CN101452080A - 具有自适应选择的伽马阈值的集成中子伽马辐射检测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有自适应选择的伽马阈值的集成中子伽马辐射检测器。揭示了一种集成辐射检测器(10)，具有光耦合于伽马感应元件(18)和中子感应元件(20)的脉冲模式工作光电传感器(24)。该检测器(10)包括脉冲形状和处理电子电路封装(26)，其使用模拟到数字转换器(ADC)和电荷到数字转换器(QDC)来确定闪烁衰减时间，并根据辐射类型分类辐射交互作用。脉冲形状和处理电子电路封装(26)从与由伽马感应元件(18)检测的伽马射线关联的谱中确定最大伽马能量，以便自适应地选择中子感应元件(20)的伽马阈值。归于中子感应元件(20)的光脉冲在该光脉冲的幅度高于伽马阈值时是有效中子事件。

Description

具有自适应选择的伽马阈值的集成中子伽马辐射检测器

技术领域

这里的教导涉及电离辐射的手持检测器，更具体涉及区分伽马分量和中子分量的检测器。

背景技术

检测放射性材料，特别是违法地隐藏在商业流中的那些放射性材料，需要可以使用各种辐射检测设备。特别是，该领域中需要手持放射性同位素识别装置(HHRIID)来快速地确定特定的核材料的存在，并将其与医学和工业放射性同位素的存在区分开，以及与通常出现的放射性材料区分开。HHRIID一个可能的实施例由两个光学地分开的辐射传感器构成，它们发出光并且耦合到公共光电探测器。第一辐射传感器是中子感应部部件，其包含具有高中子截面的原子核，诸如例如⁶LiF的化学化合物中的⁶Li，由闪烁体材料，例如ZnS:Ag的颗粒包围，并在环氧基体中粘合在一起。第二辐射传感器是伽马感应部件，其由具有增强的伽马能量分辨率、高伽马阻止本领的闪烁体晶体，和具有非常低中子吸收截面积的原子组成构成。这两个辐射传感器被光学地分开，其分开方式使得一个传感器发射的光不到达另一个传感器，以避免光串扰。HHRIID可能包括脉冲形状区分电路来识别发射的光的源(或者由中子感应部件，或者由伽马感应部件，基于闪烁光衰减时间的不同)。

之前还没有解决的与HHRIID相关的一个问题是中子感应部件中的辐射串扰。尽管根据设计，中子感应部件通常是亚毫米薄，并且包含具有低Z数(Z-number)的原子，它仍然对伽马射线敏感。在很多现场应用中，可能入射伽马通量足够高来在中子感应部件中产生相当数量的交互作用，从而妨碍可能在同时存在的低中子通量的检测和测量。

需要的是一种紧凑的，集成的HHRIID设计，将中子感应部件中的辐射串扰最小化或者消除，从而能够进行改进的对混合辐射场的各种成分的分析。

发明内容

一种集成的中子伽马-辐射检测器，包括伽马感应元件；中子感应元件；光耦合于伽马感应元件和中子感应元件两者的光电传感器；以及脉冲形状和处理电子电路，其耦接于光电传感器，以便确定与伽马感应元件关联的最大伽马能量。中子感应元件的伽马阈值基于从伽马感应元件确定的、辐射场中存在的最大伽马能量。来自中子感应元件的光脉冲在该光脉冲的幅度高于伽马阈值的情况下被计数为有效的中子事件。

一种在集成的中子-伽马辐射检测器中自适应地选择伽马阈值的方法，该检测器包括伽马感应元件，中子感应元件，光耦合于伽马感应元件和中子感应元件的光电传感器，以及耦接于光电传感器的脉冲形状和处理电子电路封装，该方法包括步骤：

确定与伽马感应元件检测到的伽马射线关联的最大伽马能量；

基于该最大伽马能量选择中子感应元件的伽马阈值，

从而在由中子感应元件发射的光脉冲的幅度高于伽马阈值时，该光脉冲被计数为有效的中子事件。

附图说明

图1是根据本发明实施例的具有自适应伽马阈值的手持放射性同位素识别装置(HHRIID)的分解图；

图2是本发明的中子感应元件中使用的中子感应材料响应于不同能量的中子和伽马射线的脉冲幅度直方图；

图3是本发明的伽马感应元件中使用的伽马感应材料响应于不同能量的伽马射线的脉冲幅度直方图；

图4是示出根据本发明的一个实施例，为中子感应元件自适应地选择伽马阈值的装置和方法的框图。

具体实施方式

现在参考图1，大致在10处示出一集成的中子-伽马辐射检测器。在一端，检测器10包括中子减速器(moderator)12，其包括的材料使进入减速器12的快速中子减慢，但允许热中子和伽马射线容易地通过其中。例如，中子减速器12可包括氢等。减速器12包括以光反射器16作为衬里的腔体14。伽马感应元件18设置在中子减速器12的腔体14内，并由光反射器16包围来增加检测器10的光效率。在一个实施例中，伽马感应元件18包括闪烁体晶体，在伽马射线与伽马感应元件18碰撞时该闪烁体晶体发出具有衰减时间τ的光子。闪烁体晶体的典型材料非限制性地包括来自卤化镧类(LaBr₃，LaCl₃，LaI₃)的具有高能量分辨率(在662keV处为3％或更好)的晶体材料，以及这些材料的固溶体。其它致密的，亮的和快速的闪烁体材料也用于结合到伽马传感器18中。例如，闪烁体晶体可以由混合的卤化镧LaX₃:Ce(X＝Br，I)伽马闪烁体材料制成，其发射具有大约20纳秒的衰减时间τ₁的光子。该混合的卤化镧LaX₃:Ce(X＝Br，I)伽马闪烁体材料具有出色的能量分辨率，这从而将使得与当前技术，诸如低温地冷却的高纯度锗(HP Ge)相比，能够以低得多的成本制作高性能室温检测器。

检测器10包括设置在中子减速器12的第二腔体22内的中子元件20。具体来说，中子感应元件20靠近伽马感应元件18设置。在所示例的实施例中，中子感应元件20包括亚毫米薄的固体环形层，该层包括中子感应材料的颗粒的混合物，例如，以诸如⁶LiF的化学化合物形式的⁶Li，其在光学透明的环氧基质中由闪烁体材料包围。中子感应材料对于热中子具有相对大的横截面(每个⁶Li原子940靶(barn))。当吸收热中子时，⁶Li衰变成³H并发出阿尔法粒子，两个带电的粒子具有大约4.8MeV的总动能。阿尔法粒子和氚核由包围中子感应材料的闪烁体材料吸收，诸如ZnS:Ag，并发出具有大约110纳秒的衰减时间τ₂的450nm光子，T₂不同于从伽马感应元件18的闪烁体晶体发出的光子的衰减时间τ₁。除了使用⁶LiF/ZnS:Ag作为中子感应材料/闪烁体材料，可以选择基质中的基于⁶Li的粉末材料和闪烁体颗粒的其它混合物。在图1中呈现的示例实施例中，中子感应元件20被示出为具有环形；然而，将理解在其它相对于伽马检测器的结构中，中子感应组分也可以采取很多其它形状的物品(article)的形式。中子感应元件可能的形状是层，片，杆，线，网，透镜装置物(lenticular fixture)，光纤等(通过包括流延和挤压成形的工艺)；复合体等(通过包括加工或者铸造的工艺)；以及保形涂层等(通过包括喷雾，蘸，或者旋涂(spinning)的工艺)。

如上所述，阿尔法粒子和氚核与闪烁体材料，诸如ZnS的交互作用，提供了从闪烁体材料的光子发射。从而，尽管可以包括其它现象或者其它现象可能潜在地影响LiF/ZnS:Ag部件产生的信号，应当理解，使用“中子传感器”计入了提供或者伴随中子检测的各种方面和机制，因此，术语“中子传感器”并不受到这些不同方面和机制的限制。

检测器10包括光电传感器24，诸如光电倍增管(PMT)，其光学地耦合到伽马感应元件18以及中子感应元件20。将理解本发明可以任何适当的光电传感器来实施，这里使用PMT作为光电传感器仅仅是示例性的而不是限制性的。为了改进光学耦合，PMT 24的一部分设置在中子减速器12的第二腔体22内。PMT 24输出信号S，指示由伽马感应元件18以及中子感应元件20发射的两种不同类型的光子。

尽管在示例实施例中，集成的检测器10包括单个光电倍增管24，检测器10可以包括其它感光器件。例如，检测器10的其它实施例可以包括光电二极管，PIN光电二极管，雪崩光电二极管，盖革模式工作光电二极管，混成光电探测器以及其它类似部件。简言之，PMT 24被设计为接收和解释来自伽马感应元件18以及中子感应元件20中的每个的信号(伽马感应元件18以及中子感应元件20中的每个都是闪烁体，并且响应于辐射交互作用提供光输出)。

检测器10还包括脉冲形状和处理电子电路封装26，其处理来自光电倍增管24的信号S，以便确定给定的光子发射事件是指示了伽马感应元件18中的辐射交互作用还是中子感应元件20中的辐射交互作用。在伽马射线的情况下，电子电路26还基于光电倍增管24中产生的电荷量以及利用已知的来自放射性同位素源的伽马射线能量的校正程序，确定伽马射线的能量。在光电倍增管24附近可以提供磁屏蔽28来防止在光电倍增管24中发生不期望的激励。

如图1中所示，脉冲形状和处理电子电路封装26包括模拟到数字转换器(ADC)30，以及还有电荷[Q]到数字转换器(QDC)32，其从光电倍增管24接收信号S并为根据这里的教导的分析做准备。每个信号S，指示了伽马感应元件18以及中子感应元件20中的一个中的辐射交互作用，并且具有信号幅度V₀。

一般，集成的HHRIID型的中子-伽马检测器10中的脉冲形状区分需要对每种辐射交互作用确定两个参数：信号(脉冲)幅度V₀和脉冲电荷Q。通过形成两个量Q/V₀的比率，可以确定闪烁衰减时间，并将每个信号S关联为是伽马感应元件18中或者中子感应元件20中的辐射交互作用中的一个。从而，来自光电倍增管24的信号S被划分并发送到QDC32和ADC 30，分别用于信号电荷Q和幅度V₀的数字测量。

为了避免光串扰并提供改进的信号分析和数据，HHRIID 10典型地包括用于伽马感应元件18以及中子感应元件20中的每个到光电传感器24的分开的光耦合。

相应地，伽马感应元件18以及中子感应元件20中的每个的选择，计入可能被采取来提高其检测能力和特性的各种措施。这种选择可以被考虑为“定制”和“优化”伽马感应元件18以及中子感应元件20中的每个。

典型地，ADC 30的积分时间包括选择用于足够质量的峰值检测的一段时间，而QDC 32的积分时间包括选择用于足够质量的电荷积分的一段时间。“足够质量”通常由HHRIID 10的伽马感应元件18以及中子感应元件20的闪烁衰减时间确定。

再次参考信号分析，信号S的幅度和上升时间并不指示光源(中子还是伽马闪烁体)，因为两者都可以具有相当的动态范围。对于这些应用，可以对ANSI 42.34进行参考。另一方面，信号衰减时间τ是特定于每种闪烁体的量(对于伽马感应元件18大约20ns的τ₁，相比对于中子感应元件20大约110ns的τ₂)。

本领域技术人员将理解，如果比率τ₂/T₁是足够大的数，那么具有闪烁衰减时间τ₁的交互作用事件将被与具有闪烁衰减时间τ₂的交互作用事件分开。特别是，对于用于这里呈现的HHRIID示例实施例中的材料，如果比率τ₂/τ₁接近5.5，那么存在良好的衰减时间的分开。然而，在大多数情况下，如果比率T₂/τ₁大于1，那么可以实现适当的区分。

对每个电脉冲的衰减时间的直接测量需要用模拟到数字转换器(ADC)30以至少几百MHz的频率对信号S数字采样。较简单的解决方案是通过对指数信号积分并将结果除信号的幅度，测量每个信号S的衰减时间。这可以通过积分指数衰减函数来数学地验证：

$V_0*\mathrm{\τ}=\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}{V}_0{e}^{(-t/\mathrm{\τ})}\mathrm{dt}---\left(1\right)$

其中t代表时间(这里，以纳秒测量)，τ代表信号衰减时间，V₀代表信号幅度。在实际中，信号幅度V₀可以通过非采样峰值感应模拟到数字转换器(ADC)30来测量，而等式(1)的积分与总的积分电荷(integratedcharge)Q成比例，总的积分电荷Q可以由电荷到数字转换器(QDC)32测量。

在两个分支中分析来自PMT 24的每个信号S。第一分支前进到峰值敏感ADC 30。在一些实施例中，第一分支可以包括快速整形放大器，后面跟着峰值敏感ADC 30。在第二分支中，相同的信号S被用作对QDC 32的输入。典型地，QDC模块在栅控模式下工作，额外的“栅极”电子信号被提供给该模块来指定电荷积分的时间间隔。在一个实施例中，因为QDC 32必须在大于衰减时间的一段时间上对信号S积分，使用大约500纳秒的“长栅”信号。峰值感应ADC 30使用大约50纳秒的相对“短栅”间隔。

通过用ADC 30测量脉冲的幅度，以及用QDC 32测量脉冲的电荷，这里的教导具有对于来自光电倍增管24的“暗电流”脉冲不敏感的优点，并提供了相比于现有技术改进的信噪比。从而，脉冲(来自ADC 30)的峰值幅度被保留，并且确保伽马闪烁体的高能量分辨率保持不受扰动用于改进的同位素识别。

通过采用具有亚毫米层厚度并且由对入射伽马辐射实际上透明的材料制成的中子感应元件20，显著减少了中子感应元件20中伽马交互作用的问题。然而，已经发现在存在混合辐射场时，中子俘获，例如，由中子感应材料吸收中子，以及伽马交互作用，例如由电子对伽马光子的单康普顿散射，都可以激励中子感应元件20。中子感应元件20中的伽马交互作用放下(deposit)的能量的量，从而是在光电倍增管24处检测到的光量，显著低于中子吸收事件释放的能量。为了比较，1MeV伽马射线通过典型中子感应元件中的单康普顿事件可以放下至多0.8MeV。⁶Li的中子吸收反应总是引起在中子感应层20中放下4.78 MeV。任一交互作用中放下的能量引起在ZnS:Ag闪烁体材料中产生初级电子和空穴，之后跟着高能次级辐射的热化和快速驰豫，发光中心的激励，并且最终发出闪烁光。从发射点到PMT24的光子的传送产生检测到的幅度光谱，该幅度光谱主要由三相混合物(LiF颗粒+ZnS颗粒+环氧树脂)内的光吸收和散射效应主导。从而，PMT 24记录的脉冲幅度光谱与中子吸收事件相比，朝光谱的低端呈现伽马交互事件。

例如，图2示出对于不同能量的中子和伽马射线的中子感应层响应信号的脉冲幅度直方图。水平轴以ADC单位测量，其正比于信号幅度V₀在所示出的示例中，中子感应层由⁶LiF中子感应材料制成。然而，相同类型的次级辐射效应可适用于为中子感应层使用的其它材料。如图2中所示，中子感应层的伽马激励主要是在非常窄的信号带内并且具有低ADC信号幅度值。

在HHRIID 10的一些实施例中，机器可读的指令被存储在HHRIID 10内的机器可读介质上，并且提供用于脉冲辨别的实施。在其它实施例中，这些指令被分开的保持并通过远程连接实施。示例的机器可读介质不限制地包括，硬连线电路，只读存储器，随机访问存储器，硬盘驱动器，可擦除可编程只读存储器，磁带，光学介质，磁光介质等。

本发明的一个方面是开发了一种电子辨别方法来仅对具有高于阈值值的信号幅度的中子感应器事件计数，所述阈值值被设定得足够高从而所有的伽马交互作用事件具有低于该阈值值的幅度。利用这种阈值设置，所有的伽马交互作用事件将被拒绝，并且从中子感应层的计数率(高于阈值的)将正比于中子通量成分。由于光传送效应，对于中子的中子感应层响应在幅度上具有分散，从而非故意的设置得过高的阈值将也拒绝一些有效的中子事件并降低中子灵敏度。因此，最优阈值值必须适当匹配于中子感应层中可以放下的最大伽马能量。这对于从一个应用到另一个应用是高度可变的。例如，放射性同位素识别器实施例可以被用于检查包含工业同位素Am²⁴¹的包裹，工业同位素Am²⁴¹发出60keV的伽马射线，并且该识别器同时准备好以高灵敏度检测中子。在另一应用示例中，相同的检测器暴露于工业Pu-Be中子源，该中子源发出如同4.4MeV那么高的高能伽马射线的频谱，如图3中所示。从这两个示例中，很清楚用于中子辨别的阈值必须被适合于辐射场中存在的最大伽马能量，以便保持最优中子灵敏度。

现在参考图4，本发明的集成检测器10提供基于来自伽马感应元件18的反馈的，中子阈值的自适应设置。一旦检测器10暴露于未知的混合辐射场，脉冲形状和处理电子电路26将来自公用光电传感器24的光脉冲分开为中子感应元件脉冲和伽马感应元件脉冲。例如，如图4的右上直方图中所示，生成按照伽马感应元件18检测到的脉冲的幅度的直方图34来提供谱，其具有与伽马射线的完全能量放出关联的峰值。可以从伽马感应元件18检测到的脉冲的直方图34看出，该谱提供对于确定伽马感应元件18检测到的最大伽马能量的峰值搜索算法有用的信息。例如，伽马感应元件18从²³⁸Pu-Be源检测到的最大伽马能量为大约4.439MeV。

此外，生成按照中子感应元件20检测到的脉冲的幅度的直方图36，来提供响应于中子和伽马射线的中子感应元件的谱，如图4中的右下直方图中所示的。可以从中子感应元件20检测到的脉冲的直方图36中看到，该谱提供信息使得可以用算法来搜索用于中子感应元件18对伽马射线的响应的查找表38，并确定对于中子计数要设定的对应阈值。接着，将归于中子感应元件20的每个光脉冲的幅度与该阈值比较。如果来自中子感应元件20的光脉冲的幅度高于阈值，那么该脉冲被计数为有效的中子事件。从而，本发明的集成检测器10确定与伽马感应元件18关联的最大伽马能量，以便自适应地选择中子感应元件20的伽马阈值，从而通过将具有高于该所选择阈值的幅度的光脉冲计数为有效的中子事件，由元件40表示，将中子感应元件20中的辐射串扰的效应最小化。

这里的教导的其它示例实施例包括在用于辐射监测和辐射监视的永久装置中使用多个HHRIID，或者其等价物。非限制性的示例包括用于包裹或者车辆检查的固定监测。多个监测装置提供了生产环境中增加的灵敏度精确性和吞吐量。因而，可以实现其中使用RIID(不一定是手持的HHRIID的一个实施例)的多种***。典型地，在这种实施例中，RIID被耦接到中央控制台，以便对来自该多个中的每个元件的数据进行评估和求和。由于这种辐射监测的技术是已知的，这里一般不进一步讨论这些方面。

相应地，这里的教导提供了将阿尔法辐射场和中子辐射场与伽马辐射场分开的技术效果。当然，本领域技术人员将理解可以实现其它实施例。例如，可以实现使用适当的闪烁体来计入贝塔辐射场。可以评估的其它辐射类型不限制地包括，阿尔法粒子，贝塔粒子，伽马射线，离子和中子。这些设备不需要被限制为“手持”实施方式，并且可以包括其它物理构造，例如永久装置。相应地，这里的教导不限于提供的示例实施例。

尽管已经参照示例实施例描述了本发明，本领域技术人员将理解在不偏离本发明的范围下可以进行各种变化并且等价物可以替换其中的元件。此外，在不偏离其基本范围下，可以进行很多修改来将特定的情形或者材料适应到本发明的教导。因此，并不打算将本发明限于作为预期的执行本发明的最佳模式揭示的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围的所有实施例。

部件列表

10   检测器(HHRIID)

12   中子减速器

14   腔体

16   光学反射器

18   伽马感应元件

20   中子感应元件

22   腔体

24   光电传感器(PMT)

26   脉冲形状和处理电子电路封装

28   磁屏蔽

30   模拟到数字转换器(ADC)

32   电荷到数字转换器(QDC)

Claims (10)

1.一种集成的中子-伽马辐射检测器(10)，包括：

伽马感应元件(18)；

中子感应元件(20)；

光耦合于伽马感应元件(18)和中子感应元件(20)两者的光电传感器(24)；以及

脉冲形状和处理电子电路封装(26)，耦接于光电传感器(24)，以便确定与伽马感应元件(18)关联的最大伽马能量，

其中中子感应元件(20)的伽马阈值从伽马感应元件(18)基于辐射场中存在的最大伽马能量来确定，并且

其中中子感应元件(20)发射的光脉冲在该光脉冲的幅度高于伽马阈值时被计数为有效中子事件。

2.根据权利要求1所述的检测器，其中伽马感应元件(18)包括传感器，形成所述传感器的材料包括：LaBr₃，LaCl₃，LaI₃的至少一种的晶体形式；LaBr₃，LaCl₃，LaI₃的至少一种的固溶体；以及致密、亮的且快速的闪烁体材料的形式。

3.根据权利要求1所述的检测器，其中中子感应元件(20)包括传感器，该传感器由：LiF/ZnS，LiF/ZnS：Ag和包括闪烁体颗粒的基于锂的粉末材料的混合物中的至少之一形成。

4.根据权利要求1所述的检测器，其中光电传感器(24)包括：光电倍增管，光电二极管和雪崩光电二极管中的至少之一。

5.根据权利要求1所述的检测器，其中脉冲形状和处理电子电路封装(26)包括模拟到数字转换器(ADC)和电荷到数字转换器(QDC)，并且其中QDC和ADC中的至少一个的积分时间被选择以便控制脉冲形状辨别，来计入与伽马感应元件(18)和中子感应元件(20)关联的闪烁衰减时间。

6.根据权利要求5所述的检测器，其中ADC的积分时间是大约50纳秒。

7.根据权利要求5所述的检测器，其中QDC的积分时间是大约500纳秒。

8.一种在集成的中子-伽马辐射检测器(10)中自适应地选择伽马阈值的方法，该检测器包括伽马感应元件(18)，中子感应元件(20)，光耦合于伽马感应元件(18)和中子感应元件(20)的光电传感器(24)，以及耦接于光电传感器(24)的脉冲形状和处理电子电路封装(26)，该方法包括步骤：

确定与由伽马感应元件(18)检测到的伽马射线关联的最大伽马能量；

基于由伽马感应元件(18)确定的该最大伽马能量选择中子感应元件(20)的伽马阈值，

由此在由中子感应元件(20)发射的光脉冲的幅度高于该伽马阈值时，该光脉冲被计数为有效中子事件。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括步骤：

确定每个检测到的交互作用的信号幅度V_o；

确定每个检测到的交互作用的信号电荷Q；以及

通过评估信号幅度V_o和信号电荷Q，根据辐射类型对每个辐射交互作用分类。

10.根据权利要求9所述的方法，其中评估信号幅度V_o和信号电荷Q包括形成比率Q/V_o，以便确定伽马感应元件(18)和中子感应元件(20)的闪烁衰减时间。

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