具有高计数率的闪烁探测器的制作方法

本发明涉及闪烁探测器，尤其是用于中子的闪烁探测器。

背景技术：

闪烁探测器是根据闪烁来确定电离辐射的能量、强度和位置的测量装置。在闪烁探测器的闪烁体内，通过入射的电离辐射来产生闪光，闪光的数量取决于入射的辐射的能量。这些非常弱的闪光使设置在后侧的光电倍增器的光电阴极释放电子。这些电子通过在光电倍增器中的电极处的碰撞而增多。由此会在阳极处产生电流脉冲，该电流脉冲的振幅取决于入射的辐射的能量。作为光电倍增器的替代，也可设置光电二极管。

闪烁探测器可用于测量alpha辐射、beta辐射、gamma辐射或中子辐射，尤其是可根据闪烁体来进行测量。适用的闪烁体例如为掺杂铊的碘化钠、氯化镧或碘化铯。从文献ep2631676a1中可以得知一种用于中子的闪烁探测器，其具有包含⁶li的闪烁体。

具有尺寸为一平方米的闪烁表面的用于中子的闪烁探测器目前被限制到至少100khz至大约1mhz的计数率。另外，所能达到的分辨率(在各个方向上最小为8mm)导致在测量期间会产生很高的计算工作量，这是因为该分辨率仅能根据anger原理通过插补而被得到。这种闪烁探测器的维护和维修相对昂贵。所能达到的几何形状也相对受限。在初级束流的区域内，需要通过屏蔽物来保护闪烁探测器。

作为替代，可以使用用于探测中子的气体探测器。计数率能可靠地达到1mhz至1.5mhz。³he通常作为气体而被使用，但是它越来越有限。

技术实现要素：

本发明的目的在于建立一种闪烁探测器，通过该闪烁探测器能够得到高计数率和高分辨率。

为了解决上述问题，闪烁探测器包括权利要求1中的特征。由从属权利要求中能够得到有利的实施方案。

根据本发明的闪烁探测器的闪烁体由多个像素形成，这些像素通过间隙而彼此间隔开。作为备选或附加，闪烁体的表面被槽分成多个像素。这种结构不仅能带来非常高的分辨率。在使用多个探测器模块时，其还允许20mhz范围内的高计数率。

各个闪烁体像素之间的槽和/或间隙优选地填充有针对要被探测的光的反射材料，以便通过由此实现的各个像素的光学分离而通过进一步改进的方式来解决本发明的问题。由此能有利地避免串扰。例如可将硫酸钡用作为反射材料，以便通过改进的方式来解决本发明的问题。反射材料例如可通过粘合剂而连接。

作为反射材料的替代，可针对要被探测的光而使用吸收材料，以避免串扰。然而，反射材料具备较高的敏感度，因此是优选的。

像素大小可这样设置，即：其长度最大为8mm，优选地最大为6mm，更优选地最大为3mm，和/或宽度可最大为8mm，优选地最大为6mm，更优选地最大为3mm。通过槽而像素化的闪烁材料或转变材料也可相应地这样设置。

闪烁体的像素优选地包含⁶li，以便适当制造和进行中子探测。作为替代，可设置¹⁰b或其他中子转变物。不同的闪烁材料也是可行的。另外，在已经建立的不同材料之间进行选择也是可行的。

为允许以空间分辨的方式并以较高的计数率读出，多阳极的光电倍增器被认为是适当的。多阳极的光电倍增器能够将通过闪烁体产生的闪光转变成电信号。然而，多阳极的光电倍增器也可由适当的光探测单元所替代。

有利地是，闪烁体的像素大小与随后设置的光敏表面(在这里为光电倍增器)的阳极的尺寸对应。其他的光读出单元也可相应地这样设置。由此，在像素中产生的闪光几乎都能到达这里所描述的光电倍增器或相应的光读出单元的相对的阳极，从而能以高计数率和高空间分辨率进行探测。由此，在一个实施方案中，光读出单元的像素的长度最大为8mm，优选地最大为6mm，更优选地最大为3mm，和/或宽度最大为8mm，优选地最大为6mm，更优选地最大为3mm。

优选地，光读出单元的像素的长度至少为3mm，和/或宽度至少为3mm，由此不会使技术生产花费过高。

在一个实施方案中，闪烁探测器由多个模块形成。各个模块均包括自己的闪烁体，自己的光读出单元和自己的读出电子件。各个模块可以更换，且能使维护工作量和维修工作量降到最低。各个模块均有利地具有不大于52×52mm²的底侧表面。

从以下描述中能够得到其他的优势和实施方案，它们能带来进一步改进的计数率和/或高空间分辨率。

除了用于将光转变成电信号的光读出单元之外，闪烁探测器还包括：集成电子元件，通过该电子部件能使读出单元的信号放大和数字化；以及快速可编程逻辑器件，其用于对与中子相对应的逻辑脉冲进行时间分辨记录。

例如，包含⁶li的闪烁体像素是透明的。例如，可使用掺杂有⁶li的玻璃，在下文中将其称为锂玻璃。

在捕获中子的过程中，可发射蓝光，在的中子波长中的吸收系数可达到约98％。

在一个实施方案中，多阳极的光电倍增器例如具有用于探测光的活性表面，该活性表面相对于朝向闪烁体的整个表面约为89％，该闪烁体制造成尺寸为5.8×5.8mm²的各个阳极像素之间的距离为6.08/6.26mm(内侧/外侧)，或者尺寸为2.8×2.8mm²的各个阳极像素之间的距离为3.04/3.22mm(内侧/外侧)。其他的光读出单元也可相应地这样设置。

集成电子元件对光读出的各个信号进行放大和噪声过滤。

在一个实施方案中，集成电子元件包括用于各个信号的比较器，该比较器在可调节的阈值内产生逻辑输出信号。

有利地是，集成电子元件包括模数转换器，通过该模数转换器能测得阳极信号所产生的电荷量。

有利地是，提供可编程逻辑器件，该可编程逻辑器件能对测量模式和集成电子元件的比较器阈值进行设定(调节)。

有利地是，可编程逻辑器件可记录集成电子元件的逻辑信号，并按照时间顺序将它们汇总到内部存储器(记忆体)中。

有利地是，可编程逻辑器件可记录模数转换器的数据，并通过各个通道与尺寸相对应的方式将它们集中到内部存储器(记忆体)中。

有利地是，可编程逻辑器件包括用于访问或分别传输记录于内部存储器(记忆体)内的数据的外接口。

具体说，探测器在下游电子电路中包括带有内部存储区(记忆区)的可编程逻辑器件，该可编程逻辑器件接管多个任务。它能对测量模式和集成电子元件的比较器阈值进行设定，并能记录按照时间顺序汇总内部存储位置内的逻辑比较器的信号，还能记录针对每个通道对应于该尺寸的内部存储器中汇总的模数转换器的数据。此外，可编程逻辑器件还具有用于访问或分别传输记录于内部存储器内的数据的外接口，从而可通过带有屏幕的计算机来显示这些数据，以及分析和/或在文件中写入这些数据，以供随后进行评价。

由此而描述了模块化且可扩展的用于热中子的多通道探测器，通过将比较器阈值设定到所产生的信号的高度，该探测器能区分中子和gamma辐射。

具体说，可使用特定的光读出单元，例如多阳极光电倍增器(例如，市场上可买到的名为h8500、h9500)，通过非常紧凑地包装，这种特定的光读出单元可具有许多独立的光探测通道，这些独立的光探测通道具有小的表面，并能与相邻的通道几乎无界地连接(交叉)。由此，能够实现针对光探测的相对较高的分辨率和高活性表面，而这并不能通过单通道的光电倍增器来得到。用于探测光的高活性表面是尤其有利的，这是因为其能显著地确定光的被探测量，并由此能确定中子和gamma辐射之间的重要区别。由此，活性表面仅由优选地设置的多阳极光电倍增器的例如为1.5mm宽的外边界所限定，使得活性表面相当于总表面的89％。

在探测器中，多阳极光电倍增器的这些特性用于一个相应的实施方案中，以便将各个通道设置成用于热中子的独立的探测器。由此而得到的分辨率(例如为6mm或3mm)适用于中子散射中的许多应用。通常将包含⁶li的闪烁体像素用作为显示材料(evidencematerial)(例如，⁶li玻璃)，这种闪烁体像素会在捕获中子的过程中产生具有非常小的衰减时间的光。这种闪烁体像素的尺寸设计成按照面积，其大约能覆盖多阳极光电倍增器的一个通道。在相邻的像素之间仅保持有较小的填充了光反射材料的间隙。由此，能尽可能地避免所产生的光对相邻的通道产生干扰串扰，使得只有被撞击通道产生大量的电信号。在采用闪烁材料和底板材料进行夹层制造的情况下(其中仅闪烁材料通过槽而像素化)，通过底板材料中的反射能进一步抑制串扰。这可通过较低折射率的底板材料，并由此能产生内全反射而实现，或通过反射粘附或吸收层来实现。另外，上述两种措施的结合也是可行的。

电信号的处理可独立地且相对简单地实现，其目的在于根据信号的高度来区分中子和gamma辐射。作为第一步，对非常小的电信号进行放大和噪声过滤是适当的，以便在确定脉冲高度的过程中提高精确度。此后，将信号提供给比较器，在该比较器处通过可调节的阈值来区分中子和gamma辐射。如果结果为中子，则比较器产生逻辑脉冲。为了设定比较器的阈值可使用模数转换器，通过该模数转换器能够测量所产生的脉冲的高度。在一直方图中给出脉冲高度的数值显示时，能够看到所需阈值的值。由于模数转换器仅用于设定，因此可以采用通过借助复用通道进行转换的探测器的方案。

在一个实施方案中，为了确保探测器的模块化和扩展性以及信号处理的延伸，(当根据具体的正常操作而水平和垂直设置时)底侧表面的尺寸不超过光读出单元(例如，多阳极光电倍增器)的前侧表面的尺寸。因此，可通过集成电子元件而设置紧凑的方案。由此，单个模块例如包括52×52mm²的底侧表面。闪光探测器可包含多个这种模块。由此可保持维护工作量低。在维修的情况下，也可以非常容易地更换有缺陷的模块。这里的模块应理解为单元，该单元可用作为闪光探测器，特别地可以与其他模块组合在一起或独立于其他模块而用作为闪光探测器。

利用这种探测器可达到的计数率基本上由闪光体的衰减时间、光读出单元的响应时间(即，反应时间)来限制，例如由多阳极光电倍增器的最大阳极电流和放大且噪声过滤的电信号的时间常数来限制。最大阳极电流由特定的多阳极光电倍增器来固定地预设定，但是通过选择适当的闪光体和在信号处理中与其相关的时间常数，特别地还通过这里所描述的探测器的高分割性，能够实现按照面积的(与面积相关的)非常高的计数率。用于探测中子的活性面积可通过光读出单元(在这里为多阳极的光电倍增器)的边界和闪光体像素的间隙来确定。这导致用于中子的活性探测表面占总表面的比例为约85％，考虑到闪光体的吸收，其可实现针对中的热中子的高于80％的探测效率(显示效率)。同时，探测器的模块化结构允许其用于可扩展的设置，以得到大的表面，其中特性也以与表面相同的方式来按比例调节。

由此可通过根据本发明的探测器来实现以下优势。

对于例如用多阳极光电倍增器探测中子而言，通过闪光体的像素化，可实现单通道的处理。

通道的电子处理可独立地且相对简单地设置。

通过使用节省空间的、集成元件，电子件的尺寸可被限制到光读出单元的表面积。

能同时实现高空间分辨率、高计数率和高探测效率(显示效率)，这不能通过单通道的光电倍增器来实现。

探测器可由模块构成，以便形成大面积的探测器。由此能够对应于面积而按比例扩大有利特性。

闪光体可包括形状为玻璃板的基底或承载件，该基底或承载件优选为连续的。相比之下，例如由锂玻璃形成的闪光体的像素可彼此分开，并为了光学分离而包括位于像素之间的间隙，该间隙由反射材料(例如，硫酸钡)填充。

基底和像素彼此相连，特别地通过粘附层而彼此相连。市面上能买到的粘附剂或胶就适用于此。

在像素和光电倍增器或光读出单元之间还设置有另外的粘附层。其应尽可能地针对光而透明。

闪烁探测器尤其可制造成用于探测中子。然而，通过选择闪烁体的材料，探测器也可构造成用于探测其他辐射。

附图说明

在下文中，根据示例性实施方案而对本发明进行了详细描述。

其中：

图1显示了闪烁探测器的截面图；

图2显示了闪烁体的俯视图；

图3显示了带有承载件的闪烁体，该承载件的折射率大于闪烁材料的折射率；

图4显示了带有承载件的闪烁体，该承载件的折射率小于闪烁材料的折射率。

具体实施方式

图1显示了根据本发明的闪烁探测器的侧截面图。

闪烁探测器包括作为闪烁材料的承载件的玻璃板1，由锂玻璃形成的、面积为6mm×6mm的像素2通过粘附层3而与该玻璃板1相连。由闪烁材料形成的像素2彼此之间具有100μm的距离或间隙。在像素2之间的间隙内填充有硫酸钡。通过粘附层5，多阳极光电倍增器6与像素2相连。

通过多阳极光电倍增器6的插销7和框架8，评价用的电子件9处于多阳极光电倍增器6的下游并与该光电倍增器6相连。

承载材料(即，玻璃板1)与闪烁材料(即，像素2)相比具有较低的折射率，从而能通过进一步改进的方式来避免串扰。

根据箭头显示，在操作过程中中子撞击闪烁探测器。

如图1所示，在带有部件1、2、3、4的闪烁体后侧还设有探测器的其他部件，即光电倍增器6和评价用的电子件9，它们横向但不凸出于闪烁体设置，从而能通过适当的方式形成模块化结构。由此，在从玻璃板1处看的俯视图中，评价用的电子件的底侧表面和多阳极光电倍增器的前侧表面不凸出于玻璃板1。

图2显示了从像素2处看的视图中的闪烁体，像素2的面积(面)为6mm×6mm。

图3和图4显示了带有像素2的单个闪烁体，其中已经由于入射的中子而产生了闪光。从区域11开始，光按照箭头指示的方向传播。在图3的情况下，由玻璃形成的承载材料1的折射率大于像素2的折射率。在图4的情况下，由玻璃形成的承载材料1的折射率小于像素2的折射率。在图3的情况下，可能会发生由折射和反射引起的非预期的串扰。在图4的情况下可避免这种串扰。

如图3所示，当锂玻璃2的折射率小于承载玻璃1的折射率时，粘附层3对光的反射特性没有值得提及的影响。

在这种情况下，通过折射，在锂玻璃2内通过闪烁的方式发出的朝向承载玻璃1的光会进入到相邻的像素2内。由此，在像素之间会产生串扰，这会导致空间分辨率较差且干扰较高。

如图4所示，当锂玻璃2的折射率高于承载玻璃1的折射率时，粘附层3对光的折射特性没有值得提及的影响。在这种情况下，如图4所示，可发生内全反射，从而在像素2之间不会发生串扰。

然而，作为备选或附加，粘附层3可被选择成其能吸收玻璃板1散射的光，和/或其能使玻璃板1散射的光朝反方向反射。由此也能避免串扰。