通道板4，使得微通道板对于反冲质子的灵敏度和探测效率大大增加，同时增益可达106。
三、双层V形排列微通道板4与荧光屏5之间存在有2mm的间隙，间隙之间施加有2kV的电压，减少了倍增电子在探测器中的位移，从而降低了电子在空间上的发散，提高了快中子成像探测器的空间分辨率。
以上对本实用新型实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本实用新型实施例的原理，同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。
Claims (3)
1.一种提高快中子探测器转换效率和空间分辨的结构，其特征在于：所述结构包括聚乙烯转化层(1)、聚乙烯立方体阵列结构(2)、阻止层(3)、双层V形排列微通道板(4)、荧光屏(5)、CCD相机(6)，所述聚乙烯立方体阵列结构(2)、阻止层(3)、双层V形排列微通道板(4)、荧光屏(5)、CCD相机(6)依次沿着聚乙烯转化层(1)厚度方向布置，所述聚乙烯立方体阵列结构(2)包括有多个均匀排布的聚乙烯立方体。
2.根据权利要求1所述的一种提高快中子探测器转换效率和空间分辨的结构，其特征在于：所述阻止层(3)的材料为质子降能材料。
3.根据权利要求1所述的一种提高快中子探测器转换效率和空间分辨的结构，其特征在于：所述微通道板(4)与荧光屏(5)之间设置有加速电场。
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