[发明专利]一种高灵敏度且能量响应平坦的真空型康普顿探测器

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量脉冲伽马射线的康普顿探测器，具体说是为测量注量率在10¹⁷～10²²γ/(s·cm²)，能量区间在0.4～5MeV，时间谱半宽度在1ns以上的脉冲伽马射线而设计的一种真空型康普顿探测器。

背景技术

射线与物质相互作用中，康普顿效应是在很宽的能量范围内占优势的一种效应，所以直接收集γ射线发生康普顿效应所产生电流的一类探测器，就被称之为康普顿探测器(或康普顿二极管)。

图1为真空康普顿探测器(VCD)结构示意图。强流伽马射线束由准直孔射入，一部分透过入射窗、发射极，由出射窗射出；另一部分射线与入射窗、发射极和出射窗发生康普顿散射、光电效应和电子对效应，产生电子。对于能量处于0.5～10MeV的γ射线来说，后两种作用几率很小，主要作用是康普顿散射。发射极上既可以收集入射窗、出射窗产生的康普顿电子，又与γ射线作用发射康普顿电子，其差额部分就在发射极回路中形成电流信号。

伽马射线强度或总数测量是脉冲伽马辐射场的主要参数之一，它直接决定了脉冲辐射场核反应过程的结果。因此，测量伽马射线绝对强度、数目及其随时间的变化成为脉冲伽马辐射场诊断中的核心内容。获得脉冲伽马射线辐射场的绝对强度、数目，要求准确知晓脉冲辐射场伽马能谱以及探测器对不同能量伽马射线的灵敏度响应。然而，脉冲伽马辐射场能谱测量在技术上存在极大的困难，在这种情形下，要获得脉冲伽马射线的绝对强度和数目等参数，可行的方法之一就是探索和建立在脉冲伽马辐射场能量范围内灵敏度能量响应不随伽马射线能量变化的脉冲伽马射线探测技术原理和系统结构，研制出能量响应平坦的探测器。

在现有的脉冲伽马射线探测中，主要采用两类探测器：一种是闪烁体与光电器件组成的闪烁探测器；另一种是基于康普顿效应设计的真空康普顿探测器(VCD)和介质康普顿探测器(DCD)。基于闪烁体的光电探测器灵敏度高，适合于低强度伽马射线束的测量，其灵敏度通常在10^-10-10^-20C·cm²/γ，这类探测器是基于能量收集的探测器，对伽马射线的探测灵敏度随能量变化比较剧烈，能量响应不平坦；康普顿探测器是电荷收集型探测器，灵敏度很低，通常在10^-19-10^-23C·cm²/γ，适合于高强度伽马射线束参数测量，其能量响应比闪烁探测器要平坦，但依然不够理想。在这两种探测器应用于脉冲伽马辐射场强度测量时，由于脉冲辐射场能谱是通过理论计算给出，与实际能谱存在一定差异，导致测量结果不确定度较大。总之，使用现有的探测手段或探测器，在脉冲辐射探测中，探测器都不具备在宽能量范围内能量响应平坦的特点，不具备对入射粒子能量的分辨能力。

2005年11月出版的《核电子学与探测技术》第25卷第6期第668-674页公开了一种能量响应相对平坦的介质康普顿探测器，采用的是前后散射体、吸收体厚度可调的结构，虽然起到一定效果，但报道的结果显示平坦性效果并不是很理想。2008年4月清华大学博士学位论文《基于散射电子的脉冲伽马闪烁探测技术研究》通过收集散射靶出射的电子，研究获得了在0.4～5MeV能量区间，灵敏度变化小于15％的探测器系统。而散射靶转换效率低，伽马散射本底对有效信号影响大，使得探测系统灵敏度标定较困难，标定不确定度较大。2012年6月出版的《强激光与粒子束》第24卷第6期第1488-1492页公开了一种能量响应平坦的康普顿探测器设计方法，采用0.01、1.00mm厚Au叠加的发射极，3mm厚Fe前窗以及3mm挡铅，在Ф40mm准直下，实现了在0.4～7MeVγ能区内，探测器本征灵敏度极值变化小于10.7％，探测器本征探测效率为1.611×10^-3e/γ，灵敏度为3.2×10^-21C·cm²/γ。虽然能量响应平坦性取得了较好的效果，但是探测器的灵敏度值还偏低。同时兼有高灵敏度和平坦响应的康普顿探测器还未见诸报道。

发明内容

本发明目的是提供一种高灵敏度且能量响应平坦的真空型康普顿伽马探测器，以满足更大动态范围强流脉冲伽马射线源强度的高精度测量要求。

本发明采用的技术方案是：