CN113238275A - 基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测组件、装置及方法 - Google Patents

基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测组件、装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测组件、装置及方法。本发明的目的是解决现有脉冲辐射探测装置存在体积较大，导致应用受限，以及线性工作范围小和工作偏压高的技术问题。该探测组件包括半导体光电转换器件和作为辐射‑光转换体的富氢钙钛矿闪烁体；所述半导体光电转换器件的光阴极面向富氢钙钛矿闪烁体；所述富氢钙钛矿闪烁体为富氢有机‑重金属卤化物杂化材料。该探测装置包括上述基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测组件、为半导体光电转换器件供电的电源，及示波器和计算机；所述半导体光电转换器件的输出端连接示波器的输入端，示波器的输出端连接计算机的输入端。该方法利用该装置进行。

Description

基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测组件、装置及方法
技术领域
本发明涉及辐射探测中的脉冲辐射探测装置及方法，具体涉及一种基于富氢钙钛矿闪烁体的微型大线性脉冲辐射探测装置及方法。
背景技术
闪烁法是核裂变和核聚变反应过程诊断的重要方法之一，是对核反应过程释放的中子和伽马射线等进行探测的重要手段。由于闪烁法采用的装置具有两级放大结构，故装置本身具有高灵敏特性，同时还具有纳秒级时间分辨能力和强探测统计性，另外由于闪烁体可以加工得非常大、且辐射-光转换过程可以不加电，故在稀有事件探测如中微子探测和宇宙射线探测中，展现出了极强的优势。
现有的脉冲辐射探测装置通常采用传统的闪烁体如有机闪烁体和塑料闪烁体等，与光电倍增管(PMT)或光电管(PT)构成探测组件，这种探测组件存在以下几方面的缺点：
1、体积都比较大，一般都在几十甚至上百立方厘米，因此在很多空间受限的辐射场探测中，应用受限；
2、作为光电转换器件的光电倍增管和光电管的最大线性电流一般都在200mA左右，甚至更低，使用时需要根据探测组件所处位置的辐射场强度等因素，仔细设计探测组件的灵敏度，使探测组件的工作输出电流不超过光电转换器件的的最大线性电流，这样才能准确获得辐射场的强度等信息，在辐射源强度不稳定时，常会出现超出最大线性输出的问题；
3、由于光电倍增管和光电管的工作偏压都很高，一般为800-3000V，故需要特殊的电源为其供电，故光电倍增管和光电管在低真空环境中无法工作。
此外，近年来由于富氢钙钛矿闪烁体原子序数较高，在医学人体成像中将其用于X射线探测，灵敏度较高，可获得清晰的X射线成像，同时有望显著降低人体所受辐照剂量，故在X射线探测中展现出了一定的优势。但目前尚未见到该类闪烁体在脉冲辐射探测，如脉冲中子探测中的相关报道。
发明内容
本发明的目的是解决现有脉冲辐射探测装置存在体积较大，导致应用受限，以及线性工作范围小和工作偏压高的技术问题，提供一种基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测组件、装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：
本发明提供一种基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测组件，其特殊之处在于：
包括半导体光电转换器件和作为辐射-光转换体的富氢钙钛矿闪烁体；
所述半导体光电转换器件的光阴极面向富氢钙钛矿闪烁体；
所述富氢钙钛矿闪烁体为富氢有机-重金属卤化物杂化材料。
进一步地，所述半导体光电转换器件为硅或碳化硅或砷化镓型半导体光电转换器件。
进一步地，为了尽可能减小体积，所述半导体光电转换器件的光阴极与富氢钙钛矿闪烁体相贴合。
进一步地，还包括反射镜、中子-质子转换靶和光电耦合器件；
所述反射镜设置于靠近富氢钙钛矿闪烁体处，反射镜的反射面与富氢钙钛矿闪烁体各个表面中除朝向半导体光电转换器件的表面外的其余各个表面相对；
所述中子-质子转换靶设置于富氢钙钛矿闪烁体靠近核反应中心且远离半导体光电转换器件的一侧；
所述光电耦合器件设置于富氢钙钛矿闪烁体与半导体光电转换器件之间。
进一步地，所述富氢钙钛矿闪烁体为一维材料或二维材料或三维材料。
进一步地，所述富氢钙钛矿闪烁体为单晶或有机聚合物膜。
进一步地，所述富氢钙钛矿闪烁体为(PEA)2PbBr4或(BA)2PbBr4。
本发明还提供一种基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测装置，其特殊之处在于：
包括上述基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测组件、为半导体光电转换器件供电的电源，以及示波器和计算机；
所述半导体光电转换器件的输出端连接示波器的输入端，示波器的输出端连接计算机的输入端。
进一步地，所述富氢钙钛矿闪烁体、半导体光电转换器件和示波器，均具有纳秒级以上的时间响应特性。
本发明还提供一种基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)将上述基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测装置的基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测组件，放置于距离核反应中心L米远的测点处，使得核反应过程释放的辐射到达富氢钙钛矿闪烁体；
所述L需满足：在测点位置测得的中子和伽马射线的响应信号的飞行时间差大于所述基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测装置的时间分辨，足以区分中子和伽马射线的响应信号；
2)获取响应信号
A)获取中子的响应信号
A.1)核反应释放的中子与富氢钙钛矿闪烁体中的氢发生作用，产生反冲质子；
A.2)反冲质子在富氢钙钛矿闪烁体内损失能量，激发光子；
A.3)光子进入半导体光电转换器件，被半导体光电转换器件转换为电信号，将电信号显示于示波器上并保存于计算机内；
B)获取伽马射线的响应信号
B.1)等离子体中的伽马射线与富氢钙钛矿闪烁体作用，产生次级电子；
B.2)次级电子在富氢钙钛矿闪烁体内损失能量，激发光子；
B.3)光子进入半导体光电转换器件，被半导体光电转换器件转换为电信号，将电信号显示于示波器上并保存于计算机内。
本发明相比现有技术具有的有益效果如下：
1、本发明提供的基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测组件、装置及方法，采用的富氢钙钛矿闪烁体衰减时间快，时间响应性能好，可实现对中子和伽马射线的高灵敏探测。
2、相比于传统探测装置通常选择光电倍增管和光电管作为光电转换器件，导致探测组件的体积过大，一般大于几十立方厘米。本发明提供的基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测组件，选择半导体光电转换器件(简称SD)来实现光电转换(可采用硅、碳化硅、砷化镓等半导体光电转换器件)，使得光电转换器件与富氢钙钛矿闪烁体可直接接触，二者组成的组件的体积可做到低于1立方厘米，体积小，是一种微型组件，且二者之间不需要抽真空。
3、相比于传统光电倍增管和光电管一般需工作在几百至几千伏工作偏压下工作，本发明提供的基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测组件，采用的半导体光电转换器件，可工作在几至几百伏，甚至可工作在零偏压下，工作偏压低。
4、相比于传统光电倍增管和光电管，最大线性电流区间很小，一般在200mA内，本发明提供的基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测组件，采用的半导体光电转换器件，最大线性电流区间可达几安培，相比现有技术线性工作区间提升了几十倍，且不易饱和，适用于强辐射场探测，使得探测组件可工作于距离射线源更近的辐射注量率更高的位置。
5、本发明提供的基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测组件、装置及方法，其灵敏度低于富氢钙钛矿闪烁体与光电倍增管形成的探测组件的灵敏度，高于富氢钙钛矿闪烁体与光电管形成的探测组件的灵敏度，可填补富氢钙钛矿闪烁体与光电倍增管形成的探测组件的灵敏度与富氢钙钛矿闪烁体与光电管形成的探测组件的灵敏度之间的空白区域，因半导体光电转换器件本身的灵敏度低，这种探测装置适用于强辐射场。
6、本发明提供的基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测组件、装置及方法，富氢钙钛矿闪烁体可获得纳秒级时间响应及几万光子/兆电子伏特的高光产额，结合纳秒级响应半导体光电转换器件，可获得几至几十纳秒级***时间响应特性。
7、本发明提供的基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测组件、装置及方法，在富氢钙钛矿闪烁体与半导体光电转换器件之间设置光电耦合器件，当富氢钙钛矿闪烁体与半导体光电转换器件分离时，可实现对半导体光电转换器件的好的辐射屏蔽，获得高抗辐照性能，适用于强辐射场。
附图说明
图1为本发明基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测装置的结构示意图，其中n代表中子，γ代表伽马射线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。
一种基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测组件，原理是核反应产生的辐射与富氢钙钛矿闪烁体(具有强发光特性，可实现辐射-光转换)作用，将辐射中射线或者粒子的部分能量转换为光，半导体探测器(即半导体光电转换器件，实现光-电转换)通过对光的探测实现辐射探测。其具体结构如图1所示，包括半导体光电转换器件和作为辐射-光转换体的富氢钙钛矿闪烁体；所述半导体光电转换器件的光阴极面向富氢钙钛矿闪烁体(当然二者可以直接接触)；所述富氢钙钛矿闪烁体为富氢有机-重金属卤化物杂化材料；所述半导体光电转换器件为硅或碳化硅或砷化镓型半导体光电转换器件。所述富氢钙钛矿闪烁体、半导体光电转换器件和示波器，均具有纳秒级以上的时间响应特性。所述富氢钙钛矿闪烁体，可以为一维材料或二维材料或三维材料；可以为单晶或有机聚合物膜；可以为(PEA)2PbBr4或(BA)2PbBr4；优选二维单晶材料，优选(PEA)2PbBr4，(PEA)2PbBr4的制备方法可参考期刊《Journal of Materials Chemistry C》于2019年第7期1584-1591页，发表的文章“Two-dimensional(PEA)2PbBr4 perovskite single crystals for a high performance UV-detector”。
可选的，还包括中子-质子转换靶，设置于富氢钙钛矿闪烁体靠近核反应中心且远离半导体光电转换器件的一侧。可选的，还包括光电耦合器件，设置于富氢钙钛矿闪烁体与半导体光电转换器件之间。可选的，还包括反射镜，设置于靠近富氢钙钛矿闪烁体处，设置于靠近富氢钙钛矿闪烁体处，反射镜的反射面与富氢钙钛矿闪烁体各个表面中除朝向半导体光电转换器件的表面外的其余各个表面相对。
本发明还提供一种基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测装置，包括上述基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测组件、为半导体光电转换器件供电的电源，以及示波器和计算机；所述半导体光电转换器件的输出端连接示波器的输入端，示波器的输出端连接计算机的输入端。这种探测装置，因采用了半导体光电转换器件，可实现纳秒级的时间响应、具有几安培的大线性电流，同时可实现小体积、低工作偏压，在辐射探测中展现出了一定的优势，是一种低灵敏、微型、大线性的探测装置，能够解决现有探测***遇到的体积大、线性工作范围小和工作偏压高等问题。
本发明还提供一种基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测方法，包括以下步骤：
1)将上述基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测装置的基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测组件，放置于距离核反应中心L米远的测点处，使得核反应过程释放的辐射能够到达富氢钙钛矿闪烁体；
所述L需满足：在测点位置测得的中子和伽马射线的响应信号的飞行时间差大于所述基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测装置的时间分辨(***响应时间)，足以区分中子和伽马射线的响应信号(响应波形)；
2)获取响应信号
A)获取中子的响应信号
A.1)核反应释放的中子与富氢钙钛矿闪烁体中的氢发生作用，产生反冲质子；
A.2)反冲质子在富氢钙钛矿闪烁体内损失能量，激发光子；
A.3)光子进入半导体光电转换器件，被半导体光电转换器件转换为电信号，将电信号显示于示波器上并保存于计算机内；
B)获取伽马射线的响应信号
B.1)等离子体中的伽马射线与富氢钙钛矿闪烁体作用，产生次级电子；
B.2)次级电子在富氢钙钛矿闪烁体内损失能量，激发光子；
B.3)光子进入半导体光电转换器件，被半导体光电转换器件转换为电信号，将电信号显示于示波器上并保存于计算机内；
基于飞行时间法可用于瞬态核反应脉冲辐射场诊断中的中子-伽马射线联合诊断。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测组件，其特征在于：
包括半导体光电转换器件和作为辐射-光转换体的富氢钙钛矿闪烁体；
所述半导体光电转换器件的光阴极面向富氢钙钛矿闪烁体；
所述富氢钙钛矿闪烁体为富氢有机-重金属卤化物杂化材料。
2.根据权利要求1所述基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测组件，其特征在于：
所述半导体光电转换器件为硅或碳化硅或砷化镓型半导体光电转换器件。
3.根据权利要求2所述基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测组件，其特征在于：
所述半导体光电转换器件的光阴极与富氢钙钛矿闪烁体相贴合。
4.根据权利要求2所述基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测组件，其特征在于：
还包括反射镜、中子-质子转换靶和光电耦合器件；
所述反射镜设置于靠近富氢钙钛矿闪烁体处，反射镜的反射面与富氢钙钛矿闪烁体各个表面中除朝向半导体光电转换器件的表面外的其余各个表面相对；
所述中子-质子转换靶设置于富氢钙钛矿闪烁体靠近核反应中心且远离半导体光电转换器件的一侧；
所述光电耦合器件设置于富氢钙钛矿闪烁体与半导体光电转换器件之间。
5.根据权利要求1所述基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测组件，其特征在于：
所述富氢钙钛矿闪烁体为一维材料或二维材料或三维材料。
6.根据权利要求1所述基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测组件，其特征在于：
所述富氢钙钛矿闪烁体为单晶或有机聚合物膜。
7.根据权利要求1所述基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测组件，其特征在于：
所述富氢钙钛矿闪烁体为(PEA)2PbBr4或(BA)2PbBr4。
8.一种基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测装置，其特征在于：
包括权利要求1至7任一所述基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测组件、为半导体光电转换器件供电的电源，以及示波器和计算机；
所述半导体光电转换器件的输出端连接示波器的输入端，示波器的输出端连接计算机的输入端。
9.根据权利要求8所述基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测装置，其特征在于：
所述富氢钙钛矿闪烁体、半导体光电转换器件和示波器，均具有纳秒级以上的时间响应特性。
10.一种基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将权利要求8或9所述基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测装置的基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测组件，放置于距离核反应中心L米远的测点处，使得核反应过程释放的辐射到达富氢钙钛矿闪烁体；
所述L需满足：在测点位置测得的中子和伽马射线的响应信号的飞行时间差大于所述基于富氢钙钛矿闪烁体的微型辐射探测装置的时间分辨，足以区分中子和伽马射线的响应信号；
2)获取响应信号
A)获取中子的响应信号
A.1)核反应释放的中子与富氢钙钛矿闪烁体中的氢发生作用，产生反冲质子；
A.2)反冲质子在富氢钙钛矿闪烁体内损失能量，激发光子；
A.3)光子进入半导体光电转换器件，被半导体光电转换器件转换为电信号，将电信号显示于示波器上并保存于计算机内；
B)获取伽马射线的响应信号
B.1)等离子体中的伽马射线与富氢钙钛矿闪烁体作用，产生次级电子；
B.2)次级电子在富氢钙钛矿闪烁体内损失能量，激发光子；
B.3)光子进入半导体光电转换器件，被半导体光电转换器件转换为电信号，将电信号显示于示波器上并保存于计算机内。
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