專利名稱：一種射線粒子的二維位置靈敏輻射探測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于檢測技術領域，特別涉及一種射線粒子的二維位置靈敏輻射探測
裝置，具體說，這種裝置具有一維或二維位置分辨能力，對質子(proton)、繆子 (muon)、電子(electron)等帶電粒子具有很高的探測效率、很好的時間分辨能 力及高精度的位置分辨本領；在帶電粒子的二維位置靈敏輻射探測裝置的基礎上 對結構材料表面稍做處理，就可以作為中子和或Y (X)射線的二維位置靈敏輻射 探測裝置。
背景技術：
目前在質子成像、中子成像和Y (X)射線成像等領域中對射線粒子的探測普 遍采用閃爍體或半導體等介質制成的探測器系統(tǒng)，這些探測器有的位置分辨本領 可以達到微米量級，探測效率也較高。但這些探測器本身工藝和技術復雜、不易 做成大面積探測器、配套電子學路數多且價格昂貴，這些因素都制約了它們在大 面積面陣探測器中的應用。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種射線粒子的二維位置靈敏輻射探測裝置，其特征在 于，所述射線粒子的二維位置靈敏輻射探測裝置是一種帶電粒子、中子和伽瑪射 線的二維位置靈敏輻射探測裝置。在PCB板或柔性PCB板1上放置一維或二維信 號收集條；在阻性板5的一面上附著一層高壓電極膜4，高壓電極膜4上再涂覆 一層絕緣層3，并和一維或二維信號收集條2連接在一起；然后兩個上述組件的 阻性板5的另一面相對，中間放置絕緣支撐絲或絕緣支撐柱6，組成單層的工作 氣體空間。
所述工作氣體空間的兩個高壓電極膜平面中間加設多層阻性板，分割得到多 個靈敏氣體層，使得工作氣體空間包括一層、兩層、甚至幾十層。
所述工作氣體空間的厚度為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。
所述組成每一靈敏氣體層的阻性板為表面平整的玻璃、電木或陶瓷；其阻性 板兩個表面之間具有的電阻率為從1X105Q *cm—lX10sQ 'cm開始，以每一個 數量級為一檔進行分檔，至1X10"Q .cm—lX10"Q cm。
所述阻性板的厚度從200微米起選擇，每間隔100微米為一檔，至到1200 —1300微米檔；
所述阻性板的一側外表面上，粘貼或噴涂電阻率為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/口規(guī)格的高壓電極膜。
所述在兩個高壓電極膜上分別加載正或負高壓，或者一個電極膜為地電位， 另一個電極膜加載正或負高壓；正負極膜之間的有效工作高壓之和的數值選取為 2kV、 3kV、 一或18kV，使兩個阻性板內表面構成的氣隙空間中維持高電場強度。
所述兩個高壓電極膜的外表面粘貼厚度為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 亞胺膜絕緣材料。
所述一維或二維信號收集條為具有電荷收集能力的細金屬線條或小金屬塊 與PCB板或柔性電路板fPCB支撐結構構成信號拾取單元。
所述金屬線條或金屬塊結構的寬度從400—600微米起選擇，每間隔200微 米為一檔，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毫米檔。
所述金屬條間距為從200微米起選擇，每間隔200微米為一檔，至到1. 8—2 毫米、或2 — 10毫米。
所述金屬條或金屬塊的長度根據探測器面積大小選擇，為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毫米長。
所述射線粒子的二維位置靈敏輻射探測裝置作為帶電粒子的二維位置靈敏 輻射探測裝置時，所述阻性板的一側外表面上粘貼或噴涂的高壓電極膜為碳膜。
所述射線粒子的二維位置靈敏輻射探測裝置作為中于的二維位置靈敏輻射 探測裝置時，所述阻性板的一側外表面上粘貼或噴涂的高壓電極膜為含釓或硼的 薄膜，以提高探測裝置對于中子的探測效率，使帶電粒子的二維位置靈敏輻射探
測裝置轉變?yōu)橹凶犹綔y裝置；其含釓或硼的薄膜厚度為10—100nm， 100 — 400nm， 400 — 1000nm， 1 —2Mm，或2 —10Mm。
所述射線粒子的二維位置靈敏輻射探測裝置作為Y或X射線的二維位置靈敏 輻射探測裝置時，所述阻性板的一側外表面上粘貼或噴涂的高壓電極膜為含鉛、 鉍或鎢的薄膜，以提高探測裝置對于Y或X射線的探測效率，使帶電粒子的二維 位置靈敏輻射探測裝置轉變?yōu)閅或X探測裝置；其含鉛、鉍或鉤的薄膜厚度為IO 一〗00nm， 100—400nm， 400 — 1000咖，1—2Mra，或2 — 10Mffl。
本發(fā)明的有益效果是該探測裝置具有如下特點1.有效探測面積可以根據需 要靈活設計，可大可小。2.探測器響應時間快，探測器死時間短，可以承受高頻 率的入射粒子輻照，使其可以探測高通量的入射粒子流。3.探測裝置具有極高的 時間分辨本領，對入射粒子的時間測量精度可以達到小于100ps的水平。4.具有 很好的空間位置分辨本領，對粒子入射到探測裝置平面上的一維或二維位置信息 可以達到幾十到幾百微米的空間分辨率。5.探測裝置工作介質為一種或多種氣體 的混合氣體，可以采用流氣式，也可以采用高氣壓式，具有成本低、性能穩(wěn)定、 易于維護等特點。6.可以將多個這樣的二維位置靈敏探測裝置排列組合，做成覆 蓋很大區(qū)域的大面積二維位置靈敏入射粒子探測裝置，可以是平面的，也可以是. 曲面的。7.可以通過在阻性材料表面附著或蒸鍍含釓或硼的薄膜來提高探測裝置 對于中子的探測效率，也可以通過在阻性材料表面附著或蒸鍍含鉛、鉍或鉤等重 金屬的薄膜來提高探測裝置對于Y (X)射線的探測效率。


圖1為用于探測入射粒子的探測裝置的結構示意圖。其中，圖1A為單層的
工作氣體空間，圖1B為多層的工作氣體空間。
具體實施例方式
本發(fā)明為射線粒子的二維位置靈敏輻射探測裝置。用于探測入射粒子的探測
裝置靈敏探測區(qū)域的一種典型構造如圖1所示，在PCB板'1上放置一維或二維信 號收集條；在阻性板5的一面上附著一層高壓膜4，高壓電極膜4上再涂覆一層 絕緣層3并和一維或二維信號收集條2連接在一起，然后上述組件的阻性板5的 另一面相對，中間放置絕緣支撐絲或絕緣支撐柱6，組成單層的工作氣體空間(如 圖1A所示)。本裝置的原理性描述如下探測器靈敏探測單元由絕緣支撐絲或絕 緣支撐柱或其它結構隔幵的單靈敏氣體層(圖1A)或多靈敏氣體層(圖1B)的 工作氣體空間構成，工作氣體成分可以有多種選擇，通常包括氬氣、氟利昂、異 丁烷、四氟化碳、二氧化碳或其它種類的氣體中的一種或幾種氣體。構成每一層 靈敏氣體層的兩個阻性板5表面具有較高電阻率(電阻率可以為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、電木或陶瓷等)，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微米區(qū)間。在這些阻性板5的外 表面t，粘貼或噴涂電阻率為lkQ/單位面積到10kQ/單位面積，10kQ/單位 面積到100kQ/單位面積，100kQ/單位面積到1MQ/單位面積，1MQ/單位面 積至lj 10MQ/單位面積，10MQ/單位面積到100MQ/單位面積，100MQ/單位面 積到1000MQ/單位面積等規(guī)格的高壓電極膜4，高壓電極膜4為碳膜或其它導 電薄膜，工作高壓加載在高壓電極膜4上。根據信號獲取的需要，兩個高壓電極 膜分別加載正或負高壓，或者一個電極為地電位，另一個電極加載正或負高壓。 在電極上加載正或負的工作高壓(正負極板有效工作高壓之和可以取2kV， 3kV, 4kV， 5kV， 6kV， 7kV， 8kV， 9kV， 10kV， llkV， 12kV， 13kV， 14kV， 15kV， 16kV， 17kV， 18kV等數值)，使兩個阻性板內表面構成的靈敏氣體層中維持很高的電場 強度。在兩個高壓電極膜的外表面粘貼厚度為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、聚酰亞胺膜、PET膜或其它絕緣材料后，分，J或單獨在某一個表面 粘貼具有一維或二維電荷收集能力的細金屬線條或小金屬塊結構的PCB板、柔性
電路板fPCB或其它結構的信號拾取單元，將工作氣體中的電離、雪崩或流光信
號感應到讀出結構上的感應電荷信號收集后傳輸到后面的電子學系統(tǒng)。根據粒子
空間分辨的荽求，金屬線條或金屬塊結構的寬度為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毫米區(qū)間，金屬條間距為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。金屬條或金屬塊的長度根據探測器面積大小選擇，為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毫米長。
該探測裝置第一個特點就是其有效探測面積可以根據需要靈活設計，可大可
小。該探測裝置的第二個特點是探測器響應時間快，探測器死時間短，可以承受
高頻率的入射帶電粒子輻照，使其可以探測高通量的入射粒子流。該探測裝置第
三個特點就是探測裝置具有極高的時間分辨本領，對入射粒子的時間測量精度可
以達到小于100ps的水平。該探測裝置第四個特點就是具有很好的空間位置分辨
本領，對粒子入射到探測裝置平面上的一維或二維位置信息可以達到幾十到幾百
微米的空間分辨率。該探測器的第五個特點是探測裝置工作介質為一種或多種氣
體的混合氣體，可以采用流氣式，也可以采用高氣壓式，具有成本低、性能穩(wěn)定、
易于維護等特點。該探測器的第六個特點是可以將多個這樣的二維位置靈敏探測
裝置排列組合，做成覆蓋很大區(qū)域的大面積二維位置靈敏入射粒子探測裝置，可 以是平面的，也可以是曲面的。該探測器的第七個特點是可以通過在阻性材料表 面附著或蒸鍍含釓或硼的薄膜來提高探測裝置對于中子的探測效率，也可以通過
在阻性材料表面附著或蒸鍍含鉛、鉍或鎢等童金屬的薄膜來提高探測裝置對于y (x)射線的探測效率。入射的粒子通過與絕緣支撐絲或柱構成的靈敏氣體層中
的工作氣體相互作用，在工作氣體中電離出正負離子對(正離子和電子)，或與 構成靈敏氣體層的阻性材料相互作用，產生次級粒子(主要是電子和Y或X射線)， 能量足夠高的次級粒子在工作氣體中進一步產生出正負離子對(正離子和電子)。 由于這些靈敏氣體層中維持有很高的電場強度，這些正負離子對在電場的作用下 分離，分別向負正兩個電極平面運動，這些帶電粒子在運動的過程中不斷將其路 徑上的氣體電離，產生更多的次級帶電粒子，即產生了氣體放大。大量的這些帶 電粒子在運動過程中會在兩邊的感應信號拾取結構上感應出電荷信號?？梢岳?br> 具有-維或X、 Y 二維電荷收集能力的金屬線條或金屬塊上收集到的信號電荷分
布，或者利用電荷信號最大處的收集條位置，或者讀出線條兩端電荷量差值或兩
端信號到達時間差的方法得到入射粒子在一維或X、 Y 二維平面上的精確入射位 置。通過這種方式，實現對入射帶電粒子位置信息的探測?；谏鲜鰳嬎迹谔?測器結構的設計上，可以有很多選擇。為了增加探測器單元對帶電粒子的探測效 率，可以在兩個高壓電極平面中間加設由多層阻性板分割得到的多個靈敏氣體 層，使得工作氣體空間包括一層、兩層、甚至幾十層或更多層(如圖1 (B)所示 為三層靈敏氣體層結構)。為了提高探測器位置測量精度，每層靈敏氣體層的厚 度為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毫米的范圍內變化，這樣也可以提高入射粒子的探測效率。 一維或 二維信號收集結構材料為PCB板基材或柔性PCB板基材(通常為聚酰氬胺)或 Kapton膜等其它高電阻率材料上設計金屬條或金屬塊的信號拾取結構。為了結構 上或加工工藝上的方便，具有X、 Y 二維電荷收集能力的金屬線條或小金屬塊平 面可以設計成X、 Y方向線條相互垂直，或者按照一定角度相交并由很薄的絕緣 材料分割開，或者X、 Y方向信號收集條平行設置，只是在部分區(qū)域兩兩交叉。 同樣原理的二維感應信號拾取電極可以單獨使用在一個信號拾取平面或者兩個 信號拾取平面上。如果只在一個信號拾取平面上設置具有位置分辨能力的信號讀出結構，在另一個相對的信號拾取平面也可以只是一個至屬平面的感應電荷收集
結構或沒有感應信號收集結構。每一個探測單元可以根據實際要求設計成io—
lOOcm2，或100—400cm2， 400—800cm2， 800—1200cm2，或1200—10000cm2的面 積，甚至更大。可以利用這些探測單元，搭建成具有不同探測靈敏區(qū)域和不同探 測器覆蓋立體角的探測器系統(tǒng)。探測器信號拾取結構收集到的感應信號可以通過 電荷放大或電流放大后送到后端的電子學系統(tǒng)進行處理，也可以直接接到信號甄 別器上得到甄別信號來使用。
權利要求
1.一種射線粒子的二維位置靈敏輻射探測裝置，其特征在于，所述射線粒子的二維位置靈敏輻射探測裝置是一種帶電粒子、中子和伽瑪射線的二維位置靈敏輻射探測裝置；在PCB板(1)上放置一維或二維信號收集條(2)；在阻性板(5)的一面上附著一層高壓膜(4)，高壓電極膜(4)上再涂覆一層絕緣層(3)并和一維或二維信號收集條(2)連接在一起，然后上述組件的阻性板(5)的另一面相對，中間兩邊各放置絕緣支撐絲或絕緣支撐柱(6)，組成單層的工作氣體空間。
2. 根據權利要求1所述射線粒子的二維位置靈敏輻射探測裝置，其特征在于， 所述工作氣體空間中兩個高壓電極平面中間加設由多層阻性板分割得到的多個 靈敏氣體層，使得工作氣體空間包括一層、兩層、甚至幾十層的靈敏氣體層。
3. 根據權利要求1或2所述射線粒子的二維位置靈敏輻射探測裝置，其特征在于，所述組成每一層靈敏氣體層的阻性板為表面平整的玻璃、電木或陶瓷；其 阻性板兩個表面之間具有的電阻率為從1X1()5Q 'cm—1X106Q 'cm開始，以每 一個數量級為一檔進行分檔，至lXl(fQ *cm—1X1013Q 'cm。
4. 根據權利要求1或2所述射線粒子的二維位置靈敏輻射探測裝置，其特征 在于，所述阻性板的厚度從200微米起選擇，每間隔100微米為一檔，至到1200 一1300微米檔；
5. 根據權利要求1或2所述射線粒子的二維位置靈敏輻射探測裝置，其特征 在于，所述阻性板的一側外表面上，粘貼或噴涂電阻率為lkQ/口 10kQ/口， 10kQ/口 100kQ/口， 100kQ/口 細/口，腦/口 10MQ/口， 10MQ/口 100MQ/口或100MQ/口 1000MQ/口規(guī)格的高壓電極膜。
6. 根據權利要求1所述射線粒子的二維位置靈敏輻射探測裝置，其特征在于， 所述在兩個高壓電極膜上分別加載正或負高壓，或者一個電極膜為地電位，另一 個電極膜加載正或負高壓；正負極膜之間的有效工作高壓之和的等數值選取為 2kV、 3kV、或18kV,使兩個阻性板內表面構成的氣隙空間中維持高電場強度。
7. 根據權利要求1所述射線粒子的二維位置靈敏輻射探測裝置，其特征在于， 所述兩個高壓電極膜的外表面粘貼厚度為0. 05mm、 0. lmm、 0. 2mm、 0. 3mm、 0. 4mm、
8.
9.0. 5mm、 0. 6ram、 0. 7mm、 0. 8鵬、0.9mm或l咖的Mylar膜或聚酰亞胺膜絕緣材料。 8.根據權利要求1所述射線粒子的二維位置靈敏輻射探測裝置,其特征在于， 所述一維或二維信號收集條為具有電荷收集能力的細金屬線條或小金屬塊與PCB 板或柔性電路板fPCB構成信號拾取單元。
10. 根據權利要求1所述射線粒子的二維位置靈敏輻射探測裝置，其特征在 于，所述金屬線條或金屬塊結構的寬度從400—600微米起選擇，每間隔200微 米為一檔，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毫米檔。
11. 根據權利要求1所述射線粒子的二維位置靈敏輻射探測裝置，其特征在 于，所述金屬條間距為從200微米起選擇，每間隔200微米為一檔，至到1.8—2 毫米、或2 — 10毫米。
12. 根據權利要求1所述射線粒子的二維位置靈敏輻射探測裝置，其特征在 于，所述金屬條或金屬塊的長度根據探測器面積大小選擇，為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毫米長。
13. 根據權利要求1所述射線粒子的二維位置靈敏輻射探測裝置，其特征在 于，所述射線粒子的二維位置靈敏輻射探測裝置作為帶電粒子的二維位置靈敏輻 射探測裝置時，所述阻性板的一側外表面上粘貼或噴涂的高壓電極膜為碳膜。
14. 根據權利要求1或13所述射線粒子的二維位置靈敏輻射探測裝置，其 特征在于，所述射線粒子的二維位置靈敏輻射探測裝置作為中子的二維位置靈敏 輻射探測裝置時，所述阻性板的一側外表面上粘貼或噴涂的高壓電極膜為含軋或 硼的薄膜，以提高探測裝置對于中子的探測效率，使帶電粒子的二維位置靈敏輻 射探測裝置轉變?yōu)橹凶犹綔y裝置；其含釓或硼的薄膜厚度為10 — 100nm， IOO — 400nm， 400 —1000nm， 1—2Wn，或2 — 10Mm。
15. '根據權利要求1或13所述射線粒子的二維位置靈敏輻射探測裝置，其特 征在于，所述射線粒子的二維位置靈敏輻射探測裝置作為Y或X射線的二維位置 靈敏輻射探測裝置時，所述阻性板的一側外表面上粘貼或噴涂的高壓電極膜為含鉛、鉍或鎢的薄膜，以提高探測裝置對于Y或X射線的探測效率，使帶電粒子的 二維位置靈敏輻射探測裝置轉變?yōu)閅或X探測裝置；其含鉛、秘或鎢的薄膜厚度為10—100nm， 100 — 400nm， 400 — 1000nm， l一2Rn，或2 — 10Mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于檢測技術領域，特別涉及一種射線粒子的二維位置靈敏輻射探測裝置。具體說，在PCB板上放置一維或二維信號收集條；在阻性板的一面上附著一層高壓電極膜，其上再涂覆一層絕緣層并和信號收集條連接在一起，然后上述組件的阻性板的另一面相對，中間兩邊各放置絕緣支撐絲或絕緣支撐柱，組成單層的工作氣體空間，或在兩個高壓電極平面中間加設由多層阻性板分割得到的多個靈敏氣體層；這種裝置具有一維或二維位置分辨能力，對質子、繆子、電子等帶電粒子具有很高的探測效率、很好的時間分辨能力及高精度的位置分辨本領；還可以作為中子或γ(X)射線的二維位置靈敏輻射探測裝置。
文檔編號G01T3/00GK101339251SQ20081011496
公開日2009年1月7日 申請日期2008年6月13日 優(yōu)先權日2008年6月13日
發(fā)明者騫 岳, 李元景 申請人:清華大學