电离辐射探测器的制作方法
专利名称：电离辐射探测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及借助于晶体闪烁体检测电离辐射、特别是X射线或Y射线的领域。
背景技术：
电离辐射(其包括电离粒子，尤其诸如质子、中子、电子、α粒子和X射线或γ射 线)通常借助于单晶闪烁体来检测，所述单晶闪烁体把入射的辐射转换为光，然后借助于 光电倍增管将光转换为电信号。在X射线或Y射线的情况下，所利用的闪烁体尤其可以 由Nal、Csl、镧卤化物的掺杂单晶制成。基于镧卤化物的晶体已经是最近的工作、诸如以 US7067815, US7067816, US2005/188914, US2006/104880 和 US2007/241284 公开的工作的 主题。这些晶体就发光强度和分辨率而言是有前途的，但由于其吸湿特性，需要特别小心谨 慎。这些检测系统尤其在医学成像扫描仪、机场安全扫描仪、石油勘探等领域中得到 应用。把由晶体发射的光转换为电信号一般用光电倍增管实现。光电倍增管由于其高压电 源而相对受限制，并且由于其包含玻璃灯泡而笨重且易碎。尤其存在对便携式和移动的X射线或Y射线检测系统的需求。事实上，人们希望 某些人、特别是被分配给安全部门的人应能够通过其简单的存在容易地检测这类辐射。这 种需求特别是在涉及电离辐射的安全活动中存在。这例如包括非法放射源的检测和识别。 这些系统应该检测X射线或Y射线，并且优选地能够识别放射性同位素的性质。因而，开发紧凑的电离辐射、更具体地说X射线或Y射线检测系统是有用的。下 文中将更详细地说明一种X射线或Y射线检测系统，要明白，既然闪烁体和输入窗适于所 述目标辐射，该系统的原理就可以适于其他电离辐射的检测。特别是就信号分辨率和能量 线性(就是说X或Y光子的能量和探测器的响应之间的比例性)而言，这样的紧凑探测器 应该尽可能小，但仍保持良好的检测特性。特别是，通常用来把闪烁体的光转换为电信号的 光电倍增管占据相当大的体积，约180cm3，希望能够缩小这个体积。另外，光电倍增管在高 压下运行，而且对例如地球磁场等的外部磁场敏感。光电二极管能够检测光，但是它们一般 产生噪声，该噪声损害分辨率和可检测的最小能量的阈值(一般60keV)。可以通过冷却光 电二极管来获得性能和分辨率的改善。存在几种类型的光电二极管PN、PIN、雪崩光电二极 管(线性模式或盖革模式)、硅漂移探测器等等。事实上，电离辐射探测器的能量分辨率决定了它分离非常接近的辐射能量的能 力。它通常是针对给定的探测器在给定的能量下被确定为在从该探测器获得的能量谱上 所考虑的峰的、相对于峰质心能量标准化的半峰宽度(尤其参见G.F Knoll, "Radiation Detection and Measurement (辐射检测与测量)”，John Wiley and Sons，Inc.，第 2 版，第 114页)。百分比分辨率是光电峰的半峰宽度除以该峰的能量并乘以100。在下文中，对于 所进行的所有测量，分辨率都是在Cs 137的主要的γ发射的能量662keV下确定的。R. Scafe 等人在Nuclear Instruments and methods in Physics Research(物理 学研究中的核仪表和方法)A 571 (2007)355-357中发表的文章教导了用雪崩光电二极管检测由LaBr3 = Ce晶体发射的光。该晶体具有12mm的直径而光电二极管的面积为5mmX5mm。 该晶体由Saint-Gobain提供，并被封装在带有5mm厚的玻璃窗的铝壳体中。该光电二极管 在该壳体的外面，并接收由该晶体通过该玻璃窗发射的光。前置放大器更不必说同样在该 壳体的外面。Y辐射是通过0.5mm厚的铝窗接收的。对于能量为662keV的入射光子，观测 到的分辨率为7.3%。K. S. Shah等人在 IEEE Transactions on Nuclear Science，第 51 卷，第 5 期，2004 年10月发表的文章将一方面由雪崩光电二极管对用0. 5% Ce掺杂的LaBr3晶体所发射的 光的检测和另一方面由光电倍增管对用0. 5% Ce掺杂的LaBr3晶体所发射的光的检测进行 了比较。雪崩光电二极管被冷却至250K(即-23°C)。该文章得出结论，在周围温度下，光 电倍增管检测将被选择以获得最高分辨率。C. P. Allier 等人在 Nuclear Instruments and methods in Physics Research (物理学研究中的核仪表和方法)A485 (2002) 547-550中发表的文章教导了用在 1500-1700伏电压下工作的雪崩光电二极管来检测LaCl3 = Ce晶体发射的光。该光电二极管 通过低粘度的硅脂与该晶体耦合。考虑到所使用的晶体的吸湿特性而且这是大学环境中的 试验系统，组装必须完全在手套箱中在惰性气氛下实现，所述手套箱包含放射源、该晶体和 光电二极管。所报告的分辨率在662keV下为3. 65%。C. P. Allier 等人在2000 IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record Medical Imaging Conference (2000 :Lyon，France) (2000 IEEE 核科学讨论会会议记录及 医学成像会议(2000，法国里昂)中发表的文章教导了用在1500-1700伏电压下工作的雪崩 光电二极管来检测LaCl3 = Ce晶体发射的光。该光电二极管通过油耦合到晶体。考虑到所使 用的晶体的吸湿特性而且这是大学环境中的试验系统，组装必须完全在手套箱中在惰性气 氛下实现，所述手套箱包含放射源、该晶体和光电二极管。所报告的分辨率在662keV下为 3. 65%。考虑到晶体的小体积(63mm3)，获得辐射源的光谱需要长持续时间的采集或活性强 的源。针孔(小孔)允许排除光电二极管的灵敏度的不均勻性。EP1435666教导了一种把闪烁体集成在壳体中的探测器，其中该闪烁体的光借助 透镜被聚焦到雪崩光电二极管上。观察到，光电二极管与闪烁体的距离由于闪烁体和光电 二极管之间的多种材料(玻璃透镜、透镜周围的空气)事实上就分辨率而言导致不太好的结果。US2005/0127300教导了一种包围光电二极管的由多晶陶瓷(必定不透明)制成的 闪烁体。在设置在光电二极管下面的闪烁体处光损失不可避免。这种光损失必定造成不良 的分辨率。这样的组件尤其是被用来检测辐射的存在，而不能进行识别，因为不可能记录源 的光谱。现在已经发现在周围温度下(不需要温度稳定系统或冷却系统)实现包括雪崩 光电二极管而且导致优异的分辨率的检测系统的可能性，该分辨率在662keV下可能低于 3.5%,或者甚至低于3 %，或者甚至低于2. 9 %。应该理解，检测系统的分辨率改善得越多， 进一步改善分辨率就越困难。于是，利用基于镧溴化物的晶体，例如，分辨率从3. 0到2. 9% 是非常有意义的进步。
发明内容
按照本发明的探测器尤其允许以优异的分辨率和以非常低的检测阈值检测X射 线或Y射线。用镅241源进行测量，该检测阈值尤其可以低于15keV，甚至低于12keV，或 者甚至低于llkeV。用低能量噪声(谷左侧)和源信号(一般为镅241)之间的谷的横坐标 来估计检测阈值。在一种源的情况下具有良好的检测阈值的探测器在另一种源的情况下也 会具有良好的检测阈值。该检测系统基于其不同的部件的紧凑性，全部部件被设置在一个密封的壳体中， 使用最少的材料，其不同的元件之间的距离最小。事实上，已经观察到，严格地应用该原理 会在分辨率和检测阈值方面得出引人注目的和出人意料的结果。于是，本发明涉及用于电 离辐射检测、特别是用于检测X或Y射线的密封壳体，包括闪烁体材料(特别是在以X或 γ射线为目标时，稀土卤化物类型的晶体)；雪崩光电二极管，通过光耦合器耦合到闪烁体 材料；所述光电二极管的电信号的前置放大器。看来，通过缩短其不同的部件之间的距离而 获得的该系统的紧凑性是允许把通常损害分辨率和检测阈值的噪声减到最小的要素之一。 缩短距离可以降低噪声。把各部件封装在金属壳体中并在光电二极管和前置放大器之间增 加金属板同样可以通过提供电磁屏蔽来降低噪声。采用配备光导的由LaBivCe制成的晶体 (用铈掺杂的镧溴化物)，在未封装而又不屏蔽的系统中检测阈值约为40keV。由于封装， 该检测阈值减小到20keV。可以在表1的第2和10行中找到这些测量数据。因而应理解 封装和屏蔽的质量的重要性。按照本发明，在一个优化的系统中，该检测阈值甚至可以低于 IOkeV (表1的第14行)。按照本发明的壳体在尺寸上是小的，其外部体积可以小于IOOOcm3，甚至小于 500cm3,甚至小于300cm3，甚至小于100cm3，更甚至小于60cm3。本发明人已经实现一种壳体， 其中体积小至50. 4cm3，并包括尺寸为9X9X20mm3的平行六面体闪烁体。较小的晶体将允 许进一步缩小壳体的体积，但是所述晶体将停止较少的辐射，因而探测器的灵敏度将较低。该闪烁体材料可以有1和50000mm3之间的体积。当待检测的辐射能量低时，小的 闪烁体体积便可以满足。对于较高的能量，较大的体积是优选的。特别是对于X或Y射线 检测，该闪烁体的体积优选地大于1000mm3，甚至大于1300mm3。其体积一般小于10000mm3， 甚至小于5000mm3。于是，按照本发明的壳体的尺寸甚至可以小于一个简单的光电倍增管。 处于入射辐射方向上的闪烁体的尺寸被选择以便吸收最大的辐射。例如，先前提及的闪烁 体具有20mm的厚度，这允许吸收100%的由Co57源发射的具有122keV能量的光子，和约 53%的由Cs137源发射的具有662keV能量的光子。吸收的辐射的比例越高，该源的活性应 越低以便被识别，而且光谱的采集应越短。按照本发明的探测器重量轻。先前提及的并包含9X9X20mm3的闪烁体以及带有 电连接器的电子电路的探测器的质量约60克。于是，按照本发明的探测器重量可以小于 100克。最后，该探测器可以是便携的(拿在手中，放入袋中等等)，抗冲击和抗震动，抗恶 劣的天气、耐极端温度(-20至+50°C )。该壳体是一个容器，优选地包括金属，而且它应该让待检测的辐射通过直至闪烁 体材料。它同样应该是对可见光不透明的并且优选地对可能干扰电子电路的所有性质的电 磁波(便携式电话、无线电波、电视波等等)提供屏蔽。因而该壳体可以至少部分地、或完全 地用允许待检辐射通过的金属、例如铝(应注意术语“铝”同样覆盖与应用兼容的、就是说对目标辐射、特别是X或Y射线是可透的铝合金)制成。特别是，壳体的一个面尤其可充 当接收该辐射的窗口。于是，壳体的充当窗口的该面可以略薄于壳体的其他壁。该壳体也 可以是用合成材料(例如，像PE、PP、PS那样的聚合物)制成，并覆盖有例如铝的金属的薄 层或片。例如，该壳体可以是一个平行六面体，完全用铝(或铝合金)制成并包括一个比其 他面薄的面。在检测X或Y射线的情况下，作为示例，这个面可以由0.5mm厚的铝制成，而 其他壁例如可以由Imm厚的铝制成。为了检测电离粒子，铝窗应该薄得多(铝“片”类型)。对于检测X或Y射线的情况，壳体包含闪烁体材料，后者包括稀土卤化物。它一 般为单晶型，并包括稀土卤化物，主要为氯化物、溴化物、碘化物或氟化物类型，一般具有分 子式AnLnpX(3p+n)，其中Ln代表一个或多个稀土元素，X代表一个或多个从F、Cl、Br或I中选 择的卤素原子，而A代表一个或多个碱金属，例如K、Li、Na、Rb或Cs，η和ρ表示值，使得-可以为零的η小于或等于3ρ，-ρ大于或等于1。有关的稀土元素(采取卤化物的形式)是元素周期表第3列中的包括Sc、Y、La的 那些元素和从Ce至Lu的镧系元素。更具体地说，涉及Y、La、Gd和Lu的卤化物，特别是用 Ce或Pr掺杂(术语“掺杂剂”在这里是指稀土元素，其一般就克分子而言是微量组分，取代 一个或多个一般就克分子而言为主要组分的稀土元素，该微量组分和主要组分都被包含在 缩略语Ln下)。特别是，更具体地涉及分子式为AnLrvxLn' xX(3p+n)的材料，其中A、X、n和ρ具有前 面给出的含意，Ln从Y、La、Gd、Lu或这些元素的混合物中选择，Ln'是诸如Ce或Pr的掺 杂剂，而χ大于或等于0. Olp并小于ρ，而更一般地，范围为0. Olp至0. 9ρ。在本发明的范 围内，特别是对结合下列特征的材料感兴趣-从Li、Na和Cs中选择的A；-从Y、La、Gd、Lu或这些稀土元素的混合物中选择的Ln，更具体地说，Ln是La，-Ln'是 Ce，-从F、Cl、Br、I或者这些卤素中的几个的混合物、特别是Cl和Br的混合物、或Br 和I的混合物中选择的X。特别适用于X或、射线的检测的闪烁体材料是一种单晶，其包括用铈(Ce)掺杂 的LaX3，其中X表示Br、Cl或I，其中卤素混合物、特别是氯化物/溴化物混合物是可能的。 当谈及掺杂铈的稀土卤化物时，本领域技术人员将马上知道该铈采取卤化物的形式，就是 说稀土卤化物包含铈卤化物。特别是，下列单晶特别适用 用 1 至 30mol % 的 CeBr3 掺杂的 LaBr3 ； 用 1 至 30mol% 的 CeCl3 掺杂的 LaCl3 ；· YLaBr3+(1-y) CeBr3,其中 y 彡 0 ；闪烁体材料尤其可以是呈圆柱形或平行六面体形，而沿一个轴较大。于是，该轴垂 直于光电二极管的平面。该闪烁体材料被设置在壳体中紧邻壳体的充当窗口的壁。吸收冲 击的材料毯(tapis)可以设置在晶体和壳体的壁之间。该闪烁体材料一般包裹在光反射器中。除闪烁体发射的光应该通过以到达光电二 极管的区域外，该光反射器优选地覆盖闪烁体材料的所有边。光反射器可以由PTFE(聚四 氟乙烯)制成。因而它可以是包围该闪烁体材料的PTFE带。在包裹在光反射器中之前，闪烁体材料的外表面优选地用例如砂纸(特别是400粒度)的磨料刮擦(或打毛)。这样在 表面上造成的粗糙度会增加光电探测器所接收的光通量。该壳体包括雪崩光电二极管。这个光电二极管经由光耦合器材料与闪烁体材料接 触。它可能是硅树脂类型的油脂(聚硅氧烷)或者任何其他透明的无粘性的材料，但是该 光耦合器优选地是环氧粘合剂。当环氧粘合剂硬化时，光电二极管和晶体便联成一体。光 耦合器的折射率处于闪烁体材料的折射率和雪崩光电二极管的折射率之间。当光耦合器是 固体时(在环氧粘合剂的情况下)，优选地进行选择使得其热膨胀系数处于雪崩光电二极 管的热膨胀系数和闪烁体材料的热膨胀系数之间。另外，它可以是相对柔软的。这样，该耦 合材料更好地吸收它所连接的两种材料之间的热膨胀差异。在过热的情况下，这将减小晶 体碎裂的危险。该光耦合器的厚度优选地小于2mm，甚至小于1mm，更优选地小于0. 6mm。对于本领 域技术人员，术语“光耦合器”不包括真空和诸如空气的气体。光耦合器必定是液体(其包 括“油脂”)或固体。雪崩光电二极管一般为平组件，有两个主面。这些主面中的一个经由光耦合器与 闪烁体材料的平面接触。该闪烁体材料与该光电二极管接触的面(闪烁体材料的接触面) 优选地内接光电二极管的进行接触的面(该光电二极管的接触面)。在这里考虑光电二极 管的光敏表面(或“光敏”面)。事实上，该光电二极管一般包括被对应于光电二极管的封 装材料的死区(对光不敏感)包围的光敏区域。因而，应记住，表述“光电二极管的接触面” 或“光电二极管的接触面面积”是指光电二极管的敏感区域。该闪烁体材料完全被设置成与光电二极管的敏感面相对。这意味着，闪烁体材料 不包围光电二极管，而是完全被包含在由通过光电二极管的敏感面并面对所述敏感面(或 与敏感面相对)的平面所限定的半空间中。因而，包括闪烁体材料的所述半空间不包含光
电二极管。闪烁体材料的接触面和光电二极管的接触面优选地具有同一形状(例如都是正 方形)，闪烁体材料的接触面优选地略小于(同位相似地(homothStique))光电二极管的接 触面。闪烁体材料的接触面的边缘上的每一点优选地都处于光电二极管的接触(敏感)面内 部，到光电二极管的接触面的边缘的距离在0. 1和3mm之间，优选地在0. 2和0. 7mm之间。闪烁体材料的接触面面积优选地小于雪崩光电二极管的接触面面积的1. 5倍，甚 至1. 2倍，更甚至1倍。闪烁体材料的接触面面积小于光电二极管的接触面面积的1. 5倍 意味着，若光电二极管的接触面面积是S，则闪烁体材料的接触面面积小于1. 5乘以S。因 而，闪烁体材料的接触面面积可以大于光电二极管的接触面面积。但是，闪烁体材料的接触 面面积优选地是雪崩光电二极管的接触面面积的0. 8至1倍。作为示例，在表1的第2和 12行中，敏感面面积为0. 2cm2的光电二极管与面积为Icm2的光电二极管进行了比较。可 以看到，对于配备玻璃窗的lOXlOXlOmm3晶体，性能非常不同从用最小的光电二极管的 8. 5%以上的分辨率到用最大的光电二极管的差不多3.0%的分辨率。于是，本发明还涉及包括闪烁体材料和雪崩光电二极管的检测系统，即使对于非 紧凑系统，优选地遵守刚刚给出的接触面数据。但优选紧凑系统。雪崩光电二极管优选地工作在低于1050V的电压下，更优选地工作在低于450V的 电压下。
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该光电二极管一般有两个电连接器。这两个连接器优选地直接焊接到电荷放大 器(亦称前置放大器)上，该电荷放大器的部件被设置在印刷电路板上，后者同样被包括在 按照本发明的壳体中。该前置放大器尤其可以具有下列特征电源+/-12V或+24/0V，增益 0. lV/pC至lOV/pC。在雪崩光电二极管和前置放大器之间优选地设置诸如铜板或黄铜板等 的电磁屏蔽元件，其电连接到壳体和地。通过聚合物套或绝缘粘合剂绝缘的该光电二极管 的这些连接器通过孔穿过屏蔽元件。要注意，电磁屏蔽阻止可能干扰电子电路的所有种类 的电磁波(移动电话、无线电波、电视波等等)。该金属壳体(可以是由铝制成的)参加该 屏蔽。 在本发明的范围内所使用的光电探测器是雪崩光电二极管，该术语覆盖简单的单 个光电二极管，以及雪崩光电二极管矩阵，就是说被集中在晶体的一个面上并且信号被求 和的单个雪崩光电二极管的集合。因而，该集合包括死区(对光不敏感)，该死区包围该矩 阵，而且一般还处于各个光电二极管之间。上面在雪崩光电二极管和闪烁体材料之间的接 触面积之间的关系方面给出的特征仍有效，这是所考虑的相关雪崩光电二极管的对光敏感 的接触表面的累计面积。但在雪崩光电二极管矩阵的情况下，由于矩阵中的各个光电二极 管之间存在死区，闪烁体材料的接触面可以大于雪崩光电二极管的累计接触(对光敏感) 面积。作为由盖革模式的雪崩光电二极管的矩阵构成的光电探测器的实例，可以引用硅PM。按照本发明，不需要对入射辐射进行准直。例如通过以穿孔的吸收材料包围源进 行的准直提供细的辐射束，因为它只照射探测器的特定的点，允许消除晶体或光电二极管 的不均勻性。已证实，闪烁体、其反射器、光耦合器和光电二极管的组合的质量允许在不使 用准直的情况下获得优异的性能。按照本发明的壳体可以有一个通过闪烁体材料的重心和辐射入射窗的重心的轴。 当从该入射窗出发沿着该轴移动时，相继遇到光反射器、闪烁体材料、光耦合器、光电二极 管、屏蔽和前置放大器。光电二极管、屏蔽(这指的是板)和前置放大器的印刷电路尤其可 以垂直于该轴。该入射窗同样可以是侧向的，就是说平行于壳体的轴。若该壳体是一个平行六面 体，则其5个面(4个侧面和正面)可以构成入射窗。按照本发明的探测器的紧凑性的特征尤其在于晶体和雪崩光电二极管之间没有 光导(除了光耦合器、特别是环氧粘合剂型的薄层以及可能的雪崩光电二极管的表面的保 护层，其中该薄层可以有小于0. 6mm的厚度)，前置放大器和闪烁体材料之间的距离短，使 得两个最接近的点、即前置放大器的一个点和闪烁体材料的另一个可以一般相距不到2cm。按照先有技术，在光电二极管应该在周围温度下的环境中运行时，光电二极管往 往被冷却到o°c以下。按照本发明的探测器的性能使得不需要温度稳定系统(冷却或加 热)。诸如Peltier (珀耳帖)模块、散热器、风机或冷却剂循环的冷却系统增大尺寸要求、 质量或电耗。但是，在该探测器不应该在恒温下使用的情况下，增加绝热系统或者甚至有效 温度稳定系统是一个可能的选项，因为雪崩光电二极管的增益随着温度而变化。配备有温 度稳定系统的探测器的可能的设计如下-如上所述，(第一)导热壳体包括闪烁体材料、雪崩光电二极管和前置放大器，_包围该壳体的热绝缘(例如，泡沫聚苯乙烯或真空或者空气)-包含热绝缘包裹的第一壳体的导热外罩(或第二壳体)，
-Peltier模块(按照热电效应原理工作)，以其一个面与该第一壳体热接触，其另 一面与外罩热接触，-固定在外罩上的散热器，-安装在散热器上方的风机。对于探测器应该面对热的周围温度(诸如高于25°C )的情况，Peltier模块的冷 面与该内壳体热接触，而Peltier模块的热面与外罩热接触。对于该探测器应该面对冷的 周围温度(诸如低于-20°C)的情况，Peltier模块的热面与内壳体热接触，而Peltier模 块的冷面与外罩热接触。涉及Peltier模块所使用的表述“热接触”意味着直接接触与之热接触的壳体(或 罩子)，或者替代地设置在所述Peltier模块和所述壳体(或所述罩子)之间的导热良好的 中间件(一般金属)。增加诸如(由Correge公司销售的)PT1000热敏电阻的温度探头允许当外部(外 罩外部)周围温度变化时控制所提供的稳定效率并允许系统的自动控制以调节壳体(第一 壳体)内部的温度。外罩(或第二壳体)由导热良好的并对目标辐射、特别是X射线或Y射线可透的 材料制成。因而，它可以至少部分地或者完全地由允许待检测的辐射通过的金属、诸如铝 (应注意术语“铝”同样覆盖与应用兼容的、就是说对目标辐射、特别是X或Y射线可透 的铝合金)制成。特别是，更具体地说，罩子的一个面充当接收辐射的窗。于是，罩子的用 作窗的该面可以略薄于所述罩子的其他壁。外罩的窗面与(第一)内壳体的“窗”面相对。 该罩子例如可以是平行六面体，完全用铝(或铝合金)制成，并包括一个比其他面更薄的面 (窗面)。对于检测X或Y射线的情况，作为示例，这个面可以是0.5mm厚的铝，例如，其他 壁可以是Imm厚的铝。本发明人已经例如开发了外部尺寸为7. 2X7.0X5. 2 = 262cm3的探测器(图5)， 并在50°C的外部环境下，已经获得内壳体(第一壳体)中约20°C的稳定的温度。Peltier 模块是Supercool PE-127-08-15品牌的。外罩的尺寸、特别是绝缘体的厚度取决于要补偿 的外部温度。于是，本发明还涉及配备有温度稳定系统的探测器。特别是，如上所述，该壳体可 以被设置在一个罩子中，Peltier模块被设置在所述壳体和所述罩子之间。尽管按照本发明的探测器在没有温度稳定系统的情况下在-20°C和+50°C之间 展现出良好的性能，但是在周围温度明显波动的情况下或者在温度持久地处于25°C以上 或-20°C以下的情况下优选的是提供这样的系统。本发明还涉及利用按照本发明的探测器检测诸如X或Y射线的电离辐射的方法。
图1表示按照本发明的紧凑探测器。它有一个轴AA'。附图标记具有下列含意1 焊接到封板的孔中的地线；2 铝壳体3 前置放大器
4 :黄铜板(屏蔽)5 雪崩光电二极管 S-8664-10106:光耦合7 =PTFE覆盖物(光反射器)8 单晶闪烁体，其中光电二极管一侧的面已被抛光，而其他面已被打毛。9 厚度为0. 5mm的铝入射窗10 信号连接器11 低压连接器12 高压连接器13 绝缘体壳体外面的其他数字是以mm为单位的尺寸。图2举例说明线性，就是说入射X或、光子的能量和按照本发明的一个实例的紧 凑探测器的检测系统的响应之间的比例性。图3表示利用按照本发明的紧凑检测系统测量的Am241源的光谱。字母S指示检 测阈值。它是优异的，因为它约为lOkeV。图4表示利用按照本发明的紧凑系统测量的Csl37源(入射光子能量为662keV) 的光谱。图5表示配备有温度稳定系统的按照本发明的探测器。由铝制成的外罩20包含 同样由铝制成的壳体21，如图1所示，所述壳体包含闪烁体材料和前置放大器。Peltier模 块22以其冷面与壳体21热接触，而以其热面与外罩20热接触。与外罩的热接触通过导热 很好的铜间隔物(calle)23实现。散热器(辐射体)24固定在罩子外部，而风机25帮助排 除热量。管道26包含风机25的电源线。为明晰起见，没有表示罩子内部的电线。总体上， 设备通过连接器27与外部电连接。外罩的最大尺寸在这里是72mm。热绝缘被设置在外罩 和包含光电二极管和闪烁体材料的壳体之间。在内壳体的内部设置热敏电阻(28)，用以控 制温度。从该热敏电阻引出的未示出的线连接至连接器27。
具体实施例方式实例下列单晶被用作闪烁体材料-用0. 8mol % 的 Tl 掺杂的 CsI-用Tl掺杂的NaI-用IOmol % 的 CeCl3 掺杂的 LaCl3-用5mo 1 % 的 CeBr3 掺杂的 LaBr3它们可以有下列形状 圆柱形直径 高度25. 4mm 25. 4mm 标注为 25X2512. 8mm 12. 8mm 标注为 13 X 136mm 6mm标注为 6X6
标注为CsI 标注为NaI 标注为LaCl 标注为LaBr
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平行六面体接触面 高度IOmmXlOmm IOmm 标注为 10X10X109mmX9mm 20mm 标注为 9X9X20入射射线的能量为662keV。Y辐射不是准直的。周围温度是23°C 士2°C。雪崩 光电二极管(在表1中标注为APD)是Hamamatsu(滨松)S8664-1010型。光电二极管PIN 是 Hamamatsu S3590-08 型。前置放大器是 Hamamatsu 的 H4083 型。结果汇总于表1中。最后一行的结果表明紧凑系统、就是说包括将探测器材料、雪 崩光电二极管和前置放大器相对于彼此以短距离集成在一起的壳体的系统的优异性。表权利要求
电离辐射探测器，包括壳体，该壳体包含 闪烁体材料， 雪崩光电二极管，经由光耦合器通过其光敏面与该闪烁体材料接触， 雪崩光电二极管的电信号的前置放大器。
2.按照前一权利要求的探测器，其特征在于，该闪烁体材料被包裹在光反射器中。
3.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，该闪烁体材料是稀土卤化物单晶。
4.按照前一权利要求的探测器，其特征在于，该单晶是用铈掺杂的镧溴化物。
5.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，该壳体的体积小于300cm3。
6.按照前一权利要求的探测器，其特征在于，该壳体的体积小于60cm3。
7.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，该闪烁体材料的体积的范围从1000 至 10000mm3。
8.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，该壳体包括金属。
9.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，该光耦合器的厚度小于1mm。
10.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，该光耦合器是环氧粘合剂。
11.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，该光耦合器的折射率在闪烁体材料 的折射率和雪崩光电二极管的折射率之间。
12.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，该光耦合器的热膨胀系数在闪烁体 材料的热膨胀系数和雪崩光电二极管的热膨胀系数之间。
13.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，闪烁体材料完全被包含在通过光电 二极管的光敏面而不包含所述光电二极管的平面所限定的半空间中。
14.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，闪烁体材料的接触面面积小于雪崩 光电二极管的接触面面积的1. 5倍，优选地1. 2倍，甚至更优选地1倍。
15.按照前一权利要求的探测器，其特征在于，闪烁体材料的接触面面积为雪崩光电二 极管的接触面面积的0. 8至1倍。
16.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，闪烁体材料的接触面和光电二极管 的接触面具有同一形状。
17.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，闪烁体材料的接触面内接雪崩光电 二极管的接触面。
18.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，闪烁体材料的接触面的边缘的每一 点都在光电二极管的接触面的内部，而其到光电二极管的边缘的距离在0. 1和3mm之间，优 选地在0.2和0. 7mm之间。
19.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，该雪崩光电二极管工作在低于 450V的电压下。
20.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，电磁屏蔽元件处于雪崩光电二极管 和前置放大器之间。
21.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，两个最接近的点、即前置放大器的 一点和闪烁体材料的另一点相距不到2cm。
22.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，其在662keV下的分辨率小于 3. 5%，甚至小于3%。
23.按照前一权利要求的探测器，其特征在于，其在662keV下的分辨率小于2.9%。
24.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，采用镅241源测量的检测阈值小于 15keV，优选地小于12keV。
25.按照前一权利要求的探测器，其特征在于，采用镅241源测量的检测阈值小于 IlkeV0
26.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，前置放大器的增益为0.lV/pC至 10V/pCo
27.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，该探测器不包括冷却系统。
28.按照权利要求1至26之一的探测器，其特征在于，该探测器包括温度稳定系统，该 壳体被设置在罩子中，Peltier模块被设置在所述壳体和所述罩子之间。
29.利用上述权利要求之一的探测器检测X或Y射线的方法。
30.按照前一权利要求的方法，不对辐射进行准直。
全文摘要
本发明涉及电离辐射探测器，包括壳体，该壳体包含经由光耦合器通过其光敏面与闪烁体材料接触的雪崩光电二极管、雪崩光电二极管的电信号的前置放大器。该探测器紧凑、便携而且非常稳健。它以在662keV下可低于3％的优异分辨率检测X或γ射线。
文档编号G01T1/20GK101971053SQ200880119327
公开日2011年2月9日 申请日期2008年11月28日 优先权日2007年12月4日
发明者G·高蒂尔, J·弗拉曼克 申请人:圣戈班晶体及检测公司
技术领域：
本发明涉及借助于晶体闪烁体检测电离辐射、特别是X射线或Y射线的领域。
背景技术：
电离辐射(其包括电离粒子，尤其诸如质子、中子、电子、α粒子和X射线或γ射 线)通常借助于单晶闪烁体来检测，所述单晶闪烁体把入射的辐射转换为光，然后借助于 光电倍增管将光转换为电信号。在X射线或Y射线的情况下，所利用的闪烁体尤其可以 由Nal、Csl、镧卤化物的掺杂单晶制成。基于镧卤化物的晶体已经是最近的工作、诸如以 US7067815, US7067816, US2005/188914, US2006/104880 和 US2007/241284 公开的工作的 主题。这些晶体就发光强度和分辨率而言是有前途的，但由于其吸湿特性，需要特别小心谨 慎。这些检测系统尤其在医学成像扫描仪、机场安全扫描仪、石油勘探等领域中得到 应用。把由晶体发射的光转换为电信号一般用光电倍增管实现。光电倍增管由于其高压电 源而相对受限制，并且由于其包含玻璃灯泡而笨重且易碎。尤其存在对便携式和移动的X射线或Y射线检测系统的需求。事实上，人们希望 某些人、特别是被分配给安全部门的人应能够通过其简单的存在容易地检测这类辐射。这 种需求特别是在涉及电离辐射的安全活动中存在。这例如包括非法放射源的检测和识别。 这些系统应该检测X射线或Y射线，并且优选地能够识别放射性同位素的性质。因而，开发紧凑的电离辐射、更具体地说X射线或Y射线检测系统是有用的。下 文中将更详细地说明一种X射线或Y射线检测系统，要明白，既然闪烁体和输入窗适于所 述目标辐射，该系统的原理就可以适于其他电离辐射的检测。特别是就信号分辨率和能量 线性(就是说X或Y光子的能量和探测器的响应之间的比例性)而言，这样的紧凑探测器 应该尽可能小，但仍保持良好的检测特性。特别是，通常用来把闪烁体的光转换为电信号的 光电倍增管占据相当大的体积，约180cm3，希望能够缩小这个体积。另外，光电倍增管在高 压下运行，而且对例如地球磁场等的外部磁场敏感。光电二极管能够检测光，但是它们一般 产生噪声，该噪声损害分辨率和可检测的最小能量的阈值(一般60keV)。可以通过冷却光 电二极管来获得性能和分辨率的改善。存在几种类型的光电二极管PN、PIN、雪崩光电二极 管(线性模式或盖革模式)、硅漂移探测器等等。事实上，电离辐射探测器的能量分辨率决定了它分离非常接近的辐射能量的能 力。它通常是针对给定的探测器在给定的能量下被确定为在从该探测器获得的能量谱上 所考虑的峰的、相对于峰质心能量标准化的半峰宽度(尤其参见G.F Knoll, "Radiation Detection and Measurement (辐射检测与测量)”，John Wiley and Sons，Inc.，第 2 版，第 114页)。百分比分辨率是光电峰的半峰宽度除以该峰的能量并乘以100。在下文中，对于 所进行的所有测量，分辨率都是在Cs 137的主要的γ发射的能量662keV下确定的。R. Scafe 等人在Nuclear Instruments and methods in Physics Research(物理 学研究中的核仪表和方法)A 571 (2007)355-357中发表的文章教导了用雪崩光电二极管检测由LaBr3 = Ce晶体发射的光。该晶体具有12mm的直径而光电二极管的面积为5mmX5mm。 该晶体由Saint-Gobain提供，并被封装在带有5mm厚的玻璃窗的铝壳体中。该光电二极管 在该壳体的外面，并接收由该晶体通过该玻璃窗发射的光。前置放大器更不必说同样在该 壳体的外面。Y辐射是通过0.5mm厚的铝窗接收的。对于能量为662keV的入射光子，观测 到的分辨率为7.3%。K. S. Shah等人在 IEEE Transactions on Nuclear Science，第 51 卷，第 5 期，2004 年10月发表的文章将一方面由雪崩光电二极管对用0. 5% Ce掺杂的LaBr3晶体所发射的 光的检测和另一方面由光电倍增管对用0. 5% Ce掺杂的LaBr3晶体所发射的光的检测进行 了比较。雪崩光电二极管被冷却至250K(即-23°C)。该文章得出结论，在周围温度下，光 电倍增管检测将被选择以获得最高分辨率。C. P. Allier 等人在 Nuclear Instruments and methods in Physics Research (物理学研究中的核仪表和方法)A485 (2002) 547-550中发表的文章教导了用在 1500-1700伏电压下工作的雪崩光电二极管来检测LaCl3 = Ce晶体发射的光。该光电二极管 通过低粘度的硅脂与该晶体耦合。考虑到所使用的晶体的吸湿特性而且这是大学环境中的 试验系统，组装必须完全在手套箱中在惰性气氛下实现，所述手套箱包含放射源、该晶体和 光电二极管。所报告的分辨率在662keV下为3. 65%。C. P. Allier 等人在2000 IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record Medical Imaging Conference (2000 :Lyon，France) (2000 IEEE 核科学讨论会会议记录及 医学成像会议(2000，法国里昂)中发表的文章教导了用在1500-1700伏电压下工作的雪崩 光电二极管来检测LaCl3 = Ce晶体发射的光。该光电二极管通过油耦合到晶体。考虑到所使 用的晶体的吸湿特性而且这是大学环境中的试验系统，组装必须完全在手套箱中在惰性气 氛下实现，所述手套箱包含放射源、该晶体和光电二极管。所报告的分辨率在662keV下为 3. 65%。考虑到晶体的小体积(63mm3)，获得辐射源的光谱需要长持续时间的采集或活性强 的源。针孔(小孔)允许排除光电二极管的灵敏度的不均勻性。EP1435666教导了一种把闪烁体集成在壳体中的探测器，其中该闪烁体的光借助 透镜被聚焦到雪崩光电二极管上。观察到，光电二极管与闪烁体的距离由于闪烁体和光电 二极管之间的多种材料(玻璃透镜、透镜周围的空气)事实上就分辨率而言导致不太好的结果。US2005/0127300教导了一种包围光电二极管的由多晶陶瓷(必定不透明)制成的 闪烁体。在设置在光电二极管下面的闪烁体处光损失不可避免。这种光损失必定造成不良 的分辨率。这样的组件尤其是被用来检测辐射的存在，而不能进行识别，因为不可能记录源 的光谱。现在已经发现在周围温度下(不需要温度稳定系统或冷却系统)实现包括雪崩 光电二极管而且导致优异的分辨率的检测系统的可能性，该分辨率在662keV下可能低于 3.5%,或者甚至低于3 %，或者甚至低于2. 9 %。应该理解，检测系统的分辨率改善得越多， 进一步改善分辨率就越困难。于是，利用基于镧溴化物的晶体，例如，分辨率从3. 0到2. 9% 是非常有意义的进步。
发明内容
按照本发明的探测器尤其允许以优异的分辨率和以非常低的检测阈值检测X射 线或Y射线。用镅241源进行测量，该检测阈值尤其可以低于15keV，甚至低于12keV，或 者甚至低于llkeV。用低能量噪声(谷左侧)和源信号(一般为镅241)之间的谷的横坐标 来估计检测阈值。在一种源的情况下具有良好的检测阈值的探测器在另一种源的情况下也 会具有良好的检测阈值。该检测系统基于其不同的部件的紧凑性，全部部件被设置在一个密封的壳体中， 使用最少的材料，其不同的元件之间的距离最小。事实上，已经观察到，严格地应用该原理 会在分辨率和检测阈值方面得出引人注目的和出人意料的结果。于是，本发明涉及用于电 离辐射检测、特别是用于检测X或Y射线的密封壳体，包括闪烁体材料(特别是在以X或 γ射线为目标时，稀土卤化物类型的晶体)；雪崩光电二极管，通过光耦合器耦合到闪烁体 材料；所述光电二极管的电信号的前置放大器。看来，通过缩短其不同的部件之间的距离而 获得的该系统的紧凑性是允许把通常损害分辨率和检测阈值的噪声减到最小的要素之一。 缩短距离可以降低噪声。把各部件封装在金属壳体中并在光电二极管和前置放大器之间增 加金属板同样可以通过提供电磁屏蔽来降低噪声。采用配备光导的由LaBivCe制成的晶体 (用铈掺杂的镧溴化物)，在未封装而又不屏蔽的系统中检测阈值约为40keV。由于封装， 该检测阈值减小到20keV。可以在表1的第2和10行中找到这些测量数据。因而应理解 封装和屏蔽的质量的重要性。按照本发明，在一个优化的系统中，该检测阈值甚至可以低于 IOkeV (表1的第14行)。按照本发明的壳体在尺寸上是小的，其外部体积可以小于IOOOcm3，甚至小于 500cm3,甚至小于300cm3，甚至小于100cm3，更甚至小于60cm3。本发明人已经实现一种壳体， 其中体积小至50. 4cm3，并包括尺寸为9X9X20mm3的平行六面体闪烁体。较小的晶体将允 许进一步缩小壳体的体积，但是所述晶体将停止较少的辐射，因而探测器的灵敏度将较低。该闪烁体材料可以有1和50000mm3之间的体积。当待检测的辐射能量低时，小的 闪烁体体积便可以满足。对于较高的能量，较大的体积是优选的。特别是对于X或Y射线 检测，该闪烁体的体积优选地大于1000mm3，甚至大于1300mm3。其体积一般小于10000mm3， 甚至小于5000mm3。于是，按照本发明的壳体的尺寸甚至可以小于一个简单的光电倍增管。 处于入射辐射方向上的闪烁体的尺寸被选择以便吸收最大的辐射。例如，先前提及的闪烁 体具有20mm的厚度，这允许吸收100%的由Co57源发射的具有122keV能量的光子，和约 53%的由Cs137源发射的具有662keV能量的光子。吸收的辐射的比例越高，该源的活性应 越低以便被识别，而且光谱的采集应越短。按照本发明的探测器重量轻。先前提及的并包含9X9X20mm3的闪烁体以及带有 电连接器的电子电路的探测器的质量约60克。于是，按照本发明的探测器重量可以小于 100克。最后，该探测器可以是便携的(拿在手中，放入袋中等等)，抗冲击和抗震动，抗恶 劣的天气、耐极端温度(-20至+50°C )。该壳体是一个容器，优选地包括金属，而且它应该让待检测的辐射通过直至闪烁 体材料。它同样应该是对可见光不透明的并且优选地对可能干扰电子电路的所有性质的电 磁波(便携式电话、无线电波、电视波等等)提供屏蔽。因而该壳体可以至少部分地、或完全 地用允许待检辐射通过的金属、例如铝(应注意术语“铝”同样覆盖与应用兼容的、就是说对目标辐射、特别是X或Y射线是可透的铝合金)制成。特别是，壳体的一个面尤其可充 当接收该辐射的窗口。于是，壳体的充当窗口的该面可以略薄于壳体的其他壁。该壳体也 可以是用合成材料(例如，像PE、PP、PS那样的聚合物)制成，并覆盖有例如铝的金属的薄 层或片。例如，该壳体可以是一个平行六面体，完全用铝(或铝合金)制成并包括一个比其 他面薄的面。在检测X或Y射线的情况下，作为示例，这个面可以由0.5mm厚的铝制成，而 其他壁例如可以由Imm厚的铝制成。为了检测电离粒子，铝窗应该薄得多(铝“片”类型)。对于检测X或Y射线的情况，壳体包含闪烁体材料，后者包括稀土卤化物。它一 般为单晶型，并包括稀土卤化物，主要为氯化物、溴化物、碘化物或氟化物类型，一般具有分 子式AnLnpX(3p+n)，其中Ln代表一个或多个稀土元素，X代表一个或多个从F、Cl、Br或I中选 择的卤素原子，而A代表一个或多个碱金属，例如K、Li、Na、Rb或Cs，η和ρ表示值，使得-可以为零的η小于或等于3ρ，-ρ大于或等于1。有关的稀土元素(采取卤化物的形式)是元素周期表第3列中的包括Sc、Y、La的 那些元素和从Ce至Lu的镧系元素。更具体地说，涉及Y、La、Gd和Lu的卤化物，特别是用 Ce或Pr掺杂(术语“掺杂剂”在这里是指稀土元素，其一般就克分子而言是微量组分，取代 一个或多个一般就克分子而言为主要组分的稀土元素，该微量组分和主要组分都被包含在 缩略语Ln下)。特别是，更具体地涉及分子式为AnLrvxLn' xX(3p+n)的材料，其中A、X、n和ρ具有前 面给出的含意，Ln从Y、La、Gd、Lu或这些元素的混合物中选择，Ln'是诸如Ce或Pr的掺 杂剂，而χ大于或等于0. Olp并小于ρ，而更一般地，范围为0. Olp至0. 9ρ。在本发明的范 围内，特别是对结合下列特征的材料感兴趣-从Li、Na和Cs中选择的A；-从Y、La、Gd、Lu或这些稀土元素的混合物中选择的Ln，更具体地说，Ln是La，-Ln'是 Ce，-从F、Cl、Br、I或者这些卤素中的几个的混合物、特别是Cl和Br的混合物、或Br 和I的混合物中选择的X。特别适用于X或、射线的检测的闪烁体材料是一种单晶，其包括用铈(Ce)掺杂 的LaX3，其中X表示Br、Cl或I，其中卤素混合物、特别是氯化物/溴化物混合物是可能的。 当谈及掺杂铈的稀土卤化物时，本领域技术人员将马上知道该铈采取卤化物的形式，就是 说稀土卤化物包含铈卤化物。特别是，下列单晶特别适用 用 1 至 30mol % 的 CeBr3 掺杂的 LaBr3 ； 用 1 至 30mol% 的 CeCl3 掺杂的 LaCl3 ；· YLaBr3+(1-y) CeBr3,其中 y 彡 0 ；闪烁体材料尤其可以是呈圆柱形或平行六面体形，而沿一个轴较大。于是，该轴垂 直于光电二极管的平面。该闪烁体材料被设置在壳体中紧邻壳体的充当窗口的壁。吸收冲 击的材料毯(tapis)可以设置在晶体和壳体的壁之间。该闪烁体材料一般包裹在光反射器中。除闪烁体发射的光应该通过以到达光电二 极管的区域外，该光反射器优选地覆盖闪烁体材料的所有边。光反射器可以由PTFE(聚四 氟乙烯)制成。因而它可以是包围该闪烁体材料的PTFE带。在包裹在光反射器中之前，闪烁体材料的外表面优选地用例如砂纸(特别是400粒度)的磨料刮擦(或打毛)。这样在 表面上造成的粗糙度会增加光电探测器所接收的光通量。该壳体包括雪崩光电二极管。这个光电二极管经由光耦合器材料与闪烁体材料接 触。它可能是硅树脂类型的油脂(聚硅氧烷)或者任何其他透明的无粘性的材料，但是该 光耦合器优选地是环氧粘合剂。当环氧粘合剂硬化时，光电二极管和晶体便联成一体。光 耦合器的折射率处于闪烁体材料的折射率和雪崩光电二极管的折射率之间。当光耦合器是 固体时(在环氧粘合剂的情况下)，优选地进行选择使得其热膨胀系数处于雪崩光电二极 管的热膨胀系数和闪烁体材料的热膨胀系数之间。另外，它可以是相对柔软的。这样，该耦 合材料更好地吸收它所连接的两种材料之间的热膨胀差异。在过热的情况下，这将减小晶 体碎裂的危险。该光耦合器的厚度优选地小于2mm，甚至小于1mm，更优选地小于0. 6mm。对于本领 域技术人员，术语“光耦合器”不包括真空和诸如空气的气体。光耦合器必定是液体(其包 括“油脂”)或固体。雪崩光电二极管一般为平组件，有两个主面。这些主面中的一个经由光耦合器与 闪烁体材料的平面接触。该闪烁体材料与该光电二极管接触的面(闪烁体材料的接触面) 优选地内接光电二极管的进行接触的面(该光电二极管的接触面)。在这里考虑光电二极 管的光敏表面(或“光敏”面)。事实上，该光电二极管一般包括被对应于光电二极管的封 装材料的死区(对光不敏感)包围的光敏区域。因而，应记住，表述“光电二极管的接触面” 或“光电二极管的接触面面积”是指光电二极管的敏感区域。该闪烁体材料完全被设置成与光电二极管的敏感面相对。这意味着，闪烁体材料 不包围光电二极管，而是完全被包含在由通过光电二极管的敏感面并面对所述敏感面(或 与敏感面相对)的平面所限定的半空间中。因而，包括闪烁体材料的所述半空间不包含光
电二极管。闪烁体材料的接触面和光电二极管的接触面优选地具有同一形状(例如都是正 方形)，闪烁体材料的接触面优选地略小于(同位相似地(homothStique))光电二极管的接 触面。闪烁体材料的接触面的边缘上的每一点优选地都处于光电二极管的接触(敏感)面内 部，到光电二极管的接触面的边缘的距离在0. 1和3mm之间，优选地在0. 2和0. 7mm之间。闪烁体材料的接触面面积优选地小于雪崩光电二极管的接触面面积的1. 5倍，甚 至1. 2倍，更甚至1倍。闪烁体材料的接触面面积小于光电二极管的接触面面积的1. 5倍 意味着，若光电二极管的接触面面积是S，则闪烁体材料的接触面面积小于1. 5乘以S。因 而，闪烁体材料的接触面面积可以大于光电二极管的接触面面积。但是，闪烁体材料的接触 面面积优选地是雪崩光电二极管的接触面面积的0. 8至1倍。作为示例，在表1的第2和 12行中，敏感面面积为0. 2cm2的光电二极管与面积为Icm2的光电二极管进行了比较。可 以看到，对于配备玻璃窗的lOXlOXlOmm3晶体，性能非常不同从用最小的光电二极管的 8. 5%以上的分辨率到用最大的光电二极管的差不多3.0%的分辨率。于是，本发明还涉及包括闪烁体材料和雪崩光电二极管的检测系统，即使对于非 紧凑系统，优选地遵守刚刚给出的接触面数据。但优选紧凑系统。雪崩光电二极管优选地工作在低于1050V的电压下，更优选地工作在低于450V的 电压下。
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该光电二极管一般有两个电连接器。这两个连接器优选地直接焊接到电荷放大 器(亦称前置放大器)上，该电荷放大器的部件被设置在印刷电路板上，后者同样被包括在 按照本发明的壳体中。该前置放大器尤其可以具有下列特征电源+/-12V或+24/0V，增益 0. lV/pC至lOV/pC。在雪崩光电二极管和前置放大器之间优选地设置诸如铜板或黄铜板等 的电磁屏蔽元件，其电连接到壳体和地。通过聚合物套或绝缘粘合剂绝缘的该光电二极管 的这些连接器通过孔穿过屏蔽元件。要注意，电磁屏蔽阻止可能干扰电子电路的所有种类 的电磁波(移动电话、无线电波、电视波等等)。该金属壳体(可以是由铝制成的)参加该 屏蔽。 在本发明的范围内所使用的光电探测器是雪崩光电二极管，该术语覆盖简单的单 个光电二极管，以及雪崩光电二极管矩阵，就是说被集中在晶体的一个面上并且信号被求 和的单个雪崩光电二极管的集合。因而，该集合包括死区(对光不敏感)，该死区包围该矩 阵，而且一般还处于各个光电二极管之间。上面在雪崩光电二极管和闪烁体材料之间的接 触面积之间的关系方面给出的特征仍有效，这是所考虑的相关雪崩光电二极管的对光敏感 的接触表面的累计面积。但在雪崩光电二极管矩阵的情况下，由于矩阵中的各个光电二极 管之间存在死区，闪烁体材料的接触面可以大于雪崩光电二极管的累计接触(对光敏感) 面积。作为由盖革模式的雪崩光电二极管的矩阵构成的光电探测器的实例，可以引用硅PM。按照本发明，不需要对入射辐射进行准直。例如通过以穿孔的吸收材料包围源进 行的准直提供细的辐射束，因为它只照射探测器的特定的点，允许消除晶体或光电二极管 的不均勻性。已证实，闪烁体、其反射器、光耦合器和光电二极管的组合的质量允许在不使 用准直的情况下获得优异的性能。按照本发明的壳体可以有一个通过闪烁体材料的重心和辐射入射窗的重心的轴。 当从该入射窗出发沿着该轴移动时，相继遇到光反射器、闪烁体材料、光耦合器、光电二极 管、屏蔽和前置放大器。光电二极管、屏蔽(这指的是板)和前置放大器的印刷电路尤其可 以垂直于该轴。该入射窗同样可以是侧向的，就是说平行于壳体的轴。若该壳体是一个平行六面 体，则其5个面(4个侧面和正面)可以构成入射窗。按照本发明的探测器的紧凑性的特征尤其在于晶体和雪崩光电二极管之间没有 光导(除了光耦合器、特别是环氧粘合剂型的薄层以及可能的雪崩光电二极管的表面的保 护层，其中该薄层可以有小于0. 6mm的厚度)，前置放大器和闪烁体材料之间的距离短，使 得两个最接近的点、即前置放大器的一个点和闪烁体材料的另一个可以一般相距不到2cm。按照先有技术，在光电二极管应该在周围温度下的环境中运行时，光电二极管往 往被冷却到o°c以下。按照本发明的探测器的性能使得不需要温度稳定系统(冷却或加 热)。诸如Peltier (珀耳帖)模块、散热器、风机或冷却剂循环的冷却系统增大尺寸要求、 质量或电耗。但是，在该探测器不应该在恒温下使用的情况下，增加绝热系统或者甚至有效 温度稳定系统是一个可能的选项，因为雪崩光电二极管的增益随着温度而变化。配备有温 度稳定系统的探测器的可能的设计如下-如上所述，(第一)导热壳体包括闪烁体材料、雪崩光电二极管和前置放大器，_包围该壳体的热绝缘(例如，泡沫聚苯乙烯或真空或者空气)-包含热绝缘包裹的第一壳体的导热外罩(或第二壳体)，
-Peltier模块(按照热电效应原理工作)，以其一个面与该第一壳体热接触，其另 一面与外罩热接触，-固定在外罩上的散热器，-安装在散热器上方的风机。对于探测器应该面对热的周围温度(诸如高于25°C )的情况，Peltier模块的冷 面与该内壳体热接触，而Peltier模块的热面与外罩热接触。对于该探测器应该面对冷的 周围温度(诸如低于-20°C)的情况，Peltier模块的热面与内壳体热接触，而Peltier模 块的冷面与外罩热接触。涉及Peltier模块所使用的表述“热接触”意味着直接接触与之热接触的壳体(或 罩子)，或者替代地设置在所述Peltier模块和所述壳体(或所述罩子)之间的导热良好的 中间件(一般金属)。增加诸如(由Correge公司销售的)PT1000热敏电阻的温度探头允许当外部(外 罩外部)周围温度变化时控制所提供的稳定效率并允许系统的自动控制以调节壳体(第一 壳体)内部的温度。外罩(或第二壳体)由导热良好的并对目标辐射、特别是X射线或Y射线可透的 材料制成。因而，它可以至少部分地或者完全地由允许待检测的辐射通过的金属、诸如铝 (应注意术语“铝”同样覆盖与应用兼容的、就是说对目标辐射、特别是X或Y射线可透 的铝合金)制成。特别是，更具体地说，罩子的一个面充当接收辐射的窗。于是，罩子的用 作窗的该面可以略薄于所述罩子的其他壁。外罩的窗面与(第一)内壳体的“窗”面相对。 该罩子例如可以是平行六面体，完全用铝(或铝合金)制成，并包括一个比其他面更薄的面 (窗面)。对于检测X或Y射线的情况，作为示例，这个面可以是0.5mm厚的铝，例如，其他 壁可以是Imm厚的铝。本发明人已经例如开发了外部尺寸为7. 2X7.0X5. 2 = 262cm3的探测器(图5)， 并在50°C的外部环境下，已经获得内壳体(第一壳体)中约20°C的稳定的温度。Peltier 模块是Supercool PE-127-08-15品牌的。外罩的尺寸、特别是绝缘体的厚度取决于要补偿 的外部温度。于是，本发明还涉及配备有温度稳定系统的探测器。特别是，如上所述，该壳体可 以被设置在一个罩子中，Peltier模块被设置在所述壳体和所述罩子之间。尽管按照本发明的探测器在没有温度稳定系统的情况下在-20°C和+50°C之间 展现出良好的性能，但是在周围温度明显波动的情况下或者在温度持久地处于25°C以上 或-20°C以下的情况下优选的是提供这样的系统。本发明还涉及利用按照本发明的探测器检测诸如X或Y射线的电离辐射的方法。
图1表示按照本发明的紧凑探测器。它有一个轴AA'。附图标记具有下列含意1 焊接到封板的孔中的地线；2 铝壳体3 前置放大器
4 :黄铜板(屏蔽)5 雪崩光电二极管 S-8664-10106:光耦合7 =PTFE覆盖物(光反射器)8 单晶闪烁体，其中光电二极管一侧的面已被抛光，而其他面已被打毛。9 厚度为0. 5mm的铝入射窗10 信号连接器11 低压连接器12 高压连接器13 绝缘体壳体外面的其他数字是以mm为单位的尺寸。图2举例说明线性，就是说入射X或、光子的能量和按照本发明的一个实例的紧 凑探测器的检测系统的响应之间的比例性。图3表示利用按照本发明的紧凑检测系统测量的Am241源的光谱。字母S指示检 测阈值。它是优异的，因为它约为lOkeV。图4表示利用按照本发明的紧凑系统测量的Csl37源(入射光子能量为662keV) 的光谱。图5表示配备有温度稳定系统的按照本发明的探测器。由铝制成的外罩20包含 同样由铝制成的壳体21，如图1所示，所述壳体包含闪烁体材料和前置放大器。Peltier模 块22以其冷面与壳体21热接触，而以其热面与外罩20热接触。与外罩的热接触通过导热 很好的铜间隔物(calle)23实现。散热器(辐射体)24固定在罩子外部，而风机25帮助排 除热量。管道26包含风机25的电源线。为明晰起见，没有表示罩子内部的电线。总体上， 设备通过连接器27与外部电连接。外罩的最大尺寸在这里是72mm。热绝缘被设置在外罩 和包含光电二极管和闪烁体材料的壳体之间。在内壳体的内部设置热敏电阻(28)，用以控 制温度。从该热敏电阻引出的未示出的线连接至连接器27。
具体实施例方式实例下列单晶被用作闪烁体材料-用0. 8mol % 的 Tl 掺杂的 CsI-用Tl掺杂的NaI-用IOmol % 的 CeCl3 掺杂的 LaCl3-用5mo 1 % 的 CeBr3 掺杂的 LaBr3它们可以有下列形状 圆柱形直径 高度25. 4mm 25. 4mm 标注为 25X2512. 8mm 12. 8mm 标注为 13 X 136mm 6mm标注为 6X6
标注为CsI 标注为NaI 标注为LaCl 标注为LaBr
11
平行六面体接触面 高度IOmmXlOmm IOmm 标注为 10X10X109mmX9mm 20mm 标注为 9X9X20入射射线的能量为662keV。Y辐射不是准直的。周围温度是23°C 士2°C。雪崩 光电二极管(在表1中标注为APD)是Hamamatsu(滨松)S8664-1010型。光电二极管PIN 是 Hamamatsu S3590-08 型。前置放大器是 Hamamatsu 的 H4083 型。结果汇总于表1中。最后一行的结果表明紧凑系统、就是说包括将探测器材料、雪 崩光电二极管和前置放大器相对于彼此以短距离集成在一起的壳体的系统的优异性。表权利要求
电离辐射探测器，包括壳体，该壳体包含 闪烁体材料， 雪崩光电二极管，经由光耦合器通过其光敏面与该闪烁体材料接触， 雪崩光电二极管的电信号的前置放大器。
2.按照前一权利要求的探测器，其特征在于，该闪烁体材料被包裹在光反射器中。
3.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，该闪烁体材料是稀土卤化物单晶。
4.按照前一权利要求的探测器，其特征在于，该单晶是用铈掺杂的镧溴化物。
5.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，该壳体的体积小于300cm3。
6.按照前一权利要求的探测器，其特征在于，该壳体的体积小于60cm3。
7.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，该闪烁体材料的体积的范围从1000 至 10000mm3。
8.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，该壳体包括金属。
9.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，该光耦合器的厚度小于1mm。
10.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，该光耦合器是环氧粘合剂。
11.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，该光耦合器的折射率在闪烁体材料 的折射率和雪崩光电二极管的折射率之间。
12.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，该光耦合器的热膨胀系数在闪烁体 材料的热膨胀系数和雪崩光电二极管的热膨胀系数之间。
13.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，闪烁体材料完全被包含在通过光电 二极管的光敏面而不包含所述光电二极管的平面所限定的半空间中。
14.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，闪烁体材料的接触面面积小于雪崩 光电二极管的接触面面积的1. 5倍，优选地1. 2倍，甚至更优选地1倍。
15.按照前一权利要求的探测器，其特征在于，闪烁体材料的接触面面积为雪崩光电二 极管的接触面面积的0. 8至1倍。
16.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，闪烁体材料的接触面和光电二极管 的接触面具有同一形状。
17.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，闪烁体材料的接触面内接雪崩光电 二极管的接触面。
18.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，闪烁体材料的接触面的边缘的每一 点都在光电二极管的接触面的内部，而其到光电二极管的边缘的距离在0. 1和3mm之间，优 选地在0.2和0. 7mm之间。
19.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，该雪崩光电二极管工作在低于 450V的电压下。
20.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，电磁屏蔽元件处于雪崩光电二极管 和前置放大器之间。
21.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，两个最接近的点、即前置放大器的 一点和闪烁体材料的另一点相距不到2cm。
22.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，其在662keV下的分辨率小于 3. 5%，甚至小于3%。
23.按照前一权利要求的探测器，其特征在于，其在662keV下的分辨率小于2.9%。
24.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，采用镅241源测量的检测阈值小于 15keV，优选地小于12keV。
25.按照前一权利要求的探测器，其特征在于，采用镅241源测量的检测阈值小于 IlkeV0
26.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，前置放大器的增益为0.lV/pC至 10V/pCo
27.按照上述权利要求之一的探测器，其特征在于，该探测器不包括冷却系统。
28.按照权利要求1至26之一的探测器，其特征在于，该探测器包括温度稳定系统，该 壳体被设置在罩子中，Peltier模块被设置在所述壳体和所述罩子之间。
29.利用上述权利要求之一的探测器检测X或Y射线的方法。
30.按照前一权利要求的方法，不对辐射进行准直。
全文摘要
本发明涉及电离辐射探测器，包括壳体，该壳体包含经由光耦合器通过其光敏面与闪烁体材料接触的雪崩光电二极管、雪崩光电二极管的电信号的前置放大器。该探测器紧凑、便携而且非常稳健。它以在662keV下可低于3％的优异分辨率检测X或γ射线。
文档编号G01T1/20GK101971053SQ200880119327
公开日2011年2月9日 申请日期2008年11月28日 优先权日2007年12月4日
发明者G·高蒂尔, J·弗拉曼克 申请人:圣戈班晶体及检测公司
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