CN1253630A - 非对称辐射探测系统 - Google Patents

Abstract

一种辐射探测系统,它的内、外电极(14a和16a)被成形和定位得使它们之间的每条路径的长度不同,以致内电极与外电极上各点之间的最短路径长度不同,从而由被探测的辐射事件所得的脉冲上升时间可以唯一地确定该事件的方位角和径向位置。

Description

非对称辐射探测系统

本发明涉及一种非对称辐射探测系统，它有不分段的电极，唯一地确定辐射探测事件的方位角和径向位置。

高纯锗(HPGe)探测器(见G.F.Knoll的“辐射探测器及辐射测量”Wiley 1989，第2，4，11和12章)常被用于能谱学及与探测γ-射线和其它高能光子有关的场合。这些探测器主要包括由极为高纯并有轻微掺杂的锗制成的大型锗二极管。锗晶体被机械加工成所需的形状，如平面或共轴形状。将多个电极加在探测器的相对接触头处，根据大块锗的掺杂情况，其中之一是p+或n+类所形成的整流电极。给各电极加一反向的偏压。该电压高到足以引起所有锗的大量消耗(即在电场下)。撞击在探测器上的γ-射线将与锗原子碰撞，造成空穴-电子载流子对的生成。这些空穴和电子被各电极收集。被各电极收集的总电荷与被探测的光子能量有关。

这些作为γ-射线谱仪的探测器的能量分辨率是非常好的。例如，对于能量为1MeV的γ-射线而言，作为探测器-电子系统产生的高斯峰的半宽度测得的能量分辨率要好于千分之二。再有，这些探测器目前适用于非常大的尺寸(直径8cm、长8cm的圆柱体)，并因此而有较高的γ-探测效率。

于是，尽管价格高以及在液氮温度下冷却探测器的不便，它们仍是核结构研究中所选用的探测器。目前采用大阵列来实施这些研究(“LBL-USA的Gammasphere”，Legnato-Italy的“Euroball”  )，它们将100或更多的探测器安装成球形结构。还有“Miniball”(40-60个探测器)正处于设计阶段。在这些实验中，放在球中心处的靶子受到快速重离子的轰击。所产生的γ-射线给出科学家所寻找的信息。然而，发射γ-射线时的核反冲引起所发射的γ-能量线因多普勒频移而被加宽。减轻由多普勒频移引起的不精确性的唯一办法是通过辨识事件在探测器中发生的位置而修正能谱。这又增加了在探测器内实现追踪γ-射线的得益，从而额外增加了单次命中的多次相互作用与多次命中之间的辨别(见“核结构及物理研究方法”A371(1996)，489-496)。

为了得到位置信息而提出的一种改型和尝试是“分段”，即用多条细分隔线将外接触头和/或内接触头分成两个或多个彼此电绝缘的导电面。例如，将“Gammasphere”中的110个探测器当中的60个被二重分段，即探测器的外接触头分成电绝缘的两个等分。信号从中央接触头(总能量)和侧接触头(位置)被得到。为了进一步改善位置分辨率，开始提出多分段(如LBL的“GRETA”计划采用32分段)。

应予说明的是，虽然分段肯定行得通，但这额外增大了系统的成本，因为要制作分段的探测器是比较困难的，而且每个分段的线道需要成套的电子线路。另外，分段的探测器固有的可靠性较小。

众所周知的是γ-射线以复杂的方式与锗相互作用，常常引起多重相互作用。

这看来使得脉冲形状的分析是困难，乃至是不可能的。但实际上，作为位置测量的方法，三种因素的介入大大改善了脉冲形状分析的可行性。随着能量的增加，散射截面沿前进方向变得越来越尖锐。当散射角较大时，大部分能量淀积在第一次相互作用中。低能时，光电效应(一次相互作用)占优势。由于这些因素，看来虽然存在多种散射，这种散射降低测量的精度，但作为位置测量的方法，实际上并不妨害信号脉冲分析的可行性。

因此，本发明的目的在于提供一种改善的辐射探测系统。

本发明的另一目的在于提供这样一种改进的辐射探测系统，它采用不分段的电极，唯一地确定辐射探测事件的方位角和径向位置。

本发明的又一目的在于提供这样一种改进的辐射探测系统，其中可使探测二极管的一个或者两个电极分段。

本发明的又一目的在于提供这样一种改进的辐射探测系统，其中内、外电极之间的每一段路径的长度，或者至少探测二极管的每个非对称部分中的每个这种路径的长度是不同的。

本发明的又一目的在于提供这样一种改进的辐射探测系统，它能较为可靠地、简单地和较容易地被制作和使用，而且还可远超过采用分段电极所能得到的分辨率。

由实现下述信息而产生本发明，根据这种信息，可以更简单、更可靠和更少花费的方式不必对电极分段即可得到辐射照射在探测器上的位置，即，使用非对称辐射探测系统，所述探测系统的内、外电极被这样成形和被定位，使它们之间的每一条路径长度不同，从而由探测的辐射事件所得的脉冲的上升时间可以唯一地确定该事件的方位角和径向位置。

本发明的特征在于，一种非对称辐射探测系统包括一个半导体二极管，该二极管具有在二极管外周缘处的外电极，和位于该二极管内一个位置处的内电极，其中内电极和外电极上的各点之间的每条最短路径的长度不同，用以产生与二极管内发生的辐射探测事件的方位角和径向位置唯一对应的脉冲上升时间。

在一种优选实施例中，半导体二极管可为锗，而且可为N-型锗。外电极可以是不被分段的和连续的。内电极可为中空的，并且它也是不被分段的和连续的。内电极可为环形截面；外电极也可为环形截面。内、外电极的纵轴一般可为平行的，它们可以是共轴的，或者它们可以是互相偏心的。外电极可以是非对称的，内电极也可以是非对称的，或者内、外电极可以都是对称的，并且它们的对称轴可以是不一致的。可以有一个脉冲上升时间分析装置，响应一个脉冲的脉冲上升时间，所述上升时间用于确定产生该脉冲之辐射事件的方位角和径向位置。脉冲上升时间分析装置可以包含用于确定脉冲上升时间响应在电极之间产生空穴电子流扩散之探测事件的路径长度的部件，所述上升时间用于确定该事件在二极管中的方位角位置。脉冲上升时间分析装置还可以包含用于确定与探测事件所产生的每个空穴及电子的电荷相关的脉冲上升时间的部件，所述上升时间用于确定二极管中该事件的径向位置。

本发明的特征还在于，一种非对称辐射探测系统包括一个对称的半导体二极管，该二极管包含在二极管外周缘处相应对称的外电极，和位于该二极管内的对称内电极。至少有一个分段，用以将所述二极管分成若干个非对称的部分。内电极和与所述非对称部分相关的部分外电极上的各点间的每条最短路径的长度不同，用以产生与二极管内发生的辐射探测事件的方位角和径向位置唯一对应的上升时间。

在一种优选实施例中，半导体二极管可为锗，而且可为N-型锗。外电极可以是不被分段的和连续的。内电极可为中空的，并且它也是不被分段的和连续的。内电极可为环形截面，就像外电极所可以是的那样。内、外电极的纵轴一般可为平行的，它们可以是共轴的，或者它们可以是互相偏心的。本系统可以包括脉冲上升时间分析装置，响应一种脉冲的脉冲上升时间，所述上升时间用于确定产生该脉冲之辐射事件的方位角和径向位置。脉冲上升时间分析装置可以包含用于确定脉冲上升时间响应在电极之间产生空穴电子流扩散之探测事件的路径长度的部件，所述上升时间用于确定该事件在二极管中的方位角位置。脉冲上升时间分析装置还可以包含用于确定与探测事件所产生的每个空穴及电子的电荷相关的脉冲上升时间的部件，所述上升时间用于确定二极管中该事件的径向位置。

从以下参照具体实施例和附图的描述，可使那些熟悉本领域的人发现其它的目的、特性和优点，其中：

图1是现有技术辐射探测器的三维示意图；

图2是沿图1的2-2线所取的断面图；

图3是表示没有分段电极，不能确定探测事件方位角的图1和图2中探测器断面的放大示意图；

图4是本发明非对称探测器的平面示意图，其中外电极和内电极都是对称的，但它们的对称轴不一致；

图5是本发明非对称辐射探测系统的示意方框图，它确定由探测器探测的探测事件的能量、方位角和径向位置；

图6表示输入所述系统的输入脉冲；

图7是图6脉冲被延迟之后的视图；

图8表示从图6的输入脉冲减去图7延迟脉冲的结果；

图9是类似于图4的表示0-180°各种方位角θ的断面视图；

图10表示沿0°半径的方位角位置发生的脉冲的上升时间；

图11是类似于图10的视图，其中脉冲的上升时间指示沿90°半径的方位角位置；

图12是类似于图10和11的视图，其中脉冲的上升时间指示沿180°半径的方位角位置；

图13是类似于图4和9所示本发明辐射探测器的视图，表示在内、外电极间三个不同径向距离A，B和C处探测事件；

图14表示脉冲的波形，它的上升时间随事件A，B和C发生的径向位置而变；

图15是本发明辐射探测器断面的平面示意图，该探测器具有另一种几何结构，其中内、外电极二者都是对称的，但它们的对称轴不一致；

图16是类似于图15的视图，其中内电极为非对称的，而外电极是对称的；

图17是类似于图15和16的视图，其中外电极为非对称的，而内电极是对称的；

图18是类似于图15-17的视图，其中内、外电极都是非对称的；

图19是类似于图15-18的视图，其中内、外电极都是对称的，并按照本发明用一个分段将其分成两个非对称的部分；

图20是类似于图19的视图，其中有两个对称轴，并用两个分段将二极管分成四个非对称的部分；

图21是类似于图19和20的视图，其中内、外电极都是对称的，并使它们的对称轴一致，用内接触头或外接触头上的分段将二极管分成两个非对称的部分。

图1所示的现有技术辐射探测器10由被包装于圆柱形外电极14的圆柱形N-型锗晶体12制成，它有在中心放置的中空内电极16，内电极16与纵轴18共轴地延伸通过锗晶体12从面20到面22的部分通路(见图2)。利用电池24给如此形成的二极管加以偏压，电池的正极连到内电极16，其负极经负载电阻26连到外电极14。

有如图3所能见到者，这里示意地表示面20并将之放大，电极16被表示实心，而不是中空的，这些现有技术的探测器能够确定在何处径向地发生了探测事件。例如，能将发生在点28处的探测事件28与在半径30、34处，在内电极16或外电极14处发生的事件区分开来。不过，在这种现有技术装置中，如果不使内电极或外电极被分段，则不能得到有关事件28的方位角信息。譬如，如果将外电极14分成两段，则能确定事件28发生在探测器10的一个半部或另一个半部。如果有四个分段，则能作出该事件按方位角发生在这四个四分之一哪一个中的确定。如果有32个部分，则可作出在探测器的第32部分内发生了所述事件的确定。当然，这种分段的结构和分段检测，以及附加的与它们相关的复杂电路增加了制作这种装置的时间、负担和成本。

按照本发明，通过限定两个电极的形状和位置，可以制成一种既能给出径向位置又能给出方位角的探测器，而无需电极的分段，使得一个电极与另一个电极上各点之间的最短路径有不同的长度，从而产生脉冲，其上升时间唯一地表示在此二极管内发生的辐射事件的方位角位置和径向位置。例如，本发明的探测器10a可以有对称的外电极14a和对称的内电极16a，但外电极14a的对称轴40并不与圆环形内电极16a的对称轴一致。圆环形内电极16a的对称轴由它的每一个直径限定。由于这种结构，内电极16a直接到外电极14a各点间的路径将与任何其它这样的路径长度不同。有如将要看到的，这使脉冲的上升时间能够唯一地确定方位角位置和径向位置。

本发明的探测器，如图5的探测器10a接收比如γ-射线辐射50，并对前置放大器52提供表示它的模拟信号，放大器52回过来再对信号处理放大器54提供信号，这又给数字转换器56提供一个表示总能量E的信号，用以进一步提供给列表方式存储器58。同一信号还提供给延迟线限幅放大器60，比如由Oak Ridge，Tennessee的EG&G ORTEC公司制造的EG&G ORTEC 460。这些来自前置放大器52的输入信号受到延迟，并被从原来未被延迟的信号中减去，给出输出脉冲62，此脉冲表示从前置放大器52输入的脉冲的上升时间64。脉冲62被提供给两个脉冲形状分析器66和68，此二者可由OakRidge，Tennessee的EG&G ORTEC公司制造的EG&G ORTEC电路552实现。二脉冲形状分析器都按公知的关于MOD460放大器所给脉冲的后沿固定分级时间原则工作。这个原则在电路552的使用手册上有所说明。脉冲形状分析器电路66在10％和30％处取样上升时间，并将它们提供给时间-振幅转换器70，由转换器70给出在10％到30％之间的上升时间的振幅表示。脉冲形状分析器电路68按同样的方式运行，但代之以在10％和90％点取样，将它们提供给时间-振幅转换器72，由转换器72给出在10％到90％之间的上升时间的振幅表示。由模拟-数字转换器74将10-90％之间的上升时间转换成用以确定被探测事件之方位角位置的数字信号。从时间-振幅转换器70输出的10-30％之间的上升时间表示被提供给模拟-数字转换器76，它给出10-30％之间的上升时间的数字输出表示。来自ADC76的10-30％之间的上升时间和来自ADC74的10-90％之间的上升时间被用来确定探测事件的径向位置。这种列表方式存储器存储来自分别表示脉冲能量、由探测器10a探测的辐射探测事件脉冲表示的径向位置与方位角位置的三个ADC56、74和76的三个字。采用脉冲形状中所固有的全部信息能够实现更为完善的电子学处理。

图5中由延迟线限幅放大器60发生脉冲62被示于图6、7和8中，其中给延迟线限幅放大器60的输入表现为具有上升时间82-84范围的脉冲80。被延迟的图6中脉冲80，即具有相同范围82-84的脉冲86出现于延迟线限幅放大器60中，有如图7所示的那样。具有相同的上升时间82-84范围的被延迟的输入脉冲86出现于延迟线限幅放大器60中，并被从未延迟的输入脉冲80减去，得到图8中的输出脉冲62，它有相同的上升时间82-84范围，并有镜像的后沿时间82′-84′。

根据图9-12，说明用以得出方位角位置的上升时间的使用。例如，图9中具有外电极14b和内电极16b的探测器10b将会产生其上升时间与辐射事件产生的电荷在内、外电极间飞行路径长度有关的脉冲。例如，沿图9中0°半径90发生的事件典型地将产生图10中的脉冲92，它有从最小值94到最大值96的上升时间区域。于是，借助在10％和90％点的取样检测上升时间，如上升时间98，就落在这个区域内，并确定沿0°半径的位置。对于图9中沿90°半径100发生的事件，可产生如图11中脉冲102那样的脉冲，该脉冲具有最小值104与最大值105的上升时间区域，使得由在10％和90％点所取取样确定的上升时间落在这个区域内，并指示沿90°半径的方位角位置。对于图9中沿180°半径110发生的事件，将产生如图12中的脉冲112，该脉冲具有最小上升时间114和最大上升时间116，使得具有由在10％和90％点取样限定之上升时间118的脉冲表示按180°半径110方位角方式发生的脉冲。

通过比较30％和90％点，可以确定径向位置或事件沿径向的位置。例如，假设图13的探测器10c具有沿半径120发生的被探测事件A、B和C，这里的事件A发生在电极16c与电极14c之间的一半距离处，事件C发生在比较靠近外电极14c处，而事件B发生在比较靠近内电极16c处。由一次事件产生的空穴朝外飞向加有负偏压的电极14c，而电子朝内流向加有正偏压的电极16c。

当事件A发生时，产生的空穴从A到外电极14c只需飞行电极16c与14c之间距离的一半。同样地，电子从点A到内电极16c也只需飞行所述距离的一半。于是，将使电子和空穴集中，在整个飞行时间的一半内形成电流，而且上升时间为最短，可反映为图14的上升时间A。相比之下，在比较靠近内电极16c的B处发生的事件将给出快速的上升时间B₁，同时电子造成从B到内电极16c的短路径，但有非常慢的上升时间B₂，而空穴从B到外电极14c飞行较长的距离，给出复合上升时间B。相反地，在点C处发生的事件将能使空穴快速地集中，得到快速的上升时间C₁，不过随后产生较慢的上升时间C₂，而电子从事件点C到内电极16c飞行较远的距离，产生复合上升时间C。应予说明的是，非线性的上升时间和脉冲B与C之间形状的不同都是由于探测器的共轴几何结构之故。

可以采用对称的内、外电极与它们的不对准的对称轴的组合，以及非对称之内电极与对称之外电极的组合等变型，以得到所需的结构，它能给出内电极上和外电极上各点间最短的路径，使每条这样的路径长度不同。例如，图15中的探测器10d具有圆环形状，因而是对称的外电极14c和对称的内电极16d，但内电极16d的对称轴130、132的两者都不与外电极14c的任何对称轴在一条直线上。图16中的内电极16e为非对称的，而外电极14e和14ee为圆环形并且是对称的。外电极也可以是对称的梯形16ee，如虚线所示。图17中的内电极16f是对称的圆环形，而外电极14f为不规则的非对称形状。图18中的内电极16g和外电极14g二者均为非对称的。图19表示探测器10h具有对称的外电极14h和内电极16h，但按照本发明它已被一个绝缘的隔离元件150分段，该元件把二极管及外电极14h分成两部分151、153，其中的每一部分都是非对称的，并且每一部分中的内电极与外电极上各点之间最短路径的长度不同。在图20的本发明中做出类似的修改，其中内电极16i是对称的，外电极14i关于两个轴152和154为对称，以致设置两个电绝缘的分段、绝缘物或元件156和158，以便给出四个非对称的部分160、162、164和166，其中每一部分中的内电极与外电极上各点之间最短路径的长度不同。图21中的探测器10j具有圆环状的外电极14j和圆形内电极16j，它们具有互相一致的对称轴170、172，以致设置分段174，如电绝缘的隔离元件，以便将区域分成两个非对称部分176和178，从而按照本发明支持方位角和径向位置的确定。内电极16a-j可以是实心的，或中空的，或管状的。

虽然在一些附图而不是其它中表示了本发明的特定特点，但这只是为了方便，按照本发明，每个特点都可与任何其它特点或所有其它特点组合。

对于那些熟悉本领域的人员会存在多种其它组合，而且都在下述各权利要求内。

Claims (31)

1.一种非对称辐射探测系统，包括：

一个半导体二极管，该二极管具有在二极管外周缘处的外电极；和

位于该二极管内一个位置处的内电极，其中内电极和外电极上各点之间的每条最短路径的长度不同，用以产生与该二极管内发生的辐射探测事件的方位角和径向位置唯一对应的上升时间。

2.如权利要求1所述的非对称辐射探测系统，其中所述半导体二极管是锗。

3.如权利要求1所述的非对称辐射探测系统，其中所述半导体二极管是N-型或P-型锗。

4.如权利要求1所述的非对称辐射探测系统，其中所述外电极是不被分段的和连续的。

5.如权利要求1所述的非对称辐射探测系统，其中所述内电极是中空的。

6.如权利要求5所述的非对称辐射探测系统，其中所述内电极是不被分段的和连续的。

7.如权利要求5所述的非对称辐射探测系统，其中所述内电极为环形截面。

8.如权利要求1所述的非对称辐射探测系统，其中所述外电极为环形截面。

9.如权利要求1所述的非对称辐射探测系统，其中所述内、外电极的纵轴一般是平行的。

10.如权利要求9所述的非对称辐射探测系统，其中所述内、外电极是共轴的。

11.如权利要求8所述的非对称辐射探测系统，其中所述内、外电极是互相偏心的。

12.如权利要求1所述的非对称辐射探测系统，其中所述外电极是非对称的。

13.如权利要求1所述的非对称辐射探测系统，其中所述内电极是非对称的。

14.如权利要求1所述的非对称辐射探测系统，其中所述内、外电极都是对称的，并且它们的对称轴是不一致的。

15.如权利要求1所述的非对称辐射探测系统，还包括一个脉冲上升时间分析装置，响应一个脉冲的脉冲上升时间，所述上升时间用于确定产生该脉冲之辐射事件的方位角和径向位置。

16.如权利要求15所述的非对称辐射探测系统，其中所述脉冲上升时间分析装置包含用于确定脉冲上升时间响应在所述电极之间产生空穴电子流之探测事件的路径长度的部件，所述上升时间用于确定该事件在二极管中的方位角位置。

17.如权利要求15所述的非对称辐射探测系统，其中所述脉冲上升时间分析装置包含用于确定与探测事件所产生的每个空穴及电子的电荷相关的脉冲上升时间的部件，所述上升时间用于确定二极管中该事件的径向位置。

18.一种非对称辐射探测系统，包括

一个对称的半导体二极管，该二极管包含在二极管外周缘处相应对称的外电极；

置于该二极管内的对称内电极；

至少有一个分段，用以将所述二极管分成若干个非对称的部分，内电极和与所述部分相关的外电极上的各点间的每条最短路径的长度不同，用以产生与二极管内发生之辐射事件的方位角和径向位置唯一对应的脉冲上升时间。

19.如权利要求18所述的非对称辐射探测系统，其中所述半导体二极管是锗。

20.如权利要求18所述的非对称辐射探测系统，其中所述半导体二极管是N-型或P-型锗。

21.如权利要求18所述的非对称辐射探测系统，其中所述外电极是不被分段的和连续的。

22.如权利要求18所述的非对称辐射探测系统，其中所述内电极是中空的。

23.如权利要求18所述的非对称辐射探测系统，其中所述内电极是不被分段的和连续的。

24.如权利要求18所述的非对称辐射探测系统，其中所述内电极为环形截面。

25.如权利要求18所述的非对称辐射探测系统，其中所述外电极为环形截面。

26.如权利要求18所述的非对称辐射探测系统，其中所述内、外电极的纵轴一般是平行的。

27.如权利要求26所述的非对称辐射探测系统，其中所述内、外电极是共轴的。

28.如权利要求18所述的非对称辐射探测系统，其中所述内、外电极是互相偏心的。

29.如权利要求18所述的非对称辐射探测系统，还包括脉冲上升时间分析装置，响应一个脉冲的脉冲上升时间，用于确定产生该脉冲之辐射事件的方位角和径向位置。

30.如权利要求29所述的非对称辐射探测系统，其中所述脉冲上升时间分析装置包含用于确定脉冲上升时间响应在所述电极之间产生空穴电子流之探测事件的路径长度的部件，所述上升时间用于确定该事件在二极管中的方位角位置。

31.如权利要求29所述的非对称辐射探测系统，其中所述脉冲上升时间分析装置包含用于确定与探测事件所产生的每个空穴及电子的电荷相关的脉冲上升时间的部件，所述上升时间用于确定二极管中该事件的径向位置。

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