专利名称：一种射线粒子的二维位置灵敏辐射探测装置的制作方法
技术领域：
本发明属于检测技术领域，特别涉及一种射线粒子的二维位置灵敏辐射探测
装置，具体说，这种装置具有一维或二维位置分辨能力，对质子(proton)、繆子 (muon)、电子(electron)等带电粒子具有很高的探测效率、很好的时间分辨能 力及高精度的位置分辨本领；在带电粒子的二维位置灵敏辐射探测装置的基础上 对结构材料表面稍做处理，就可以作为中子和或Y (X)射线的二维位置灵敏辐射 探测装置。
背景技术：
目前在质子成像、中子成像和Y (X)射线成像等领域中对射线粒子的探测普 遍采用闪烁体或半导体等介质制成的探测器系统，这些探测器有的位置分辨本领 可以达到微米量级，探测效率也较高。但这些探测器本身工艺和技术复杂、不易 做成大面积探测器、配套电子学路数多且价格昂贵，这些因素都制约了它们在大 面积面阵探测器中的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种射线粒子的二维位置灵敏辐射探测装置，其特征在 于，所述射线粒子的二维位置灵敏辐射探测装置是一种带电粒子、中子和伽玛射 线的二维位置灵敏辐射探测装置。在PCB板或柔性PCB板1上放置一维或二维信 号收集条；在阻性板5的一面上附着一层高压电极膜4，高压电极膜4上再涂覆 一层绝缘层3，并和一维或二维信号收集条2连接在一起；然后两个上述组件的 阻性板5的另一面相对，中间放置绝缘支撑丝或绝缘支撑柱6，组成单层的工作 气体空间。
所述工作气体空间的两个高压电极膜平面中间加设多层阻性板，分割得到多 个灵敏气体层，使得工作气体空间包括一层、两层、甚至几十层。
所述工作气体空间的厚度为50—200微米，或200 — 300微米，或300—400 微米，或400—500微米，或500—700微米，或700—1000微米，或1—2毫米，
或2—3毫米，或3—4毫米，或4一5毫米。
所述组成每一灵敏气体层的阻性板为表面平整的玻璃、电木或陶瓷；其阻性 板两个表面之间具有的电阻率为从1X105Q *cm—lX10sQ 'cm开始，以每一个 数量级为一档进行分档，至1X10"Q .cm—lX10"Q cm。
所述阻性板的厚度从200微米起选择，每间隔100微米为一档，至到1200 —1300微米档；
所述阻性板的一侧外表面上，粘贴或喷涂电阻率为lkQ/口 10kQ/口， 10k Q'/口 100kQ/口， 100kQ/口 lMQ/口， 1MQ/口 10MQ/口， 10MQ/口 100M Q/口或100MQ/口 1000MQ/口规格的高压电极膜。
所述在两个高压电极膜上分别加载正或负高压，或者一个电极膜为地电位， 另一个电极膜加载正或负高压；正负极膜之间的有效工作高压之和的数值选取为 2kV、 3kV、 一或18kV，使两个阻性板内表面构成的气隙空间中维持高电场强度。
所述两个高压电极膜的外表面粘贴厚度为0.05mm、 0. lmm、 0. 2mm、 0. 3mm、 0. 4ram、 0, 5mm、 0. 6mm、 0. 7mm、 0. 8mm、 0. 9mm或1,的Mylar膜、PET膜或聚酰 亚胺膜绝缘材料。
所述一维或二维信号收集条为具有电荷收集能力的细金属线条或小金属块 与PCB板或柔性电路板fPCB支撑结构构成信号拾取单元。
所述金属线条或金属块结构的宽度从400—600微米起选择，每间隔200微 米为一档，至到3.8—4.0毫米，或4.0—6.0毫米，或6.0—8.0毫米，或8. 0 一10.0毫米档。
所述金属条间距为从200微米起选择，每间隔200微米为一档，至到1. 8—2 毫米、或2 — 10毫米。
所述金属条或金属块的长度根据探测器面积大小选择，为1一10毫米、10— 100毫米、100毫米一300毫米、300毫米一600毫米、600毫米一900毫米或900 毫米一1200毫米长。
所述射线粒子的二维位置灵敏辐射探测装置作为带电粒子的二维位置灵敏 辐射探测装置时，所述阻性板的一侧外表面上粘贴或喷涂的高压电极膜为碳膜。
所述射线粒子的二维位置灵敏辐射探测装置作为中于的二维位置灵敏辐射 探测装置时，所述阻性板的一侧外表面上粘贴或喷涂的高压电极膜为含钆或硼的 薄膜，以提高探测装置对于中子的探测效率，使带电粒子的二维位置灵敏辐射探
测装置转变为中子探测装置；其含钆或硼的薄膜厚度为10—100nm， 100 — 400nm， 400 — 1000nm， 1 —2Mm，或2 —10Mm。
所述射线粒子的二维位置灵敏辐射探测装置作为Y或X射线的二维位置灵敏 辐射探测装置时，所述阻性板的一侧外表面上粘贴或喷涂的高压电极膜为含铅、 铋或钨的薄膜，以提高探测装置对于Y或X射线的探测效率，使带电粒子的二维 位置灵敏辐射探测装置转变为Y或X探测装置；其含铅、铋或钩的薄膜厚度为IO 一〗00nm， 100—400nm， 400 — 1000咖，1—2Mra，或2 — 10Mffl。
本发明的有益效果是该探测装置具有如下特点1.有效探测面积可以根据需 要灵活设计，可大可小。2.探测器响应时间快，探测器死时间短，可以承受高频 率的入射粒子辐照，使其可以探测高通量的入射粒子流。3.探测装置具有极高的 时间分辨本领，对入射粒子的时间测量精度可以达到小于100ps的水平。4.具有 很好的空间位置分辨本领，对粒子入射到探测装置平面上的一维或二维位置信息 可以达到几十到几百微米的空间分辨率。5.探测装置工作介质为一种或多种气体 的混合气体，可以采用流气式，也可以采用高气压式，具有成本低、性能稳定、 易于维护等特点。6.可以将多个这样的二维位置灵敏探测装置排列组合，做成覆 盖很大区域的大面积二维位置灵敏入射粒子探测装置，可以是平面的，也可以是. 曲面的。7.可以通过在阻性材料表面附着或蒸镀含钆或硼的薄膜来提高探测装置 对于中子的探测效率，也可以通过在阻性材料表面附着或蒸镀含铅、铋或钩等重 金属的薄膜来提高探测装置对于Y (X)射线的探测效率。
图1为用于探测入射粒子的探测装置的结构示意图。其中，图1A为单层的
工作气体空间，图1B为多层的工作气体空间。
具体实施例方式
本发明为射线粒子的二维位置灵敏辐射探测装置。用于探测入射粒子的探测
装置灵敏探测区域的一种典型构造如图1所示，在PCB板'1上放置一维或二维信 号收集条；在阻性板5的一面上附着一层高压膜4，高压电极膜4上再涂覆一层 绝缘层3并和一维或二维信号收集条2连接在一起，然后上述组件的阻性板5的 另一面相对，中间放置绝缘支撑丝或绝缘支撑柱6，组成单层的工作气体空间(如 图1A所示)。本装置的原理性描述如下探测器灵敏探测单元由绝缘支撑丝或绝 缘支撑柱或其它结构隔幵的单灵敏气体层(图1A)或多灵敏气体层(图1B)的 工作气体空间构成，工作气体成分可以有多种选择，通常包括氩气、氟利昂、异 丁烷、四氟化碳、二氧化碳或其它种类的气体中的一种或几种气体。构成每一层 灵敏气体层的两个阻性板5表面具有较高电阻率(电阻率可以为1X1()5Q ，cin— 1X10(A - cm ， lX10fiQ - cm—1X107Q cm， 1X107Q - cm—1X108Q cm， 1 X10"Q 'cm —1X109Q cm, 1X109Q 'cm—1X1010Q cm， 1X1010Q ctn—l XIO"Q cm, IXIO"Q ，一 1X1012Q cm， 1X10"Q cm—IX 10" Q cm) 的表面平整的阻性材料(例如玻璃、电木或陶瓷等)，阻性板材料厚度通常在200 一300微米，或300—400微米，或400—500微米，或500—600微米，或600_ 700微米，或700—800微米，或800—900微米，或900 — 1000微米，或IOOO— 1100微米，或1100—1200微米，或1200—1300微米区间。在这些阻性板5的外 表面t，粘贴或喷涂电阻率为lkQ/单位面积到10kQ/单位面积，10kQ/单位 面积到100kQ/单位面积，100kQ/单位面积到1MQ/单位面积，1MQ/单位面 积至lj 10MQ/单位面积，10MQ/单位面积到100MQ/单位面积，100MQ/单位面 积到1000MQ/单位面积等规格的高压电极膜4，高压电极膜4为碳膜或其它导 电薄膜，工作高压加载在高压电极膜4上。根据信号获取的需要，两个高压电极 膜分别加载正或负高压，或者一个电极为地电位，另一个电极加载正或负高压。 在电极上加载正或负的工作高压(正负极板有效工作高压之和可以取2kV， 3kV, 4kV， 5kV， 6kV， 7kV， 8kV， 9kV， 10kV， llkV， 12kV， 13kV， 14kV， 15kV， 16kV， 17kV， 18kV等数值)，使两个阻性板内表面构成的灵敏气体层中维持很高的电场 强度。在两个高压电极膜的外表面粘贴厚度为0.05mm，或0. lnim，或0. 2mm，或 0. 3mm，或0. 4咖，或0. 5咖，或0. 6ran，或0. 7咖,或0. 8跳或0. 9跳或lram
的Mylar膜、聚酰亚胺膜、PET膜或其它绝缘材料后，分，J或单独在某一个表面 粘贴具有一维或二维电荷收集能力的细金属线条或小金属块结构的PCB板、柔性
电路板fPCB或其它结构的信号拾取单元，将工作气体中的电离、雪崩或流光信
号感应到读出结构上的感应电荷信号收集后传输到后面的电子学系统。根据粒子
空间分辨的荽求，金属线条或金属块结构的宽度为400—600微米，或600—800
微米，或800 — 1000微米，或1 —1.2毫米，或1.2 — 1.4毫米，或1.4一1. 6毫
米，或1.6 — 1.8毫米，或1.8—2毫米，2—2.2毫米，或2. 2—2.4毫米，或2. 4
—2.6毫米，或2.6 —2. 8毫米，或2.8 — 3，或3. 0 — 3. 2毫米，或3.2—3.4亳
米，或3. 4 — 3. 6毫米，或3. 6 — 3. 8毫米，或3. 8—4. 0毫米，或4. 0—6. 0毫米，
或6. 0 — 8. 0毫米，或8. O—IO. 0毫米区间，金属条间距为200—400微米，或400
—600微米，或600 — 800微米，或800—1000微米，或1一1.2毫米，或1. 2—
1.4毫米，或1.4一1.6毫米，或1.6 — 1.8毫米，或1.8—2毫米，或2 — 10毫米
等。金属条或金属块的长度根据探测器面积大小选择，为1 —10毫米，或10 — 100
毫米，或100毫米一300毫米，或300毫米一600毫米，或600毫米—900毫米，
或900毫米一1200毫米长。
该探测装置第一个特点就是其有效探测面积可以根据需要灵活设计，可大可
小。该探测装置的第二个特点是探测器响应时间快，探测器死时间短，可以承受
高频率的入射带电粒子辐照，使其可以探测高通量的入射粒子流。该探测装置第
三个特点就是探测装置具有极高的时间分辨本领，对入射粒子的时间测量精度可
以达到小于100ps的水平。该探测装置第四个特点就是具有很好的空间位置分辨
本领，对粒子入射到探测装置平面上的一维或二维位置信息可以达到几十到几百
微米的空间分辨率。该探测器的第五个特点是探测装置工作介质为一种或多种气
体的混合气体，可以采用流气式，也可以采用高气压式，具有成本低、性能稳定、
易于维护等特点。该探测器的第六个特点是可以将多个这样的二维位置灵敏探测
装置排列组合，做成覆盖很大区域的大面积二维位置灵敏入射粒子探测装置，可 以是平面的，也可以是曲面的。该探测器的第七个特点是可以通过在阻性材料表 面附着或蒸镀含钆或硼的薄膜来提高探测装置对于中子的探测效率，也可以通过
在阻性材料表面附着或蒸镀含铅、铋或钨等童金属的薄膜来提高探测装置对于y (x)射线的探测效率。入射的粒子通过与绝缘支撑丝或柱构成的灵敏气体层中
的工作气体相互作用，在工作气体中电离出正负离子对(正离子和电子)，或与 构成灵敏气体层的阻性材料相互作用，产生次级粒子(主要是电子和Y或X射线)， 能量足够高的次级粒子在工作气体中进一步产生出正负离子对(正离子和电子)。 由于这些灵敏气体层中维持有很高的电场强度，这些正负离子对在电场的作用下 分离，分别向负正两个电极平面运动，这些带电粒子在运动的过程中不断将其路 径上的气体电离，产生更多的次级带电粒子，即产生了气体放大。大量的这些带 电粒子在运动过程中会在两边的感应信号拾取结构上感应出电荷信号。可以利用
具有-维或X、 Y 二维电荷收集能力的金属线条或金属块上收集到的信号电荷分
布，或者利用电荷信号最大处的收集条位置，或者读出线条两端电荷量差值或两
端信号到达时间差的方法得到入射粒子在一维或X、 Y 二维平面上的精确入射位 置。通过这种方式，实现对入射带电粒子位置信息的探测。基于上述构思，在探 测器结构的设计上，可以有很多选择。为了增加探测器单元对带电粒子的探测效 率，可以在两个高压电极平面中间加设由多层阻性板分割得到的多个灵敏气体 层，使得工作气体空间包括一层、两层、甚至几十层或更多层(如图1 (B)所示 为三层灵敏气体层结构)。为了提高探测器位置测量精度，每层灵敏气体层的厚 度为50—200微米，或200 —300微米，或300—400微米，或400—500微米， 或500—700微米，或700 — 1000微米，或1一2毫米，或2—3毫米，或3—4毫 米，或4一5毫米的范围内变化，这样也可以提高入射粒子的探测效率。 一维或 二维信号收集结构材料为PCB板基材或柔性PCB板基材(通常为聚酰氩胺)或 Kapton膜等其它高电阻率材料上设计金属条或金属块的信号拾取结构。为了结构 上或加工工艺上的方便，具有X、 Y 二维电荷收集能力的金属线条或小金属块平 面可以设计成X、 Y方向线条相互垂直，或者按照一定角度相交并由很薄的绝缘 材料分割开，或者X、 Y方向信号收集条平行设置，只是在部分区域两两交叉。 同样原理的二维感应信号拾取电极可以单独使用在一个信号拾取平面或者两个 信号拾取平面上。如果只在一个信号拾取平面上设置具有位置分辨能力的信号读出结构，在另一个相对的信号拾取平面也可以只是一个至属平面的感应电荷收集
结构或没有感应信号收集结构。每一个探测单元可以根据实际要求设计成io—
lOOcm2，或100—400cm2， 400—800cm2， 800—1200cm2，或1200—10000cm2的面 积，甚至更大。可以利用这些探测单元，搭建成具有不同探测灵敏区域和不同探 测器覆盖立体角的探测器系统。探测器信号拾取结构收集到的感应信号可以通过 电荷放大或电流放大后送到后端的电子学系统进行处理，也可以直接接到信号甄 别器上得到甄别信号来使用。
权利要求
1.一种射线粒子的二维位置灵敏辐射探测装置，其特征在于，所述射线粒子的二维位置灵敏辐射探测装置是一种带电粒子、中子和伽玛射线的二维位置灵敏辐射探测装置；在PCB板(1)上放置一维或二维信号收集条(2)；在阻性板(5)的一面上附着一层高压膜(4)，高压电极膜(4)上再涂覆一层绝缘层(3)并和一维或二维信号收集条(2)连接在一起，然后上述组件的阻性板(5)的另一面相对，中间两边各放置绝缘支撑丝或绝缘支撑柱(6)，组成单层的工作气体空间。
2. 根据权利要求1所述射线粒子的二维位置灵敏辐射探测装置，其特征在于， 所述工作气体空间中两个高压电极平面中间加设由多层阻性板分割得到的多个 灵敏气体层，使得工作气体空间包括一层、两层、甚至几十层的灵敏气体层。
3. 根据权利要求1或2所述射线粒子的二维位置灵敏辐射探测装置，其特征在于，所述组成每一层灵敏气体层的阻性板为表面平整的玻璃、电木或陶瓷；其 阻性板两个表面之间具有的电阻率为从1X1()5Q 'cm—1X106Q 'cm开始，以每 一个数量级为一档进行分档，至lXl(fQ *cm—1X1013Q 'cm。
4. 根据权利要求1或2所述射线粒子的二维位置灵敏辐射探测装置，其特征 在于，所述阻性板的厚度从200微米起选择，每间隔100微米为一档，至到1200 一1300微米档；
5. 根据权利要求1或2所述射线粒子的二维位置灵敏辐射探测装置，其特征 在于，所述阻性板的一侧外表面上，粘贴或喷涂电阻率为lkQ/口 10kQ/口， 10kQ/口 100kQ/口， 100kQ/口 細/口，腦/口 10MQ/口， 10MQ/口 100MQ/口或100MQ/口 1000MQ/口规格的高压电极膜。
6. 根据权利要求1所述射线粒子的二维位置灵敏辐射探测装置，其特征在于， 所述在两个高压电极膜上分别加载正或负高压，或者一个电极膜为地电位，另一 个电极膜加载正或负高压；正负极膜之间的有效工作高压之和的等数值选取为 2kV、 3kV、或18kV,使两个阻性板内表面构成的气隙空间中维持高电场强度。
7. 根据权利要求1所述射线粒子的二维位置灵敏辐射探测装置，其特征在于， 所述两个高压电极膜的外表面粘贴厚度为0. 05mm、 0. lmm、 0. 2mm、 0. 3mm、 0. 4mm、
8.
9.0. 5mm、 0. 6ram、 0. 7mm、 0. 8鹏、0.9mm或l咖的Mylar膜或聚酰亚胺膜绝缘材料。 8.根据权利要求1所述射线粒子的二维位置灵敏辐射探测装置,其特征在于， 所述一维或二维信号收集条为具有电荷收集能力的细金属线条或小金属块与PCB 板或柔性电路板fPCB构成信号拾取单元。
10. 根据权利要求1所述射线粒子的二维位置灵敏辐射探测装置，其特征在 于，所述金属线条或金属块结构的宽度从400—600微米起选择，每间隔200微 米为一档，至到3.8—4.0毫米，或4.0—6.0毫米，或6.0—8.0毫米，或8.0 一10.0毫米档。
11. 根据权利要求1所述射线粒子的二维位置灵敏辐射探测装置，其特征在 于，所述金属条间距为从200微米起选择，每间隔200微米为一档，至到1.8—2 毫米、或2 — 10毫米。
12. 根据权利要求1所述射线粒子的二维位置灵敏辐射探测装置，其特征在 于，所述金属条或金属块的长度根据探测器面积大小选择，为1一10毫米、IO— 100毫米、100毫米一300毫米、300毫米—600毫米、600毫米一900毫米或900 毫米一1200毫米长。
13. 根据权利要求1所述射线粒子的二维位置灵敏辐射探测装置，其特征在 于，所述射线粒子的二维位置灵敏辐射探测装置作为带电粒子的二维位置灵敏辐 射探测装置时，所述阻性板的一侧外表面上粘贴或喷涂的高压电极膜为碳膜。
14. 根据权利要求1或13所述射线粒子的二维位置灵敏辐射探测装置，其 特征在于，所述射线粒子的二维位置灵敏辐射探测装置作为中子的二维位置灵敏 辐射探测装置时，所述阻性板的一侧外表面上粘贴或喷涂的高压电极膜为含轧或 硼的薄膜，以提高探测装置对于中子的探测效率，使带电粒子的二维位置灵敏辐 射探测装置转变为中子探测装置；其含钆或硼的薄膜厚度为10 — 100nm， IOO — 400nm， 400 —1000nm， 1—2Wn，或2 — 10Mm。
15. '根据权利要求1或13所述射线粒子的二维位置灵敏辐射探测装置，其特 征在于，所述射线粒子的二维位置灵敏辐射探测装置作为Y或X射线的二维位置 灵敏辐射探测装置时，所述阻性板的一侧外表面上粘贴或喷涂的高压电极膜为含铅、铋或钨的薄膜，以提高探测装置对于Y或X射线的探测效率，使带电粒子的 二维位置灵敏辐射探测装置转变为Y或X探测装置；其含铅、秘或钨的薄膜厚度为10—100nm， 100 — 400nm， 400 — 1000nm， l一2Rn，或2 — 10Mm。
全文摘要
本发明公开了属于检测技术领域，特别涉及一种射线粒子的二维位置灵敏辐射探测装置。具体说，在PCB板上放置一维或二维信号收集条；在阻性板的一面上附着一层高压电极膜，其上再涂覆一层绝缘层并和信号收集条连接在一起，然后上述组件的阻性板的另一面相对，中间两边各放置绝缘支撑丝或绝缘支撑柱，组成单层的工作气体空间，或在两个高压电极平面中间加设由多层阻性板分割得到的多个灵敏气体层；这种装置具有一维或二维位置分辨能力，对质子、缪子、电子等带电粒子具有很高的探测效率、很好的时间分辨能力及高精度的位置分辨本领；还可以作为中子或γ(X)射线的二维位置灵敏辐射探测装置。
文档编号G01T3/00GK101339251SQ20081011496
公开日2009年1月7日 申请日期2008年6月13日 优先权日2008年6月13日
发明者骞 岳, 李元景 申请人:清华大学