技术领域
[0001] 本
发明涉及
等离子体物理和核探测领域，具体涉及一种带有时间门控的多通道
硬X射线成像探测器。
背景技术
[0002] 硬X射线与物质相互作用，主要是发生
光电效应和康普顿效应，并且每种效应都产生相应的高能初级
电子。这些初级电子继续与物质相互作用，使得物质的
原子、分子电离和激发。如果在某种物质中所产生的电离和激发的
信号，能从该物质中引出，经收集放大而成为可供分析记录的电脉冲信号，这种物质就可被用来作为硬X射线探测器的探测介质。
[0003] 硬X射线在任何物质中都可以发生光电效应和康普顿效应，但不是任何物质都可作为硬X射线的探测介质。次级电子在物质中产生电离和激发是产生电子离子对、闪光和电子空穴对等。显然这些信号在不透明的绝缘材料和较厚的导体中是无法引出的。而极薄的金属膜探测
阴极只能探测
软X射线，所以目前的硬X射线成像探测器一般为
闪烁体探测器。由于闪烁体具有较长的余晖时间(几个ns至几百个ns)，远远不能满足某些科学实验中时间分辨要求和门控时间技术要求。因此，设计一种带有时间门控的多通道硬X射线成像探测器，以在探测能段范围为10keV-300keV的硬X射线时，提高时间
分辨率、优化空间分辨率及物方空间分辨，成为所述技术领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题是：提供一种带有时间门控的多通道硬X射线成像探测器，解决
现有技术在探测能段范围为10keV-300keV的硬X射线时
时间分辨率和空间分辨率均低、并且探测视场小从而达不到实际探测需求的问题。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0006] 一种带有时间门控的多通道硬X射线成像探测器，包括主要由探测器框体、射线滤窗和
荧光屏共同围设而成密封的
真空腔体，均设于所述真空腔体内的多通道硬X射线探测光阴极和
微通道板，以及脉冲高压电源；
[0007] 所述射线滤窗、所述多通道硬X射线探测光阴极、所述微通道板和所述荧光屏依次平行排列，并且所述射线滤窗和所述荧光屏分别位于所述真空腔体的前端和后端；所述射线滤窗用于接受射线照射时让硬X射线穿过并射入所述真空腔体内，同时屏蔽软X射线及β射线，所述多通道硬X射线探测光阴极用于探测穿过所述射线滤窗进入到所述真空腔体的硬X射线，同时将所探测到的硬X射线信号转换为电子信号输出，所述微通道板用于对来自多通道硬X射线探测光阴极的电子进行增益，所述荧光屏用于将经过微通道板增益后的电子信号转换成可见
光信号；
[0008] 所述脉冲高压电源位于所述真空腔体外，并分别与所述多通道硬X射线探测光阴极、所述微通道板和所述荧光屏电连接，用于为所述多通道硬X射线探测光阴极和所述微通道板提供工作
电压，同时，所述脉冲高压电源还在所述多通道硬X射线探测光阴极和所述微通道板之间、以及在所述微通道板和所述荧光屏之间加载电压，所加载电压起引导电子传播、以及增加电子
能量从而增强可见光信号的作用。
[0009] 进一步地，所述真空腔体的真空度高于1×10-2Pa，所述射线滤窗为
钛窗或铍窗，并且厚度为0.1mm-1mm。
[0010] 进一步地，所述多通道硬X射线探测光阴极包括在硬X射线
光子照射下与该照射的硬X射线光子发生作用产生初级
光电子的阴极基底，以及等距陈列于所述阴极基底上的两个以上阴极通道，每个所述阴极通道内壁上均设有一层
碱金属
镀层，所有所述阴极通道均为贯穿所述阴极基底正反两面的贯穿性孔道，当产生于所述阴极基底上的初级光电子到达所述阴极通道时将电离该阴极通道内壁上的碱金属镀层从而产生低能二级电子，并且所述二级电子在该阴极通道内经过
雪崩放大后在所述多通道硬X射线探测光阴极和所述微通道板之间的电压作用下来到所述所述微通道板；所有所述阴极通道的直径相同，为3μm-30μm，所有相邻的所述阴极通道之间的间距相同，为5μm-35μm，并且所有所述阴极通道与所述阴极基底的法线之间的夹
角一致，为0.1°-15°。
[0011] 进一步地，所述阴极基底的成份为Pb、Si和O元素，其中铅元素的
质量百分比不低于40％。
[0012] 进一步地，所述多通道硬X射线探测光阴极的工作增益为5-100，所述阴极基底的厚度为0.5mm-3mm，所述二级电子为能量小于50eV的电子，所述碱金属镀层优选金属Na镀层或金属K镀层。
[0013] 进一步地，所述多通道硬X射线探测光阴极与所述射线滤窗之间的距离为1mm-30mm，所述微通道板和所述多通道硬X射线探测光阴极之间的距离为0.3mm-2mm，所述荧光屏和所述微通道板之间的距离为0.8mm-3mm。
[0014] 进一步地，所述微通道板的厚度为0.4mm-2mm，并且其对电子的增益为200-10000；所述荧光屏上的荧光粉层位于所述真空腔体内，该荧光粉层的厚度为3μm-8μm，并且该荧光粉层所采用的荧光粉为P11型荧光粉或P46型荧光粉。
[0015] 进一步地，所述多通道硬X射线探测光阴极的前后两个端面之间的电压为200V-2000V，所述微通道板的前后两个端面之间的电压为500V-2000V，所述多通道硬X射线探测光阴极和所述微通道板之间的电压为50V-500V，所述微通道板和所述荧光屏之间的电压为
3000V-8000V。
[0016] 进一步地，所述微通道板的前后两个端面之间的电压为脉冲电压，并且其脉冲宽度为3ns-20ns，脉冲电压的上升时间和下降时间均小于1.5ns；所述微通道板和所述荧光屏之间的电压为脉冲电压，并且其脉冲宽度为5μs-20μs。
[0017] 进一步地，所述硬X射线为能段范围为10keV-300keV的硬X射线。
[0018] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0019] (1)本发明结构简单、设计科学合理，使用方便，在探测能段范围为10keV-300keV的硬X射线时能有效提高时间分辨率、优化空间分辨率，并且具备时间门控功能，同时具备很大的探测视场。
[0020] (2)本发明将射线滤窗、多通道硬X射线探测光阴极、微通道板和荧光屏依次平行排列设置，将射线滤窗和荧光屏设于真空腔体的前端和后端，多通道硬X射线探测光阴极采用在阴极基底上开设等距阵列分布的若干个阴极通道，并在阴极通道的内壁上镀设碱金属镀层，多通道硬X射线探测光阴极(也就是阴极基底)的厚度设为0.5mm-3mm，所有阴极通道与阴极基底的法线之间设一个0.1°-15°的夹角，荧光屏上的荧光粉层厚度成3μm-8μm；同时，多通道硬X射线探测光阴极与射线滤窗之间的距离设为1mm-30mm，微通道板和多通道硬X射线探测光阴极之间的距离设为0.3mm-2mm，荧光屏和微通道板之间的距离设为0.8mm-3mm；并且，多通道硬X射线探测光阴极的前后两个端面之间加载200V-2000V的电压，微通道板的前后两个端面之间加载500V-2000V的电压，多通道硬X射线探测光阴极和微通道板之间加载50V-500V的电压，微通道板和荧光屏之间加载3000V-8000V的电压；通过上述特殊紧凑的设计，使本发明在探测能段范围为10keV-300keV的硬X射线时，能够将有效地将时间分辨率提高至少一个量级，将空间分辨率优化至0.6mm，通过合适的实验布局可以使物方空间分辨达到10μm，同时，还使本发明具备时间门控功能，并且还具备很大的探测视场。
[0021] (3)本发明当受探测射线照射至射线滤窗时，射线滤窗屏蔽受探测射线中的软X射线及β射线，而受探测射线中能段范围为10keV-300keV的硬X射线可穿过射线滤窗进入真空腔体内并照射至多通道硬X射线探测光阴极，进入真空腔体内的硬X射线信号经过多通道硬X射线探测光阴极后被转换成电子信号，被转换的电子信号在多通道硬X射线探测光阴极的阴极通道会得到增益，被多通道硬X射线探测光阴极转换并增益的电子信号在多通道硬X射线探测光阴极和微通道板之间的电压作用下来到微通道板并且其信号被微通道板增强，增强后的电子信号在微通道板和荧光屏之间的电压作用下来到荧光屏，由于独特的多通道硬X射线探测光阴极将能段范围为10keV-300keV的硬X射线信号转换成电子信号并对电子信号进行增益，同时微通道板再次对电子信号进行大幅增益，在微通道板与荧光屏之间的高压作用下，电子信号再次被增强，大幅增益过的电子信号被荧光屏转
化成便于记录探测的可见光信号，所以该探测器具有较好的探测效率，可以用于弱光探测，能够满足科学实验中时间分辨要求和门控时间技术要求。
附图说明
[0022] 图1为本发明结构示意图。
[0023] 图2为本发明多通道硬X射线探测光阴极结构示意图。
[0024] 图3为图2中的A-A截面图。
[0025] 图4为本发明脉冲高压电源外接
电路框图。
[0026] 其中，附图标记对应的名称为：
[0027] 1-探测器框体、2-射线滤窗、3-多通道硬X射线探测光阴极、4-微通道板、5-荧光屏、6-脉冲高压电源、7-真空腔体、31-阴极基底、32-阴极通道、33-碱金属镀层。
具体实施方式
[0028] 下面结合附图说明和
实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
[0029] 如图1-4所示，本发明提供的一种带有时间门控的多通道硬X射线成像探测器，结构简单、设计科学合理，使用方便，在探测能段范围为10keV-300keV的硬X射线时能有效提高时间分辨率、优化空间分辨率，并且具备时间门控功能，同时拥有很大的探测视场。本发明包括主要由探测器框体1、射线滤窗2和荧光屏5共同围设而成密封的真空腔体7，均设于所述真空腔体7内的多通道硬X射线探测光阴极3和微通道板4，以及脉冲高压电源6，所述真空腔体7为真空环境；所述真空腔体7的真空度高于1×10-2Pa，所述射线滤窗2为钛窗或铍窗，并且厚度为0.1mm-1mm，所述硬X射线为能段范围为10keV-300keV的硬X射线。
[0030] 本发明所述射线滤窗2、所述多通道硬X射线探测光阴极3、所述微通道板4和所述荧光屏5依次平行排列，并且所述射线滤窗2和所述荧光屏5分别位于所述真空腔体7的前端和后端；所述射线滤窗2用于接受射线照射时让硬X射线穿过并射入所述真空腔体7内，同时屏蔽软X射线及β射线，所述多通道硬X射线探测光阴极3用于探测穿过所述射线滤窗2进入到所述真空腔体7的硬X射线，同时将所探测到的硬X射线信号转换为电子信号输出，所述微通道板4用于对来自多通道硬X射线探测光阴极3的电子进行增益，所述荧光屏5用于将经过微通道板4增益后的电子信号转换成可见光信号。
[0031] 本发明所述脉冲高压电源6位于所述真空腔体7外，并分别与所述多通道硬X射线探测光阴极3、所述微通道板4和所述荧光屏5电连接，用于为所述多通道硬X射线探测光阴极3和所述微通道板4提供工作电压，同时，所述脉冲高压电源6还在所述多通道硬X射线探测光阴极3和所述微通道板4之间、以及在所述微通道板4和所述荧光屏5之间加载电压。
[0032] 本发明当受探测射线照射至射线滤窗时，射线滤窗屏蔽受探测射线中的软X射线及β射线，而受探测射线中能段范围为10keV-300keV的硬X射线可穿过射线滤窗进入真空腔体内并照射至多通道硬X射线探测光阴极，进入真空腔体内的硬X射线信号经过多通道硬X射线探测光阴极后被转换成电子信号，被转换的电子信号在多通道硬X射线探测光阴极的阴极通道会得到增益，被多通道硬X射线探测光阴极转换并增益的电子信号在多通道硬X射线探测光阴极和微通道板之间的电压作用下来到微通道板并且其信号被微通道板增强，增强后的电子信号在微通道板和荧光屏之间的电压作用下来到荧光屏，由于独特的多通道硬X射线探测光阴极将能段范围为10keV-300keV的硬X射线信号转换成电子信号并对电子信号进行增益，同时微通道板再次对电子信号进行大幅增益，在微通道板与荧光屏之间的高压作用下，电子信号再次被增强，大幅增益过的电子信号被荧光屏转化成便于记录探测的可见光信号，所以该探测器具有较好的探测效率，可以用于弱光探测，能够满足科学实验中时间分辨要求和门控时间技术要求。
[0033] 本发明所述多通道硬X射线探测光阴极3包括在硬X射线光子照射下与该照射的硬X射线光子发生作用产生初级光电子的阴极基底31，以及等距陈列于所述阴极基底31上的两个以上阴极通道32，所述阴极基底31的成份为Pb、Si和O元素，其中铅元素的质量百分比不低于40％。每个所述阴极通道32内壁上均设有一层碱金属镀层33，所有所述阴极通道32均为贯穿所述阴极基底31正反两面的贯穿性孔道，当产生于所述阴极基底31上的初级光电子到达所述阴极通道32时将电离该阴极通道32内壁上的碱金属镀层33从而产生低能二级电子，并且所述二级电子在该阴极通道32内经过雪崩放大后在所述多通道硬X射线探测光阴极3和所述微通道板4之间的电压作用下来到所述所述微通道板4；所有所述阴极通道32的直径相同，为3μm-30μm，所有相邻的所述阴极通道32之间的间距相同，为5μm-35μm，并且所有所述阴极通道32与所述阴极基底31的法线之间的夹角一致，为0.1°-15°。
[0034] 本发明所述多通道硬X射线探测光阴极3的工作增益为5-100，所述阴极基底31的厚度为0.5mm-3mm，所述二级电子为能量小于50eV的电子，所述碱金属镀层33优选金属Na镀层或金属K镀层。
[0035] 本发明多通道硬X射线探测光阴极(也就是阴极基底)的厚度为0.5-3mm，形状可根据实际情况制定，阴极通道的直径为3μm-30μm，相邻阴极通道的间距为5μm-35μm，并且阴极通道与阴极基底的法线之间呈一个0.1°-15°的夹角；相邻阴极通道的间距形成高能初级光电子穿越该相邻阴极通道之间的“
墙壁厚度”，因阴极基底伤等距阵列有多个阴极通道，因此高能初级光电子只需要穿越阴极通道之间的“墙壁厚度”就能到达阴极通道内，故阴极基底可以做厚以探测能段范围为10-300keV的硬X射线；同时，本发明在进行能段范围为10-300keV的硬X射线的探测时，所产生的初级光电子和二级电子的过程均为电离，而电离过程-21
则可以看作是瞬态物理过程，时间尺度大约为1×10 s，远远小于闪烁体的退激弛豫时间，有效实现了余晖时间短的目的；如此相比于现有技术可将时间分辨率至少提高一个量级，同时还可将空间分辨率优化至0.06mm。
[0036] 本发明所述多通道硬X射线探测光阴极3与所述射线滤窗2之间的距离为1mm-30mm，所述微通道板4和所述多通道硬X射线探测光阴极3之间的距离为0.3mm-2mm，所述荧光屏5和所述微通道板4之间的距离为0.8mm-3mm。
[0037] 本发明所述微通道板4的厚度为0.4mm-2mm，并且其对电子的增益为200-10000；所述荧光屏5上的荧光粉层位于所述真空腔体7内，该荧光粉层的厚度为3μm-8μm，并且该荧光粉层所采用的荧光粉可以根据需要选取合适类型的荧光粉，本实施例优选的荧光粉类型为为P11型(ZnS：Ag)荧光粉或P46型(YAG：Ce)荧光粉。
[0038] 本发明所述多通道硬X射线探测光阴极3的前后两个端面之间的电压为200V-2000V，也就是阴极基底31的前后两个端面之间的电压为200V-2000V，所述微通道板4的前后两个端面之间的电压为500V-2000V，所述多通道硬X射线探测光阴极3(也即是阴极基底
31)和所述微通道板4之间的电压为50V-500V，所述微通道板4和所述荧光屏5之间的电压为
3000V-8000V。
[0039] 本发明所述微通道板4的前后两个端面之间的电压为脉冲电压，并且其脉冲宽度为3ns-20ns，脉冲电压的上升时间和下降时间均小于1.5ns；所述微通道板4和所述荧光屏5之间的电压为脉冲电压，并且其脉冲宽度为5μs-20μs。
[0040] 本发明将射线滤窗、多通道硬X射线探测光阴极、微通道板和荧光屏依次平行排列设置，将射线滤窗和荧光屏设于真空腔体的前端和后端，多通道硬X射线探测光阴极采用在阴极基底上开设等距阵列分布的若干个阴极通道，并在阴极通道的内壁上镀设碱金属镀层，阴极基底的厚度设为1mm-3mm，所有阴极通道与阴极基底的法线之间设一个0.1°-15°的夹角，荧光屏上的荧光粉层厚度成3μm-8μm；同时，多通道硬X射线探测光阴极与射线滤窗之间的距离设为1mm-30mm，微通道板和多通道硬X射线探测光阴极之间的距离设为0.3mm-2mm，荧光屏和微通道板之间的距离设为0.8mm-3mm；并且，多通道硬X射线探测光阴极的前后两个端面之间加载200V-2000V的电压，微通道板的前后两个端面之间加载500V-2000V的电压，多通道硬X射线探测光阴极和微通道板之间加载50V-500V的电压，微通道板和荧光屏之间加载3000V-8000V的电压；通过上述特殊紧凑的设计，使本发明在探测能段范围为
10keV-300keV的硬X射线时，能够将有效地将时间分辨率提高至少一个量级，将空间分辨率优化至0.6mm，使物方空间分辨达到10μm，同时，还使本发明具备时间门控功能，并且还具备强大的视场效果。
[0041] 上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。
