一种能量阈值可选的契伦科夫探测阵列屏制造技术

本发明专利技术涉及高能射线成像技术，具体涉及一种能量阈值可选的契伦科夫探测阵列屏，为解决现有技术中契伦科夫辐射体对应的能量阈值的调整范围非常有限的不足之处。本发明专利技术的能量阈值可选的契伦科夫探测阵列屏包括转换体阵列结构以及外部封装，转换体阵列结构包括平行排布的金属毛细管形成的阵列以及金属毛细管中填充的二氧化硅气凝胶，相邻金属毛细管之间密封不透光；金属毛细管作为二氧化硅气凝胶的包层，用于提高射线转换为次级带电粒子的效率，其中二氧化硅气凝胶的折射率为1.01

【技术实现步骤摘要】
一种能量阈值可选的契伦科夫探测阵列屏


[0001]本专利技术涉及高能射线成像技术，具体涉及一种能量阈值可选的契伦科夫探测阵列屏。

技术介绍

[0002]在高能量密度物理测量和宇宙高能射线诊断中，具有能量分辨的射线测量技术是精细化诊断的发展方向，是不断提高高能射线物理认识水平的必然需求。在建的超快伽马射线装置和惯性约束聚变装置诊断中，通过能量分辨的超快射线成像技术来诊断装置辐射区的形态参数演化和区分不同物理过程的作用机制是一项重要的手段。同时应用有效的能量卡阈探测技术减少低能散射或本底射线对信息的干扰，可获得更高质量的目标信息。在宇宙高能射线粒子物理诊断中，不同能量的高能粒子代表了不同天体物理演化信息，要求探测技术必须具有能量甄别本领。目前，射线探测技术主要以闪烁体为辐射转换体，闪烁体本身虽具有位置分辨和超快的时间分辨能力，然而闪烁体对各种能量的射线均有响应，无法对射线的能量进行甄别探测。
[0003]契伦科夫转换体兼具超快的时间响应能力(百ps级)和能量阈值特性。可以作为契伦科夫转换体的材料有气体、液体和固体，相对来说，固体易于加工形成阵列，气体和液体对灌封工艺要求较高。激发转换体辐射契伦科夫光子的射线能量阈值与转换体的折射率相关，折射率越大，对应射线的能量阈值越低，反之，射线的能量阈值则越高。现有可作为契伦科夫转换体的液体、固体的折射率均在1.2以上，对应较低的能量阈值，而气体的折射率较低，几乎接近于1，能量阈值较高，虽然通过改变气体压强可进一步提高折射率，但较为有限，而且高压气体使用不方便，因而采用现有契伦科夫转换体所对应的能量阈值存在一定的“盲区”，进而导致能量阈值的调整范围非常有限。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为解决现有技术中契伦科夫辐射体对应的能量阈值的调整范围非常有限的不足之处，提供一种能量阈值可选的契伦科夫探测阵列屏。
[0005]专利技术构思
[0006]本专利技术基于带电粒子和射线在材料中输运产生的契伦科夫效应，将带电粒子和射线信息转换成可采集传输的可见光信息。根据契伦科夫效应，如果介质中的带电粒子群速度超过介质中的光速，就会产生契伦科夫辐射，即只有大于一定能量阈值的带电粒子才能在材料中产生契伦科夫辐射，其产生契伦科夫辐射的能量阈值与材料的折射率有关。因高能射线(如伽马、中子)与介质作用可生成次级带电粒子，故高能射线也可实现基于契伦科夫辐射的探测。
[0007]二氧化硅气凝胶是解决折射率在1.01
‑
1.2之间契伦科夫转换体的一种重要材料，为该折射率范围所对应的能量阈值探测提供了解决途径。但单纯的块状或平板型气凝胶材料不具备图像探测和位置探测功能，因此，我们结合二氧化硅气凝胶和金属毛细管阵列，应
用每根金属毛细管独立导光的作用建立位置分辨功能，同时采用金属包层材料可提高射线向次级带电粒子的转换效率，开发折射率在1.01
‑
1.2之间的契伦科夫辐射探测阵列。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供的技术解决方案如下：
[0009]一种能量阈值可选的契伦科夫探测阵列屏，其特殊之处在于：包括转换体阵列结构以及外部封装，转换体阵列结构设置于外部封装内，外部封装用于保护转换体阵列结构，外部封装位于转换体阵列结构入射端和出射端的位置处留有通光孔；所述转换体阵列结构包括平行排布的金属毛细管形成的阵列以及金属毛细管中填充的二氧化硅气凝胶，相邻金属毛细管之间设置有不透光的密封材料；所述二氧化硅气凝胶的折射率为1.01
‑
1.2；射线或带电粒子由所述转换体阵列结构的入射端进入，在转换体阵列结构中产生契伦科夫辐射，转换为契伦科夫光子由出射端出射，金属毛细管作为二氧化硅气凝胶的包层，用于提高射线转换为次级带电粒子的效率。
[0010]进一步地，所述转换体阵列结构的厚度采用下式进行计算：
[0011][0012]其中，Z为二氧化硅气凝胶中产生的带电粒子的电荷，θ为辐射的契伦科夫光子的发射方向与带电粒子运动方向的夹角，λ1、λ2为契伦科夫光子的波长，N
p
为波长在[λ1,λ2]范围内出射的契伦科夫光子数，a为二氧化硅气凝胶对光子的线衰减系数，单位cm
‑1，l为转换体阵列结构的厚度，即金属毛细管的长度。
[0013]进一步地，所述金属毛细管的内径为0.4
‑
1mm，管壁厚度为0.1mm，所述二氧化硅气凝胶的直径与金属毛细管的内径相匹配。
[0014]进一步地，所述转换体阵列结构的厚度为10
‑
50mm。
[0015]进一步地，所述转换体阵列结构的厚度为30mm。
[0016]进一步地，所述二氧化硅气凝胶的折射率以及所对应的能量阈值分别通过以下公式计算：
[0017]n＝1+kρ
[0018][0019]其中，n为折射率，k为二氧化硅气凝胶密度和折射率的换算常数，通常取0.21；ρ为二氧化硅气凝胶的密度；m
e
为带电粒子的静止质量；c为空气中的光速；E
e,th
为折射率对应的能量阈值。
[0020]进一步地，还包括设置在所述转换体阵列结构入射端的转换靶，转换靶与入射端之间的间距小于2mm。
[0021]进一步地，所述转换靶的材质为铝、铍或碘化铯，厚度为2
‑
5mm。
[0022]进一步地，所述金属毛细管的材质为不锈钢，不锈钢内壁做抛光处理。
[0023]进一步地，所述外部封装的材质为铝，外部封装需进行发黑和磨砂处理，用于降低背景杂散光；
[0024]所述金属毛细管之间通过热红外固化胶固化。
[0025]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0026]1.本专利技术利用二氧化硅气凝胶作为光导制备折射率在1.01
‑
1.2之间的能量阈值可选的探测阵列屏，能量阈值高，大于MeV级，且折射率的调节范围较大，由于二氧化硅气凝胶仅能使能量高于能量阈值的带电粒子或射线激发契伦科夫辐射，因此使用二氧化硅气凝胶可以对阵列屏的入射射线或粒子能量进行分辨。
[0027]2.本专利技术通过将二氧化硅气凝胶设置成具有像素功能的光导阵列封装，作为能量卡阈契伦科夫探测器，具体为使用金属毛细管形成的阵列作为光导元件，阵列的每根金属毛细管中的二氧化硅气凝胶分别作为一个发光单元，使其在空间上具有位置分辨的作用，实现具有一定空间分辨能力的图像探测或位置分辨探测，使得阵列探测屏兼具能量分辨、位置分辨和超快的时间分辨。
[0028]3.本专利技术中金属毛细管结构使得通过二氧化硅气凝胶的射线与金属的接触面积被大幅提高，由于金属材质可以提高二氧化硅气凝胶内的射线转换成次级带电粒子的效率，因此通过增加接触面积进一步提高了射线转换成次级带电粒子的效率。
[0029]4.本专利技术所提供的契伦科夫辐射阵列屏，发光持续时间短，具有快的响应时间能力，达到百皮秒量级，无慢成份衰减时间，二氧化硅气凝胶可以稳定使用，安全性高。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种能量阈值可选的契伦科夫探测阵列屏，其特征在于：包括转换体阵列结构(3)以及外部封装(2)，转换体阵列结构(3)设置于外部封装(2)内，外部封装(2)用于保护转换体阵列结构(3)，外部封装(2)位于转换体阵列结构(3)入射端和出射端的位置处留有通光孔；所述转换体阵列结构(3)包括平行排布的金属毛细管(5)形成的阵列以及金属毛细管(5)中填充的二氧化硅气凝胶(4)，相邻金属毛细管(5)之间设置有不透光的密封材料；所述二氧化硅气凝胶(4)的折射率为1.01
‑
1.2；射线或带电粒子由所述转换体阵列结构(3)的入射端进入，在转换体阵列结构(3)中产生契伦科夫辐射，转换为契伦科夫光子由出射端出射，金属毛细管(5)作为二氧化硅气凝胶(4)的包层，用于提高射线转换为次级带电粒子的效率。2.根据权利要求1所述的一种能量阈值可选的契伦科夫探测阵列屏，其特征在于：所述转换体阵列结构(3)的厚度采用下式进行计算：其中，Z为二氧化硅气凝胶(4)中产生的带电粒子的电荷，θ为辐射的契伦科夫光子的发射方向与带电粒子运动方向的夹角，λ1、λ2为契伦科夫光子的波长，N
p
为波长在[λ1,λ2]范围内出射的契伦科夫光子数，a为二氧化硅气凝胶(4)对光子的线衰减系数，单位cm
‑1，l为转换体阵列结构(3)的厚度，即金属毛细管(5)的长度。3.根据权利要求2所述的一种能量阈值可选的契伦科夫探测阵列屏，其特征在于：所述金属毛细管(5)的内径为0.4
‑
1mm，管壁厚度为0.1mm，所述二氧化硅气凝胶(4)的直径与金属毛细管(5...

【专利技术属性】
技术研发人员：张美，盛亮，郭泉，李阳，段宝军，马继明，张艳红，宋岩，宋顾周，姚志明，严维鹏，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：