專利名稱：氣體輻射探測器及輻射成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體輻射探測器及輻射成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在核輻射探測及核技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中經(jīng)常需要同時探測幾種不同能量
的伽瑪射線或x射線。尤其在輻射成像領(lǐng)域，不同能量的射線與被檢物 中不同成分的反應(yīng)機制不同，雙能或多能伽瑪射線或x射線的探測不僅 可以獲得被檢物由于密度不同產(chǎn)生的投影圖像，還可計算出被檢物的z
值分布，用以區(qū)分金屬和有機物，毒品，爆炸物等危險物品和禁運物
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從射線源考慮，雙能和多能圖像的獲得方式有用不同能量的伽瑪 射線源；X光機交替使用不同高壓來產(chǎn)生多種能量；X光機前加不同組 分的濾片，來實現(xiàn)多種能量的選擇。這幾種方式的優(yōu)點是簡單，易于實 現(xiàn)，缺點是要獲得被檢物同一部位的雙能或多能數(shù)據(jù)時，必須對被檢物 的同一部位用不同能量進行多次照射，增加了檢測劑量，延長了被檢測 時間，降低了通過率。無論怎樣產(chǎn)生的雙能和多能射線，都需要相應(yīng)的 雙能或多能探測器進行探測。
從探測器系統(tǒng)考慮，雙能和多能圖像的獲得方式有單個探測器可 測得單光子能譜，然后按能量分區(qū)成像；探測器分為低能探測器組和高 能探測器組，在射線的徑跡上前后相疊組成，來分別測量高低能的射 線，不同探測器之間可夾入低能射線濾層，使低能射線完全被阻擋，而 高能探測器中只接收高能射線；或低能探測器組和高能探測器組分開排 列，分別探測高低能射線。能譜計數(shù)型的方法中X光機的電流不可太 大，且電子學(xué)系統(tǒng)要足夠快，才能分開一個束流中的單個光子，且要求 探測器具有高的能量分辨性能。后者的方式中，低能射線所需的固體探 測器厚度太薄，不易切割制備，且其后相應(yīng)的讀出電路對射線有一定的吸收作用。
可用作多能探測器的有閃爍探測器加光電二級管，或半導(dǎo)體探測器 等固體探測器，它們體積小，操作方便，但低能區(qū)要求的低能探測器太 薄，不易制備，同時半導(dǎo)體探測器的耐輻照性能影響了它的使用壽命。 氣體探測器是另一類多能探測器，優(yōu)點是價格便宜，制備簡單，使用壽 命長。為了提高探測器的探測效率，可采用高氣壓，使得其對射線的探 測效率可與固體探測器相比。雙能的固體探測器可由兩個氣體探測器， 中間夾低能射線濾片組成；也可由氣體探測器加固體探測器組成。前者
的缺點是兩個探測器室，增加了操作的復(fù)雜性；后者由于是兩種類型的 探測器，兩種響應(yīng)產(chǎn)生的信號需進行較正。
傳統(tǒng)的電離式氣體探測器是在密封的氣體室內(nèi)，充有探測氣體，內(nèi) 部固定兩個平行板的平面電極，電極是連續(xù)金屬層，用來收集平行板間 的探測氣體與入射到室內(nèi)的射線發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的電荷。密封的室外形可 以是長方形或圓柱形，室壁可以是鋁，不銹鋼或其它密封性能好的材 料。探測室的大小由應(yīng)用的需求來定。所有能量的射線被同時不加區(qū)分 的測量。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述的雙能系統(tǒng)存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種氣體探 測器，該氣體探測器能夠至少部分地減輕上述問題。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種可靈活實現(xiàn)雙能和多能X射線探測 的氣體探測器。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種氣體探測器，該氣體探測器能夠克 服低能固體探測器太薄，不易制備的缺點，同時在一個氣體室內(nèi)實現(xiàn)多 能探測，易于操作，并大大提高了各路信號的一致性，還滿足了探測器 壽命長，成本低的需求。
根據(jù)本發(fā)明的一方面， 一種氣體輻射探測器，包括電極對，該電 極對包括多個子電極對，所述多個子電極對沿射線的入射方向排列。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述多個子電極對中的每一對電極的每一 個電極板都具有大體沿垂直于射線的入射方向延伸的相對的兩邊。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述多個子電極對中的每一對電極的每一 個電極板都具有大體矩形形狀。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述多個子電極對中的每一對電極的相對 的電極板都大體相互平行。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述多個子電極對中的每一對電極的陽極 的電極板具有沿垂直于射線的入射方向排列的多個電極條。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述多個電極條是細(xì)長的，并且所述多個 電極條的長度方向大體與射線的入射方向相同。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述多個子電極對中的每一對電極的陽極 的電極板的多個電極條具有大體矩形形狀。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述多個子電極對中的每一對電極的一個 電極板都大體在一個平面中，并且所述多個子電極對中的每一對電極的 另一個電極板都大體在另一個平面中。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，本發(fā)明提供了一種輻射成像系統(tǒng)，該輻射成 像系統(tǒng)包括用于發(fā)射射線的射線源；以及用于接收所述射線源發(fā)射的 射線的探測器，其中所述探測器是上述氣體輻射探測器。
本發(fā)明提供了一種可同時實現(xiàn)多能量段X或伽馬射線同時測量的氣 體探測器，能夠工作在積分電流模式或計數(shù)模式，大大提高了探測系統(tǒng) 對源強的需求限制。由于氣體的成分可以是氙氣，氬氣，甲烷等，也可 以是多種氣體的混合物，所以可靈活用于不同用途和不同能量區(qū)域的測 試需求。氣體的壓力也可隨所測射線的能量和類型進行調(diào)節(jié)，以滿足高 的探測效率需求。
本發(fā)明的多能X或伽馬射線同時探測原理是依據(jù)不同能量的射線在 探測介質(zhì)中能穿透的厚度不同來設(shè)計的，射線源可以是多個單能射線源 組成的，也可以是單個X光機發(fā)射的能量連續(xù)的X射線，高能和低能射 線的區(qū)分不需要X光機高壓的轉(zhuǎn)換或光機前的濾片和準(zhǔn)直器的使用，而 是由探測器自身的幾何結(jié)構(gòu)和物理測量原理實現(xiàn)。高低能區(qū)的射線探測 是在同一個氣體探測室內(nèi)，陰極和陽極兩個電極板相距一定距離，電極 板基材可以是PCB板或陶瓷等，其上覆蓋一層牢固的金屬層，兩個電極板間的空間充滿氣體，用于探測進入探測器的射線。陰極和陽極兩個電 極板上的金屬層按照需要測試的能量段對應(yīng)的分為幾段，金屬層沿射線 方向的長度由被檢測的射線能量和氣體種類及壓力通過計算決定。所有 的電極對和子電極對可以是在相對的兩個平行板上，板材可以是PCB 板，或陶瓷等，子電極對的區(qū)分可以是由平行板間相對平面上分段形成 的金屬電極層實現(xiàn)的)
本發(fā)明的多能同時探測工作原理還可用于所有微條氣體探測器，包 括電離室工作原理的，和電極條為陰陽極的正比放大型的。其平面陰極 金屬層按照被檢測能量分為幾段，而信號收集或放大的微條電極也相應(yīng) 的分為幾段。不同位置的金屬層電極可通過基板上的金屬過孔從基板的 背面提供電壓并引出信號。
當(dāng)前的發(fā)明在同一個氣體室內(nèi)實現(xiàn)了多能射線同時測量的功能，材 料成本低，幾何結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，使用壽命長，可根據(jù)應(yīng)用的射線 能量區(qū)間來靈活調(diào)整氣體種類和壓力，以達到高的探測效率，解決了雙 能固體探測器的低能探測器太薄，不易制備的難題，而且同一氣體室保 證了各路信號的一致性高，后續(xù)數(shù)據(jù)處理簡單。該發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于 輻射成像領(lǐng)域。


圖1是多能氣體探測器
圖2a-2d是不同能量的X射線在15atm的氤氣中的能量沉積分布。
圖3是一維位置靈敏的多能氣體探測器。
圖4是一維位置靈敏的多能正比計數(shù)式氣體探測器。
具體實施例方式
如圖1中所示，根據(jù)本發(fā)明的氣體輻射探測器包括電極對，該電極 對包括多個子電極對，所述多個子電極對沿射線的入射方向2排列。具 體而言，在一個密封并充有高壓探測氣體的探測室內(nèi)，可以是氙氣，氬 氣等多種探測氣體，或混合探測氣體。圖中1是充有探測氣體的探測
器，2是X射線的入射方向，3是按能量分段的電荷收集陽極板，4是與陽極對應(yīng)的按能區(qū)分段的陰極板，5是驅(qū)動射線在氣體中產(chǎn)生的電荷漂移 的電場。兩個電極板均是在PCB板或陶瓷等絕緣材料上蒸鍍或電鍍的金 屬層，沿著射線入射的方向，陰極和陽極電極板分為幾段，即幾個能 區(qū)，分別用于探測不同能量的射線。分能區(qū)探測的原理是根據(jù)不同能量 的射線在高壓探測氣體內(nèi)穿透的深度不同來劃分的。該探測器是工作在 電離室狀態(tài)下。此外，電極板也可以用其它方式形成，例如，將多塊金 屬板固定在探測室內(nèi)。
本發(fā)明的電極并不限于上述陽極板3和陰極板4。本發(fā)明的電極也可 以是任何合適的其它電極。
圖1中多個子電極對由電荷收集陽極板3的各段與陰極板4的相應(yīng)的 (即相對的)各段構(gòu)成。
所述多個子電極對中的每一對電極的每一個電極板都可以具有大體沿 垂直于射線的入射方向延伸的相對的兩邊。如圖1中所示，所述多個子 電極對中的每一對電極的每一個電極板都具有大體矩形形狀。
顯然，在探測器是其他結(jié)構(gòu)時，所述多個子電極對中的每一對電極的 每一個電極板可以具有與射線的入射方向成一銳角延伸的相對的兩邊。 此外，每一對電極的每一個電極板也可以是其它形狀。例如，在探測器 是圓柱形時，電荷收集陽極板3的各段與陰極板4的各段都整體構(gòu)成圓 形。
根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式，所述多個子電極對中的每一對電極的 相對的電極板都大體相互平行。即電荷收集陽極板3的各段與陰極板4 的各段都大體平行，作為選擇，電荷收集陽極板3的各段與相應(yīng)的陰極 板4的各段可以成一銳角。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，所述多個子電極對中的每一對電極的一個電 極板都大體在一個平面中，并且所述多個子電極對中的每一對電極的另 一個電極板都大體在另一個平面中。即荷收集陽極板3的各段都大體在 一個平面中，并且陰極板4的各段都大體在一個平面中。作為選擇，電 荷收集陽極板3的各段可以不在一個平面中和/或陰極板4的各段不在一 個平面中。探測器內(nèi)的輻射探測氣體的原子序數(shù)，氣體壓力決定了不同能量的射 線在氣體中所能穿透的厚度，同時也決定了射線與氣體的反應(yīng)機制主要
是光電反應(yīng)。我們用蒙卡方法模擬計算了 15個大氣壓的氙氣對10keV到 160keV X射線由光電吸收引起的能量沉積情況。其中縱軸表示射線的光 電轉(zhuǎn)換率，橫軸表示射線所通過的氙氣在射線入射方向上的厚度(單位 mm)。
如圖2a所示，由計算可得4mm厚的15atm氙氣完全阻止了 10keV的 X射線，20mm厚時阻擋了 98%的20keV X射線，對于40keV以下的X 射線，30mm厚的15atm氙氣的阻擋率近90%，所以低能探測區(qū)可選為 Omm -30mm厚的15atm氤氣；
如圖2b所示，對于50 - 70keV的X射線，60mm厚的15atm氙氣的 阻擋率近90%，所以中能區(qū)可選為30 - 60mm的氙氣區(qū)，同時通常X 光機的X射線譜，也是在這個能區(qū)出現(xiàn)高計數(shù)的X射線特征峰；
如圖2c所示，隨著射線能量的提高，在探測氣體內(nèi)的能量沉積分布 有所改變，在射線初始路徑上的能量沉積比例降到10%，穿透的氣體厚 度增加，所以這個能區(qū)選為60mm - 120mm厚的氙氣區(qū)，對80keV -110keV的X射線的吸收比例近90%.
如圖2d所示，當(dāng)X射線能量再增高時，它會在射線穿過的整個路徑 上較均勻地沉積少量的能量，如少于10%的能量，穿透的厚度大大增 加，因而這個高能區(qū)選為120mm - 360mm厚的氙氣區(qū)，對120keV -160keV的X射線的吸收比例近90%.
如果是兩個或多個單能的射線源，高能射線在低能探測區(qū)內(nèi)能量沉積 的數(shù)據(jù)修正相對簡單，根據(jù)射線在氣體內(nèi)能量沉積的分布計算，先由高 能探測區(qū)的信號值，得出高能射線的能量沉積，其中高能射線在低能探 測區(qū)沉積能量的比例，可由模擬計算的能量沉積分布比例求得。再計算 低一級的能量區(qū)內(nèi)的能量沉積，以此類推，計算所有能量段的射線在探 測器不同測試區(qū)的能量沉積。對于X光機的連續(xù)能譜，不同能區(qū)的能量 值可以使用平均能量，也可以是用X射線連續(xù)能譜的積分求得。在高能探測區(qū)為了更精確的得到高能射線的測量值，可在不同能量測 量區(qū)之間加低能射線濾片，吸收一定比例的低能射線，確保在相鄰的較 高能量測量區(qū)內(nèi)沒有相鄰低能區(qū)的低能射線的能量沉積。但高能射線在 相鄰低能區(qū)內(nèi)是有能量沉積的，同時在較正高能射線的探測數(shù)據(jù)時，需 把低能濾片對高能射線的吸收同時考慮進去。
這種簡單結(jié)構(gòu)的多能氣體探測器可用于僅作簡單的能量分段的測量目 的。同時也可以應(yīng)用于劑量計，更方便更容易區(qū)分整體劑量中低能射線 的貢獻，從而進行精確較正。而不是僅依賴輻射源項與劑量計之間的屏 蔽層阻擋低能射線，因為實際狀態(tài)是低能射線也同樣產(chǎn)生了劑量。
本發(fā)明的另一種實施方式見圖3，探測器的陰極仍然為分塊的平面電 極板，原信號收集陽極的分塊平面電極板改為按能區(qū)分段的均勻微條電
極條33，在實現(xiàn)一維位置靈敏的同時具有多能量段測量的能力。各能區(qū)
分段的原則同上。
如圖3中所示，所述多個子電極對中的每一對電極的陽極的電極板具 有沿垂直于射線的入射方向排列的多個電極條33。優(yōu)選方式是，電極條 33具有大體矩形形狀。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，多個電極條33是細(xì)長的，并且所述多個電極 條33的長度方向大體與射線的入射方向相同。
顯然，電極條33的寬度可以根據(jù)需要而改變，例如電極條33的寬度 可以是兒毫米，幾微米等等。
本發(fā)明的另一種實施方式見圖4，探測器的陰極仍然為分塊的平面電 極，信號收集電極變?yōu)榘茨軈^(qū)分段的陰-陽電極，探測器陰極用于射線產(chǎn) 生的電荷的漂移電場，信號收集處的陰極32和陽極31產(chǎn)生用于遷移到 此處的電子正比放大的電場，并最終被陽極31收集。各能區(qū)分段的原則 同上。
由于所選用的氣體的Z值范圍和X或伽瑪射線的能量段決定了氣體與 射線發(fā)生反應(yīng)的主要方式是光電效應(yīng)。當(dāng)該氣體探測器工作在計數(shù)模式 時，更精確分離高能低能射線能量沉積的另一個方法是，每個能區(qū)的計數(shù)器設(shè)置高低兩個閾值，高能射線在同一能量區(qū)內(nèi)沉積的能量產(chǎn)生的信 號大，而低能射線沉積能量產(chǎn)生的信號小，所以提高每個能區(qū)的低閾 值，可以進一步有效去除相鄰低能射線區(qū)的低能射線在高能區(qū)內(nèi)的少部 分能量沉積，同時適當(dāng)降低每個能區(qū)的高閾值，可以有效去除相鄰高能 射線在低能區(qū)內(nèi)的能量沉積。
該發(fā)明的兩個擴展應(yīng)用的一維位置靈敏的探測器可應(yīng)用于輻射成像，
在160keV內(nèi)的能量區(qū)是小型物品安檢的X射線能區(qū)，同時醫(yī)學(xué)成像的 能量也多在160keV以內(nèi)。所以根據(jù)具體應(yīng)用所需的射線能量，計算選擇 相應(yīng)的氣體種類，氣體壓力，根據(jù)氣體對不同能量射線的阻止厚度來確 定高低不同能區(qū)的尺寸和數(shù)據(jù)修正。
當(dāng)該一維位置靈敏的多能氣體探測器加電子學(xué)處理系統(tǒng)，與射線源， 機械掃描裝置，電氣控制系統(tǒng)，計算機和系統(tǒng)操作和圖像處理軟件組成 一個線陣掃描成像裝置時，就可以對位于射線源于探測器之間的被檢物 體進成像，并實現(xiàn)多能量分段測量，鑒別被檢物的原子序數(shù)Z值得分 布。
對于圖1所示的簡單的多能探測器，信號讀出的陽極平面按能區(qū)劃分 為幾段，則有幾路相應(yīng)的信號讀出通道，每一路信號代表一個能量。因 為能區(qū)的劃分有限，所以這種結(jié)構(gòu)的多能探測器讀出電子學(xué)部分相對簡單。
對于圖3的一維位置靈敏的多能探測器，信號讀出的陽極條按能區(qū)劃 分為幾段，每段能區(qū)中的每個電極條是一個讀出通道，每個能區(qū)中的各 路讀出通道給出了這個能區(qū)產(chǎn)生信號的射線的一維空間分布情況。所有 能區(qū)的讀出通道由多路的前端放大器處理后，經(jīng)AD模數(shù)變換數(shù)字化， 進入信號傳輸和處理，系統(tǒng)和數(shù)據(jù)控制部分，最后進入計算機進行成像 處理，電子學(xué)系統(tǒng)同時提供系統(tǒng)和探測器工作所需的電源。
本發(fā)明還提供了一種輻射成像系統(tǒng)。該輻射成像系統(tǒng)包括用于發(fā) 射射線的射線源；用于接收所述射線源發(fā)射的射線的探測器，其中所述 探測器是上述的氣體輻射探測器。由于除了上述的氣體輻射探測器之 外，該輻射成像系統(tǒng)的其他部件可以是任何現(xiàn)有的部件，因此這里不再贅述。換句話說，本發(fā)明的氣體輻射探測器可以應(yīng)用于各種合適的現(xiàn)有 輻射成像系統(tǒng)。
本發(fā)明通過一個簡單的幾何結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了同一個氣體室內(nèi)多能射線同 時測量的功能，材料成本低，操作簡單，可根據(jù)應(yīng)用的射線能量區(qū)間來 靈活調(diào)整氣體種類和壓力，以達到髙的探測效率，解決了雙能固體探測 器的低能探測器太薄，不易制備的難題，而且同一氣體室保證了各路信 號的一致性高，后續(xù)數(shù)據(jù)處理簡單。
本發(fā)明的多能射線同時探測技術(shù)，具有低的噪聲，高的探測效率，成 本低，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，使用壽命長等特點。借用成熟的電路板制 備技術(shù)，通過微米量級的電極條寬度實現(xiàn)了高的位置分辨能力。該多能 探測技術(shù)可以廣泛用于輻射探測領(lǐng)域，尤其是輻射成像領(lǐng)域，提高了輻 射成像的對比度。
該探測器系統(tǒng)既可用于簡單的多能射線同時檢測，還可用于線陣列或 面陣列的輻射成像探測器系統(tǒng)。
此外，上述實施例中的各種結(jié)構(gòu)或特征可以相互組合而形成新的實 施方式，除非這種組合是不可行的。
權(quán)利要求
1.一種氣體輻射探測器，包括電極對，該電極對包括多個子電極對，所述多個子電極對沿射線的入射方向排列。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體輻射探測器，其中所述多個子電極對 中的每一對電極的每一個電極板都具有大體沿垂直于射線的入射方向延 伸的相對的兩邊。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣體輻射探測器，其中所述多個子電極對 中的每一對電極的每一個電極板都具有大體矩形形狀。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的氣體輻射探測器，其中所述多個子電極對 中的每一對電極的相對的電極板都大體相互平行。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的氣體輻射探測器，其中所述多個子電極對 中的每一對電極的陽極的電極板具有沿垂直于射線的入射方向排列的多 個電極條。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的氣體輻射探測器，其中所述多個子電極對 中的每一對電極的陽極的電極板的多個電極條具有大體矩形形狀。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2至6中的任意一項所述的氣體輻射探測器，其中 所述多個子電極對中的每一對電極的一個電極板都大體在一個平面中， 并且所述多個子電極對中的每一對電極的另一個電極板都大體在另一個 平面中。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的氣體輻射探測器，其中所述多個電極條是細(xì)長的，并且所述多個電極條的長度方向大體與射線的入射方向相同。
9. 一種輻射成像系統(tǒng)，包括 用于發(fā)射射線的射線源；以及用于接收所述射線源發(fā)射的射線的探測器，其中所述探測器是根據(jù) 權(quán)利要求1-7中的任意一項所述的氣體輻射探測器。
全文摘要
一種氣體輻射探測器，包括電極對，該電極對包括多個子電極對，所述多個子電極對沿射線的入射方向排列。當(dāng)前的發(fā)明在同一個氣體室內(nèi)實現(xiàn)了多能射線同時測量的功能，材料成本低，幾何結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，使用壽命長，可根據(jù)應(yīng)用的射線能量區(qū)間來靈活調(diào)整氣體種類和壓力，以達到高的探測效率，解決了雙能固體探測器的低能探測器太薄，不易制備的難題，而且同一氣體室保證了各路信號的一致性高，后續(xù)數(shù)據(jù)處理簡單。該發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于輻射成像領(lǐng)域。
文檔編號G01N23/04GK101576516SQ200810106280
公開日2009年11月11日 申請日期2008年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月9日
發(fā)明者劉以農(nóng), 劉文國, 吳萬龍, 楠 姚, 嵐 張, 李元景, 王永強, 王清華, 趙自然, 陳雅薇 申請人:同方威視技術(shù)股份有限公司;清華大學(xué)