伽马和中子辐射检测器的制作方法

专利名称：伽马和中子辐射检测器的制作方法
背景技术：
由于增加的恐怖活动，因此需要实用、高分辨率的伽马和中子辐射检测器，其可以检测放射性的“脏炸弹”和其它辐射源。此外，例如包括手持放射性同位素识别装置(HHRIID’s)的手持或便携式装置是高需求的。由于增加的性能要求，也规定了诸如ANSI N42.33(类型I)和ANSI N42.34等较新的标准。
伽马辐射光谱学的典型方法利用NaI，CsI，碲化镉锌(CZT)，锗酸铋(BGO)或者高纯度(HP)锗作为直接检测或者闪烁器材料。所希望的能够同时检测伽马和中子辐射的辐射检测器应该显示出改善的功能性和识别性能，也就是，应该能够区别可疑的辐射是否是能够容易地使用并且具有低的所有权总费用的自然发生辐射材料(NORM)、特殊的核材料(SNM)、医疗的、工业用同位素或者其组合。
改善的识别性能着重地依赖于能量分辨率，对此，基于HP Ge的检测器会具有几乎理想的特性。然而，对低温冷却的需要，以及在这种类型的检测器中材料的花费，严重地影响了功能性、使用性和所有权的总费用。诸如NaI、CsI(T1)或者(Na)、或者CZT等其它材料的解决方案遭受低能量分辨率，高价格，或者不能获得足够大的量，其也会排除满足上述需要和/或美国本国对于HHIRID’s的安全需要。
该问题通常通过将伽马和中子部件分成两个单独的检测器材料来解决。大多数现存的同时伽马和中子检测的组合利用材料组合，该材料组合没有提供适当的识别，不能被容易地使用，并且/或者具有高的所有权总费用。
因此，需要高分辨率组合的中子和伽马辐射检测器，其有助于解决至少一些上述涉及的问题。

发明内容
一个实施例可以包含由辐射触发的感应元件，其包含由伽马辐射触发的第一闪烁器；以及中子感应层，其包含由中子辐射触发的第二闪烁器。
一个实施例还可以包含允许伽马和中子检测的辐射检测器，该辐射检测器包含辐射感应元件以及光敏元件，该辐射感应元件包含伽马辐射感应第一闪烁器和中子感应第二闪烁器。


下述各个典型实施例的描述并不是打算并且不应该视为任何方式的限制。
图1显示了第一实施例的透视图，其表示了第一集成传感器方法，也就是光耦合的两个闪烁器。
图2显示了具有波长移动光纤的另一个实施例的透视图。
图3是一个设计的实例，其中，两个闪烁器没有光耦合。
图4是一个设计的实例，其中，慢化剂被用来在检测前热化中子。
图5是一个设计的实例，其中，单一波长移动光纤被采用。
图6显示了具有波长移动光纤的另一个实施例的透视图。
图7是利用波长移动光纤的另一个变化。
图8是一个设计的实例，其中，多个波长移动光纤被采用。
图9是一个不包括波长移动光纤的实例。
图10是一个设计的实例，其消除了闪烁器之间的光耦合。
图11是一个设计的实例，其消除了闪烁器之间的光耦合。
图12显示了不具有波长移动光纤以及设置在传感器的辐射入口侧的第二光敏元件的另一个实施例的透视图。
图13显示了不具有波长移动光纤以及设置在两个闪烁器之间的第二光敏元件的另一个实施例的透视图，。
具体实施例方式
图1显示了第一实施例，其表示第一集成传感器方法，也就是，与随后在下面第二方法部分讨论的具有分离的传感器的第二方法相比较，光耦合两个闪烁器。
第一方法在图1示出的第一方法的一方案中，引入了针对一检测器的方法和系统，该检测器允许使用在两个闪烁器(12，14)之间具有光耦合的单一感应元件10和双材料方法同时检测伽马和中子辐射。
特别地，图1中描述的伽马和中子检测器，利用两个不同的发光闪烁器材料(12，14)(一个用于伽马检测12，一个用于中子检测14)，一光敏元件(见光电倍增管(PMT)18)，以及电子设备(未示出)。当辐射与闪烁器碰撞时，光被发射并且由光敏元件检测。
电子设备处理来自于光敏元件的电子信号，并且从而确定是否一给定事件指示伽马射线或中子辐射。在伽马射线的情况下，电子设备还基于光敏元件中产生的电荷量确定伽马射线的能量。闪烁器(12，14)被特别地选择，从而它们具有不同的响应时间，使得可以基于脉冲波形分析在伽马和中子辐射之间进行区分。图1中，感应元件10可以包括第一LaX3:Ce(X＝Cl，Br，I)闪烁器材料12，具有特有的初速τ，其能够检测伽马辐射。此外，中子感应复合层16与光电倍增管(PMT)18耦合。中子感应复合层16既包含具有高的中子横截面(neutron cross-section)的元件，也包含设计成以初速τ’闪烁的不同于第一闪烁器12的第二闪烁器14。
因此，如图1所示，该系统会利用双材料方法，该方法包含具有特有初速，τ的第一闪烁器12，能够检测γ辐射。还包括中子感应复合层14，并且，这两个都与PMT18耦合。中子感应复合层14由具有高的中子横截面的元件形成，这些中子横截面被选择来根据与选择的特殊元件相关的核反应产生阿尔法粒子，以及具有特有初速τ’的第二闪烁器14的色散(dispersion)。该中子感应复合层14实际上对于入射的γ辐射是透明的，其会被第一闪烁器12收集，并由具有固有的特有初速τ的相关PMT18检测。采用证实的脉冲区别方法，来利用闪烁器之间在初速(τ≠τ’)中的差别，该双材料方法利用单一光敏元件和电子设备组件同时检测γ和中子辐射。由新种类的混合卤化镧LaX3:Ce(X＝Br，I)γ闪烁器材料的发展和优化辅助于该实施例，其具有显著的能量分辨率，从而，当与诸如低温冷却的高纯度锗(HP Ge)等现有技术相比较时，能够以相当低的花费启动高性能室温检测器。
重要的，本实施例采用了混合卤化镧，其具有显著的物理特性(高闪烁效率，高能量分辨率)，并且，当与诸如高纯度锗(HP Ge)等现有检测技术相比较时，能够以相当低的花费启动高性能检测器。本实施例还也可以在没有低温冷却的情况下，在室温下使用，使得它对于便携或手持检测器是理想的。中子感应复合层16将利用目前可获得的材料，并且会被整合到由现成的PMT18和电子设备组件构成的光检测系统中。
中子检测中子辐射检测通常利用诸如He或BF3气体比例计数器等被证实的技术执行。基于气体的检测器就组装和敏感性来说，受到限制，因此对于诸如HHRIIDs等应用是不实用的。这里如图1所示，我们建议了一不同的方法，使得能利用如对于γ辐射检测采用的相同的光敏元件和电子设备组件进行检测和区分。中子捕获和后续检测将会通过利用安置在第一γ闪烁器12和检测器盖之间的中子感应复合层16完成。如前面陈述的，该层16被选择包含具有高的中子横截面的元件，其能够产生高能粒子，作为核反应的结果，并且实际上对入射的γ辐射是透明的。此外，中子感应复合层16会包含第二闪烁器材料14，其会捕获产生的高能量阿尔法粒子，并且将它们的能量转换成由PMT18检测到的发光。第二闪烁器12应该具有低密度，在PMT敏感的地方(300-500nm)发射，不必激励La(Cl，Br，I)3发射，也不被La(Cl，Br，I)3发射激励，并且应该具有与第一γ闪烁器12不同的足够初速。适合的系统是商业上可获得的6LiF/ZnS:Ag组合，其会利用(4.8MeV)反应，导致具有80μs衰减时间的450nm发射(也见衰减时间图20)。
第二方法第二方法包含分离的并且非光耦合的两个闪烁器(12，14)，其有效地将检测器彼此分离。该方法描述了用于避免由在需要两个闪烁器的检测系统中另一个闪烁器中的闪烁光子被一个闪烁器光吸收引起的问题的方法和几何结构。通过消除对两个闪烁器彼此光耦合的需要来避免光吸收的可能问题。在一些构思的实施例中，或者通过将其中一个闪烁器与将信号传送到单一光敏元件(其也直接从第二闪烁器接收光子)的波长移动光纤耦合，或者通过结合第二光敏元件，例如，光电二极管，可以实现检测。
第二方法具有的优势在于，大大地降低了在两个闪烁器的发射和吸收光谱上的要求，因此增加了可以被用于每个功能(伽马和中子检测)的可能的闪烁器的数量。
该方法对比图1中示出的第一方法，其中两个闪烁器(12，14)被采用，并且闪烁器被光学连接或组合在一个整体的感应元件10中，从而获得伽马和中子辐射的检测。两个闪烁器彼此光耦合，并且被耦合到光敏元件18。如果任何一个闪烁器具有在从另一个闪烁器发射的波长范围内的光吸收，该方法可能具有性能限制。在这种情况发生时，来自于一个或两个闪烁器的闪烁光子的吸收可能降低被检测的光子的数量，并且还可能使得对于每个事件(伽马或中子吸收)所检测的光子的数量更依赖于闪烁器内的辐射相互作用的位置。此外，在检测到的闪烁中子数量上的减少会降低信噪比，导致能量分辨率(对于伽马射线)降低，以及降低区分伽马和中子辐射的能力。在检测到的信号中变化的增加作为相互作用位置的函数，也会降低检测器的能量分辨率(对于伽马射线)，并且可能降低区分功能。因此，如上所述，第一方法工作的很好，但是需要采用合适的闪烁器。
因此，第二方法通过采用新的设计概念克服了两个闪烁器之间光耦合的需要。
两个通常的设计改进的类别描述如下1)采用波长移动光纤，将其中一个闪烁器耦合到光敏元件，同时将第二闪烁器直接耦合到光敏元件，或者2)采用第二光敏元件，例如光电二极管，从而读出第二闪烁器。
对于两类设计(类1和类2)的改进描述如下类1如首先在图2和3中的实施例示出的，在类1的设计中，一个闪烁器，在这种情况下，第一闪烁器12直接与光敏元件耦合(例如，光电倍增管(PMT)18)，并且闪烁器12的剩余表面由适当的反射材料22覆盖(从而增加光的聚集效率)。第二闪烁器14在这种情况下被径向地设置，并且与波长移动光纤24(其剩余表面覆盖有适当的反射器材料)耦合(在至少一个表面)。从第二闪烁器14发射的光学光子被波长移动光纤24吸收。于是该能量在光纤内以较长波长重发射(注意波长移动是吸收和重发射过程的自然结果，但是波长上的变化不是本发明所需要的)。一小部分重发射的光子在光纤的数值孔径内发射，并且这些光子被光纤引导到光敏元件中。该设计的几种可能的实施例被显示在如下面详细描述的图中。
图3是一个设计的实例，其消除了闪烁器之间的光耦合。这是“类1”设计。第一闪烁器12是伽马闪烁器(在这种情况下是LaX3:Ce)，并且直接耦合到光敏元件(以PMT18示出)。来自于第二闪烁器14的发射在波长移动光纤24(具有交叉螺旋形式的多个光纤)中被吸收，该第二闪烁器是中子闪烁器(在这种情况下是ZnS(Ag)-LiF)，然后，重发射光子被引导入光敏元件中。可选择地，来自于中子感应闪烁器的光能够被散射到光纤中，在光纤中传播一距离，在光纤中被吸收，并且被重发射和引导到光敏元件中。除了交叉螺旋之外的其它光纤几何结构也可以被采用，也就是，其它将光引导到光敏元件中的光纤几何结构，如本领域技术人员可以理解的，也可以被采用。
图4是一设计的实例(“类1”)，其包括慢化剂(moderator)26，用来在检测前热化入射中子。第一闪烁器12的一个表面(在这种情况下是LaX3:Ce)没有被慢化剂26覆盖，从而低能量的伽马射线在没有显著衰减的情况下被检测到。在该公开中的任何设计中都可以采用慢化剂。
图5是图1中设计上(“类1”)的变化。在这种情况下，单一波长移动光纤24被采用，其以螺旋的形式被配置。
图6是一个配置的透视图，其中将第二闪烁器14配置在整体传感器元件10的辐射入口端，是利用波长移动光纤24的设计(“类1”)上的另一个变化。
图7是利用波长移动光纤的设计(“类1”)上的另一个变化，其中波长移动光纤是在ZnS(Ag)LiF表面上呈之字形，并且两端均耦合到PMT18。
图8是图7中设计(“类1”)上的变化。在这种情况下，多个波长移动光纤24被采用。从中子闪烁器或感应层16[在这种情况下是ZnS(Ag)-LiF]到光敏元件(在这种情况下PMT18)的光子转移的效率是通过减小全部光路长度(通过采用多个光纤)和通过消除光纤中的任何急弯(tight bends)而得到增加。
在图中，LaX3:Ce被用作伽马闪烁器12，ZnS(Ag)-LiF被用作中子闪烁器14。然而，这些选择仅被用作例子，因为可以在广范围的闪烁器材料的情况中使用同样的设计。因为波长移动光纤倾向于具有显著的光吸收，采用多光纤的设计通常是优选的，因为它们最小化了光纤中全部光路的长度(对于闪烁器和波长移动光纤之间的固定耦合区域)。类1设计也能够包括这样的设计，其中两个闪烁器彼此光学分隔(通过合适的反射材料)并且直接耦合到光敏元件，如图9所示。
在另一个实例中，由伽马辐射触发的第一闪烁器可以从这样的组中获得，这样的组包含Ce3+触发的组成，CsLnO(Cl，Br，I)2(Ln＝稀土元素，Y，La)，NaBaLaBr6，BaGdCl5，(Cs，Rb)Ba2Br5；钾冰晶石族材料的成员，LnCl3-LnBr3-LnI3固体溶液(Ln＝La，和Y)，CeCl3-CeBr3-CeI3固态溶液，A2LnX5:Ce3+(A＝K，Rb，Cs；Ln＝La，Y(X＝Cl，Br，I)族材料；MCl2-MBr2固体溶液(M＝Ca，Sr，Ba)，和ABX3，其中A＝Cs，Rb，K，B＝Ca，Sr，Ba，Mg，Ca，X＝Cl，Br，I。
在另一个实例中，第二闪烁器可以包含浓缩锂，其含有例如LiI，LiYSiO4，LiBaF3和基于Li的玻璃等材料。第二闪烁器还可以包含含锂材料。第二闪烁器还可以包含硼硅玻璃。
采用波长移动光纤的设计使得能采用具有相对差的光学特性的中子闪烁器。所有的设计可能从中子慢化剂(例如石蜡或聚乙烯)的加入中受益，从而在检测前热化中子(热中子对于在大多数材料中的相互作用比快中子具有更高的横截面)。
在所有的图和讨论中，假设中子闪烁器在检测器的外侧，并且与具有波长移动光纤的光敏元件耦合(在采用波长移动光纤的设计中)。这些假设由于下述的大量原因作出1.在多数情况下，伽马闪烁器比中子闪烁器需要更大的体积，因为伽马衰减长度可能比中子衰减长度长得多。因此，很方便的是将中子闪烁器作为一薄层，与伽马闪烁器的外侧耦合。
2.由于伽马射线具有相对长的衰减长度，它们大多数会通过中子闪烁器，而没有在其中相互作用。因此，包括中子闪烁器作为外层不会导致显著的伽马衰减。
3.沉积在中子闪烁器中的能量与沉积在伽马闪烁器中的能量相比较是大的(当锂反应被采用时，4.8MeV)。因此，与将伽马闪烁器耦合到具有波长移动光纤的光敏元件的情况相比较，当将中子闪烁器通过波长移动光纤耦合到光敏元件时，更可能获得好的信噪比。而且，对于伽马闪烁器，所希望的是具有好的能量分辨率，然而中子闪烁器不需要好的能量分辨率。因此，中子检测处理更能容忍在光传送系统中的损耗。
尽管有了上述的论点，但意图在于本公开还包括伽马闪烁器通过波长移动光纤与光敏元件耦合的设计以及两个闪烁器的几何结构被改变的设计。
类2类2在该类的设计中，采用两个闪烁器(一个用于检测中子，一个用于检测伽马射线)，并且采用两个分离的光敏元件。每个闪烁器被直接耦合到一个光敏元件上，并且每个闪烁器的剩余表面由反射材料覆盖(从而改善光的聚集效率)。两个这种设计在图10和11中示出。图10中示出的设计显示出，用来读出中子闪烁器的光电二极管的包含物设置在整个检测器的外表面上，这提供了对于低能量(大约＜25keV)伽马射线来说利用光电二极管28作为直接转换检测器的附加可能性。利用脉冲波形区分，来自于在二极管中吸收的伽马射线的直接转换事件能够被与来自于中子闪烁器中的中子相互作用的信号区分。此外，显示采用光电二极管的实施例在图12和13中示出。
在上述讨论中，光敏元件能够包括(但是不限于)光电倍增管、光电二极管、雪崩光电二极管、以及盖革式(Geiger-mode)二极管。
第二方法克服了通过新的设计概念在二个闪烁器之间光耦合的需要。该方法提供了下述优点1.因为两个闪烁器不是光耦合，所以闪烁器材料的选择可以在不考虑一个闪烁器中的发射和在另一个闪烁器中的吸收之间的相互作用而作出。这简化了闪烁器材料的选择，并且考虑到如果两个闪烁器被光学耦合而不会有效的组合。它还缓解了两个闪烁器具有可识别的衰减时间的限制。
2.用于从伽马射线中区分中子的电子设备硬件和软件的简化。在该方法中，中子和伽马射线事件由光敏元件接收光子信号来区分，而不是通过两个闪烁器材料之间的衰减时间差进行区分。这缓解了在情形1中单个光敏元件中产生的信号的更复杂时域分析的需要。
在检测器的外表面采用光电二极管或雪崩光电二极管(APD)的设计中(如图7中示出的)，该方法具有额外的优势，即通过在APD或光电二极管中的直接转换提供低能量伽马射线(小于大约25keV)的高能量分辨率检测。
与其中两个闪烁器被光耦合的设计相比较，通过在伽马射线闪烁器内最大化光聚集的均匀性，该第二方法能够改善对于伽马射线检测的能量分辨率。消除中子感应层中产生的光在伽马闪烁器中相互作用的需要，使得伽马闪烁器的设计更灵活，其最大化了选择具有更均匀性和以伽马闪烁器发射波长进行更低光吸收的材料的机会。这会导致更大的光聚集均匀性和更高的能量分辨率。
尽管上述和/或在这里要求保护的方法和装置已经结合优选实施例和附图进行了描述，但是应该可以理解的是其它相似的实施例可以被采用，或者在不背离其精神的情况下，对执行上述和/或这里要求保护的方法和装置相同的功能的描述实施例进行修改和增加。
部件列表

权利要求
1.一种由辐射触发的感应元件(10)，包含由伽马射线触发的第一闪烁器(12)，以及中子感应层(16)，其包含由中子辐射触发的第二闪烁器(14)。
2.权利要求1的感应元件(10)，其中由伽马辐射触发的第一闪烁器(12)，包含Ce3+触发的[La(Cl，Br，I)3]。
3.权利要求1的感应元件(10)，其中由伽马辐射触发的第一闪烁器(12)，包含基于卤化镧的材料。
4.权利要求3的感应元件(10)，其中基于卤化镧的材料包含掺铈的卤化镧。
5.权利要求1的感应元件(10)，其中第二闪烁器(14)包含ZnS(Ag)-LiF。
6.权利要求1的感应元件(10)，其中第二闪烁器(14)包含ZnS(Ag)-LiF；以及第一闪烁器(12)包含掺铈的卤化镧。
7.一种允许伽马和中子检测的辐射检测器，包含辐射感应元件(10)，其包含伽马辐射感应第一闪烁器(12)和中子感应第二闪烁器(14)；以及光敏元件。
8.权利要求7的辐射检测器，其中第一闪烁器(12)是基于卤化镧的材料。
9.权利要求7的辐射检测器，其中第二闪烁器(14)发射在300-500nm范围内的光。
10.权利要求7的辐射检测器，其中第二闪烁器(14)被构造成不激励第一闪烁器(12)，并且也不被第一闪烁器(12)激励。
全文摘要
一种由辐射触发的感应元件(10)或检测器，其包含由伽马辐射触发的第一闪烁器(12)，以及中子感应层(16)，该中子感应层包含由中子辐射触发的第二闪烁器(14)。
文档编号G01T3/00GK1892252SQ20061010647
公开日2007年1月10日 申请日期2006年6月27日 优先权日2005年6月27日
发明者T·A·克尼斯, A·M·斯里瓦斯塔瓦, S·J·杜克洛斯, T·F·麦努尔蒂, S·P·M·罗赖洛, L·L·克拉克, K·C·布尔, A·伊文, T·R·安德逊 申请人:通用电气公司