CN1021849C - 检测和定位中性粒子的仪器和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一个用于对入射到一个板上的中性粒子流(14)作一维分析的中性粒子检测器，这个检测器包括一个按掠射方式放置的平面固体变换器(17)，一个用于气体受激电离的栅状电荷放大丝(18)和一个电荷收集导电条(19)，这些导电条位于最靠近变换器的一侧，它们的电位和变换器的电位相同，本发明适合于成象。

Description

本发明特别涉及一个检测和定位中性粒子流中的粒子的仪器和方法，这些粒子从发射源发射后在由限制光栏所限定的围绕中心方向的立体角内传播，该仪器包括：

一个相对中心方向成掠射角度放置的基本上是平面的固体变换器，该变换器适于在该中性粒子的撞击下产生电荷。

电荷放大组件，该组件用于使电荷的电位高于变换器的电位，而通过使周围的气体受激电离实现对电荷的放大作用。

电荷收集组件，它包括多根相互间是绝缘的细长导体，这些导体之间以及同变换器是基本平行的，其中的每根导体的轴线同该粒子流的中心方向 所构成的平面与变换器基本保持垂直。并且

一个能允许中性粒子透过的外罩，它里面装有变换器，电荷放大组件，电荷收集组件和气体。

公开号为0228933的欧洲专利申请公开了这种仪器。

采用这种仪器使中性粒子源例如X射线光子、Y射线光子或中子照射放在中性粒子源和仪器之间，大尺寸、高密度物体，并进行扫描时，能够得到该物体的高质量的像。

特别是用这种已有的仪器照射物体可以获得以前不能得到的对比度电位的象。

为了使这个可以与其它的公知系统相匹对的仪器具有更好的性能，从事中性粒子检测的专业人员对这个仪器表现出特殊的兴趣，他们试图寻找最优化方案，然而其结果是：既便是用这些适合于大尺寸、高密度物体成象。当公知仪器来勉强地用在小尺寸物体的成象时，它遭受分辨率限制，这种限制与一般系统相比更严重。

本发明就是为解决这个技术任务而提出的，它对这个已有的仪器做出的改进适合于这个仪器的各种应用，它给予额外的好处。

本发明提供了一个检测和定位中性粒子流中的粒子的仪器，这些粒子从发射源射出后在由限制光栏所限定的，围绕中心方向的立体角内传播。该仪器包括：

一个相对于该中心方向成掠射角度放置的基本上是平面的固体变换器，该变换器在中性粒子的撞冲下易于产生电荷。

电荷放大组件，该组件使电荷的电位高于变换器的电位，并通过使周围的气体受激电离实现对电荷的放大作用。

电荷收集组件，它包括多根相互间是绝缘的细长电导体，这些导体之间以及同变换器是基本平行的，其中的每根导体的轴线同该粒子流的中心方向所构成的平面都与变换器基本上保持垂直。

一个能允许中性粒子透过的外罩，它里面装有变换器，电荷放大组件，电荷收集组件和气体。

该仪器的主要特征在于该电荷放大组件包括多根与电荷收集导体不同的导电丝，以及该电荷收集导体连接到与变换器的电位接近的电位上。

在这里，“与变换器的电位相接近的电位”这个术语是指一个电位，它可以和变换器的电位相同，但在任何情况下也不能接近电荷放大组件的电位。因为对被受激电离放大的电荷来说是负电荷，而对被收集的电荷来说是正电荷，所以电荷收集导体是作为阴极。

此外，在已有的仪器中收集电荷的细长导体也用于电荷放大，而在本发明的仪器中放大组件和电荷收集组件是完全分开的。

通过把首先能适合于电荷放大组件，其次能适合于电荷收集组件的设计条件分开的布置，这种安排能够避免限制已有仪器分辨率的损害。

更具体地说，为了得到例如汤森德雪崩式受激电离现象，必须使电荷放大组件的电位比变换器的电位高一些，以及为保证所加的电场分布与电离放大作用相匹配，保持电荷放大导电丝彼此分离，而因为导电丝也用于收集电荷，它们的间隔最小距离直接限制了仪器的分辨率，所以，这些导电丝之间距离确定该仪器的分辨率。

由于摆脱了这一限制，使这些电荷收集导体之间距离减小，因此本发明能通过工艺手段大大扩展已有仪器的分辨率极限值。

在本发明仪器的一个具体实施例中，电荷收集导体放置在至少最接近变换器一个入射面，它们之间由一层绝缘材料分开。

在另一个实施例中，变换器是由组成电荷收集导体的共面的几个元件构成的。

最好，使这些电荷放大丝至少位于一个基本上与变换器平面平行的平面上，并且使每一根丝沿着基本上横向穿过电荷收集导体延伸的方向延伸。

“基本上横向穿过”这个术语在这里是指“不是近似平行”，换句话说是延着一个角度延伸，即是垂直或斜着，在所成的角度不小于20°延伸。

当着这个仪器用于小尺寸的物体成象时，可以使中性粒子源更靠近仪器，在这种情况，它变得对电荷收集导体有利，在保持这些电荷收集导体基本上互相平行的同时，应使这些电荷收集导体的取问朝向中性粒子源会聚。

由于在这个收集电荷导体的特殊的布置中，导体不再精确地相互平行，而只是大至平行，所以能够使发射源更靠近仪器，而避免了斜线问题。由于这个靠近的结果，到达仪器的粒子数目增加了，因此使最后的成象对比度提高了。另外，由于与较近的粒子源无关，这种安排还适于安装大尺寸的检测 器，它仍然不受斜线效应的损害。根据本发明电子荷收集导体和电荷放大丝是分开的，所以选择这样的导体布置不会在雪崩电场中出现分布问题，很容易进行这布置。

在工业上制造本发明的仪器时，绝缘材料最好用聚合物板，而该收集电荷的导体是由在该聚合物板上经刻蚀形成的铜印刷线路构成。

本发明还提供一个检测和定位中性粒子流中的粒子的方法，这些粒子从发射源射出后在由限制光柱所限定的，围绕中心方向的立体角内传播，该方法包括下列步骤：

在一个相对中性粒子流中心方向成掠射角度放置的基本上是平面的固体变换器接收该粒子，借此使该粒子产生电荷。

通过使周围气体受激电离放大该电荷。

至少在沿着基本上平行于该粒子流中心的方向上相间隔的各个位置上，收集入射到基本上平行变换器的一个平面上的电荷。

该方法的特征在于被收集电荷的极性同被受激电离放大的电荷的极性相反。

在一个特别适合于成象的本方法的一个方案中，收集电荷是在沿着电荷收集的印刷线的方向，这些印刷线在沿基本上与粒子流中心方向垂直的方向上是互相分开的，这些印刷线可以朝向中性粒子源合聚。

电荷放大步骤包括：在沿着若干条位于一个平行于变换器平面上的导电丝方向上，至少建立一个与变换器不同的电位+V，这些导电丝最好沿着横穿那些电荷收集印刷线方向延伸。

这个安排的显著优点在于，对于从变换器中产生的每一个电离粒子来说，由于受激电离产生的电荷可以分散到两个邻近的电位线上，而这些没有被检测出的电荷（即相应在那些印刷线上收集相反极性的电荷）要达到两个不同的电荷收集导电条上，由于每一条导电条横过这些导电丝，所以，每一根导电条对应若干条导电丝。因此，这个布置也有助于改进仪器的分辨率。

通过下述的非限定的实施例并结合附图可以更清楚地说明本发明的其他特点和优点。

图1是完成本发明方法的系统的正面图;

图2是沿着图1中的箭头Ⅱ方向看去的图1系统的侧示图;

图3是一个可以用在图1中系统的检测仪器的透视图;

图4是一个说本发明的方法和图3中的第一个实施例工作原理;

图5是一个图3中仪器的检测器组件的分解图;

图6是一个与图4类似说明图3仪器的第二个实施例的原理图。

在图1中，编号（1）代表中性粒子源，即X射线，γ射线光子或中子。在本发明的典型应用中，该粒子源（1）为X射线源，它的能量在250kev-750kev之间。

从射线源射出的粒子流经第一个准直器（2）缩小为射向安装在架（5）上的一排检测器（4）的激励束（3）。

一块或几块对发射的中性粒子不能透过的板材（例如，对X射线用铅板），安装在粒子源（1）和检测器（4）之间且最靠近检测器一端，在板上有一个直的狭缝（7），其中的每一狭缝构成对应的检测器（4）的准直器。

用座（8）代表的传动组件可以沿着箭头（9）指示的方向通过激励束（3）中移动，借助于它可以使被检测物体（10）在需要的时候通过光束（3）移动。这样，当物体在直线运动时，它通过光束（3）。

准直狭缝（7）沿着垂直于箭头（9）所指的平动方向延伸。

图3示出检测器（4）的具体结构，这个检测器适合构成本发明的仪器，与上述公开的欧洲专利申请所描述的相同，它包括：一个装有气体的外罩（11），该外罩能允许中性粒子透过，以及一个固定在架（13）上的检测组件（12）。

该气体可以用任何适合于通过受激电离（即专业人员所熟知的汤森德雪崩现象）产生电荷放大的气体混合物。根据这个要求，该气体可以由70%的氩气和30%的乙烷组成，其中的乙烷是作为淬灭物质，气体的压力为1巴左右。

检测组件（12）（参考附图4和5评述）主要是一个平面器件。用架（13）将它固定到能拦截掠射的中性粒子流的方位上，该中性粒子流透射过物体（3）和准直狭缝（7）后，并在平板（14）形状中传播。

检测器（12）和薄板状通量（14）两者最好都与对应的狭缝准直器的狭缝（7）垂直的平面垂直。

如图3所示，薄板状通量（14）在光栏由准直器狭缝（7）所限定的立体角内部传播，该立体角围绕相应于通过狭缝（7）的中心的粒子轨迹的中心方向（15）附近扩展。

透射过物体（10）一部分的薄板状通量（14）沿着垂直于它的传播方向有一个粒子强度分布，该分布反映了被粒子透射过部分的材料的性质和厚度，检测组件（12）的作用就是检测出这个强度分布。

正如图2所示，检测器是按照重叠方式安装的，这样可以使被激励粒子束（3）所照射的物体（10）的每一部分至少由一个检测器所观测到。

除了上述的之外，每个检测器（4）还配备一个允许气体通过的阀（未画出）和用于把来自外部的电位+V馈送到检测器组件（12）上，以及将该组件产生的信号馈送到外罩的外面的密封馈线装置，这些信号反映了在薄板状通量中粒子的强度分布，于是得到被该通量所透射过的材料的性质和厚度，该信号由导线（16）馈送出。

图4是一个进一步说明检测器组件（12）的分解图。

象这样的组件包括一个固体变换器，电荷放大组件和电荷收集组件。

变换器是一个相对于能量（14）成一个掠射角放置的薄平板（17），该入射角不为0，但小于10°，最好可选1°左右。当用X射线时，这个变换器可以由例如一块厚度为50-200微米的钽板构成。

变换器的作用是在来自通量（14）中的中性粒子的撞击下在外罩内产生电离粒子，其中的一个电离粒子的轨迹在图4中由点划线T₁所表示。

电荷放大组件包括：例如，多条最好制成很细丝状的导电丝（18），这些细丝同外部维持在正电位+V电源相连接，例如可以使它们保持约3000V的正电位。例如导电丝（18）也可以由不锈钢丝或镀金的钨丝构成，其直径为50微米，它们基本上互相平行，其间距为2.5毫米，它们在一个基本上与变换器平行的平面上，该平面距变换器为2mm左右，这些丝横穿中性粒子的传播中心方向（15）。

那些电离子的粒子如同沿着T₁传播的粒子一样引起在外罩（11）中的气体分子产生电荷，确切地说，它们引起了带负电的电子和带正电的离子。

这些电子由于受到接有正电位+V的导线的强力吸引而飞向导线，而同时它们又引起电荷的增加，即由于发生雪崩效应，所有的负电荷被导电丝（18）吸走，这些被导电丝（18）吸引负电荷的现象在图4中示意地用实线箭头例如T₂来表示。

除了上述的变换器和电荷放大组件之外，本发明的每个检测组件（12）还包括电荷收集组件。

虽然“电荷收集组件”这个术语已经先验地赋予给收集负电荷的导电丝（18），但这个术语在这里是指与那些导电丝（18）不同的导体。

具体地说，该电荷收集组件包括由多个连到上述导体（16）上的导电条（19），或者直接由这些导体构成。

这些导电条（19）由导体构成，并连接到一个与变换器的电位相接近的电位上，换句话说，这个电位相对导电丝（18）上的电位+V来说是负的。虽然导电条和变换器上的电位是相等的或相近的，但是这些导电条（19）之间以及它们同变换器之间是绝缘的。虽然变换器可以绝缘，以便采用浮动电位上，对接地的变换器与通过一个电容（25）也接地的导电条，这是可取的。

在这些条件下，虽然这些导电条的作用同只承担电荷放大作用的导电丝（18）不同，但是对于收集电荷这个作用来说是对称的，确切地说它们是作为阴极，在雪崩现象中产生的阳离子由于受导电条上负电位吸引而被这些导电条（19）所接收。这个现象在图4中用虚线箭头T₄象征性地表示。

这些导电条（19）之间可以大致互相平行，并在一个与变换器大致平行的平面上。在图4和5的实施例中，这些导电条位于最靠近变换器的每个入射表面一侧，其和入射表面的距离为15μ左右，这些导电条通常是沿着平行于中性粒子中心传播方向（15）在变换器（17）上的投影方向延伸。最后，这些导电条与该投影基本上垂直的方向互相隔开，但间隔的距离比导电丝（18）之间的间隔要小，其间距，例如可以小于1毫米。

每一个导电条（19）都经过穿过外罩（11） 的导体（16）同一个用编号（20）代表的电子器件相连接，该器件包括例如放大器以及进一步放大和对与放大器相连的导电条所接收的总电荷进行测量的电路。

每一个导电条（19）可以单独地连接到一个对所述导电条特定的电子器件（20）上，也可以采用通用的多种传输技术依次将一个测量每一个导电条上收到的电荷的电子器件（20）逐个地同每个导电条相接通。

因为这些电子器（20）是专业人员熟悉的，没有必要进一步说明，它们的功能在于能够获一个在荧光屏上的显示，最好还能够将对应于被各个导电条（19）收到的一组电信号存储在一个合适的电子存储器中，这些电荷本身表征了中性粒子所透过的材料的性质和厚度，这些中性粒子沿导电丝（18）的方向飞到变换器（17）的各个位置。

此外，根据本发明，也可以不使这些导电条（19）精确平行，而使每个导电条（19）都指向发射源（1），这个布置是可行的，也是有优越性的。虽然这样的布置会引起相邻两个导电条的精确平行度偏离一个很小的角度（即1/10度），但是可以通过将检测器（4）和发射源（1）向一起靠近的措施来消除这个斜线误差，这样的布置还可能使检测器接收到来自源（1）的中性粒子数量要比在检测器和发射源（1）之间距离比较大的情况接收到的中性粒子数量要多。

检测器组件（12）可以根据图5所示的结构来制造。

检测器组件（12）由一个相对于变换器（17）构成的中间层的对称结构堆积构成，在图5所示的布置中，位于变换器上方和下方功能相同的部件用相同的编号并分别附上字母S（上方）和i（下方）来区别。

绝缘材料板21S和21i（加工前的板材是商标为kaPton的商品）要用一种适合的聚合胶借助于夹具分别热压在变换器（17）的两个面上，这些板的厚度为12微米，每块板的外表面事先要用通常的方法镀上一层厚度为5μm的铜面层。

在将这些板粘到变换器上以后，用照相平板印刷术对每个铜层进行刻蚀，而只保留构成导电条（19）的直条部分。为了清楚起见，虽然在图5中只画出了少数几条（4条）强会聚的导电条，但在实际上，这些导电条的数目最好要很多（例如256条）而会聚得很弱，其会聚的程度取决于检测器和发射源之间的距离。

面层导体（16S）和（16i）一起连到同一个电子器件（20）上。

在导电条（19）的每个平面上有一个隔离架（22S）或（22i）等，每一个架在形状上与变换器（17）相似，是矩形的，它们的作用有二个：第一是支撑变换器（17），使变换器尽可能的保持平面的形状;第二，它们确定了在图5中的导电条（19）所在的平面和检测器较远的镀层之间沿着垂直方向的间隔。

每一个架（22S）、（22i）的厚度为1.5mm左右，可以用环氧树脂增强的玻璃纤维来制作，也可以用不锈钢等材料来制做。

但，在用不锈钢材料时，应该用绝缘材料使导电条（19）和架（22S）或（22i）之间隔开，以便防止各条导电条之间通过架发生短路。此外，对于下面的架（22i）的前沿部分应该用使中性粒子很容易透射过的材料来制作，以防止在变换器上产生阴影区。

上述每一个架（22s）、（22i）上有一个支撑板（23s）或（23i），其形状类似一个矩形架，可以用环氧树脂增强的玻璃纤维制作。导电丝（18）在这些支撑板面上延伸，支撑板朝向离开相邻架（22s）和（22i）的方向，这些导电丝在电气上互相连接，并同外罩（11）外面的电位+V相连。

一个附加的平面阴极（24S）或（24i）装在每个支撑板（23s）或（23i）上，并在电气上同导电丝（18）是电绝缘的，即采用适宜的绝缘垫块（24P）来保证，每个阴极电位和变换器（17）的电位是基本上相同的。尽管阴极是可以任选的，但是它们应能满足保证在导电丝（18）周围建立一个对称电场，以便有助于改善仪器的性能。

为了使附加阴极（24s）和固定它的支架（13）绝缘，可以将绝缘板（25）装在它的顶部。因为将阴极和支架的电位选取为彼此相等。例如等于地电位相同，那么板（25）的材料可以是任选的。

可以把图5中所示的由各种薄层构成的叠层结构用尼龙螺钉固定到支架（13）上，以便防止电位在各薄层之间输导。

虽然图5中所描述的实施例是对称的布置，但是普通专业人员将能根据这个实施例，在忘记图5中的放在变换器（17）的下方和上方的所有元件而构成一个检测器。

图6是本发明的另外的一个实施例的示意图，其中的变换器（17）是由共面元件（17a）、（17b）、（17c）等构成的，这些元件可以通过把一块钽板切断来获得，同时，它不仅作为变换器，还作为图4中所描述的一排收集导电条（19）。

共面元件17a、17b和17c等占据在被图4和5所述的导电条（19）的同样的位置，这些共面元件彼此之间是绝缘的，每一个元件各自通过一个电容器（25）与地相连，并且每一个元件既可单独地连接到至少一个电子器件（20）上，也可通过多路传输电路顺次和至少一个电子器件（20）上相接通。

在本发明的另一个不同实施例中，至少有一个附加阴极，例如（24s），可以用一个电荷收集导电条（19）的平面来构成。它既可以代替又可以在变换器的极近处放置电荷收集导电条或附加阴极直接地由变换器构成。

Claims (11)

1、一个检测和定位中性粒子流中的粒子的仪器，这些粒子从发射源射出后在由限制光圈所限定的、围绕中心方向(15)的立体角内传播，该仪器包括：

一个相对于中心方向成掠射角放置的基本上是平面的固体变换器(17)，该变换器在中性粒子的撞击下易于产生电荷；

电荷放大组件，该组件使电荷的电位高于变换器的电位，并通过使周围气体受激电离而实现对电荷的放大作用；

电荷收集组件，它包括多根相互间是绝缘的细长的导电体(19)，这些导电体彼此之间以及同变换器是基本平行的，并且，其中的每根细长导体的轴线同该粒子流的中心方向所构成的平面都与变换器基本保持垂直；

一个能允许中性粒子透过的外罩(11)，其中装有所说变换器、电荷放大组件，电荷收集组件和气体；

其特征在于，该电荷放大组件包括多根与该电荷收集导电体不同的导电丝(18)，以及该电荷收集导电体(19)的电位被规定为与变换器的电位相接近；所说仪器还包括测量组件，用以测量每一电荷收集导体收集的总电荷。

2、如权利要求1所述的仪器，其特征在于，这些电荷收集导电体安装在最靠近至少变换器的一个入射面，并且是被一层绝缘材料（21）分开的。

3、如权利要求1所述的仪器，其特征在于所述变换器是由共面元件构成的，这些元件构成了电荷收集导电体。

4、如权利要求1所述的仪器，其特征在于该电荷放大丝至少位于一个基本上平行于变换器平面的一个平面，每一根丝基本上横穿电荷收集导体延伸方向延伸。

5、如权利要求1所述的仪器，其特征在于该电荷收集导电体朝向中性粒子源（1）会聚。

6、如权利要求2所述的仪器，其特征在于该绝缘材料是由聚合板组成，还在于该电荷收集导电体是由在该聚合板上刻蚀形成的铜印刷条所构成。

7、一种专用如权利要求1所述的检测和定位在中性粒子流中的粒子的仪器中的方法，这些粒子从发射源射出后在由限制光圈所限定的围绕中心方向的立体角内传播，该方法包括下列步骤：

利用一个相对于中性粒子流中心方向成掠射角度放置的基本上是平面的固体变换器（17）接收这些粒子，借此使该中性粒子产生电荷;

通过使周围气体受激电离而放大该电荷;

至少在和沿着基本上平行于中性粒子流的中心方向（15）相间隔的各个位置上，收集入射到基本上平行于变换器的一个平面上的电荷;

其特征在于，该收集电荷的操作在于收集其极性同被受激电离而放大的电荷极性相反的电荷，且该方法还包括将所说收集到的电荷积累起来的步骤。

8、如权利要求7所述的方法，其特征在于是沿着电荷收集导电条（19）收集电荷，这些导电条是在沿着基本上垂直于粒子流中心方向相互分开的。

9、如权利要求7所述的方法，其特征在于，电荷是沿着多根电荷收集导电条收集的，这些导电条朝向中性粒子源（1）会聚。

10、如权利要求7所述的方法，其特征在于电荷放大步骤包括：在沿着若干条位于一个平行于变换器平面上的导电丝方向上，至少建立一个与变换器不同的电位（+V）。

11、如权利要求10所述的方法，其特征在于有确定电位的这些导电级（18）基本上沿着横穿那些电荷收集导电条方向延伸。

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