伽馬和中子輻射檢測器的制造方法
【專利說明】伽馬和中子輻射檢測器
[0001] 發(fā)明背景
[0002] 由于增加的恐怖活動，因此需要實(shí)用、高分辨率的伽馬和中子輻射檢測器，其可 以檢測放射性的"臟炸彈"和其它輻射源。此外，例如包括手持放射性同位素識別裝置 (HHRIID's)的手持或便攜式裝置是高需求的。由于增加的性能要求，也規(guī)定了諸如ANSI N42. 33 (類型I)和ANSIM2. 34等較新的標(biāo)準(zhǔn)。
[0003] 伽馬輻射光譜學(xué)的典型方法利用Nal，Csl，碲化鎘鋅（CZT)，鍺酸鉍（BGO)或者高 純度（HP)鍺作為直接檢測或者閃爍器材料。所希望的能夠同時檢測伽馬和中子輻射的輻 射檢測器應(yīng)該顯示出改善的功能性和識別性能，也就是，應(yīng)該能夠區(qū)別可疑的輻射是否是 能夠容易地使用并且具有低的所有權(quán)總費(fèi)用的自然發(fā)生輻射材料（NORM)、特殊的核材料 (SNM)、醫(yī)療的、工業(yè)用同位素或者其組合。
[0004] 改善的識別性能著重地依賴于能量分辨率，對此，基于HPGe的檢測器會具有幾乎 理想的特性。然而，對低溫冷卻的需要，以及在這種類型的檢測器中材料的花費(fèi)，嚴(yán)重地影 響了功能性、使用性和所有權(quán)的總費(fèi)用。諸如NaI、CsI(Tl)或者（Na)、或者CZT等其它材 料的解決方案遭受低能量分辨率，高價格，或者不能獲得足夠大的量，其也會排除滿足上述 需要和/或美國本國對于HHIRID's的安全需要。
[0005] 該問題通常通過將伽馬和中子部件分成兩個單獨(dú)的檢測器材料來解決。大多數(shù)現(xiàn) 存的同時伽馬和中子檢測的組合利用材料組合，該材料組合沒有提供適當(dāng)?shù)淖R別，不能被 容易地使用，并且/或者具有高的所有權(quán)總費(fèi)用。
[0006] 因此，需要高分辨率組合的中子和伽馬輻射檢測器，其有助于解決至少一些上述 涉及的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 一個實(shí)施例可以包含由輻射觸發(fā)的感應(yīng)元件，其包含由伽馬輻射觸發(fā)的第一閃爍 器；以及中子感應(yīng)層，其包含由中子輻射觸發(fā)的第二閃爍器。
[0008] 一個實(shí)施例還可以包含允許伽馬和中子檢測的輻射檢測器，該輻射檢測器包含輻 射感應(yīng)元件以及光敏元件，該輻射感應(yīng)元件包含伽馬輻射感應(yīng)第一閃爍器和中子感應(yīng)第二 閃爍器。
【附圖說明】
[0009] 下述各個典型實(shí)施例的描述并不是打算并且不應(yīng)該視為任何方式的限制。
[0010] 圖1顯示了第一實(shí)施例的透視圖，其表示了第一集成傳感器方法，也就是光耦合 的兩個閃爍器。
[0011] 圖2顯示了具有波長移動光纖的另一個實(shí)施例的透視圖。
[0012] 圖3是一個設(shè)計(jì)的實(shí)例，其中，兩個閃爍器沒有光耦合。
[0013] 圖4是一個設(shè)計(jì)的實(shí)例，其中，慢化劑被用來在檢測前熱化中子。
[0014] 圖5是一個設(shè)計(jì)的實(shí)例，其中，單一波長移動光纖被采用。
[0015] 圖6顯示了具有波長移動光纖的另一個實(shí)施例的透視圖。
[0016] 圖7是利用波長移動光纖的另一個變化。
[0017] 圖8是一個設(shè)計(jì)的實(shí)例，其中，多個波長移動光纖被采用。
[0018] 圖9是一個不包括波長移動光纖的實(shí)例。
[0019] 圖10是一個設(shè)計(jì)的實(shí)例，其消除了閃爍器之間的光耦合。
[0020] 圖11是一個設(shè)計(jì)的實(shí)例，其消除了閃爍器之間的光耦合。
[0021] 圖12顯示了不具有波長移動光纖以及設(shè)置在傳感器的輻射入口側(cè)的第二光敏元 件的另一個實(shí)施例的透視圖。
[0022] 圖13顯示了不具有波長移動光纖以及設(shè)置在兩個閃爍器之間的第二光敏元件的 另一個實(shí)施例的透視圖，。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 圖1顯示了第一實(shí)施例，其表示第一集成傳感器方法，也就是，與隨后在下面第二 方法部分討論的具有分離的傳感器的第二方法相比較，光親合兩個閃爍器。
[0024] 第一方法
[0025] 在圖1示出的第一方法的一方案中，引入了針對一檢測器的方法和系統(tǒng)，該檢測 器允許使用在兩個閃爍器（12,14)之間具有光耦合的單一感應(yīng)元件10和雙材料方法同時 檢測伽馬和中子輻射。
[0026] 特別地，圖1中描述的伽馬和中子檢測器，利用兩個不同的發(fā)光閃爍器材料（12， 14)( 一個用于伽馬檢測12, 一個用于中子檢測14)，一光敏元件（見光電倍增管（PMT) 18)， 以及電子設(shè)備（未示出）。當(dāng)輻射與閃爍器碰撞時，光被發(fā)射并且由光敏元件檢測。
[0027] 電子設(shè)備處理來自于光敏元件的電子信號，并且從而確定是否一給定事件指示伽 馬射線或中子輻射。在伽馬射線的情況下，電子設(shè)備還基于光敏元件中產(chǎn)生的電荷量確定 伽馬射線的能量。閃爍器（12,14)被特別地選擇，從而它們具有不同的響應(yīng)時間，使得可以 基于脈沖波形分析在伽馬和中子輻射之間進(jìn)行區(qū)分。圖1中，感應(yīng)元件10可以包括第一 LaX3 :Ce(X=Cl，Br，I)閃爍器材料12,具有特有的初速t，其能夠檢測伽馬輻射。此外， 中子感應(yīng)復(fù)合層16與光電倍增管（PMT) 18耦合。中子感應(yīng)復(fù)合層16既包含具有高的中子 橫截面（neutroncross-section)的元件，也包含設(shè)計(jì)成以初速t'閃爍的不同于第一閃 爍器12的第二閃爍器14。
[0028]因此，如圖1所示，該系統(tǒng)會利用雙材料方法，該方法包含具有特有初速，t的第 一閃爍器12,能夠檢測Y輻射。還包括中子感應(yīng)復(fù)合層14,并且，這兩個都與PMT18耦合。 中子感應(yīng)復(fù)合層14由具有高的中子橫截面的元件形成，這些中子橫截面被選擇來根據(jù)與 選擇的特殊元件相關(guān)的核反應(yīng)產(chǎn)生阿爾法粒子，以及具有特有初速t'的第二閃爍器14的 色散（dispersion)。該中子感應(yīng)復(fù)合層14實(shí)際上對于入射的Y輻射是透明的，其會被第 一閃爍器12收集，并由具有固有的特有初速t的相關(guān)PMT18檢測。采用證實(shí)的脈沖區(qū)別 方法，來利用閃爍器之間在初速（T辛T'）中的差別，該雙材料方法利用單一光敏元件和 電子設(shè)備組件同時檢測Y和中子輻射。由新種類的混合鹵化鑭LaX3:Ce(X=Br，I)Y閃 爍器材料的發(fā)展和優(yōu)化輔助于該實(shí)施例，其具有顯著的能量分辨率，從而，當(dāng)與諸如低溫冷 卻的高純度鍺（HPGe)等現(xiàn)有技術(shù)相比較時，能夠以相當(dāng)?shù)偷幕ㄙM(fèi)啟動高性能室溫檢測器。
[0029] 重要的，本實(shí)施例采用了混合鹵化鑭，其具有顯著的物理特性（高閃爍效率，高能 量分辨率），并且，當(dāng)與諸如高純度鍺（HPGe)等現(xiàn)有檢測技術(shù)相比較時，能夠以相當(dāng)?shù)偷?花費(fèi)啟動高性能檢測器。本實(shí)施例還也可以在沒有低溫冷卻的情況下，在室溫下使用，使得 它對于便攜或手持檢測器是理想的。中子感應(yīng)復(fù)合層16將利用目前可獲得的材料，并且會 被整合到由現(xiàn)成的PMT18和電子設(shè)備組件構(gòu)成的光檢測系統(tǒng)中。
[0030] 中子檢測
[0031]中子輻射檢測通常利用諸如He或8&氣體比例計(jì)數(shù)器等被證實(shí)的技術(shù)執(zhí)行?；?氣體的檢測器就組裝和敏感性來說，受到限制，因此對于諸如HHRIIDs等應(yīng)用是不實(shí)用的。 這里如圖1所示，我們建議了一不同的方法，使得能利用如對于Y輻射檢測采用的相同的 光敏元件和電子設(shè)備組件進(jìn)行檢測和區(qū)分。中子捕獲和后續(xù)檢測將會通過利用安置在第一 Y閃爍器12和檢測器蓋之間的中子感應(yīng)復(fù)合層16完成。如前面陳述的，該層16被選擇包 含具有高的中子橫截面的元件，其能夠產(chǎn)生高能粒子，作為核反應(yīng)的結(jié)果，并且實(shí)際上對入 射的y輻射是透明的。此外，中子感應(yīng)復(fù)合層16會包含第二閃爍器材料14,其會捕獲產(chǎn) 生的高能量阿爾法粒子，并且將它們的能量轉(zhuǎn)換成由PMT18檢測到的發(fā)光。第二閃爍器12 應(yīng)該具有低密度，在PMT敏感的地方（300-500nm)發(fā)射，不必激勵1^((：1，81~，1)3發(fā)射，也不 被1^((：1，81*，1)3發(fā)射激勵，并且應(yīng)該具有與第一丫閃爍器12不同的足夠初速。適合的系 統(tǒng)是商業(yè)上可獲得的6LiF/ZnS:Ag組合，其會利用6Li+n°- 3H+a(4. 8MeV)反應(yīng)，導(dǎo)致具有 80ys衰減時間的450nm發(fā)射（也見衰減時間圖20)。
[0032] 第二方法
[0033] 第二方法包含分離的并且非光耦合的兩個閃爍器（12,14)，其有效地將檢測器彼 此分離。該方法描述了用于避免由在需要兩個閃爍器的檢測系統(tǒng)中另一個閃爍器中的閃爍 光子被一個閃爍器光吸收引起的問題的方法和幾何結(jié)構(gòu)。通過消除對兩個閃爍器彼此光耦 合的需要來避免光吸收的可能問題。在一些構(gòu)思的實(shí)施例中，或者通過將其中一個閃爍器 與將信號傳送到單一光敏元件（其也直接從第二閃爍器接收光子）的波長移動光纖耦合， 或者通過結(jié)合第二光敏元件，例如，光電二極管，可以實(shí)現(xiàn)檢測。
[0034] 第二方法具有的優(yōu)勢在于，大大地降低了在兩個閃爍器的發(fā)射和吸收光譜上的要 求，因此增加了可以被用于每個功能（伽馬和中子檢測）的可能的閃爍器的數(shù)量。
[0035] 該方法對比圖1中示出的第一方法，其中兩個閃爍器（12,14)被采用，并且閃爍器 被光學(xué)連接或組合在一個整體的感應(yīng)元件10中，從而獲得伽馬和中子輻射的檢測。兩個閃 爍器彼此光耦合，并且被耦合到光敏元件18。如果任何一個閃爍器具有在從另一個閃爍器 發(fā)射的波長范圍內(nèi)的光吸收，該方法可能具有性能限制。在這種情況發(fā)生時，來自于一個或 兩個閃爍器的閃爍光子的吸收可能降低被檢測的光子的數(shù)量，并且還可能使得對于每個事 件（伽馬或中子吸收）所檢測的光子的數(shù)量更依賴于閃爍器內(nèi)的輻射相互作用的位置。此 外，在檢測到的閃爍中子數(shù)量上的減少會降低信噪比，導(dǎo)致能量分辨率（對于伽馬射線）降 低，以及降低區(qū)分伽馬和中子輻射的能力。在檢測到的信號中變化的增加作為相互作用位 置的函數(shù)，也會降低檢測器的能量分辨率（對于伽馬射線），并且可能降低區(qū)分功能。因此， 如上所述，第一方法工作的很好，但是需要采用合適的閃爍器。
[0036] 因此，第二方法通過采用新的設(shè)計(jì)概念克服了兩個閃爍器之間光耦合的需要。
[0037] 兩個通常的設(shè)計(jì)改進(jìn)的類別描述如下：1)采用波長移動光纖，將其中一個閃爍器 耦合到光敏元件，同時將第二閃爍器直接耦合到光敏元件，或者2)采用第二光敏元件，例 如光電二極管，從而讀出第二閃爍器。
[0038] 對于兩類設(shè)計(jì)（類1和類2)的改進(jìn)描述如下：
[0039] 類 1
[0040] 如首先在圖2和3中的實(shí)施例示出的，在類1的設(shè)計(jì)中，一個閃爍器，在這種情況 下，第一閃爍器12直接與光敏元件耦合（例如，光電倍增管（PMT) 18)，并且閃爍器12的剩 余表面由適當(dāng)?shù)姆瓷洳牧?2覆蓋（從而增加光的聚集效率）。第二閃爍器14在這種情況下 被徑向地設(shè)置，并且與波長移動光纖24(其剩余表面覆蓋有適當(dāng)?shù)姆瓷淦鞑牧希詈希ㄔ?至少一個表面）。從第二閃