一种基于光学成像的单粒子能量测量装置及方法
【专利摘要】本发明涉及核技术应用领域，尤其涉及一种基于光学成像的单粒子能量测量装置及方法。本发明提出一种基于光学成像的单粒子能量测量装置及方法，利用单丝气体闪烁正比结构中的强电场将单粒子在气体闪烁体中产生的荧光倍增，再通过高灵敏高量子效率的成像装置对倍增强度的径迹荧光成像，就能得到单粒子的径迹发光图像，从图像提取径迹特征信息，进而实现单粒子能量的测量。
【专利说明】
一种基于光学成像的单粒子能量测量装置及方法
技术领域
[0001]本发明涉及核技术应用领域，尤其涉及一种基于光学成像的单粒子能量测量装置 及方法。
【背景技术】
[0002 ] 带电粒子包括重带电粒子(α粒子、质子P及其他重带电粒子)和轻带电粒子(β粒子 等），在此我们主要针对单个重带电粒子，简称单粒子。
[0003] 文献1"用于脉冲中子能谱测量的质子束光学成像方法研究[D].北京:清华大学工 程物理系，2013"公开了一种粒子束能谱的光学成像测量装置和方法。利用粒子束在气体闪 烁体中沿入射方向的径迹位置上激发气体发出荧光，荧光的位置指示粒子束的径迹点，荧 光的强度分布表征粒子束能量沉积的空间分布特征，用成像装置将径迹荧光记录得到径迹 图像。论文中公开的实验系统装置已成功获得质子束的径迹发光图像，但要求入射的质子 束强度至1〇 5,而对于单粒子，在气体闪烁体中产生的荧光极其微弱，成像装置的灵敏度和 量子效率都有限，直接成像很困难，因此很难利用现有装置系统通过光学成像方法来测量 单粒子的能量。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种基于光学成像的单粒子能量测量装置及 方法，用以解决现有技术通过光学方法不能测量单粒子能量的缺陷。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
[0006] 提供一种基于光学成像的单粒子能量测量装置，其特殊之处在于:包括单丝气体 闪烁正比结构、气体密封腔室及成像装置三部分；
[0007] 所述单丝气体闪烁正比结构包括一根阳极丝、若干根阴极丝、两块绝缘板和高压 模块;所述阳极丝处于单丝气体闪烁正比结构中心，两端分别与两块绝缘板的中心连接，所 述若干阴极丝与阳极丝平行等距离均匀分布，呈圆柱形包络，阴极丝两端分别与两块绝缘 板连接，所述两块绝缘板的相对位置分别设置一个粒子入射小孔；
[0008] 所述气体密封腔室包括腔体以及布置在所述腔体上的真空抽试阀门、充气阀门和 光学窗口；所述单丝气体闪烁正比结构位于腔体内部，高压模块位于腔体外部并与腔体内 的阳极丝连接，所述腔体上设置有一个与所述其中之一粒子入射小孔正对的粒子入射窗 口，所述腔体内部充满工作气体;所述阴极丝和腔体接地。
[0009] 所述成像装置的镜头与腔体上的光学窗口正对。
[0010] 所述两块绝缘板相对应的四个角之间设置有支撑柱，所述阳极丝、阴极丝及支撑 柱之间相互平行。
[0011] 所述阳极丝直径小于50μπι，阴极丝直径小于1mm，所述阳极丝与阴极丝都为导电材 料。
[0012]所述绝缘板的材料是陶瓷或聚四氟乙烯。
[0013] 所述粒子入射小孔位于绝缘板中心正下方5mm处。
[0014]所述粒子入射窗口采用钛膜密封。
[0015] 所述光学窗口为圆柱形石英玻璃，透光率大于90%。
[0016] 所述工作气体主要包括稀有气体和四氟化碳气体。
[0017] 本发明还提供一种基于上述装置的单粒子能量测量方法，其特殊之处在于:包括 以下步骤：
[0018] (1)将单丝气体闪烁正比结构置于气体密封腔室中，贴紧光学窗口，同时保证阳极 丝平行于光学窗口的平面，绝缘板端面平行于粒子入射窗口，粒子入射小孔与粒子入射窗 口的中心处于同一轴线上;腔体密封后抽真空、充入工作气体;高压模块给阳极丝提供稳定 高压，阴极丝与腔体接地，这样阳极丝和阴极丝之间就会产生均匀分布的电场，在阳极丝附 近区域电场最强;待测单粒子平行于阳极丝从粒子入射小孔入射到电场中的气体中，在阳 极丝附近强电场区域发生雪崩，使单粒子径迹荧光强度倍增；
[0019] (2)对成像装置调好焦距、景深和位置，对步骤(1)倍增的径迹荧光进行成像，得到 单粒子的径迹发光图像；
[0020] (3)对步骤(2)得到的单粒子径迹图像进行处理，并提取径迹特征信息：先对图像 降噪、滤波，然后对径迹径向积分得到径迹荧光强度沿粒子入射方向的分布，即Bragg曲线， 从中可以直观地读出Bragg峰位X P;通过对图像灰度和梯度的分析或者对径迹图像的直接 读取，获得单粒子径迹的末端位置Xr ;
[0021] (4)由步骤(3)得到的单粒子径迹特征信息获得单粒子的能量。
[0022] 所述步骤(4)包括以下步骤：
[0023] 4.1)建立单粒子能量与其径迹特征信息的具体对应曲线ΧΡ(Ε)或Xr(E);
[0024] 径迹焚光强度沿粒子入射方向的分布表征粒子沿入射方向的能量沉积分布；
[0025] 粒子沿入射方向的能量沉积分布为：
[0029] ε〇为真空中介电常数；
[0030] mo为电子的静止质量，e为电子电荷量；
[0031] v为入射粒子速度，z为入射粒子电荷数；
[0032] Z为靶物质原子的序数，I为靶物质平均等效电离电位，N为靶物质单位体积的原子 数；
[0033]故入射粒子的初始能量为：
[0035]式中：R为入射粒子的射程，可以从所述步骤(3)得到的单粒子径迹末端位置XR与 粒子初始位置X〇的差值直接获得，即R=Xr_X〇 ;
[0036]实验条件保持一致时，即公式（1)中除了v，其他变量都一定时，因粒子能量E = l/ 2mv2，其中m为粒子质量，粒子沿入射方向的能量沉积分布只随其能量E变化，故径迹特征信 息，包括Bragg峰位XP和径迹末端位置Xr都与待测单粒子的能量E呈--对应关系；
[0037]利用一系列已知能量的单粒子，通过所述步骤（1)至(3)对所述基于光学成像的单 粒子能量测量装置进行标定，建立单粒子能量E与其径迹特征信息中Bragg峰位XjP径迹末 端位置Xr的具体对应关系，得到以能量E为横坐标，Bragg峰位知或径迹末端位置X R为纵坐标 的标准曲线Xp(E)或Xr(E);
[0038] 4.2)从曲线Xp (E)或XR (E)直接获得待测单粒子的能量；
[0039]由所述步骤（3)得到待测单粒子径迹的Bragg峰位XP和末端位置Xr，带入从步骤 4.2)得到的曲线Xp (E)或Xr (E)的纵坐标，直接从曲线中读出对应横坐标，即直接获得待测单 粒子对应的能量E。
[0040]本发明的有益效果是：
[0041] (1)本发明利用单丝气体闪烁正比结构将单粒子荧光强度倍增，解决了单粒子径 迹荧光微弱的不足。
[0042] (2)本发明装置对单粒子荧光强度的放大倍数Μ可通过阳极丝和阴极丝之间的距 离b来调节。由于在本发明装置中，真空抽试阀门7、充气阀门8及光学窗口 9都可以加工在气 体密封腔室的腔体10上，腔室内部单丝闪烁正比结构中阳极丝1和阴极丝2之间的距离b可 以做到小于lcm。距离b越小，阳极丝1附近电场越强，荧光雪崩放大倍数Μ就越大。此外，距离 b越小，阳极丝1离光学窗口7和成像装置的距离越近，成像镜头12收集到的光子数越多。这 两方面的原因都会使得到的单粒子径迹图像随着b的减小而更加清晰。
[0044] (3)本发明测量单粒子能量的光学成像方法很直观、很简便，且方法灵活，能实时 给出测量结果。单粒子径迹图像反映其能量沉积分布，与粒子能量呈一一对应关系，根据单 粒子径迹发光强度沿入射方向的分布曲线(Bragg曲线)峰位或单粒子径迹的末端位置等径 迹特征信息都可以获得入射单粒子的能量。
[0045] (4)本发明能够测量多种带电粒子的能量，且可测量的能量范围较大，具体根据发 明装置的大小及工作气体的种类和压强等来选择。
[0046] (5)本发明可以进行粒子种类的辨别。相同能量的不同粒子在同样的介质中能量 沉积分布会不同，进而径迹发光图像会有差别，根据该特征进行粒子种类的辨别。
【附图说明】
[0047] 图1是一种基于光学成像的单粒子能量测量装置和方法示意图。
[0048]图2是一种单丝气体闪烁正比结构两端绝缘板的侧视图。
[0049] 图中，1-阳极丝，2-阴极丝，3-绝缘板，4-支撑柱，5-粒子入射小孔，6-粒子入射窗 口，7-真空抽试阀门，8-充气阀门，9-光学窗口，10-腔体，11-工作气体，12-镜头，13-相机， 14-高压模块，15-粒子准直器，16-入射单粒子。
[0050] 图3是基于本发明获取得到的单个5.485MeVa粒子的径迹发光图像。
[0051]图4是对应于图3单粒子径迹图像经过降噪滤波处理后的Bragg曲线。
【具体实施方式】
[0052]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作详细说明。
[0053] 一种基于光学成像的单粒子能量测量装置，参照图1，包括单丝气体闪烁正比结 构、气体密封腔室及成像装置三部分。其中单丝气体闪烁正比结构包括阳极丝1、阴极丝2、 绝缘板3、支撑柱4、粒子入射小孔5、工作气体11及高压模块14;气体密封腔室包括腔体10、 粒子入射窗口 6、真空抽试阀门7、充气阀门8及光学窗口 9;成像装置包括镜头12及相机13。 [0054] 单丝气体闪烁正比结构在实际应用中相对比较灵活，参照图1和图2,两端绝缘板3 最好用耐高压且放气少的陶瓷材料，可以做成长宽相等的长方体，厚度lcm左右，支撑体4固 定在绝缘板3周边，支撑整个结构，整体轮廓呈长方体结构；阳极丝1、阴极丝2及支撑住4之 间相互平行，阳极丝1和阴极丝2两头都分别穿过两端的绝缘体3焊接固定，并处于拉直状 态，阳极丝1两头分别固定在两端绝缘板3的中心位置，阴极丝2可选用6根、12根或18根，也 可以更多，都与阳极丝1距离相等，阴极丝2之间距离也相等，阴极丝2和阳极丝1的包络呈圆 柱形;绝缘板3还开有一个粒子入射小孔5,位于一个阴极丝焊点和阳极丝焊点之间，并靠近 阳极丝焊点，直径在比较合适，用于粒子入射到电场中；阳极丝1可以选用直径为20 μπι的镀金钨丝，阴极丝2可以选用直径为0.5mm的铜丝，绝缘板3必须为耐高压的绝缘体(最 好用耐高压且放气少的陶瓷材料，也可以选常用的聚四氟乙烯），支撑柱4为硬度较大的材 料，可选用直径为5_的铜棒或铝棒;工作气体11为一种或多种混合的闪烁性气体，包括稀 有气体、四氟化碳气体或其他闪烁性气体，常用纯四氟化碳气体或四氟化碳气体与稀有气 体的混合气体;在这种尺寸下，高压模块14给阳极丝1提供2500V-5000V高压，在阳极丝1和 阴极丝2之间的圆柱形区域产生电场，电场方向沿径向，在靠近阳极丝区域迅速增强。
[0055] 气体密封腔室形状也较灵活，但长方体最合适，参照图1，腔体10为不锈钢材料;粒 子入射窗口 6采用钛膜密封，钛膜厚度根据粒子穿透能力和气体压强来选定，若测量低能粒 子，选用百纳米到十微米，若测量高能粒子，厚度可以为几个微米;光学窗口 9为圆柱形石英 玻璃，厚度lcm左右。
[0056] 成像装置置于光学窗口 9外侧，镜头12为透镜组，相机13最好采用高灵敏高量子效 率的I(XD。
[0057] 基于本发明的单粒子能量测量装置，其测量方法包括以下步骤：
[0058] (1)将单丝气体闪烁正比结构置于气体密封腔室中，贴紧光学窗口9,同时保证阳 极丝1平行于光学窗口 9的平面，绝缘板3端面平行于粒子入射窗口 6。
[0059] (2)待测粒子可以从腔体10外侧经过准直器穿过粒子入射窗口 6入射到单丝气体 闪烁正比结构中，此时需要保证粒子入射小孔5、粒子入射窗口 6以及准直器的中心都处在 同一条轴线上，便于粒子入射到阳极丝和阴极丝之间的电场区域;待测粒子也可以直接置 于阳极丝1和阴极丝2之间的电场区域，通过绝缘材料固定和准直后平行于阳极丝出射到工 作气体11中。
[0060] (3)待测粒子的入射方式和位置固定好后，密封腔体10,抽真空、充入工作气体11; 高压模块14给阳极丝1提供高压，阴极丝2与腔体10接地，这样阳极丝1和阴极丝2之间就会 产生均匀分布的电场，在阳极丝1附近区域电场最强，通过调节电压大小保证阳极丝1附近 区域的电场强度达到荧光倍增的阈值l〇6V/m;待测单粒子平行于阳极丝1入射到阳极丝1和 阴极丝2之间的气体中，在阳极丝附近强电场区域发生雪崩，使径迹荧光强度倍增。
[0061] (4)将成像装置调好焦距、景深和位置，对步骤(3)倍增的径迹荧光进行成像，得到 单粒子的径迹发光图像。参照图3,基于本发明获取得到的单个5.485MeVa粒子的径迹发光 图像。
[0062] (5)对步骤(4)得到的图像进行处理，并提取单粒子的径迹特征信息，先对图像降 噪、滤波，然后对径迹径向积分得到径迹荧光强度沿粒子入射方向的分布，即Bragg曲线，参 照图4，对应于图3单粒子径迹的Bragg曲线，从图中可以直观地读出Bragg峰位X P;通过对图 像灰度和梯度的分析或者对径迹图像的直接读取，获得单粒子径迹的末端位置Xr。
[0063] (6)由步骤(5)得到的单粒子径迹特征信息获得单粒子的能量。
[0064] 6.1)建立单粒子能量与其径迹特征信息的具体对应曲线ΧΡ(Ε)或Xr(E);
[0065] 径迹焚光强度沿粒子入射方向的分布表征粒子沿入射方向的能量沉积分布；
[0066] 粒子沿入射方向的能量沉积分布为：
[0070] ε〇为真空中介电常数；
[0071] mo为电子的静止质量，e为电子电荷量；
[0072] v为入射粒子速度，z为入射粒子电荷数；
[0073] Z为靶物质原子的序数，I为靶物质平均等效电离电位，N为靶物质单位体积的原子 数；
[0074]故入射粒子的初始能量为：
[0076]式中：R为入射粒子的射程，可以从所述步骤(5)得到的单粒子径迹末端位置XR与 粒子初始位置X〇的差值直接获得，即R=Xr_X〇 ;
[0077]实验条件保持一致时，即公式（1)中除了V，其他变量都一定时，因粒子能量E = l/ 2mv2，其中m为粒子质量，粒子沿入射方向的能量沉积分布只随其能量E变化，故径迹特征信 息，包括Bragg峰位XP和径迹末端位置Xr都与待测单粒子的能量E呈--对应关系；
[0078]利用一系列已知能量的单粒子，通过所述步骤（1)至(5)对所述基于光学成像的单 粒子能量测量装置进行标定，建立单粒子能量E与其径迹特征信息中Bragg峰位XjP径迹末 端位置Xr的具体对应关系，得到以能量E为横坐标，Bragg峰位知或径迹末端位置Xr为纵坐标 的标准曲线Xp(E)或Xr(E);
[0079] 6.2)从曲线Xp (E)或Xr (E)直接获得待测单粒子的能量；
[0080]由所述步骤（5)得到待测单粒子径迹的Bragg峰位Xp和末端位置Xr，带入从步骤 6.2)得到的曲线Xp (E)或Xr (E)的纵坐标，直接从曲线中读出对应横坐标，即直接获得待测单 粒子对应的能量E。
【主权项】
1. 一种基于光学成像的单粒子能量测量装置，其特征在于:包括单丝气体闪烁正比结 构、气体密封腔室及成像装置三部分； 所述单丝气体闪烁正比结构包括一根阳极丝、若干根阴极丝、两块绝缘板和高压模块； 所述阳极丝处于单丝气体闪烁正比结构中心，两端分别与两块绝缘板的中心连接，所述若 干阴极丝与阳极丝平行等距离均匀分布，呈圆柱形包络，阴极丝两端分别与两块绝缘板连 接，所述两块绝缘板的相对位置分别设置一个粒子入射小孔； 所述气体密封腔室包括腔体以及布置在所述腔体上的真空抽试阀门、充气阀门和光学 窗口；所述单丝气体闪烁正比结构位于腔体内部，高压模块位于腔体外部并与腔体内的阳 极丝连接，所述腔体上设置有一个与所述其中之一粒子入射小孔正对的粒子入射窗口，所 述腔体内部充满工作气体;所述阴极丝和腔体接地； 所述成像装置的镜头与腔体上的光学窗口正对。2. 根据权利要求1所述的一种基于光学成像的单粒子能量测量装置，其特征在于:所述 两块绝缘板相对应的四个角之间设置有支撑柱，所述阳极丝、阴极丝及支撑柱之间相互平 行。3. 根据权利要求1所述的一种基于光学成像的单粒子能量测量装置，其特征在于:所述 阳极丝直径小于50μπι，阴极丝直径小于1mm，所述阳极丝与阴极丝都为导电材料。4. 根据权利要求1所述的一种基于光学成像的单粒子能量测量装置，其特征在于:所述 绝缘板的材料是陶瓷或聚四氟乙烯。5. 根据权利要求1所述的一种基于光学成像的单粒子能量测量装置，其特征在于:所述 粒子入射小孔位于绝缘板中心正下方5mm处。6. 根据权利要求1所述的一种基于光学成像的单粒子能量测量装置，其特征在于:所述 粒子入射窗口采用钛膜密封。7. 根据权利要求1所述的一种基于光学成像的单粒子能量测量装置，其特征在于:所述 光学窗口为圆柱形石英玻璃，透光率大于90%。8. 根据权利要求1所述的一种基于光学成像的单粒子能量测量装置，其特征在于:所述 工作气体主要包括稀有气体和四氟化碳气体。9. 基于权利要求1所述装置的单粒子能量测量方法，其特征在于:包括以下步骤： (1) 将单丝气体闪烁正比结构置于气体密封腔室中，贴紧光学窗口，同时保证阳极丝平 行于光学窗口的平面，绝缘板端面平行于粒子入射窗口，粒子入射小孔与粒子入射窗口的 中心处于同一轴线上;腔体密封后抽真空、充入工作气体;高压模块给阳极丝提供稳定高 压，阴极丝与腔体接地，这样阳极丝和阴极丝之间就会产生均匀分布的电场，在阳极丝附近 区域电场最强;待测单粒子平行于阳极丝从粒子入射小孔入射到电场中的气体中，在阳极 丝附近强电场区域发生雪崩，使单粒子径迹荧光强度倍增； (2) 对成像装置调好焦距、景深和位置，对步骤（1)倍增的径迹荧光进行成像，得到单粒 子的径迹发光图像； (3) 对步骤(2)得到的单粒子径迹图像进行处理，并提取径迹特征信息:先对图像降噪、 滤波，然后对径迹径向积分得到径迹荧光强度沿粒子入射方向的分布，即Bragg曲线，从中 可以直观地读出Bragg峰位X P;通过对图像灰度和梯度的分析或者对径迹图像的直接读取， 获得单粒子径迹的初始位置X〇和末端位置Xr; (4)由步骤(3)得到的单粒子径迹特征信息获得单粒子的能量。10.根据权利要求9所述单粒子能量测量方法，其特征在于：所述步骤(4)包括以下步 骤： 4.1) 建立单粒子能量与其径迹特征信息的具体对应曲线XKE)或Xr(E); 4.2) 从曲线Xp (E)或Xr( E)直接获得待测单粒子的能量。
【文档编号】G01T1/205GK106094004SQ201610624040
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月2日 公开号201610624040.2, CN 106094004 A, CN 106094004A, CN 201610624040, CN-A-106094004, CN106094004 A, CN106094004A, CN201610624040, CN201610624040.2
【发明人】胡静, 欧阳晓平, 刘金良, 阮金陆, 张忠兵, 陈亮, 姚志明
【申请人】西北核技术研究所