專利名稱：電離輻射探測器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及借助于晶體閃爍體檢測電離輻射、特別是X射線或Y射線的領域。
背景技術：
電離輻射(其包括電離粒子，尤其諸如質子、中子、電子、α粒子和X射線或γ射 線)通常借助于單晶閃爍體來檢測，所述單晶閃爍體把入射的輻射轉換為光，然后借助于 光電倍增管將光轉換為電信號。在X射線或Y射線的情況下，所利用的閃爍體尤其可以 由Nal、Csl、鑭鹵化物的摻雜單晶制成?；阼|鹵化物的晶體已經(jīng)是最近的工作、諸如以 US7067815, US7067816, US2005/188914, US2006/104880 和 US2007/241284 公開的工作的 主題。這些晶體就發(fā)光強度和分辨率而言是有前途的，但由于其吸濕特性，需要特別小心謹 慎。這些檢測系統(tǒng)尤其在醫(yī)學成像掃描儀、機場安全掃描儀、石油勘探等領域中得到 應用。把由晶體發(fā)射的光轉換為電信號一般用光電倍增管實現(xiàn)。光電倍增管由于其高壓電 源而相對受限制，并且由于其包含玻璃燈泡而笨重且易碎。尤其存在對便攜式和移動的X射線或Y射線檢測系統(tǒng)的需求。事實上，人們希望 某些人、特別是被分配給安全部門的人應能夠通過其簡單的存在容易地檢測這類輻射。這 種需求特別是在涉及電離輻射的安全活動中存在。這例如包括非法放射源的檢測和識別。 這些系統(tǒng)應該檢測X射線或Y射線，并且優(yōu)選地能夠識別放射性同位素的性質。因而，開發(fā)緊湊的電離輻射、更具體地說X射線或Y射線檢測系統(tǒng)是有用的。下 文中將更詳細地說明一種X射線或Y射線檢測系統(tǒng)，要明白，既然閃爍體和輸入窗適于所 述目標輻射，該系統(tǒng)的原理就可以適于其他電離輻射的檢測。特別是就信號分辨率和能量 線性(就是說X或Y光子的能量和探測器的響應之間的比例性)而言，這樣的緊湊探測器 應該盡可能小，但仍保持良好的檢測特性。特別是，通常用來把閃爍體的光轉換為電信號的 光電倍增管占據(jù)相當大的體積，約180cm3，希望能夠縮小這個體積。另外，光電倍增管在高 壓下運行，而且對例如地球磁場等的外部磁場敏感。光電二極管能夠檢測光，但是它們一般 產(chǎn)生噪聲，該噪聲損害分辨率和可檢測的最小能量的閾值(一般60keV)?？梢酝ㄟ^冷卻光 電二極管來獲得性能和分辨率的改善。存在幾種類型的光電二極管PN、PIN、雪崩光電二極 管(線性模式或蓋革模式)、硅漂移探測器等等。事實上，電離輻射探測器的能量分辨率決定了它分離非常接近的輻射能量的能 力。它通常是針對給定的探測器在給定的能量下被確定為在從該探測器獲得的能量譜上 所考慮的峰的、相對于峰質心能量標準化的半峰寬度(尤其參見G.F Knoll, "Radiation Detection and Measurement (輻射檢測與測量)”，John Wiley and Sons，Inc.，第 2 版，第 114頁)。百分比分辨率是光電峰的半峰寬度除以該峰的能量并乘以100。在下文中，對于 所進行的所有測量，分辨率都是在Cs 137的主要的γ發(fā)射的能量662keV下確定的。R. Scafe 等人在Nuclear Instruments and methods in Physics Research(物理 學研究中的核儀表和方法)A 571 (2007)355-357中發(fā)表的文章教導了用雪崩光電二極管檢測由LaBr3 = Ce晶體發(fā)射的光。該晶體具有12mm的直徑而光電二極管的面積為5mmX5mm。 該晶體由Saint-Gobain提供，并被封裝在帶有5mm厚的玻璃窗的鋁殼體中。該光電二極管 在該殼體的外面，并接收由該晶體通過該玻璃窗發(fā)射的光。前置放大器更不必說同樣在該 殼體的外面。Y輻射是通過0.5mm厚的鋁窗接收的。對于能量為662keV的入射光子，觀測 到的分辨率為7.3%。K. S. Shah等人在 IEEE Transactions on Nuclear Science，第 51 卷，第 5 期，2004 年10月發(fā)表的文章將一方面由雪崩光電二極管對用0. 5% Ce摻雜的LaBr3晶體所發(fā)射的 光的檢測和另一方面由光電倍增管對用0. 5% Ce摻雜的LaBr3晶體所發(fā)射的光的檢測進行 了比較。雪崩光電二極管被冷卻至250K(即-23°C)。該文章得出結論，在周圍溫度下，光 電倍增管檢測將被選擇以獲得最高分辨率。C. P. Allier 等人在 Nuclear Instruments and methods in Physics Research (物理學研究中的核儀表和方法)A485 (2002) 547-550中發(fā)表的文章教導了用在 1500-1700伏電壓下工作的雪崩光電二極管來檢測LaCl3 = Ce晶體發(fā)射的光。該光電二極管 通過低粘度的硅脂與該晶體耦合?？紤]到所使用的晶體的吸濕特性而且這是大學環(huán)境中的 試驗系統(tǒng)，組裝必須完全在手套箱中在惰性氣氛下實現(xiàn)，所述手套箱包含放射源、該晶體和 光電二極管。所報告的分辨率在662keV下為3. 65%。C. P. Allier 等人在2000 IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record Medical Imaging Conference (2000 :Lyon，F(xiàn)rance) (2000 IEEE 核科學討論會會議記錄及 醫(yī)學成像會議(2000，法國里昂)中發(fā)表的文章教導了用在1500-1700伏電壓下工作的雪崩 光電二極管來檢測LaCl3 = Ce晶體發(fā)射的光。該光電二極管通過油耦合到晶體。考慮到所使 用的晶體的吸濕特性而且這是大學環(huán)境中的試驗系統(tǒng)，組裝必須完全在手套箱中在惰性氣 氛下實現(xiàn)，所述手套箱包含放射源、該晶體和光電二極管。所報告的分辨率在662keV下為 3. 65%?？紤]到晶體的小體積(63mm3)，獲得輻射源的光譜需要長持續(xù)時間的采集或活性強 的源。針孔(小孔)允許排除光電二極管的靈敏度的不均勻性。EP1435666教導了一種把閃爍體集成在殼體中的探測器，其中該閃爍體的光借助 透鏡被聚焦到雪崩光電二極管上。觀察到，光電二極管與閃爍體的距離由于閃爍體和光電 二極管之間的多種材料(玻璃透鏡、透鏡周圍的空氣)事實上就分辨率而言導致不太好的結果。US2005/0127300教導了一種包圍光電二極管的由多晶陶瓷(必定不透明)制成的 閃爍體。在設置在光電二極管下面的閃爍體處光損失不可避免。這種光損失必定造成不良 的分辨率。這樣的組件尤其是被用來檢測輻射的存在，而不能進行識別，因為不可能記錄源 的光譜。現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在周圍溫度下(不需要溫度穩(wěn)定系統(tǒng)或冷卻系統(tǒng))實現(xiàn)包括雪崩 光電二極管而且導致優(yōu)異的分辨率的檢測系統(tǒng)的可能性，該分辨率在662keV下可能低于 3.5%,或者甚至低于3 %，或者甚至低于2. 9 %。應該理解，檢測系統(tǒng)的分辨率改善得越多， 進一步改善分辨率就越困難。于是，利用基于鑭溴化物的晶體，例如，分辨率從3. 0到2. 9% 是非常有意義的進步。

發(fā)明內容
按照本發(fā)明的探測器尤其允許以優(yōu)異的分辨率和以非常低的檢測閾值檢測X射 線或Y射線。用镅241源進行測量，該檢測閾值尤其可以低于15keV，甚至低于12keV，或 者甚至低于llkeV。用低能量噪聲(谷左側)和源信號(一般為镅241)之間的谷的橫坐標 來估計檢測閾值。在一種源的情況下具有良好的檢測閾值的探測器在另一種源的情況下也 會具有良好的檢測閾值。該檢測系統(tǒng)基于其不同的部件的緊湊性，全部部件被設置在一個密封的殼體中， 使用最少的材料，其不同的元件之間的距離最小。事實上，已經(jīng)觀察到，嚴格地應用該原理 會在分辨率和檢測閾值方面得出引人注目的和出人意料的結果。于是，本發(fā)明涉及用于電 離輻射檢測、特別是用于檢測X或Y射線的密封殼體，包括閃爍體材料(特別是在以X或 γ射線為目標時，稀土鹵化物類型的晶體)；雪崩光電二極管，通過光耦合器耦合到閃爍體 材料；所述光電二極管的電信號的前置放大器。看來，通過縮短其不同的部件之間的距離而 獲得的該系統(tǒng)的緊湊性是允許把通常損害分辨率和檢測閾值的噪聲減到最小的要素之一。 縮短距離可以降低噪聲。把各部件封裝在金屬殼體中并在光電二極管和前置放大器之間增 加金屬板同樣可以通過提供電磁屏蔽來降低噪聲。采用配備光導的由LaBivCe制成的晶體 (用鈰摻雜的鑭溴化物)，在未封裝而又不屏蔽的系統(tǒng)中檢測閾值約為40keV。由于封裝， 該檢測閾值減小到20keV?？梢栽诒?的第2和10行中找到這些測量數(shù)據(jù)。因而應理解 封裝和屏蔽的質量的重要性。按照本發(fā)明，在一個優(yōu)化的系統(tǒng)中，該檢測閾值甚至可以低于 IOkeV (表1的第14行)。按照本發(fā)明的殼體在尺寸上是小的，其外部體積可以小于IOOOcm3，甚至小于 500cm3,甚至小于300cm3，甚至小于100cm3，更甚至小于60cm3。本發(fā)明人已經(jīng)實現(xiàn)一種殼體， 其中體積小至50. 4cm3，并包括尺寸為9X9X20mm3的平行六面體閃爍體。較小的晶體將允 許進一步縮小殼體的體積，但是所述晶體將停止較少的輻射，因而探測器的靈敏度將較低。該閃爍體材料可以有1和50000mm3之間的體積。當待檢測的輻射能量低時，小的 閃爍體體積便可以滿足。對于較高的能量，較大的體積是優(yōu)選的。特別是對于X或Y射線 檢測，該閃爍體的體積優(yōu)選地大于1000mm3，甚至大于1300mm3。其體積一般小于10000mm3， 甚至小于5000mm3。于是，按照本發(fā)明的殼體的尺寸甚至可以小于一個簡單的光電倍增管。 處于入射輻射方向上的閃爍體的尺寸被選擇以便吸收最大的輻射。例如，先前提及的閃爍 體具有20mm的厚度，這允許吸收100%的由Co57源發(fā)射的具有122keV能量的光子，和約 53%的由Cs137源發(fā)射的具有662keV能量的光子。吸收的輻射的比例越高，該源的活性應 越低以便被識別，而且光譜的采集應越短。按照本發(fā)明的探測器重量輕。先前提及的并包含9X9X20mm3的閃爍體以及帶有 電連接器的電子電路的探測器的質量約60克。于是，按照本發(fā)明的探測器重量可以小于 100克。最后，該探測器可以是便攜的(拿在手中，放入袋中等等)，抗沖擊和抗震動，抗惡 劣的天氣、耐極端溫度(-20至+50°C )。該殼體是一個容器，優(yōu)選地包括金屬，而且它應該讓待檢測的輻射通過直至閃爍 體材料。它同樣應該是對可見光不透明的并且優(yōu)選地對可能干擾電子電路的所有性質的電 磁波(便攜式電話、無線電波、電視波等等)提供屏蔽。因而該殼體可以至少部分地、或完全 地用允許待檢輻射通過的金屬、例如鋁(應注意術語“鋁”同樣覆蓋與應用兼容的、就是說對目標輻射、特別是X或Y射線是可透的鋁合金)制成。特別是，殼體的一個面尤其可充 當接收該輻射的窗口。于是，殼體的充當窗口的該面可以略薄于殼體的其他壁。該殼體也 可以是用合成材料(例如，像PE、PP、PS那樣的聚合物)制成，并覆蓋有例如鋁的金屬的薄 層或片。例如，該殼體可以是一個平行六面體，完全用鋁(或鋁合金)制成并包括一個比其 他面薄的面。在檢測X或Y射線的情況下，作為示例，這個面可以由0.5mm厚的鋁制成，而 其他壁例如可以由Imm厚的鋁制成。為了檢測電離粒子，鋁窗應該薄得多(鋁“片”類型)。對于檢測X或Y射線的情況，殼體包含閃爍體材料，后者包括稀土鹵化物。它一 般為單晶型，并包括稀土鹵化物，主要為氯化物、溴化物、碘化物或氟化物類型，一般具有分 子式AnLnpX(3p+n)，其中Ln代表一個或多個稀土元素，X代表一個或多個從F、Cl、Br或I中選 擇的鹵素原子，而A代表一個或多個堿金屬，例如K、Li、Na、Rb或Cs，η和ρ表示值，使得-可以為零的η小于或等于3ρ，-ρ大于或等于1。有關的稀土元素(采取鹵化物的形式)是元素周期表第3列中的包括Sc、Y、La的 那些元素和從Ce至Lu的鑭系元素。更具體地說，涉及Y、La、Gd和Lu的鹵化物，特別是用 Ce或Pr摻雜(術語“摻雜劑”在這里是指稀土元素，其一般就克分子而言是微量組分，取代 一個或多個一般就克分子而言為主要組分的稀土元素，該微量組分和主要組分都被包含在 縮略語Ln下)。特別是，更具體地涉及分子式為AnLrvxLn' xX(3p+n)的材料，其中A、X、n和ρ具有前 面給出的含意，Ln從Y、La、Gd、Lu或這些元素的混合物中選擇，Ln'是諸如Ce或Pr的摻 雜劑，而χ大于或等于0. Olp并小于ρ，而更一般地，范圍為0. Olp至0. 9ρ。在本發(fā)明的范 圍內，特別是對結合下列特征的材料感興趣-從Li、Na和Cs中選擇的A；-從Y、La、Gd、Lu或這些稀土元素的混合物中選擇的Ln，更具體地說，Ln是La，-Ln'是 Ce，-從F、Cl、Br、I或者這些鹵素中的幾個的混合物、特別是Cl和Br的混合物、或Br 和I的混合物中選擇的X。特別適用于X或、射線的檢測的閃爍體材料是一種單晶，其包括用鈰(Ce)摻雜 的LaX3，其中X表示Br、Cl或I，其中鹵素混合物、特別是氯化物/溴化物混合物是可能的。 當談及摻雜鈰的稀土鹵化物時，本領域技術人員將馬上知道該鈰采取鹵化物的形式，就是 說稀土鹵化物包含鈰鹵化物。特別是，下列單晶特別適用 用 1 至 30mol % 的 CeBr3 摻雜的 LaBr3 ； 用 1 至 30mol% 的 CeCl3 摻雜的 LaCl3 ；· YLaBr3+(1-y) CeBr3,其中 y 彡 0 ；閃爍體材料尤其可以是呈圓柱形或平行六面體形，而沿一個軸較大。于是，該軸垂 直于光電二極管的平面。該閃爍體材料被設置在殼體中緊鄰殼體的充當窗口的壁。吸收沖 擊的材料毯(tapis)可以設置在晶體和殼體的壁之間。該閃爍體材料一般包裹在光反射器中。除閃爍體發(fā)射的光應該通過以到達光電二 極管的區(qū)域外，該光反射器優(yōu)選地覆蓋閃爍體材料的所有邊。光反射器可以由PTFE(聚四 氟乙烯)制成。因而它可以是包圍該閃爍體材料的PTFE帶。在包裹在光反射器中之前，閃爍體材料的外表面優(yōu)選地用例如砂紙(特別是400粒度)的磨料刮擦(或打毛)。這樣在 表面上造成的粗糙度會增加光電探測器所接收的光通量。該殼體包括雪崩光電二極管。這個光電二極管經(jīng)由光耦合器材料與閃爍體材料接 觸。它可能是硅樹脂類型的油脂(聚硅氧烷)或者任何其他透明的無粘性的材料，但是該 光耦合器優(yōu)選地是環(huán)氧粘合劑。當環(huán)氧粘合劑硬化時，光電二極管和晶體便聯(lián)成一體。光 耦合器的折射率處于閃爍體材料的折射率和雪崩光電二極管的折射率之間。當光耦合器是 固體時(在環(huán)氧粘合劑的情況下)，優(yōu)選地進行選擇使得其熱膨脹系數(shù)處于雪崩光電二極 管的熱膨脹系數(shù)和閃爍體材料的熱膨脹系數(shù)之間。另外，它可以是相對柔軟的。這樣，該耦 合材料更好地吸收它所連接的兩種材料之間的熱膨脹差異。在過熱的情況下，這將減小晶 體碎裂的危險。該光耦合器的厚度優(yōu)選地小于2mm，甚至小于1mm，更優(yōu)選地小于0. 6mm。對于本領 域技術人員，術語“光耦合器”不包括真空和諸如空氣的氣體。光耦合器必定是液體(其包 括“油脂”)或固體。雪崩光電二極管一般為平組件，有兩個主面。這些主面中的一個經(jīng)由光耦合器與 閃爍體材料的平面接觸。該閃爍體材料與該光電二極管接觸的面(閃爍體材料的接觸面) 優(yōu)選地內接光電二極管的進行接觸的面(該光電二極管的接觸面)。在這里考慮光電二極 管的光敏表面(或“光敏”面)。事實上，該光電二極管一般包括被對應于光電二極管的封 裝材料的死區(qū)(對光不敏感)包圍的光敏區(qū)域。因而，應記住，表述“光電二極管的接觸面” 或“光電二極管的接觸面面積”是指光電二極管的敏感區(qū)域。該閃爍體材料完全被設置成與光電二極管的敏感面相對。這意味著，閃爍體材料 不包圍光電二極管，而是完全被包含在由通過光電二極管的敏感面并面對所述敏感面(或 與敏感面相對)的平面所限定的半空間中。因而，包括閃爍體材料的所述半空間不包含光
電二極管。閃爍體材料的接觸面和光電二極管的接觸面優(yōu)選地具有同一形狀(例如都是正 方形)，閃爍體材料的接觸面優(yōu)選地略小于(同位相似地(homothStique))光電二極管的接 觸面。閃爍體材料的接觸面的邊緣上的每一點優(yōu)選地都處于光電二極管的接觸(敏感)面內 部，到光電二極管的接觸面的邊緣的距離在0. 1和3mm之間，優(yōu)選地在0. 2和0. 7mm之間。閃爍體材料的接觸面面積優(yōu)選地小于雪崩光電二極管的接觸面面積的1. 5倍，甚 至1. 2倍，更甚至1倍。閃爍體材料的接觸面面積小于光電二極管的接觸面面積的1. 5倍 意味著，若光電二極管的接觸面面積是S，則閃爍體材料的接觸面面積小于1. 5乘以S。因 而，閃爍體材料的接觸面面積可以大于光電二極管的接觸面面積。但是，閃爍體材料的接觸 面面積優(yōu)選地是雪崩光電二極管的接觸面面積的0. 8至1倍。作為示例，在表1的第2和 12行中，敏感面面積為0. 2cm2的光電二極管與面積為Icm2的光電二極管進行了比較。可 以看到，對于配備玻璃窗的lOXlOXlOmm3晶體，性能非常不同從用最小的光電二極管的 8. 5%以上的分辨率到用最大的光電二極管的差不多3.0%的分辨率。于是，本發(fā)明還涉及包括閃爍體材料和雪崩光電二極管的檢測系統(tǒng)，即使對于非 緊湊系統(tǒng)，優(yōu)選地遵守剛剛給出的接觸面數(shù)據(jù)。但優(yōu)選緊湊系統(tǒng)。雪崩光電二極管優(yōu)選地工作在低于1050V的電壓下，更優(yōu)選地工作在低于450V的 電壓下。
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該光電二極管一般有兩個電連接器。這兩個連接器優(yōu)選地直接焊接到電荷放大 器(亦稱前置放大器)上，該電荷放大器的部件被設置在印刷電路板上，后者同樣被包括在 按照本發(fā)明的殼體中。該前置放大器尤其可以具有下列特征電源+/-12V或+24/0V，增益 0. lV/pC至lOV/pC。在雪崩光電二極管和前置放大器之間優(yōu)選地設置諸如銅板或黃銅板等 的電磁屏蔽元件，其電連接到殼體和地。通過聚合物套或絕緣粘合劑絕緣的該光電二極管 的這些連接器通過孔穿過屏蔽元件。要注意，電磁屏蔽阻止可能干擾電子電路的所有種類 的電磁波(移動電話、無線電波、電視波等等)。該金屬殼體(可以是由鋁制成的)參加該 屏蔽。 在本發(fā)明的范圍內所使用的光電探測器是雪崩光電二極管，該術語覆蓋簡單的單 個光電二極管，以及雪崩光電二極管矩陣，就是說被集中在晶體的一個面上并且信號被求 和的單個雪崩光電二極管的集合。因而，該集合包括死區(qū)(對光不敏感)，該死區(qū)包圍該矩 陣，而且一般還處于各個光電二極管之間。上面在雪崩光電二極管和閃爍體材料之間的接 觸面積之間的關系方面給出的特征仍有效，這是所考慮的相關雪崩光電二極管的對光敏感 的接觸表面的累計面積。但在雪崩光電二極管矩陣的情況下，由于矩陣中的各個光電二極 管之間存在死區(qū)，閃爍體材料的接觸面可以大于雪崩光電二極管的累計接觸(對光敏感) 面積。作為由蓋革模式的雪崩光電二極管的矩陣構成的光電探測器的實例，可以引用硅PM。按照本發(fā)明，不需要對入射輻射進行準直。例如通過以穿孔的吸收材料包圍源進 行的準直提供細的輻射束，因為它只照射探測器的特定的點，允許消除晶體或光電二極管 的不均勻性。已證實，閃爍體、其反射器、光耦合器和光電二極管的組合的質量允許在不使 用準直的情況下獲得優(yōu)異的性能。按照本發(fā)明的殼體可以有一個通過閃爍體材料的重心和輻射入射窗的重心的軸。 當從該入射窗出發(fā)沿著該軸移動時，相繼遇到光反射器、閃爍體材料、光耦合器、光電二極 管、屏蔽和前置放大器。光電二極管、屏蔽(這指的是板)和前置放大器的印刷電路尤其可 以垂直于該軸。該入射窗同樣可以是側向的，就是說平行于殼體的軸。若該殼體是一個平行六面 體，則其5個面(4個側面和正面)可以構成入射窗。按照本發(fā)明的探測器的緊湊性的特征尤其在于晶體和雪崩光電二極管之間沒有 光導(除了光耦合器、特別是環(huán)氧粘合劑型的薄層以及可能的雪崩光電二極管的表面的保 護層，其中該薄層可以有小于0. 6mm的厚度)，前置放大器和閃爍體材料之間的距離短，使 得兩個最接近的點、即前置放大器的一個點和閃爍體材料的另一個可以一般相距不到2cm。按照先有技術，在光電二極管應該在周圍溫度下的環(huán)境中運行時，光電二極管往 往被冷卻到o°c以下。按照本發(fā)明的探測器的性能使得不需要溫度穩(wěn)定系統(tǒng)(冷卻或加 熱)。諸如Peltier (珀耳帖)模塊、散熱器、風機或冷卻劑循環(huán)的冷卻系統(tǒng)增大尺寸要求、 質量或電耗。但是，在該探測器不應該在恒溫下使用的情況下，增加絕熱系統(tǒng)或者甚至有效 溫度穩(wěn)定系統(tǒng)是一個可能的選項，因為雪崩光電二極管的增益隨著溫度而變化。配備有溫 度穩(wěn)定系統(tǒng)的探測器的可能的設計如下-如上所述，(第一)導熱殼體包括閃爍體材料、雪崩光電二極管和前置放大器，_包圍該殼體的熱絕緣(例如，泡沫聚苯乙烯或真空或者空氣)-包含熱絕緣包裹的第一殼體的導熱外罩(或第二殼體)，
-Peltier模塊(按照熱電效應原理工作)，以其一個面與該第一殼體熱接觸，其另 一面與外罩熱接觸，-固定在外罩上的散熱器，-安裝在散熱器上方的風機。對于探測器應該面對熱的周圍溫度(諸如高于25°C )的情況，Peltier模塊的冷 面與該內殼體熱接觸，而Peltier模塊的熱面與外罩熱接觸。對于該探測器應該面對冷的 周圍溫度(諸如低于-20°C)的情況，Peltier模塊的熱面與內殼體熱接觸，而Peltier模 塊的冷面與外罩熱接觸。涉及Peltier模塊所使用的表述“熱接觸”意味著直接接觸與之熱接觸的殼體(或 罩子)，或者替代地設置在所述Peltier模塊和所述殼體(或所述罩子)之間的導熱良好的 中間件(一般金屬)。增加諸如(由Correge公司銷售的)PT1000熱敏電阻的溫度探頭允許當外部(外 罩外部)周圍溫度變化時控制所提供的穩(wěn)定效率并允許系統(tǒng)的自動控制以調節(jié)殼體(第一 殼體)內部的溫度。外罩(或第二殼體)由導熱良好的并對目標輻射、特別是X射線或Y射線可透的 材料制成。因而，它可以至少部分地或者完全地由允許待檢測的輻射通過的金屬、諸如鋁 (應注意術語“鋁”同樣覆蓋與應用兼容的、就是說對目標輻射、特別是X或Y射線可透 的鋁合金)制成。特別是，更具體地說，罩子的一個面充當接收輻射的窗。于是，罩子的用 作窗的該面可以略薄于所述罩子的其他壁。外罩的窗面與(第一)內殼體的“窗”面相對。 該罩子例如可以是平行六面體，完全用鋁(或鋁合金)制成，并包括一個比其他面更薄的面 (窗面)。對于檢測X或Y射線的情況，作為示例，這個面可以是0.5mm厚的鋁，例如，其他 壁可以是Imm厚的鋁。本發(fā)明人已經(jīng)例如開發(fā)了外部尺寸為7. 2X7.0X5. 2 = 262cm3的探測器(圖5)， 并在50°C的外部環(huán)境下，已經(jīng)獲得內殼體(第一殼體)中約20°C的穩(wěn)定的溫度。Peltier 模塊是Supercool PE-127-08-15品牌的。外罩的尺寸、特別是絕緣體的厚度取決于要補償 的外部溫度。于是，本發(fā)明還涉及配備有溫度穩(wěn)定系統(tǒng)的探測器。特別是，如上所述，該殼體可 以被設置在一個罩子中，Peltier模塊被設置在所述殼體和所述罩子之間。盡管按照本發(fā)明的探測器在沒有溫度穩(wěn)定系統(tǒng)的情況下在-20°C和+50°C之間 展現(xiàn)出良好的性能，但是在周圍溫度明顯波動的情況下或者在溫度持久地處于25°C以上 或-20°C以下的情況下優(yōu)選的是提供這樣的系統(tǒng)。本發(fā)明還涉及利用按照本發(fā)明的探測器檢測諸如X或Y射線的電離輻射的方法。


圖1表示按照本發(fā)明的緊湊探測器。它有一個軸AA'。附圖標記具有下列含意1 焊接到封板的孔中的地線；2 鋁殼體3 前置放大器
4 :黃銅板(屏蔽)5 雪崩光電二極管 S-8664-10106:光耦合7 =PTFE覆蓋物(光反射器)8 單晶閃爍體，其中光電二極管一側的面已被拋光，而其他面已被打毛。9 厚度為0. 5mm的鋁入射窗10 信號連接器11 低壓連接器12 高壓連接器13 絕緣體殼體外面的其他數(shù)字是以mm為單位的尺寸。圖2舉例說明線性，就是說入射X或、光子的能量和按照本發(fā)明的一個實例的緊 湊探測器的檢測系統(tǒng)的響應之間的比例性。圖3表示利用按照本發(fā)明的緊湊檢測系統(tǒng)測量的Am241源的光譜。字母S指示檢 測閾值。它是優(yōu)異的，因為它約為lOkeV。圖4表示利用按照本發(fā)明的緊湊系統(tǒng)測量的Csl37源(入射光子能量為662keV) 的光譜。圖5表示配備有溫度穩(wěn)定系統(tǒng)的按照本發(fā)明的探測器。由鋁制成的外罩20包含 同樣由鋁制成的殼體21，如圖1所示，所述殼體包含閃爍體材料和前置放大器。Peltier模 塊22以其冷面與殼體21熱接觸，而以其熱面與外罩20熱接觸。與外罩的熱接觸通過導熱 很好的銅間隔物(calle)23實現(xiàn)。散熱器(輻射體)24固定在罩子外部，而風機25幫助排 除熱量。管道26包含風機25的電源線。為明晰起見，沒有表示罩子內部的電線?？傮w上， 設備通過連接器27與外部電連接。外罩的最大尺寸在這里是72mm。熱絕緣被設置在外罩 和包含光電二極管和閃爍體材料的殼體之間。在內殼體的內部設置熱敏電阻(28)，用以控 制溫度。從該熱敏電阻引出的未示出的線連接至連接器27。
具體實施例方式實例下列單晶被用作閃爍體材料-用0. 8mol % 的 Tl 摻雜的 CsI-用Tl摻雜的NaI-用IOmol % 的 CeCl3 摻雜的 LaCl3-用5mo 1 % 的 CeBr3 摻雜的 LaBr3它們可以有下列形狀 圓柱形直徑 高度25. 4mm 25. 4mm 標注為 25X2512. 8mm 12. 8mm 標注為 13 X 136mm 6mm標注為 6X6
標注為CsI 標注為NaI 標注為LaCl 標注為LaBr
11
平行六面體接觸面 高度IOmmXlOmm IOmm 標注為 10X10X109mmX9mm 20mm 標注為 9X9X20入射射線的能量為662keV。Y輻射不是準直的。周圍溫度是23°C 士2°C。雪崩 光電二極管(在表1中標注為APD)是Hamamatsu(濱松)S8664-1010型。光電二極管PIN 是 Hamamatsu S3590-08 型。前置放大器是 Hamamatsu 的 H4083 型。結果匯總于表1中。最后一行的結果表明緊湊系統(tǒng)、就是說包括將探測器材料、雪 崩光電二極管和前置放大器相對于彼此以短距離集成在一起的殼體的系統(tǒng)的優(yōu)異性。表權利要求
電離輻射探測器，包括殼體，該殼體包含 閃爍體材料， 雪崩光電二極管，經(jīng)由光耦合器通過其光敏面與該閃爍體材料接觸， 雪崩光電二極管的電信號的前置放大器。
2.按照前一權利要求的探測器，其特征在于，該閃爍體材料被包裹在光反射器中。
3.按照上述權利要求之一的探測器，其特征在于，該閃爍體材料是稀土鹵化物單晶。
4.按照前一權利要求的探測器，其特征在于，該單晶是用鈰摻雜的鑭溴化物。
5.按照上述權利要求之一的探測器，其特征在于，該殼體的體積小于300cm3。
6.按照前一權利要求的探測器，其特征在于，該殼體的體積小于60cm3。
7.按照上述權利要求之一的探測器，其特征在于，該閃爍體材料的體積的范圍從1000 至 10000mm3。
8.按照上述權利要求之一的探測器，其特征在于，該殼體包括金屬。
9.按照上述權利要求之一的探測器，其特征在于，該光耦合器的厚度小于1mm。
10.按照上述權利要求之一的探測器，其特征在于，該光耦合器是環(huán)氧粘合劑。
11.按照上述權利要求之一的探測器，其特征在于，該光耦合器的折射率在閃爍體材料 的折射率和雪崩光電二極管的折射率之間。
12.按照上述權利要求之一的探測器，其特征在于，該光耦合器的熱膨脹系數(shù)在閃爍體 材料的熱膨脹系數(shù)和雪崩光電二極管的熱膨脹系數(shù)之間。
13.按照上述權利要求之一的探測器，其特征在于，閃爍體材料完全被包含在通過光電 二極管的光敏面而不包含所述光電二極管的平面所限定的半空間中。
14.按照上述權利要求之一的探測器，其特征在于，閃爍體材料的接觸面面積小于雪崩 光電二極管的接觸面面積的1. 5倍，優(yōu)選地1. 2倍，甚至更優(yōu)選地1倍。
15.按照前一權利要求的探測器，其特征在于，閃爍體材料的接觸面面積為雪崩光電二 極管的接觸面面積的0. 8至1倍。
16.按照上述權利要求之一的探測器，其特征在于，閃爍體材料的接觸面和光電二極管 的接觸面具有同一形狀。
17.按照上述權利要求之一的探測器，其特征在于，閃爍體材料的接觸面內接雪崩光電 二極管的接觸面。
18.按照上述權利要求之一的探測器，其特征在于，閃爍體材料的接觸面的邊緣的每一 點都在光電二極管的接觸面的內部，而其到光電二極管的邊緣的距離在0. 1和3mm之間，優(yōu) 選地在0.2和0. 7mm之間。
19.按照上述權利要求之一的探測器，其特征在于，該雪崩光電二極管工作在低于 450V的電壓下。
20.按照上述權利要求之一的探測器，其特征在于，電磁屏蔽元件處于雪崩光電二極管 和前置放大器之間。
21.按照上述權利要求之一的探測器，其特征在于，兩個最接近的點、即前置放大器的 一點和閃爍體材料的另一點相距不到2cm。
22.按照上述權利要求之一的探測器，其特征在于，其在662keV下的分辨率小于 3. 5%，甚至小于3%。
23.按照前一權利要求的探測器，其特征在于，其在662keV下的分辨率小于2.9%。
24.按照上述權利要求之一的探測器，其特征在于，采用镅241源測量的檢測閾值小于 15keV，優(yōu)選地小于12keV。
25.按照前一權利要求的探測器，其特征在于，采用镅241源測量的檢測閾值小于 IlkeV0
26.按照上述權利要求之一的探測器，其特征在于，前置放大器的增益為0.lV/pC至 10V/pCo
27.按照上述權利要求之一的探測器，其特征在于，該探測器不包括冷卻系統(tǒng)。
28.按照權利要求1至26之一的探測器，其特征在于，該探測器包括溫度穩(wěn)定系統(tǒng)，該 殼體被設置在罩子中，Peltier模塊被設置在所述殼體和所述罩子之間。
29.利用上述權利要求之一的探測器檢測X或Y射線的方法。
30.按照前一權利要求的方法，不對輻射進行準直。
全文摘要
本發(fā)明涉及電離輻射探測器，包括殼體，該殼體包含經(jīng)由光耦合器通過其光敏面與閃爍體材料接觸的雪崩光電二極管、雪崩光電二極管的電信號的前置放大器。該探測器緊湊、便攜而且非常穩(wěn)健。它以在662keV下可低于3％的優(yōu)異分辨率檢測X或γ射線。
文檔編號G01T1/20GK101971053SQ200880119327
公開日2011年2月9日 申請日期2008年11月28日 優(yōu)先權日2007年12月4日
發(fā)明者G·高蒂爾, J·弗拉曼克 申請人:圣戈班晶體及檢測公司