專利名稱：使粒子離子化的二維探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
和當(dāng)前的技術(shù)本發(fā)明涉及一種使粒子離子化的二維探測(cè)器。
例如，本發(fā)明應(yīng)用在具有強(qiáng)穿透能力的粒子成像領(lǐng)域。
具有強(qiáng)穿透能力的粒子(例如快速中子或者伽馬射線)的成像需要具有良好分辨率和高密封能力的探測(cè)器。
例如，這種類型的探測(cè)器用于氘(DD)或者氘(D)和氚(T)的混合物的聚變，該聚變通過(guò)使用高能激光惰性封閉。這些氫原子的同位素的聚變發(fā)生在其體積具有50μm的特征尺寸時(shí)。這些原子核聚變反應(yīng)在DT混和物的情況下伴隨著14.1MeV的快速中子的釋放或者在DD混和物的情況下伴隨著2.45MeV的快速中子的釋放?？焖僦凶佑凶銐蜷L(zhǎng)的自由路徑而從燃料中出來(lái)。中子的圖象定位在氫原子同位素燃燒的區(qū)域。中子的圖象或伽馬射線的圖象通過(guò)小孔或者編碼孔徑例如半影光柵或環(huán)形成。具有高探測(cè)能力和定位粒子的相互作用點(diǎn)的能力的探測(cè)器對(duì)于記錄這種圖象是必需的。
此刻，通過(guò)裝配成千的塑料閃爍劑的纖維來(lái)制造使粒子離子化的二維探測(cè)器，每一根纖維的長(zhǎng)度通常是在1到10cm之間并且形成探測(cè)器的一個(gè)象素。這種探測(cè)器顯示在附

圖1A和1B中。一組塑料閃爍劑纖維2被容納在圓筒1中。每一根塑料閃爍劑纖維2具有大約相同的直徑D，例如1mm。
附圖2顯示了一根塑料閃爍劑纖維。其由一個(gè)被具有低光學(xué)指數(shù)(一般是1.5左右)的管4包圍的具有高折射指數(shù)(一般是1.6左右)的塑料閃爍劑棒3構(gòu)成。被探測(cè)的粒子P(中子，伽馬射線)沿著與纖維軸平行的通道入射并且將其能量?jī)?chǔ)存在塑料閃爍劑中。產(chǎn)生了逆流離子I并且將一部分儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)化為初級(jí)光子Ph1，隨后轉(zhuǎn)化成二級(jí)光子Ph2和三級(jí)光子Ph3。三級(jí)光子Ph3形成可見(jiàn)的閃爍光，其被傳導(dǎo)到遠(yuǎn)至纖維的一端，在那里使用CCD(電荷耦合器件)探測(cè)器來(lái)記錄圖象。有效地探測(cè)具有很高穿透力的粒子例如快速中子需要幾公分的纖維。
為了使纖維長(zhǎng)度大于一公分，本技術(shù)限定最小的纖維直徑大約是0.5mm。
也已知，對(duì)圖象的取樣將源中的最終分辨率限定到象素尺寸的兩倍除以圖象系統(tǒng)的放大倍數(shù)。因此，在成像過(guò)程中，圖像系統(tǒng)的放大倍數(shù)應(yīng)當(dāng)為200左右以獲得小于源尺寸的空間分辨率，例如5μm左右的分辨率。于是將測(cè)量?jī)x器沿著長(zhǎng)距離延伸，其可以是大約大于十米。
此外，探測(cè)器是通過(guò)幾千象素一個(gè)一個(gè)的辛苦地裝配起來(lái)的。結(jié)果在象素的規(guī)則排列上不是很理想。此外，塑料閃爍光體纖維的硬度的缺乏和它們的高膨脹性使得要保證每個(gè)纖維之間的精確的同線性是不可能的。
此外，在塑料閃爍劑中快速中子的相互作用受氫原子上的彈性擴(kuò)散支配。因而，當(dāng)入射粒子(中子，伽馬射線)具有14.1MeV的能量時(shí)，逆流離子I將其能量?jī)?chǔ)存在直徑一般是1cm的圓筒中。因此，對(duì)于源中的空間分辨率的另一個(gè)限定是能量存儲(chǔ)寬度(圓筒直徑)除以放大倍數(shù)。
因而，根據(jù)現(xiàn)有的已知技術(shù)制造二維探測(cè)器受限于其中設(shè)置了這些探測(cè)器的儀器的性能。例如，在一個(gè)具有0.5mm直徑的塑料閃爍劑的纖維矩陣中，中子探測(cè)器的空間分辨率對(duì)于14.1MeV的中子來(lái)說(shuō)限于1.4mm，而對(duì)于2.45MeV的中子來(lái)說(shuō)則限于1mm。
本發(fā)明不具備上面提到的缺點(diǎn)。
本發(fā)明的公開(kāi)確實(shí)，本發(fā)明涉及一種使粒子離子化的二維探測(cè)器，其包括一個(gè)探測(cè)纖維矩陣，每個(gè)探測(cè)纖維形成探測(cè)器的一個(gè)象素并且包括一個(gè)發(fā)出閃爍光的閃爍劑，其特征在于每一個(gè)探測(cè)纖維由一個(gè)填充著液體閃爍劑的玻璃毛細(xì)管組成，其中選擇閃爍劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)使得初級(jí)閃爍光子的平均自由程相對(duì)于毛細(xì)管直徑來(lái)說(shuō)是忽略不計(jì)的。
在閱讀優(yōu)選的具體實(shí)施方式
并參考附圖后，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將變得清晰，其中-圖1A顯示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的使粒子離子化的二維探測(cè)器；-圖1B顯示了圖1A的詳細(xì)視圖；-圖2顯示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)在一個(gè)塑料閃爍劑纖維中探測(cè)離子化的粒子的相互作用。
-圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方式的使粒子離子化的二維探測(cè)器。
在所有的附圖中，相同的標(biāo)記表示相同的元件。
本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的詳細(xì)描述圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的使粒子離子化的二維探測(cè)器。
根據(jù)本發(fā)明的二維探測(cè)器包括一個(gè)填充著液體閃爍劑的毛細(xì)管矩陣6。毛細(xì)管基體6設(shè)置在大筒5中。例如，毛細(xì)管具有小于或等于500μm并且可以小至20μm的平均直徑d。毛細(xì)管中的玻璃的折光系數(shù)可以是例如1.49。毛細(xì)管的平行度小于100微弧度。入射粒子的路徑平行于毛細(xì)管的中軸線。
例如，液體閃爍劑具有1.57的折光系數(shù)。選擇液體閃爍劑的化學(xué)組成使得初級(jí)閃爍光子的平均自由程相對(duì)于毛細(xì)管的直徑來(lái)說(shuō)是忽略不計(jì)的。例如，在溶劑中誘導(dǎo)的初級(jí)閃爍光子的波長(zhǎng)將會(huì)是300nm。
液體閃爍劑是一種二元液體閃爍劑或者是一種三元液體閃爍劑。在第一種情況下，液體閃爍劑包含第一閃爍劑組分，其吸收初級(jí)閃爍的UV光子而發(fā)射具有更長(zhǎng)波長(zhǎng)，例如370nm的二級(jí)發(fā)射。在第二種情況下，液體閃爍劑除了包含第一組分外，還包含第二閃爍劑組分，其吸收第一組分發(fā)射出的二級(jí)發(fā)射，并且轉(zhuǎn)而以在400nm到500nm之間，例如420nm的波長(zhǎng)發(fā)射。在這兩種情況下，選擇液體閃爍劑的折光指數(shù)和形成毛細(xì)管的玻璃的折光指數(shù)以便將閃爍光導(dǎo)向毛細(xì)管的輸出端。
形成毛細(xì)管的溶劑例如可以是PXE(苯基-O-二甲苯基乙烷)。作為非限定的實(shí)例，這種二元液體閃爍劑的，空間分辨率是6μm在379nm處發(fā)射，而三元液體閃爍劑的空間分辨率是7μm，在420nm處發(fā)射。二元和三元閃爍劑可以是例如分別以參考號(hào)EJ-399-05C2和EJ-399-05C1銷售的組分。
優(yōu)選的是，液體閃爍劑包含氘。氘的使用可以有利于將中子的相互作用點(diǎn)周圍的中子能量?jī)?chǔ)存區(qū)域的寬度減小到二分之一。這種液體也可以包含鋰或者原子量大于鋰的元素的溶液。而且，閃爍發(fā)射的強(qiáng)度將會(huì)在幾納秒內(nèi)減小到1/e(e≈2.71828)。這種性質(zhì)也使得就每個(gè)飛行時(shí)間而選擇中子能帶成為可能。這種性質(zhì)也使得可以把中子與通常伴隨中子的生產(chǎn)而產(chǎn)生的光子區(qū)分開(kāi)來(lái)。由于它的性質(zhì)，二元閃爍劑具有少許幾十皮秒的上升時(shí)間。這種性質(zhì)是例如對(duì)于超快速的亞毫微秒電影攝影的應(yīng)用是必要的。
筒5包含裝配了一個(gè)能透過(guò)閃爍光波長(zhǎng)的玻璃窗口的第一壁7，和位于第一壁7之前的由可以反射這種波長(zhǎng)的鏡面制成的第二壁8。在筒中，毛細(xì)管被放置在窗口和鏡面之間并且它們的軸垂直于鏡面和窗口。被檢測(cè)的顆粒通過(guò)鏡面穿入探測(cè)器。通過(guò)窗口7收集閃爍光。這種光是以各向同性方式發(fā)射的，部分飛向鏡面的發(fā)射光被鏡面反射而返回到輸出口。
彈性膜9和10分別在筒的與毛細(xì)管的軸平行的頂部壁和底部壁上，它們吸收閃爍劑的熱膨脹。
例如，探測(cè)器的矩陣具有大約100×100mm2的截面積以及在從10到50mm的范圍內(nèi)的厚度E。它是由單片通過(guò)將包含多個(gè)元件束的大元件束復(fù)裝配而制成的。可以通過(guò)這種技術(shù)制備大截面積的單片電路探測(cè)器。制備優(yōu)選毛細(xì)管矩陣以遠(yuǎn)大于所需厚度的厚度，以保證毛細(xì)管之間良好的同線性(例如小于100微弧度)。
用于獲得直徑為1mm的填充了氘并且通過(guò)30kJ的激光爆聚的密閉容器的中子圖象的探測(cè)器的數(shù)字化的實(shí)施例在下面給出。毛細(xì)管矩陣是具有100mm的側(cè)面尺寸和50mm厚度的塊。每個(gè)毛細(xì)管具有250μm的直徑。液體閃爍劑具有1.57的光學(xué)指數(shù)并包含98％的氘。其相對(duì)于蒽的閃爍效率是80％并且其衰變常數(shù)是3ns。不銹鋼筒被鏡面和玻璃窗口封閉。四個(gè)彈性膜使得閃爍劑可以熱膨脹。
權(quán)利要求
1.使粒子離子化的二維探測(cè)器，它包括探測(cè)纖維矩陣和發(fā)出閃爍光的閃爍劑，其中每根探測(cè)纖維形成探測(cè)器的一個(gè)象素，其特征在于每根探測(cè)纖維是由一個(gè)填充著液體閃爍劑的玻璃毛細(xì)管構(gòu)成，選擇液體閃爍劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)使得初級(jí)閃爍光子的平均自由程相對(duì)于毛細(xì)管直徑(d)來(lái)說(shuō)是忽略不計(jì)的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的二維探測(cè)器，其特征在于所述的液體閃爍劑是二元液體閃爍劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的二維探測(cè)器，其特征在于所述的液體閃爍劑是三元液體閃爍劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的二維探測(cè)器，其特征在于用于液體閃爍劑的溶劑是PXE。
5.根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求的二維探測(cè)器，其特征在于所述的液體閃爍劑包含氘。
6.根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求的二維探測(cè)器，其特征在于所述的毛細(xì)管的直徑為20μm至50μm，長(zhǎng)度為10mm至50mm，并且毛細(xì)管矩陣具有大約等于100×100mm2的面積。
7.根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求的二維探測(cè)器，其特征在于所述的毛細(xì)管被安置在筒中，該筒包括配有能使閃爍光的波長(zhǎng)透過(guò)的玻璃窗口的第一壁(7)和位于第一壁(7)之前的由能夠反射上述波長(zhǎng)的鏡面制成的第二壁(8)，離子化的粒子通過(guò)鏡面穿入探測(cè)器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的二維探測(cè)器，其特征在于所述的筒包括頂部壁和底部壁，這些壁包含用于吸收熱膨脹的彈性膜(9，10)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種使粒子離子化的二維探測(cè)器，它包括探測(cè)纖維矩陣，每根探測(cè)纖維形成探測(cè)器的一個(gè)象素。每一根探測(cè)纖維由一個(gè)填充著液體閃爍劑的玻璃毛細(xì)管構(gòu)成，選擇液體閃爍劑的化學(xué)組成使得初級(jí)閃爍光子的平均自由程相對(duì)于毛細(xì)管的直徑(d)來(lái)說(shuō)是忽略不計(jì)的。本發(fā)明例如應(yīng)用于使粒子以高分辨率成象。
文檔編號(hào)G01T5/08GK1643400SQ03806922
公開(kāi)日2005年7月20日 申請(qǐng)日期2003年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月26日
發(fā)明者L·迪斯迪爾, A·費(fèi)多托夫 申請(qǐng)人:法國(guó)原子能委員會(huì)