CN108919335A - 快中子图像探测装置及快中子探测器阵列的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快中子图像探测装置及快中子探测器阵列的制作方法，属于快中子探测技术领域。该装置包括：快中子探测器阵列，所述快中子探测器阵列由多个玻璃毛细管构成，每个所述玻璃毛细管外壁均镀有反射膜，以使光被约束在当前玻璃毛细管内，仅向所述当前玻璃毛细管两端传输，每个所述玻璃毛细管内部灌装有射线灵敏材料，以便快中子与所述射线灵敏材料中的轻核发生弹性散射，反冲带电原子核在飞行路径上使有机分子π电子激发，从基态跃迁到激发态并通过退激发发光。通过在每个玻璃毛细管外壁均镀有反射膜，由于反射层存在，使得每一根玻璃毛细管内产生的可见光，几乎全部传输到该玻璃毛细管的两个端面，从而避免光在玻璃毛细管间串扰的问题。

Description

快中子图像探测装置及快中子探测器阵列的制作方法

技术领域

本发明属于快中子探测技术领域，具体涉及一种快中子图像探测装置及快中子探测器阵列的制作方法。

背景技术

快中子探测通常采用有机闪烁体，其探测原理为：快中子在有机闪烁体中与丰富的轻核(主要是质子、氘和碳)发生弹性散射，反冲带电原子核在飞行路径上使有机分子π电子激发，从基态跃迁到激发态，激发态通过荧光过程和磷光过程退激发，并发光，然后通过光收集、光电转换及信号放大、采集系统，完成信号记录，实现快中子探测。

对快中子图像探测而言，通常选用闪烁体阵列探测器，其中，减小闪烁体单元横截面尺寸可提高空间分辨能力，增加闪烁体单元长度可提高探测效率。目前采用的闪烁体单元主要为塑料闪烁体光纤和灌装液体闪烁体的玻璃毛细管，本申请的研究人在研究本申请的过程中发现：前者难以实现大长径比(长度与横截面尺寸之比)闪烁体单元的批量加工与高精度、无变形装配，使得探测效率低下；而后者虽然已实现横截面直径为50微米、长度10厘米的玻璃毛细管批量加工、装配及液体闪烁体灌装，但是存在严重的光串扰问题，使得空间分辨能力低下。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种快中子图像探测装置及快中子探测器阵列的制作方法，以有效地改善上述问题。

本发明的实施例是这样实现的：

本发明实施例提供了一种快中子图像探测装置，包括：快中子探测器阵列，所述快中子探测器阵列由多个玻璃毛细管构成，每个所述玻璃毛细管外壁均镀有反射膜，以使光被约束在当前玻璃毛细管内，仅向所述当前玻璃毛细管两端传输，每个所述玻璃毛细管内部灌装有射线灵敏材料，以便快中子与所述射线灵敏材料中的轻核发生弹性散射，反冲带电原子核在飞行路径上使有机分子π电子激发，从基态跃迁到激发态并通过退激发发光。

在本发明可选的实施例中，还包括：透光面板；所述快中子探测器阵列的两端面均采用所述透光面板进行封装。

在本发明可选的实施例中，所述透光面板为玻璃面板或光纤面板。

在本发明可选的实施例中，每个所述玻璃毛细管的长度在80至120mm之间，内径在0.05至1mm之间。

在本发明可选的实施例中，所述射线灵敏材料为以碳、氢为主的液体闪烁体或氘代液体闪烁体。

所述反射膜为由金属材料或金属化合物制成的膜层。在本发明可选的实施例中，所述金属材料为铜、铝、金或银。

在本发明可选的实施例中，所述反射膜的厚度不大于8微米。

本发明实施例还提供了一种快中子探测器阵列的制作方法，包括：提供多个玻璃毛细管，在每个所述玻璃毛细管外壁镀反射膜，以使光被约束在当前玻璃毛细管内，仅向所述当前玻璃毛细管两端传输；利用装配模具将镀有反射膜的多个玻璃毛细管规则地排布，形成玻璃毛细管阵列；向所述玻璃毛细管阵列中的每个玻璃毛细管内部灌装射线灵敏材料，形成快中子探测器阵列。

在本发明可选的实施例中，还包括：采用透光面板对所述快中子探测器阵列的两端面进行封装。

本发明实施例的快中子图像探测装置，包括：快中子探测器阵列，所述快中子探测器阵列由多个玻璃毛细管构成，每个所述玻璃毛细管外壁均镀有反射膜，以使光被约束在当前玻璃毛细管内，仅向所述当前玻璃毛细管两端传输，每个所述玻璃毛细管内部灌装有射线灵敏材料，以便快中子与所述射线灵敏材料中的轻核发生弹性散射，反冲带电原子核在飞行路径上使有机分子π电子激发，从基态跃迁到激发态并通过退激发发光。通过在每个玻璃毛细管外壁均镀有反射膜，以使光被约束在当前玻璃毛细管内，仅向当前玻璃毛细管两端传输，换句话说该反射膜可完全反射可见光，即无可见光穿透该膜层，由于反射层存在，使得每一根玻璃毛细管内产生的可见光，几乎全部传输到该玻璃毛细管的两个端面，从而避免光在玻璃毛细管间串扰的问题，进而提高了快中子的探测效率和空间分辨能力。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1示出了本发明实施例提供的一种快中子图像探测装置的结构示意图。

图2示出了本发明实施例提供的快中子探测器阵列的结构示意图。

图3示出了应用本发明实施例提供的快中子图像探测装置对可见光进行测量的一种应用示意图。

图4示出了应用本发明实施例提供的快中子图像探测装置的对可见光进行测量的又一种应用示意图。

图5示出了本发明实施例提供的快中子探测器阵列的制作方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

对快中子图像探测而言，通常选用闪烁体阵列探测器，其中，减小闪烁体单元横截面尺寸可提高空间分辨能力，增加闪烁体单元长度可提高探测效率。目前采用的闪烁体单元主要为塑料闪烁体光纤和灌装液体闪烁体的玻璃毛细管，本申请的研究人在研究本申请的过程中发现：前者难以实现大长径比(长度与横截面尺寸之比)闪烁体单元的批量加工与高精度、无变形装配，使得探测效率低下；而后者虽然已实现横截面直径为50微米、长度10厘米的玻璃毛细管批量加工、装配及液体闪烁体灌装。在灌装有液体闪烁体的玻璃毛细管中，闪烁体内发出的光通过在毛细管壁处发生全反射传递到毛细管端面，实现光的传输与收集，但是，由于液体闪烁体与毛细管壁的折射率十分接近(液体闪烁体的折射率约为1.58，毛细管壁的折射率为1.49)，只有很小一部分(约3.5％)光能够发生全反射，即收光效率低。另外，不能发生全反射的光可能进入临近毛细管中，即存在严重的光串扰问题，使得空间分辨能力低下。

针对以上方案所存在的缺陷，均是发明人在经过实践并仔细研究后得出的结果，因此，上述问题的发现过程以及下文中本发明实施例针对上述问题所提出的解决方案，都应该是发明人在本发明过程中对本发明做出的贡献。

为了解决上述问题，鉴于此，本发明实施例提供了一种快中子图像探测装置，如图1所示。该快中子图像探测装置包括：快中子探测器阵列，所述快中子探测器阵列由多个玻璃毛细管构成，每个所述玻璃毛细管外壁均镀有反射膜，以使光被约束在当前玻璃毛细管内，仅向所述当前玻璃毛细管两端传输，每个所述玻璃毛细管内部灌装有射线灵敏材料，以便快中子与所述射线灵敏材料中的轻核发生弹性散射，反冲带电原子核在飞行路径上使所述射线灵敏材料中的有机分子π电子激发，从基态跃迁到激发态并通过退激发发光。

其中，如图2所示，每个所述玻璃毛细管外壁均镀有反射膜，每个所述玻璃毛细管内部灌装有射线灵敏材料。

其中，通过在每个玻璃毛细管外壁均镀有反射膜，以使光被约束在当前玻璃毛细管内，仅向当前玻璃毛细管两端传输，换句话说该反射膜可完全反射可见光，即无可见光穿透该膜层，由于反射层存在，使得每一根玻璃毛细管内产生的可见光，几乎全部传输到该玻璃毛细管的两个端面，从而避免光在玻璃毛细管间串扰的问题，进而提高了快中子的探测效率和空间分辨能力。

其中，每个所述玻璃毛细管由清洗后的玻璃管拉制而成，每个所述玻璃毛细管的长度在80至120mm之间，内径在0.05至1mm之间，管壁厚度在5至20微米之间。例如，每个所述玻璃毛细管的长度为100mm，内径为50微米，管壁厚度为15微米。其中，需要说明的是，各个玻璃毛细管的长度的取值范围为80至120mm之间的任一数值，内径的取值范围为0.05至1mm之间的任一数值，管壁厚度的取值范围为5至20微米之间的任一数值，而不仅仅是仅包括端点值。

其中，需要说明的是，每个所述玻璃毛细管的长度、内径以及管壁厚度三个参数可以全部一样，也可以全部不一样，还可以部分一样，在此，不作过多说明。

其中，镀设于每个玻璃毛细管外壁的反射膜的厚度不大于8微米，例如，8微米、7微米、6微米、5微米、4微米、3微米等。镀设于每个所述玻璃毛细管外壁的反射膜的厚度可以全部一样，也可以全部不一样，还可以部分一样，在此，不作过多说明。

其中，所述反射膜为由金属材料制成的膜层，例如，该所述金属材料为铜、铝、金银等。此外，需要说明的是，该金属材料除了示意的铜、铝、金、银等纯金属外，还包括其化合物，即金属化合物。

其中，镀设于每个玻璃毛细管外壁的反射膜的材质可以全部一样，也可以全部不一样，还可以部分一样，在此，不作过多说明。

其中，所述射线灵敏材料可以为以碳、氢为主的液体闪烁体，例如，EJ301和EJ305等液体闪烁体；也可以为氘代液体闪烁体，例如，EJ315等液体闪烁体。

其中，灌装于每个玻璃毛细管外壁的射线灵敏材料可以全部一样，也可以全部不一样，还可以部分一样，在此，不作过多说明。

此外，为了提高探测图像的保证性能，作为一种可选的实施方式，该快中子图像探测装置还包括：透光面板(图中未示出)。所述快中子探测器阵列的两端面均采用所述透光面板进行封装。

其中，可选地，所述透光面板为玻璃面板或光纤面板。其中：光纤面板具有更好的图像保真性能，更适用于图像探测；玻璃面板能够减弱外置斜入射可见光的光强衰减，更适用于探测器性能检测。

本发明实施例还提供了应用上述快中子图像探测装置对可见光进行测量的两种应用示意图，请参照图3和图4。利用可见光从快中子图像探测装置的一端面注入，光在每个玻璃毛细管内传输，到达快中子图像探测装置的另一端面，采用可见光CCD记录图像，得到测量图像示意图。

其中，图3为可见光垂直于快中子图像探测装置端面入射所获得的测量图像，图4为可见光以倾斜20度角入射快中子图像探测装置端面时所获得的测量图像，即光必须经过多次反射才能到达记录面。通过对比可知，图3中可明确观察到分离光斑，光斑尺寸与玻璃毛细管内径(约为500μm)相符，光斑内光强分布较均匀；图4也能观察到清晰的分离光斑，即光未穿透管壁于毛细管间串扰，无光串扰问题。

本发明实施例还提供了一种快中子探测器阵列的制作方法，请参阅图5，下面将结合图5对其所包含的步骤进行说明。

步骤S101：提供多个玻璃毛细管，在每个所述玻璃毛细管外壁镀反射膜。

在每个玻璃毛细管外壁镀反射膜时，可基于蒸镀或溅射等方法，在玻璃毛细管外壁镀设一层不大于8微米厚的金属或金属化合物反射层，金属材料可选择铜、铝、金、银等。

步骤S102：利用装配模具将镀有反射膜的多个玻璃毛细管规则地排布，形成玻璃毛细管阵列。

由于金属/金属化合物反射层完全暴露，其极易在玻璃毛细管装配过程中脱落，从而破坏反射层的均匀性，影响高精度装配，因此，采用可以两步法实现玻璃毛细管阵列探测器装配：第一步，采用小模块装配模具，完成小尺寸(3－5mm)阵列探测器模块装配；第二步，使用大模具，将小尺寸模块装配成大尺寸(10－20cm)探测器。

其中，多个玻璃毛细管规则地排布，形成玻璃毛细管阵列时，每个玻璃毛细管排布的方式相同，即均是沿着同一方向紧密排布，如图1中所示的那样。

步骤S103：向所述玻璃毛细管阵列中的每个玻璃毛细管内部灌装射线灵敏材料，形成快中子探测器阵列。

其中，所述射线灵敏材料可以为以碳、氢为主的液体闪烁体，例如，EJ301和EJ305等液体闪烁体；也可以为氘代液体闪烁体，例如，EJ315等液体闪烁体。

此外，该方法还包括：采用透光面板对所述快中子探测器阵列的两端面进行封装。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

本发明实施例所提供的方法，其实现原理及产生的技术效果和前述装置实施例相同，为简要描述，方法实施例部分未提及之处，可参考前述装置实施例中相应内容。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种快中子图像探测装置，其特征在于，包括：

快中子探测器阵列，所述快中子探测器阵列由多个玻璃毛细管构成，每个所述玻璃毛细管外壁均镀有反射膜，以使光被约束在当前玻璃毛细管内，仅向所述当前玻璃毛细管两端传输，每个所述玻璃毛细管内部灌装有射线灵敏材料，以便快中子与所述射线灵敏材料中的轻核发生弹性散射，反冲带电原子核在飞行路径上使有机分子π电子激发，从基态跃迁到激发态并通过退激发发光。

2.根据权利要求1所述的快中子图像探测装置，其特征在于，还包括：透光面板；所述快中子探测器阵列的两端面均采用所述透光面板进行封装。

3.根据权利要求2所述的快中子图像探测装置，其特征在于，所述透光面板为玻璃面板或光纤面板。

4.根据权利要求1所述的快中子图像探测装置，其特征在于，每个所述玻璃毛细管的长度在80至120mm之间，内径在0.05至1mm之间。

5.根据权利要求1所述的快中子图像探测装置，其特征在于，所述射线灵敏材料为以碳、氢为主的液体闪烁体或氘代液体闪烁体。

6.根据权利要求1所述的快中子图像探测装置，其特征在于，所述反射膜为由金属材料或金属化合物制成的膜层。

7.根据权利要求6所述的快中子图像探测装置，其特征在于，所述金属材料为铜、铝、金或银。

8.根据权利要求1－7任一项所述的快中子图像探测装置，其特征在于，所述反射膜的厚度不大于8微米。

9.一种快中子探测器阵列的制作方法，其特征在于，包括：

提供多个玻璃毛细管，在每个所述玻璃毛细管外壁镀反射膜，以使光被约束在当前玻璃毛细管内，仅向所述当前玻璃毛细管两端传输；

利用装配模具将镀有反射膜的多个玻璃毛细管规则地排布，形成玻璃毛细管阵列；

向所述玻璃毛细管阵列中的每个玻璃毛细管内部灌装射线灵敏材料，形成快中子探测器阵列。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：

采用透光面板对所述快中子探测器阵列的两端面进行封装。