一种双闪烁体补偿型脉冲X射线探测装置

摘要

本发明涉及一种双闪烁体补偿型脉冲X射线探测装置，它包括中空的金属外壳、设置在金属外壳两相对端的入射窗和出射窗、探测部件以及光电探测器，探测部件设置在金属外壳、入射窗和出射窗围成的空腔内，光电探测器通过金属外壳上设置的孔与空腔连通，探测部件包括无机薄膜闪烁体和有机薄膜闪烁体，无机薄膜闪烁体设置在入射窗内侧，有机薄膜闪烁体设置在出射窗内侧。本发明解决了现有的探测装置探测灵敏度不稳定、无法满足射线强度绝对测量的需求的技术问题，本发明具有灵敏度响应平坦，且具有较快的时间响应，可用于该能量段脉冲X射线辐射场强度的绝对测量。

说明书

技术领域

本发明属于辐射探测装置，具体涉及一种适于脉冲X射线强度绝对测量的闪烁探测装置。

背景技术

X射线强度和数目是脉冲X射线源和辐射场的主要参数之一，它直接决定X射线与物质相互作用的结果。因此，测量X射线绝对强度、数目及其随时间的变化成为脉冲X射线研究的核心内容。获得脉冲X射线辐射场的绝对强度、数目，要求准确知晓脉冲X射线源的能谱以及探测装置对不同能量X射线的响应(灵敏度)。然而，到目前为止，精确测量脉冲X射线源和辐射场的能谱技术上依然存在极大的困难，在这种情况下，要获得脉冲X射线的绝对强度和数目等参数，可行的方法之一就是探索和建立能量响应(灵敏度)不随X射线能量变化的脉冲X射线探测技术原理和系统结构，研制出能量响应平坦的探测装置。由于X射线与物质相互作用的截面与能量密切相关，要研制在较宽能谱范围内探测灵敏度恒定不变(能量响应平坦)的探测装置是一项技术难度很大的课题，也是脉冲X射线辐射场绝对测量一直想攻克的难题。

常见的一些探测装置并不具备能量响应平坦的特性，例如X射线二极管、半导体探测装置以及普通的闪烁探测装置均被用于脉冲X射线源强度探测方面研究，由于脉冲X射线源通常具有较宽的能量分布，这些探测装置测量结果直接反应的是剂量和剂量率，X射线辐射场强度需要根据辐射场能谱分布及探测装置能量响应回推，然而脉冲X射线能谱测量技术上存在很大的困难，通常根据轫致辐射理论谱来换算，由于实际的能谱分布与理论谱存在一定的差异，导致计算得到的强度起伏很大，难以满足目前强度绝对测量的需求。

发明内容

为了解决现有的探测装置探测灵敏度不稳定、无法满足射线强度绝对测量的需求的技术问题，本发明提供一种双闪烁体补偿型脉冲X射线探测装置。

本发明的技术解决方案：

一种双闪烁体补偿型脉冲X射线探测装置，它包括中空的金属外壳5、设置在金属外壳两相对端的入射窗6和出射窗7、探测部件以及光电探测器8，所述探测部件设置在金属外壳5、入射窗6和出射窗7围成的空腔10内，所述光电探测器8通过金属外壳上设置的孔与空腔10连通，其特征在于：所述探测部件包括无机薄膜闪烁体2和有机薄膜闪烁体3，所述无机薄膜闪烁体2设置在入射窗6内侧，所述有机薄膜闪烁体3设置在出射窗7内侧。

上述无机薄膜闪烁体2与入射窗6之间设置有吸收片1。

上述有机薄膜闪烁体3与出射窗7之间设置有背散射片4。

上述无机薄膜闪烁体2为掺杂氧化锌晶体，其厚度为0.1～0.5mm。

上述掺杂氧化锌晶体为ZnO:In或ZnO:Ga。

上述有机薄膜闪烁体3为塑料闪烁体，其厚度为0.05～0.5mm。

上述吸收片1为铁、铜、镍、锌或银金属薄膜材料，其厚度为10～200μm。

上述背散射片4为银膜，其厚度为50～200μm。

上述光电探测器8为半导体型光电探测器、光电倍增管或光电管。

本发明的优点是：

1、本发明利用有机薄膜闪烁体及无机薄膜闪烁体在几十到几百keV的X射线能谱响应互补原理，将两种薄膜闪烁体进行组合，形成补偿型闪烁脉冲X射线探测装置，该探测装置对能量几十至几百keV区间的X射线灵敏度响应平坦，且具有较快的时间响应，可用于该能量段脉冲X射线辐射场强度的绝对测量。

2、本发明采用了时间响应较快的闪烁体材料，例如ZnO:In及ZnO:Ga时间响应可达到亚纳秒，且超快的有机塑料闪烁体时间响应也在亚纳秒，通过配备超快的光电器件，该脉冲X射线探测装置时间响应可达到亚纳秒水平，能满足超快脉冲X射线的测量需求。本发明同样适用于该能段稳态X射线辐射场的强度测量。

3、本发明在入射窗和无机闪烁体之间设置吸收片，在出射窗和有机闪烁体之间设置背散射片，通过改变材料、调整其厚度，可对探测器能量平坦响应的能量区间进行调节，提高能量响应平坦的范围。

附图说明

图1为本发明双闪烁体补偿型脉冲X射线探测装置的结构示意图；

图2为有机薄膜闪烁体对X射线的能量响应相对曲线；

图3为无机薄膜闪烁体对X射线的能量响应相对曲线；

图4为本发明补偿结构下探测装置对X射线的能量响应归一曲线；

附图标记如下：1-吸收片，2-无机薄膜闪烁体，3-有机薄膜闪烁体，4-背散射片，5-金属外壳，6-入射窗，7-出射窗，8-光电探测器，9-光电探测器外壳，10-空腔。

具体实施方式

为实现探测装置在较宽的能量范围内响应平坦，本发明从射线与物质相互作用原理出发，对探测装置材料、结构及几何尺寸等进行设计，研制了X射线能量在40keV-800keV区间内响应平坦的脉冲X射线探测装置。

如图1所示为本发明一种双闪烁体补偿型脉冲X射线探测装置的结构示意图，它包括中空的金属外壳5、设置在金属外壳5两端的入射窗6和出射窗7、探测部件以及光电探测器8，探测部件设置在金属外壳5、入射窗6和出射窗围7成的空腔10内，光电探测器通过金属外壳5上设置的孔与空腔连通并通过电探测器外壳9固定在金属外壳5上，探测部件包括无机薄膜闪烁体2和有机薄膜闪烁体3，无机薄膜闪烁体2紧邻入射窗6设置，有机薄膜闪烁体3紧邻出射窗7设置，无机薄膜闪烁体2与有机薄膜闪烁体3相向而置。光电探测器8可以是光电倍增管、光电管以及半导体型光电探测器。

无机薄膜闪烁体2采用的是厚度介于0.1至0.5mm的掺杂氧化锌晶体，包括ZnO:In和ZnO:Ga，其它快响应的无机薄膜闪烁体也可用于该探测装置设计；所采用的有机薄膜闪烁体3为塑料闪烁体，厚度介于0.05至0.5mm。

为了提高能量响应平坦范围：在入射窗6与无机薄膜闪烁体2间有吸收片1，在出射窗7与有机薄膜闪烁体3间设有背散射片4。吸收片1可为铁、铜、镍、锌、银等金属薄膜材料，厚度介于10至200μm。背散射片4为厚度介于50至200μm的银膜。

下面结合附图对本发明进一步描述：

图2为不同厚度的有机塑料薄膜闪烁体对能量30keV至800keV之间X射线的响应曲线，不同厚度(0.1mm、1.2mm、0.3mm、0.5mm、0.8mm、1.0mm)薄膜的曲线变化趋势略有差别，较厚的有机闪烁体对X射线的响应随着X射线能量增加而增大，较薄的有机闪烁体在能量较高时响应略有下降。如图3所示，无机闪烁体ZnO:In薄膜对X射线的能量在该能量区间内与有机闪烁体变化趋势刚好相反。两种薄膜闪烁体对X射线的能量响应变化趋势相反，无机闪烁体对低能X射线响应较强，而有机闪烁体对高能部分响应较强，存在较好的互补性。

为便于光的收集，采取无机闪烁体在前、有机闪烁体在后的串列结构，光电探测器由侧面收集闪烁体发光。同时为使探测装置在较宽的能量范围内响应平坦，还需要在束流通道上设置一定的材料，通过改变辐射环境影响射线在闪烁体内能量沉积过程，进而调节响应曲线。在闪烁体前侧的衰减物质可以适当降低低能部分的响应，在闪烁体后侧设置的材料可以产生背散射电子对闪烁体响应进行补偿。探测器响应来自有机薄膜闪烁体及无机薄膜闪烁体两部分，而各自贡献的大小是个比例关系，具体是多少需通过实验测量决定，减小薄膜面积可降低其发光，进而降低其贡献。由于薄膜闪烁体对X射线响应曲线形状与薄膜厚度及所处的环境有关，而与薄膜闪烁体面积几乎无关，所以可通过调整闪烁薄膜相对面积，调节两种薄膜闪烁体的相对发光强度。有机闪烁体及无机薄膜闪烁体组合的脉冲X射线探测器结构示意图如图1所示：辐射探测部件处在圆柱型金属外壳5与入射窗6和出射窗7围成的空腔内；其中：无机薄膜闪烁体2处在探测装置前端紧靠入射窗6后侧，两者之间设置有吸收片1；有机薄膜闪烁体3处在探测装置后端位于出射窗7前侧，两者之间有背散射片4；金属外壳5侧面连接有光电探测器外壳9，其内部固定有光电探测器8。

该探测装置测量X射线的工作过程为：X射线经探测装置入射窗6进入探测装置内部，与辐射通道上的物质相互作用，作用产生的电子与无机薄膜闪烁体2及有机薄膜闪烁体3作用使之发光，闪烁体发光被侧面的光电器件8收集转换成电信号输出，实现X射线探测。此外该探测装置在工作中需要准直和屏蔽。

该探测装置材料及尺寸组合并不唯一，作为实施例，选取了0.3mmZnO:In掺杂氧化锌晶体材料的无机闪烁体和0.15mmST401有机闪烁体作为辐射探测材料，探测装置入射窗和出射窗均为0.2mm铝，间距为10cm，吸收片材料采用的是100μm铁膜，背散射片材料为0.1mm的银，光电探测器为低噪声的光电倍增管。该参数下获得的探测装置响应曲线如图4所示，在40keV至800keV间响应曲线波动约为5％。通过实验比较无机薄膜闪烁体和有机薄膜闪烁体的相对发光强度，选取两者直径分别为2.54mm及2.12mm。

发明原理：典型的硬X射线源能量覆盖几十到几百keV，根据对厚度较薄无机闪烁体和有机闪烁体在该能量区域的X射线灵敏度响应研究发现，两种薄闪烁体对X射线能谱响应曲线形状具有很好的互补性，通过有机闪烁体与无机薄膜闪烁体组合可以获得能量响应平坦的脉冲X射线探测装置。

本发明探测装置可被用于吸收法测量脉冲X射线能谱的相关研究。