宇宙射线μ成像的精密漂移管位置灵敏探测器

摘要

本发明涉及核材料探测技术，具体涉及一种宇宙射线μ成像的精密漂移管位置灵敏探测器。其结构包括漂移管，漂移管的一端接高压和滤波电路，另一端接前置放大电路，前置放大电路与宇宙射线μ成像探测器阵列电路相连接，其中，所述的漂移管的阴极为薄壁铝管，阳极丝为镀金铼钨合金丝，阳极丝设置在薄壁铝管的中心位置，并通过薄壁铝管两端的定位端头固定，薄壁铝管内充有氩气和二氧化碳气体。本发明精密漂移管的研制为其工艺生产线的建立以及探测裂变核材料宇宙射线μ子成像技术奠定了技术基础，并大大降低了单管价格，使宇宙射线μ成像的造价由几千万降到几百万内，有利于该技术走向实用。

说明书

技术领域

本发明涉及核材料探测技术，具体涉及一种宇宙射线μ成像的精密漂移管位置灵敏探测器。

背景技术

9.11事件后，恐怖主义成为一种现实威胁，由于核恐怖因影响大、挑衅性大、后果严重而受到以美国为首的国际社会的高度重视，从而开展了一系列防止核材料和其他放射性物质被恐怖分子非法获取的行动，其中一项重要任务是防止核材料走私，但恐怖分子对特殊核材料(特别是²³⁵U、²³⁹Pu)进行少量分装和良好屏蔽后(如使用高原子序数材料铅、含氢物质聚乙烯和中子吸收体锂或硼材料作屏蔽材料)，在港口、边境及车站等地躲过常规被动探测设备的检测。全球47国领袖于2010年4月12日在美国召开全球核安全峰会，会议主题是反核恐问题，要求各国将打击军火级核材料走私、及脏弹原材料放射性物质的贸易列为核安全头等任务。集装箱走私货物或者核材料已经成为国际社会的一大公害，开发一种新的更有效的核材料检测方法成了一个亟待解决的问题。

就目前现有成熟的探测技术，没有哪一项技术可用于核材料(重物质)稽查，见表1。X射线探测技术在许多领域取得了很大的成功，可以用于扫描车辆和集装箱。新型的X射线扫描设备配以中子散射成像和X射线背散射技术，可用于检测藏匿于汽车、卡车或大型集装箱中的特殊核材料，但是X射线有几大缺陷：无法穿透高密度物质，对三维结构探测的工程复杂(这种检测设备需要在多个方向上的投影才可得到被检测物体的立体图像)，给乘车人员和操作者 带来了附加剂量，这限制了它的广泛应用。改进的中子和γ射线检测仪器具有高灵敏度的特点，能够一定程度上限制核材料的藏匿，但是对于少量封装良好的核材料则无法很好地发挥作用。

表1 目前可供选择的成像探测技术特性对比

国内20多家单位对宇宙射线μμ子探测有一定的研究，其中中科院高能所在高能射线探测方面有丰富经验，正比计数器、多丝正比室、多种类型漂移室、时间投影室、闪烁计数器、硅微条探测器、切伦科夫计数器、穿越辐射探测器、量能器等高能射线探测器方面、在读出电子学与仪器的总线标准、触发系统、在线数据获取系统方面、在蒙特卡洛软件GEANT、EGS、GARFIELD方面开展过大量研究；但未开展过μ子应用技术研究，在μ子成像技术方面属空白。

清华大学粒子成像实验室自2006年后开展了μ子成像技术研究，建立了基于RPC探测器的μ子成像系统，但由于选择RPC探测器的错误导致该技术未能取得成功，但该实验室到目前为止仍在开展相关技术研究。

探测裂变核材料的宇宙射线μ成像原理是基于测量宇宙射线μ穿过物质所发生的偏转角探知材料(原子序数Z)，对Z的分辨能力取决于位置灵敏探测器对宇宙射线μ径迹的位置分辨，表2列举几种位置灵敏探测器的位置分辨能力及性价比，比较的探测器包括漂移管(DT)、阴极条室(CSC)、翟间隙室(TGC)、阻抗板室(RPC)、多间隙阻抗板室(MRPC)、气体倍增器(GEM)。

表2 几种宇宙射线探测器的比较

探测器 DT CSC TGC RPC MRPC GEM 空间分辨率(μm) 80 100 5000 15000 15000 120 时间分辨率(ns) 40 7 4.3 2 0.075 20 平均效率(％) 98 98 99 95 95 -- 电子学依赖 高 高 中 低 高 高 软件依赖 高 高 中 低 低 高 工艺要求 高 高 中 低 中 高 单道成本 高 高 中 低 中 高，新技术 探测器体积 大 中 中 大 小 小

由表中可见DT位置分辨能力最好，研究精密漂移管位置灵敏探测器阵列开展宇宙射线μ成像技术的研究为最佳选择。

清华大学选用的RPC探测器在宇宙射线μ子探测方面的优点在于：探测面积可达几平方米，造价低廉，制作过程与工艺简单；具有可与闪烁体探测器相媲美的时间分辨率，一般RPC～ns，多层～10ps；很高的探测效率，95％以上；信号的读出很灵活。

RPC探测器在宇宙射线μ子探测方面的缺点在于：空间分辨率受到流光尺度(～2-3mm)限制；目前用的读出条宽多为3cm左右；采用多层高分辨RPC(mm)可提高分辨率到毫米，但电子学代价太高，mm级多层RPC制作工艺尚不成熟，而模拟计算的分辨率要求达到400μm；若选雪崩模式则可得到好的空间分辨率但信号小，且若为数字读出模式，则需很多路电子学，若为雪崩模式的重心法读出，虽可大大改善空间分辨率(1/20～1/50)，但电子学为小信号模拟量，贵且复杂；另一问题是必须用流气式，不方便，其中绿色氟里昂(C2H2F4)较贵，C4H10为易燃气。

表3比较了精密漂移管和RPC探测器在探测裂变核材料宇宙射线μ子成像的可行性分析。

本发明难点在于控制探测非法核材料的μ子探测器装置成本。μ子探测器 位置分辨的能力提高到微米级在技术上已可以达到，但工艺造价较高，且单位面积电子学的路数也相应大幅度提高，造价成正比升高，寻找技术指标与造价之间的最合理的关系也是该技术的最大难点。

表3 精密漂移管和RPC探测器在探测裂变核材料宇宙射线μ子成像可行性对比

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种灵敏度高、成本低的宇宙射线μ成像的精密漂移管位置灵敏探测器。

本发明的技术方案如下：一种宇宙射线μ成像的精密漂移管位置灵敏探测器，包括漂移管，漂移管的一端接高压和滤波电路，另一端接前置放大电路，前置放大电路与宇宙射线μ成像探测器阵列电路相连接，其中，所述的漂移管的阴极为薄壁铝管，阳极丝为镀金铼钨合金丝，阳极丝设置在薄壁铝管的中心位置，并通过薄壁铝管两端的定位端头固定，薄壁铝管内充有氩气 和二氧化碳气体；所述的定位端头包括用于固定阳极丝的螺旋铜管，螺旋铜管外设有环柱气塞，阳极丝穿过环柱气塞与端部的电极帽相连接，环柱气塞外设有起绝缘作用的端塞和起固定和导电作用的圆环端头，气路快插头与环柱气塞相连通。

进一步，如上所述的宇宙射线μ成像的精密漂移管位置灵敏探测器，其中，所述漂移管的阴极薄壁铝管的外径为30-50mm±0.05mm，壁厚为0.4±0.04mm。

进一步，如上所述的宇宙射线μ成像的精密漂移管位置灵敏探测器，其中，所述漂移管的阳极丝的直径为50μm±1μm。

进一步，如上所述的宇宙射线μ成像的精密漂移管位置灵敏探测器，其中，在所述定位端头的电极帽与气路快插头之间，以及气路快插头与端塞之间分别设有用于气路密封的O形橡胶圈。

进一步，如上所述的宇宙射线μ成像的精密漂移管位置灵敏探测器，其中，在所述定位端头的螺旋铜管端部设有用于顶紧螺旋铜管的圆环紧塞件。

本发明的有益效果如下：本发明提供了一种宇宙射线μ成像的精密漂移管位置灵敏探测器结构，其中精密漂移管的研制为其工艺生产线的建立以及探测裂变核材料宇宙射线μ子成像技术奠定了技术基础，并大大降低了单管价格，使宇宙射线μ成像的造价由几千万降到几百万内，有利于该技术走向实用。

附图说明

图1为本发明精密漂移管探测器信号获取电子学原理框图；

图2为本发明精密漂移管的管端电路和高压配电原理图；

图3为本发明具体实施例中精密漂移管的定位端头结构示意图；

图4为定位端头中螺旋铜管的结构示意图；

图5为从精密示波器获取的宇宙射线信号图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

漂移管探测器的漂移管探头由金属管阴极和中心丝阳极及充有一定气压的气体组成，宇宙射线μ子入射到漂移管内使气体电离，电场设计保证电离的电子漂移电场尽可能均匀，选择工作气体使漂移管工作在漂移速度的饱和区，则漂移时间与距离之间存在线性关系，实现位置灵敏测量。

漂移管的阴极为薄壁铝管，阳极丝为镀金铼钨合金丝，阳极丝设置在薄壁铝管的中心位置，并通过薄壁铝管两端的定位端头固定，薄壁铝管内充有氩气和二氧化碳气体。本发明的精密漂移管设计为外径30-50mm±10μm，壁厚400μm±20μm，同心率好于15μm；精密漂移管中心是镀金W-Re中央收集阳极丝，丝的张力为350土15g左右；定位端头的功能为丝固定、丝绝缘、丝定位、气体密封，其中端头外表面精度4mm，直径30-50mm±0.01mm，内部的铜管要被精确地加工成与漂移管的阴极铝管精确同心对称，其内部中心孔内径为50μm±10μm用于定位阳极丝，定位端头的螺旋铜管固定阳极丝的位置与端头外部参考表面可以达到10μm的精度，精密漂移管内充3bar绝对压强的Ar/CO2气体及其他改性气体，可充3800V以下的电压。

精密漂移管生产线须在洁净度优于万级的恒温恒湿实验室内进行，实验室温度范围20℃±1℃，相对湿度范围45％±10％；装配台需要长大于7米的专门 房间，配气室、加工室需要专门的房间，清洗室需要有单独的水循环系统，需要有去离子纯水站。

同时，漂移管制作要求如下：

(1)密封漂移管，保证3个大气压气体无泄漏；

(2)在阳极和阴极间设计高绝缘，设计保护环，确保电压高达4000V时，阳极和阴极间漏电流小于10^-16A/h；

(3)留出流气通路，可以使工作气体以流气方式工作；

(4)定位阳极丝，确保阳极丝中心相对漂移管定位精确参考表面的中心偏离小于10um；

(5)夹紧阳极丝，避免阳极丝在装配过程中打结、表面刮伤，确保阳极丝处于400g张力状态；

(6)夹紧铝管，确保铝管与漂移管定位精确参考表面的中心偏离的偏差小于10um；

(7)留出阳极、阴极电极接头，要求阳极与阳极丝很好地电学连接，减少信号损耗；

(8)漂移管端头设计接地和电磁屏蔽结构，减少暗电流和噪声；

(9)单精密漂移管探测器的机械定位总误差小于20um。

精密漂移管探测器信号获取电子学原理框图如图1所示，漂移管一端接高压和滤波电路，另一端加前放电路构成信号获取系统，送入宇宙射线μ成像探测器阵列电路(图中虚框部分)。精密漂移管探测器信号获取电子学主要指实框部分。

实施例

本实施例所提供的宇宙射线μ成像的精密漂移管位置灵敏探测器，包括漂移管，漂移管的一端接高压和滤波电路，另一端接前置放大电路，前置放大电 路与宇宙射线μ成像探测器阵列电路相连接，其中，所述的漂移管的阴极为薄壁铝管，阳极丝为镀金铼钨合金丝，阳极丝设置在薄壁铝管的中心位置，并通过薄壁铝管两端的定位端头固定，薄壁铝管内充有氩气和二氧化碳气体；所述的定位端头包括用于固定阳极丝的螺旋铜管，螺旋铜管外设有环柱气塞，阳极丝穿过环柱气塞与端部的电极帽相连接，环柱气塞外设有起绝缘作用的端塞和起固定和导电作用的圆环端头，气路快插头与环柱气塞相连通。

本发明研制了薄壁铝管，长度2米，外径30.00±0.05mm，壁厚0.40±0.04mm，偏壁≤0.06。

通过试制理清了国内工艺可达到的精度范围为：铝管圆度公差0.08；铝管直度0.5mm/m，铝管内壁光洁度≤Ra0.8。

研制了镀金铼钨合金丝，丝直径50μm±1μm，丝2Km长度均匀性达到2％，一致性达到2％；采取覆金工艺在钨铼丝外均匀外覆一层很薄均匀的金，丝张力达到500g；丝阻抗好于200Ω/m。

本发明设计了定位端头，主要目标是实现精密漂移管的部件连接、密封、定位、固定阳极丝、充气流气、电子学链接。定位端头在整个项目中是探测器系统最基础的位置定位装置，是精密漂移管的定位系统，定位技术指标最高，控制内容最繁杂、难度也最大。

定位端头的结构如图3所示，包括用于固定阳极丝的螺旋铜管5，螺旋铜管5外设有环柱气塞4，阳极丝穿过环柱气塞4与端部的电极帽1相连接，环柱气塞4外设有起绝缘作用的端塞9和起固定和导电作用的圆环端头8，气路快插头7与环柱气塞4相连通。在所述定位端头的电极帽1与气路快插头7之间，以及气路快插头7与端塞9之间分别设有用于气路密封的O形橡胶圈2、3，在所述定位端头的螺旋铜管5端部设有用于顶紧螺旋铜管的圆环紧塞件6。

定位端头的功能为丝固定、丝绝缘、丝定位、气体密封，其中端头外表面精度4mm，直径30-50mm±0.01mm，内部的铜管要被精确地加工成与铝管精确同 心对称，铜管定位靠管内螺旋形的铜管装置，螺旋铜管长10mm，直径5mm，结构如图4所示，其内部中心孔内径为50μm±10μm用于定位阳极丝，螺旋铜管固定阳极丝的位置与端头外部参考表面可以达到10μm的精度。

精密漂移管的工作气体采用Ar/CO2为93:7的混合气体,气体纯度99.9999％；3个绝对大气压下工作。

研制工作完成漂移管前端电子学读出系统，原理框图见图2，包括管端电路、高压配电和前端电子学，目前在管端电路和高压配电基础上采用精密示波器读出信号。

图5为从示波器获取的宇宙射线信号，由于宇宙射线μ在漂移管中电离的位置不同，漂移时间不同，表现为信号波形的差别，雪崩现象明显见于信号波形，经精密漂移管单管实验及与塑料闪烁体符合测量的实验证实，精密漂移管单管每分钟可以测到500个以上可以利用的宇宙射线μ子，该实验结果为宇宙射线μ成像技术径迹重建和成像计算提供准确基础数据，为其对探测材料的分辨能力提供探测限计算基础数据。利用该实验结果进行的模拟计算结果证实了在较短时间侦查较小体积非法核材料的可行性。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。