CN105093257A - 一种龙虾眼空间x射线探测器 - Google Patents

Abstract

一种龙虾眼空间X射线探测器，属于探测空间X射线的探测器，解决现有基于龙虾眼原理的X射线探测器结构刚度不足以及光在传导过程中的漏光问题，以提高探测器的结构刚度，降低光在耦合传导过程中的损失。本发明包括弧形框架、闪烁晶体、光导材料和光传感器阵列，弧形框架上具有多个呈阵列分布的锥形通孔，各锥形通孔内均扦插有闪烁晶体，光传感器阵列与闪烁晶体间经光导材料耦合，光传感器阵列尺寸大于且完全包络各锥形通孔下孔口在下球面的边缘。本发明的弧形框架的刚度相比插片式结构得以提高；采用光导材料作为媒介联接探测器部件，完成光线耦合传递，提高了光的传递效率，有效减少了光线在耦合时的损失。

Description

一种龙虾眼空间X射线探测器

技术领域

本发明属于探测空间X射线的探测器，具体涉及一种龙虾眼空间X射线探测器，适合于大视场X射线的探测成像。

背景技术

X射线是一种具有透射能力的电磁波，同时也是研究很多物理现象的信息载体。目前，X射线被广泛应用于天文物理研究、医疗检测、材料分析、工业探伤、安检等诸多领域。

在宇宙环境中存在的大量X射线会对卫星等航天器的导航产生干扰，收集分析X射线，克服X射线对于导航***的干扰对于航天器的稳定运行具有重要意义。目前发展的一种新型的X射线脉冲星定位***就是通过对脉冲星发出的微弱X射线进行探测分析，使航天器摆脱对人工信标的依赖，实现无源定位，同时为航天器提供准确的位姿和速度信息。

天体物理研究是宇宙研究的重要内容，分析X射线等高能射线是研究天体物理的重要手段。但是，宇宙射线的空间来源广，小视场的射线收集分析无法满足对大范围空间***线进行同时探测分析的要求，现有的X射线探测设备的空间视场很小(视场只有几度)，因此研制具有视场角＞10°的大视场X射线探测分析能力的探测成像装备对提高空间X射线研究水平具有重要意义。

基于龙虾眼光学结构的射线探测器是实现大视场射线探测的关键部件，其中一体式弧形框架采用的是球壳结构，整个结构高度对称，所有的通道没有特定的光轴，对各个方向的光线具有相同的聚焦能力，具有视场大、分辨率高、聚焦能力强的特点。现有龙虾眼光学***探测器采用的是在圆形硅晶片表面精密刻槽，在硅片表面镀膜，之后将硅片正交拼接构成三维网格结构龙虾眼光学***探测器，详细见美国物理光学公司公开号为CN101287985A以及湖北久之洋红外***有限公司公开号为CN102288627A的两个专利。

但是这种组装结构存在着拼接困难、刚度不足的问题，对光线在其中的反射聚焦有较大影响。探测到的X射线会被闪烁材料转换为可见光子，而这些光子群在进行传递时，现有的装置是采用固体纤维光锥将光子耦合到CCD，因此存在着漏光的可能，造成传递损失，最终降低对射线的探测效率。

发明内容

本发明提供一种龙虾眼空间X射线探测器，解决现有基于龙虾眼光学原理的X射线探测器因采用插片式探测结构导致的结构刚度不足问题以及光在传导过程中的漏光问题，以提高探测器的结构刚度，降低光在耦合传导过程中的损失。

本发明所提供的一种龙虾眼空间X射线探测器，包括弧形框架、闪烁晶体、光导材料和光传感器阵列，其特征在于：

所述弧形框架为一体式的球壳体，包括上球面和下球面，所述上球面和下球面的球心相同，上球面半径大于下球面半径；

所述弧形框架上具有多个沿所述上球面呈圆形或矩形阵列均匀分布的径向的锥形通孔，各锥形通孔形状、尺寸完全相同，均为倒置的方棱台，各锥形通孔之间的隔壁壁厚相等，各锥形通孔的上孔口位于所述上球面上，各锥形通孔的下孔口位于所述下球面上，且各锥形通孔中心轴线的延长线交于所述上球面和下球面的公共球心；

所述各锥形通孔内均扦插有闪烁晶体，各闪烁晶体形状、尺寸完全相同，均为倒置的方棱台，所述闪烁晶体完全***锥形通孔后，闪烁晶体的上底面与锥形通孔的上孔口平齐，闪烁晶体的下底面与锥形通孔的下孔口保持一定距离，其中填充有光导材料；

所述闪烁晶体应经过表面抛光处理；

所述光传感器阵列由多个光电检测器排布成阵列构成，光传感器阵列与闪烁晶体间经光导材料耦合，光传感器阵列尺寸大于且完全包络各锥形通孔下孔口在下球面的边缘。

所述的龙虾眼空间X射线探测器，其特征在于：

当所述弧形框架上具有多个沿所述上球面呈圆形阵列均匀分布的径向的锥形通孔时，所述弧形框架的视场角θ₀为10°～120°；视场角θ₀为处于圆形阵列中距离最大的两个锥形通孔最外侧侧壁之间夹角；

当所述弧形框架上具有多个沿所述上球面呈矩形阵列均匀分布的径向的锥形通孔时，所述弧形框架的行视场角θ₁为10°～120°；行视场角θ₁为处于矩形阵列中距离最大的两列锥形通孔中位于同一行的两个锥形通孔最外侧侧壁之间夹角；所述弧形框架的列视场角θ₂为10°～120°；列视场角θ₂为处于矩形阵列中距离最大的两行锥形通孔中位于同一列的两个锥形通孔最外侧侧壁之间夹角；

各锥形通孔的锥顶角α为0.1°～3°，锥顶角为锥形通孔的相对侧面之间夹角；

所述各锥形通孔深径比为10～100，所述锥形通孔深径比为锥形通孔中心轴线的长度与锥形通孔的上孔口孔径之比，所述锥形通孔中心轴线长度为所述弧形框架的上球面和下球面半径之差；

各锥形通孔之间的隔壁壁厚为0.1mm～1.5mm。

所述的龙虾眼空间X射线探测器，其特征在于：

所述闪烁晶体与锥形通孔的形状相适应，所述闪烁晶体的四个侧面分别经过抛光后镀有或贴有反射膜，所述反射膜由金属或有机高分子材料制备，对经所述闪烁晶体转换成的可见光子具有高反射率；完全***锥形通孔后，闪烁晶体各侧面与所述锥形通孔内壁紧密贴合；所述闪烁晶体的材料为碘化铯、锗酸铋、硅酸镥或硅酸钇镥等闪烁材料；

所述光导材料为液体光导材料或固体光导材料；

液体光导材料常温下，应具有化学性质稳定、无毒、光衰减低、低粘度、高光导率(1.5左右)等基本性质。

所述的龙虾眼空间X射线探测器，其特征在于：

所述光传感器阵列由多个光电检测器排布成多层嵌套的圆形阵列构成，包括位于内层的第一层光电检测器和包围所述第一层光电检测器的多层外层光电检测器。

所述的龙虾眼空间X射线探测器，其特征在于：

所述光传感器阵列由多个光电检测器排布成N×M矩形阵列构成，2≤N≤20，2≤M≤20，N、M均为整数，各光电检测器尺寸规格相同。

所述的龙虾眼空间X射线探测器，其特征在于：

所述光电检测器为光电倍增管(PhotomutiplierTube，PMT)、硅光电倍增管(SiliconPhotomultiplier，SiPM)或雪崩二极管(AvalanchePhotoDiode，APD)；

本发明对X射线的探测过程可简述为：X射线被弧形框架内闪烁晶体转换至可见光波段，可见光子经反射后由光导材料传递至光传感器阵列，可见光子进入光电检测器，输出放大的光电流，完成光信号至电信号的转换。产生的电信号数据可以再经数据采集***送至相连的图像处理***进行分析处理，完成分析成像，输出X射线分布及强度图像。

本发明的制备包括下述步骤：

一、弧形框架结构设计：根据实际应用条件和光学反射等设计要求确定弧形框架上球面的半径R，弧形框架的锥形通孔的上孔口孔径t，锥形通孔中心轴线长度L与t的比值(深径比L/t)，确定弧形框架的下球面半径r＝R-L；确定锥形通孔之间的隔壁壁厚a，确定弧形框架的视场角θ₀，或者弧形框架的行视场角θ₁、列视场角θ₂，锥形通孔的锥顶角α；

由θ₀计算出圆形阵列中距离最大的行或列中的锥形通孔数目n₀＝θ₀/α，n₀取整数；

由θ₁计算出矩形阵列中行锥形通孔数目n₁＝θ₁/α，n₁取整数；

由θ₂计算出矩形阵列中列锥形通孔数目n₂＝θ₂/α，n₂取整数；

二、制作弧形框架坯件：选择轻质高强材料(如钛合金，高强度工程塑料等)，采用增材制造(3D打印)直接成型制作弧形框架外形；

或者采用坯料切割出弧形框架整体外形，然后采用激光放电打孔或钻孔方法，加工出每个锥形通孔的初始孔道，接着采用激光加工/线切割方法去除单个锥形通孔的多余材料，直至达到锥形通孔的尺寸精度；

三、锥形通孔抛光：采用流体方法对弧形框架的多个锥形通孔的内壁抛光；

四、装配闪烁晶体：将镀有高反射膜或贴有高反射膜的闪烁晶体与经过抛光的锥形通孔进行扦插配合，使得闪烁晶体侧面与锥形通孔内壁表面紧密接触；

五、填充光导材料：在锥形通孔内填充光导材料，使闪烁晶体与传感器间经光导材料相连；将弧形框架连同光电传感器采用壳体进行固定密封。

本发明的弧形框架能显著提高现有的探测头框架的刚度，解决拼接困难的问题，减小因结构变形对光线反射的影响，实现大视场射线探测。并且，本发明提出的采用光导材料代替纤维光锥或由其他固体材料制成的光导层，有利于提高检测器与光电检测器的耦合效率，减小光线的传播损失，提高探测器聚焦能力，显著提高探测器的性能。同时，本发明给出的框架结构的加工制作方法也为其他类似薄壁、深孔、大深径比的多孔结构的制作提供了有益的借鉴。

附图说明

图1为本发明一个实施例的结构示意图；

图2A为上述实施例的弧形框架的俯视图；

图2B为上述实施例的弧形框架的半剖视图；

图2C为上述实施例的弧形框架、闪烁材料、光导材料装配示意图；

图2D为上述实施例的弧形框架的结构参数示意图；

图2E为上述实施例的光传感器阵列示意图；

图3A为本发明另一个实施例的弧形框架三维视图；

图3B为本发明另一个实施例的弧形框架的行视场角参数示意图；

图3C为本发明另一个实施例的弧形框架的列视场角参数示意图；

图3D为本发明另一个实施例的光传感器阵列示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明的一个实施例，包括弧形框架10、闪烁晶体20、光导材料30和光传感器阵列40；

所述光传感器阵列40由多个光电检测器排布成阵列构成，光传感器阵列与闪烁晶体20间经光导材料30耦合；光传感器阵列尺寸大于且完全包络各锥形通孔下孔口在下球面的边缘。

如图2A、图2B所示，本实施例中，所述弧形框架10为一体式的球壳体，包括上球面11和下球面12，所述上球面11和下球面12的球心相同，上球面半径大于下球面半径；

所述弧形框架10上具有多个沿所述上球面呈圆形阵列均匀分布的径向的锥形通孔13，各锥形通孔形状、尺寸完全相同，均为倒置的方棱台，各锥形通孔之间的隔壁壁厚相等，各锥形通孔的上孔口位于所述上球面上，各锥形通孔的下孔口位于所述下球面上，且各锥形通孔中心轴线的延长线交于所述上球面和下球面的公共球心；

如图2C所示，所述各锥形通孔13内均扦插有闪烁晶体20，各闪烁晶体形状、尺寸完全相同，均为倒置的方棱台，所述闪烁晶体20完全***锥形通孔后，闪烁晶体20的上底面与锥形通孔的上孔口平齐，闪烁晶体20的下底面与锥形通孔的下孔口保持一定距离，L₀为20mm，其中填充有光导材料30；

如图2D所示，本实施例中，所述弧形框架的视场角θ₀为60°；

各锥形通孔的锥顶角α为3°；

由θ₀计算出圆形阵列中距离最大的列或行中的锥形通孔数目n₀＝θ₀/α＝20；

所述各锥形通孔深径比为10.6，所述锥形通孔深径比为锥形通孔中心轴线的长度L与锥形通孔的上孔口孔径t之比，所述锥形通孔中心轴线长度L为所述弧形框架的上球面半径R和下球面半径r之差；

上孔口孔径t为13mm，上球面半径R为267.4mm，下球面半径r为130mm；

各锥形通孔之间的隔壁壁厚a为0.3mm。

如图2E所示，所述光传感器阵列40由多个光电检测器41排布成两层嵌套的圆形阵列构成，包括由一个光电检测器41构成的位于内层的第一层光电检测器和由6个光电检测器41构成的包围所述第一层光电检测器的第二层光电检测器。

本实施例中，弧形框架采用钛合金制作；

所述闪烁晶体的材料为硅酸钇镥；闪烁晶体的四个侧面贴有ESR高反射膜；

所述光导材料为硅油；

所述光电检测器为光电倍增管；

当然，不排除在框架结构10的锥形通孔内壁表面镀反射膜或粘贴高反射率膜的实施例。

本发明的另一个实施例，其组成与前一个实施例基本相同，区别仅在于(1)如图3A所示，所述弧形框架10上具有多个沿所述上球面呈矩形阵列均匀分布的径向的锥形通孔13，各锥形通孔形状、尺寸完全相同，均为倒置的方棱台；(2)如图3B所示，弧形框架的行视场角θ₁为54°；行视场角θ₁为处于矩形阵列中距离最大的两列锥形通孔中位于同一行的两个锥形通孔最外侧侧壁之间夹角；如图3C所示，所述弧形框架的列视场角θ₂为54°；列视场角θ₂为处于矩形阵列中距离最大的两行锥形通孔中位于同一列的两个锥形通孔最外侧侧壁之间夹角；由θ₁计算出矩形阵列中行锥形通孔数目n₁＝θ₁/α＝18；同样，由θ₂计算出矩形阵列中列锥形通孔数目n₂＝18；(3)如图3D所示，所述光传感器阵列40由4个光电检测器41按2×2阵列排布构成，各光电检测器尺寸规格相同。

Claims (6)

1.一种龙虾眼空间X射线探测器，包括弧形框架、闪烁晶体、光导材料和光传感器阵列，其特征在于：

所述弧形框架为一体式的球壳体，包括上球面和下球面，所述上球面和下球面的球心相同，上球面半径大于下球面半径；

所述弧形框架上具有多个沿所述上球面呈圆形或矩形阵列均匀分布的径向的锥形通孔，各锥形通孔形状、尺寸完全相同，均为倒置的方棱台，各锥形通孔之间的隔壁壁厚相等，各锥形通孔的上孔口位于所述上球面上，各锥形通孔的下孔口位于所述下球面上，且各锥形通孔中心轴线的延长线交于所述上球面和下球面的公共球心；

所述各锥形通孔内均扦插有闪烁晶体，各闪烁晶体形状、尺寸完全相同，均为倒置的方棱台，所述闪烁晶体完全***锥形通孔后，闪烁晶体的上底面与锥形通孔的上孔口平齐，闪烁晶体的下底面与锥形通孔的下孔口保持一定距离，其中填充有光导材料；

所述光传感器阵列由多个光电检测器排布成阵列构成，光传感器阵列与闪烁晶体间经光导材料耦合，光传感器阵列尺寸大于且完全包络各锥形通孔下孔口在下球面的边缘。

2.如权利要求1所述的龙虾眼空间X射线探测器，其特征在于：

当所述弧形框架上具有多个沿所述上球面呈圆形阵列均匀分布的径向的锥形通孔时，所述弧形框架的视场角θ₀为10°～120°；视场角θ₀为处于圆形阵列中距离最大的两个锥形通孔最外侧侧壁之间夹角；

当所述弧形框架上具有多个沿所述上球面呈矩形阵列均匀分布的径向的锥形通孔时，所述弧形框架的行视场角θ₁为10°～120°；行视场角θ₁为处于矩形阵列中距离最大的两列锥形通孔中位于同一行的两个锥形通孔最外侧侧壁之间夹角；所述弧形框架的列视场角θ₂为10°～120°；列视场角θ₂为处于矩形阵列中距离最大的两行锥形通孔中位于同一列的两个锥形通孔最外侧侧壁之间夹角；

各锥形通孔的锥顶角α为0.1°～3°，锥顶角为锥形通孔的相对侧面之间夹角；

所述各锥形通孔深径比为10～100，所述锥形通孔深径比为锥形通孔中心轴线的长度与锥形通孔的上孔口孔径之比，所述锥形通孔中心轴线长度为所述弧形框架的上球面和下球面半径之差；

各锥形通孔之间的隔壁壁厚为0.1mm～1.5mm。

3.如权利要求1或2所述的龙虾眼空间X射线探测器，其特征在于：

所述闪烁晶体与锥形通孔的形状相适应，所述闪烁晶体的四个侧面分别经过抛光后镀有或贴有反射膜，所述反射膜由金属或有机高分子材料制备，对经所述闪烁晶体转换成的可见光子具有高反射率；完全***锥形通孔后，闪烁晶体各侧面与所述锥形通孔内壁紧密贴合；所述的闪烁晶体的材料为碘化铯、锗酸铋、硅酸镥或硅酸钇镥；

所述光导材料为液体光导材料或固体光导材料。

4.如权利要求3所述的龙虾眼空间X射线探测器，其特征在于：

所述光传感器阵列由多个光电检测器排布成的多层嵌套的圆形阵列构成，包括位于内层的第一层光电检测器和包围所述第一层光电检测器的多层外层光电检测器；

所述光电检测器检测前端闪烁晶体发射的可见光信号，并将其转变成电信号。

5.如权利要求3所述的龙虾眼空间X射线探测器，其特征在于：

所述光传感器阵列由多个光电检测器排布成N×M矩形阵列构成，2≤N≤20，2≤M≤20，N、M均为整数，各光电检测器尺寸规格相同。

6.如权利要求4或5所述的龙虾眼空间X射线探测器，其特征在于：

所述光电检测器为光电倍增管、硅光电倍增管或雪崩二极管。