专利名称：气体电离型中低能X、γ射线探测器的制作方法
技术领域：
气体电离型中低能X、γ射线探测器属于核技术应用技术领域，涉及用于中低能X、γ射线测控或成像系统探测器技术领域。
背景技术：
当今工业核测控系统，如在线检测钢板截面厚度分布的“凸度计”等，需要采用能探测中低能X、γ射线空间分布的阵列探测装置。同医用CT或精细无损检测设备不同，以上测量系统的空间分辨率要求较低，所用阵列探测装置的像素尺寸较大，一般为亚厘米量级(例如5-10mm)。目前在工业核测控系统中常用的阵列探测器是由“闪烁体(碘化铯或钨酸镉闪烁晶体)+光电二极管”探测器排列组合而成的阵列探测装置。中低能X、γ光子射入闪烁体产生闪烁光，再由光电二极管将之转换为电信号。此阵列探测装置的像素尺寸随所选光电二极管型号而定。例如，选用S1337-66BQ/BR型光电二极管及与之相配的闪烁体后，像素尺寸是9×10mm2。当闪烁体的厚度足够大，此类探测器将具有很高的中低能X、γ辐射探测效率(超过60％)。然而，这类探测器的主要缺点是暗电流大(～1×10-10A)、对温度极敏感(使用时须严格避光)、辐照寿命短以及稳定性、可靠性不佳等。这在工业应用等场合中会造成许多困难，例如，为克服其温度效应，在热轧钢板凸度计中不得不采取复杂技术来冷却和稳定探测装置的温度。
发明内容
本发明的目的在于克服工业核测控系统(如凸度计)中上述“闪烁体+光电二极管”探测器的缺陷，提出一种前端设有金属薄窗的气体电离型中低能X、γ射线探测器。它借助前端的金属薄窗，既保持高压密封性，又允许中低能X、γ光子射入其灵敏体积。同时，依靠一定的灵敏体积长度、足够高的充气压力以及高原子序数气体组分，使之具有很高的探测效率与灵敏度。此种电离室的截面为圆形、正方形、长方形或其它形状，像素(截面)尺寸在亚厘米或厘米范围，能够按照需要排列、组合成不同形式的一维或者二维阵列探测装置。
众所周知，充气电离室是一类应用广泛的气体电离型探测器，它靠电极(与高压电源相联的高压极及与信号系统相联的收集极)收集入射线在所充气体内产生的电子-离子对，而输出电荷信号。依靠本发明的特殊结构，实现了能应用于凸度计等工业核测控系统的中低能X、γ射线气体电离型阵列探测器。由充气电离室工作原理决定，此种探测器的暗电流非常小(仅～10-13A)，而且稳定、可靠，对温度不敏感、环境适应性好，工作寿命极长。
本发明的特征在于，是管状电离室，含有作为高压极的管状电离室壁(02)，作为收集极的中央金属细管(03)，管状电离室的端部有端盖(04)，端盖处用金属-陶瓷熔封绝缘子密封及引出信号，在管状电离室内部充满以惰性气体为主要成分的工作气体，所述管状电离室的尾部采用允许中低能X、γ光子射入的金属薄窗(01)密封。
所述金属薄窗(01)的材料是不锈钢、铁、铜、钛、铍或铝，其厚度为0.01mm-0.9mm。
所述金属薄窗(01)与管状电离室壁(02)采用高温焊料的真空钎焊或氢气炉钎焊密封。在进行钎焊之前，先将金属薄窗(01)加工成为平底碗状，然后将所述金属薄窗(01)的碗壁与所述管状电离室壁(2)的内侧或外侧焊接。
所述金属薄窗(01)与管状电离室壁(02)采用氩弧焊密封，焊接时需在所述金属薄窗(01)外加一与窗材料相同的薄金属环，而管状电离室壁(2)的外侧当先加工出狭槽。
在所述金属-陶瓷熔封绝缘子所含的氧化铝瓷管中部外表面熔接一个金属保护环(05-3)，当电离室工作时，所述金属保护环接地，使漏电流流走入地。
所述管状电离室的充气压力0.1～5兆帕，其灵敏体积的长度为20-200mm。
所述气体电离型中低能X、γ射线探测器可构成一维探测器阵列和二维探测器阵列。
试验证明，本发明提出的探测器具有暗电流小、稳定、可靠，对温度不敏感、环境适应性好等优点。
图1.本发明提出的探测器的结构，01为金属薄窗；02为管状电离室壁；03为金属管中央电极，兼做电离室的排气管；04为连接电离室管壁与金属陶瓷-熔封绝缘子的端盖；05为金属-陶瓷熔封绝缘子。
图2.密封绝缘子结构相应于两种氧化铝瓷管(05-2)的形状。05-1是熔封在瓷管05-2上的端帽，与收集极03相焊接。05-4是同瓷管熔封在一起的底座，它又与电离室端盖04相焊接。05-3是熔接在瓷管上的一圈金属。
图3.金属薄窗(01)同电离室壁(02)的钎焊方式相应于两种金属薄窗形状。
图4.金属薄窗(01)同电离室壁(02)的氩弧焊方式。
图5.一维阵列探测装置组合。
图6.二维阵列探测装置组合。
具体实施例方式以下结合附图详细说明本发明的内容。
如图1所示，本发明电离室为管柱形(笔形)，其管状电离室壁(02)是高压极，与高压电源相联，而中央细管(03)是收集极，同信号电路相联。电离室前端是与管状电离室壁(02)密封在一起的金属薄窗(01)，由不锈钢、铁、铜、钛、铍或铝等金属片制成，其厚度应当尽量小来减少对入射线的吸收。由于电离室管壁较细，为节约空间，中央收集极(03)兼做电离室的排气管，一端悬空，另一端焊接在金属-陶瓷熔封绝缘子(05)的金属帽(05-1)上，待排气、充气工艺完成后，此管末端(与排气系统相连处)将被压扁和“焊死”。
为了减少漏电流的影响，金属-陶瓷熔封绝缘子(05)具有“保护环结构”，如图2所示。图中绝缘子底座(05-4)与电离室端盖(04)相焊接，而端帽(05-1)则与中央收集极金属管(03)相焊接。在二者之间是具有优良绝缘性的氧化铝瓷管(05-2)，分别与底座(05-4)及端帽(05-1)相熔封。在氧化铝瓷管的中部外表面熔接了一圈金属(05-3)，当电离室工作时，此金属圈接地，使漏电流流走入地，不再干扰信号电流，起着“保护环”的作用。图2给出对应于两种氧化铝瓷管(05-2)的绝缘子结构第一种瓷管形状简单，易烧结加工，但金属底座(05-4)形状较复杂，加工量大，直径也大一些；第二种瓷管形状较复杂，加工难度大一些，但金属座(05-4)形状简单，直径略小。这二种形式的金属-陶瓷熔封绝缘子都能满足要求。众所周知，绝缘子端帽及底座必须采用膨胀系数与陶瓷相近的膨胀合金来制造。
为提高本发明探测器的中低能X、γ射线探测效率，电离室的充气组分是以氖、氩、氪、氙等惰性气体为主，充气压力为0.1-5兆帕范围。为了提高电离室内的电子、离子迁移率，加快其响应时间，在所充入的惰性气体中可以适当混入少量多原子分子气体(≤10％)，如CO2或CH4等。
由于电离室充气成分与压力的恒定不变，是确保其探测性能保持稳定、可靠的根本前提，因此，整个电离室必须具有极好的气体密封性。按照当今工艺技术条件，完全能够保证电离室内充气在10年内的泄漏量小于总充气量的1％。这样好的稳定性、可靠性，是其它类型探测器所无法比拟的。
为此，金属薄窗(01)同电离室管壁(02)间的焊接应当选择使用高温焊料(如银铜合金)的真空钎焊或氢气炉钎焊、氩弧焊以及等离子焊等工艺。在图3中给出薄窗钎焊的两种结构，适用于真空钎焊或氢气炉钎焊工艺。第一种焊接结构简单，直接将薄金属片用高温焊料钎焊到电离室管壁的端面上。有时为了提高焊接质量，在金属薄窗上加一个薄金属环，与电离室管壁共同将金属薄窗夹在中间，再进行钎焊。第二种焊接结构较复杂，需事先将金属薄窗加工(冲压)成平底碗状，从而增加钎焊面积，提高耐压强度。此时，金属薄窗被“弯”出来的边缘，要扣在电离室管壁的内表面或外表面(如图3所示)，进行钎焊。在图4中给出了金属窗与电离室管壁的氩弧焊结构。为保证焊接质量，需要在金属窗(01)前再附加一个薄金属环，同时在管壁(02)端部加工出一道狭槽，如图4中的[A]所示，薄金属环连同狭槽可以防止氩弧焊过程中热容量小的薄金属窗发生“塌陷”，保证焊接质量。
当选用铝等低熔点金属薄窗时，为克服焊接困难，可以采用胶结密封技术。
电离室管壁(02)与电离室端盖(04)间应采用氩弧焊，而端盖(04)与金属-陶瓷熔封绝缘子(05)之间可选用氩弧焊或真空炉(氢炉)钎焊。金属-陶瓷溶封绝缘子(05)是市场供应的商品，采用规范的金属-陶瓷熔封工艺，能保证非常好的气体密封性能。
为保证气密性，金属-陶瓷熔封绝缘子(05)、金属薄窗(01)等另部件以及总装、焊接完毕的电离室，都需要反复进行严格的氦捡漏和耐压试验。
为适应中低能X、γ射线探测，前端金属薄窗必须足够薄。例如，可采用厚度在0.01-0.9mm范围的不锈钢片，或类似厚度的钛片、铍片及其它金属片。经常使用的薄片厚度是0.05mm、0.1mm、0.15mm、0.2mm及0.3mm等。
本发明电离室的灵敏体积长度同入射线的能量、充气种类与压力相关。一般选择充气压力不超过5兆帕，而长度则在20-200mm范围或更长。
本发明电离室将作为探测装置的一个像素元件，可按要求排列组成不同形式的一维或两维的中低能X、γ射线阵列探测装置。在图5中给出了由本发明电离室所组成的一种一维阵列探测装置，该装置呈直线状。同样，也可以排列安装成扇形、“Γ”形、“П”形或其它形状的一维阵列探测装置。在图6中给出了由本发明电离室所组成的一种方形二维阵列探测装置。如果需要，也可以排列安装成其它形式的二维阵列探测装置。
本发明由于实现了电离室型的中低能X、γ射线阵列探测装置，因而具有暗电流小、对光和温度不敏感、稳定可靠、工作寿命长等优点。
本发明是在前端设有金属薄窗的管状充气电离室，能按需要组合、排列成为各种形式的一维或二维中低能X、γ射线阵列探测装置，适用于钢板凸度计(Profile Gauge)等工业核测控系统或箱包CT检查设备等辐射成像检测系统。
实施例1.一种扇形一维阵列探测装置“薄窗柱形电离室”为圆柱形，其金属薄窗采用0.1mm不锈钢片，电离室壁为Φ10×1mm无缝不锈钢管，长度12cm，中央收集极用Φ2×0.2mm不锈钢管，端盖也用不锈钢制造。
金属薄窗与管状电离室壁之间用氢气炉银焊(用72∶28银铜合金焊料)固接。端盖与金属-陶瓷熔封绝缘子间也采用氢气炉银焊，而它同管状电离室壁之间采用氩弧焊。
电离室内充以3兆帕压力的Xe-CO2混合气，对平均能量60keV的X、γ光子的探测效率将达到80％左右。
将128个此种“薄窗柱形电离室”排列安装在扇形支架上，配以相应的前端电路，即构成一组具有128像素探测器元的扇形一维中低能X、γ射线阵列探测装置。
2.一种方形二维阵列探测装置“薄窗柱形电离室”与以上实施例相同。
将900个“薄窗电离室”排列安装在30×30的方阵形支架上，配以相应的前端电路，即构成一组具有900个像素探测器元的30×30二维阵列探测装置。
权利要求
1.气体电离型中低能X、γ射线探测器，是管状电离室，其特征在于，含有作为高压极的管状电离室壁(02)，作为收集极的中央金属细管(03)，管状电离室的端部有端盖(04)，端盖处用金属-陶瓷熔封绝缘子密封及引出信号，在管状电离室内部充满以惰性气体为主要成分的工作气体，所述管状电离室的尾部采用允许中低能X、γ光子射入的金属薄窗(01)密封。
2.如权利要求1所述的气体电离型中低能X、γ射线探测器，其特征在于，所述金属薄窗(01)的材料是不锈钢、铁、铜、钛、铍或铝。
3.如权利要求1所述的气体电离型中低能X、γ射线探测器，其特征在于，所述金属薄窗(01)的厚度为0.01mm-0.9mm。
4.如权利要求1所述的气体电离型中低能X、γ射线探测器，其特征在于，所述金属薄窗(01)与管状电离室壁(02)采用高温焊料的真空钎焊或氢气炉钎焊密封。
5.如权利要求4所述的气体电离型中低能X、γ射线探测器，其特征在于，在所述金属薄窗(01)与管状电离室壁(02)进行钎焊之前，先将金属薄窗(01)加工成为平底碗状，然后将所述金属薄窗(01)的碗壁与所述管状电离室壁(2)的内侧或外侧焊接。
6.如权利要求1所述的气体电离型中低能X、γ射线探测器，其特征在于，所述金属薄窗(01)与管状电离室壁(02)采用氩弧焊密封，焊接时需在所述金属薄窗(01)外加一与窗材料相同的薄金属环，而管状电离室壁(2)的外侧当先加工出狭槽。
7.如权利要求1所述的气体电离型中低能X、γ射线探测器，其特征在于，在所述金属-陶瓷熔封绝缘子所含的氧化铝瓷管中部外表面熔接一个金属保护环(05-3)，当电离室工作时，所述金属保护环接地，使漏电流流走入地。
8.如权利要求1所述的气体电离型中低能X、γ射线探测器，其特征在于，所述管状电离室的充气压力0.1～5兆帕，其灵敏体积的长度为20-200mm。
9.根据权利要求1、2至12所述的气体电离型中低能X、γ射线探测器构成的一维探测器阵列。
10.根据权利要求1、2至12所述的气体电离型中低能X、γ射线探测器构成的二维探测器阵列。
全文摘要
气体电离型中低能X、γ射线探测器属于核技术应用技术领域，涉及用于中低能X、γ射线测控或成像系统探测器技术领域。其特征在于，是管状电离室，含有作为高压极的管状电离室壁，作为收集极的中央金属细管，管状电离室的端部有端盖，端盖处用金属－陶瓷熔封绝缘子密封及引出信号，在管状电离室内部充满以惰性气体为主要成分的工作气体，管状电离室的尾部采用允许中低能X、γ光子射入的金属薄窗密封。本发明具有暗电流小、稳定、可靠，对温度不敏感、环境适应性好等优点。能按需要组合、排列成为各种形式的一维或二维中低能X、γ射线阵列探测装置，适用于钢板凸度计等工业核测控系统或箱包CT检查设备等辐射成像检测系统。
文档编号G01B15/02GK1936498SQ20061011370
公开日2007年3月28日 申请日期2006年10月13日 优先权日2006年10月13日
发明者安继刚, 王立强 申请人:清华大学