[发明专利]超快伽马射线能谱仪

说明书

技术领域

本发明涉及伽马射线的能谱探测，特别是强场激光驱动的超快伽马射线的能谱探测仪。

技术背景

激光尾场加速得到的相对论电子束与次级激光脉冲作用发生逆康普顿散射，或者与固体靶作用产生韧致辐射，可以得到超快伽马射线。目前，常用于伽马能谱测量的高纯锗探测器和闪烁探测器，由于时间分辨率的限制，无法直接得到超快伽马射线能谱。超快伽马射线的能谱一般通过间接的方式来探测。目前主要由三种方式：不同厚度滤波片的能量沉积、康普顿散射谱仪和光核活化测量。

先技术[1](参见C.D.Chen,J.A.King,M.H.Key,et al.A Bremsstrahlung spectrometer using k-edge and differential filters with image plate dosimeters[J].Review of Scientific Instruments,2008,79(10):10E305)通过记录伽马光穿透不同厚度的滤波片的能量沉积，反推出伽马光谱。这种谱仪由以下部件组成：不同材料和厚度的金属滤波片、准直仪、磁偏转仪、IP板、铅屏蔽室等。强场激光驱动产生的超快伽马射线和正负电子经过磁偏转仪后分开，伽马射线通过铅准直仪后入射到其后的金属滤波片。每一层金属片对应一个截止能量，且每个金属片后放置一片IP板，记录出射的伽马光子。对所有IP板进行扫描处理，即可得到伽马射线的能谱信息。本技术可测得MeV的伽马射线，但无法准确测得更高的能量范围，且精度受金属片数目的限制，约为100KeV。

先技术[2](参见D.J.Corvan,G.Sarri,M.Zepf.Design of a compact spectrometer for high-flux MeV gamma-ray beams[J].Review of Scientific Instruments,2014,85(6):065119)根据康普顿散射中，散射后的电子与入射光有类似的能谱分布；通过测量超快伽马射线与靶作用后散射的电子能谱来反推伽马射线的能谱。这种谱仪主要包括：磁偏转仪、准直仪、Li靶、IP板和屏蔽室。超快伽马射线入射到Li靶，出射的伽马射线和正负电子通过铅准直孔，滤掉散射角度较大的粒子；其后通过磁偏转仪将三种粒子分开，同时用IP板记录出射的正负电子信息。然后通过反演，可以得到 超快伽马光的能谱。这种方式可以测量3-20MeV的能谱，无法测量较低能量范围的伽马光，而且精度较低，为1MeV。

先技术[3](W.Schumaker,G.Sarri,M.Vargas,et al.Measurements of high-energy radiation generation from laser-wakefield accelerated electron beams[J].Physics of Plasmas,2014,21(5):056704)通过光核活化测量来得到伽马光的能谱。这种谱仪主要包括：活化靶、闪烁探测器和屏蔽室等。超快伽马光入射到活化靶上，能量较高的光子可以克服原子核里中子的结合能，从而释放出一个中子，即发生(γ，n)反应。释放出一个中子后，剩余的富质子核发生β+衰变，发射出一个正电子。这个正电子与附近的电子迅速湮灭，从而释放出两个反向的511KeV的光子，释放的光子数可以由闪烁探测器来测得。这种技术可以用来测量的能量大于10MeV的伽马光，无法测量较低能量的伽马光谱，而且精度差，大于1MeV。

发明内容

本发明的目的在于克服在先技术的不足，提出一种超快伽马射线能谱仪，实现超快伽马射线能谱的精密测量，且量程大，一体化程度高，使用灵活。

本发明的技术解决方案如下：

一种超快伽马射线能谱仪，其特点在于，包括闪烁晶体阵列、光导阵列、探测器阵列和分析器；

上述各部件的位置关系是：沿伽马射线的入射方向，依次放置的所述的闪烁晶体阵列、光导阵列和探测器阵列，该探测器阵列的输出端与所述的分析器的输入端相连。

所述的闪烁晶体阵列由多个闪烁晶体沿二维周期排布组成，光导阵列由与闪烁晶体相同多的光导沿二维周期排布组成，所述的探测器阵列由与闪烁晶体相同多的探测器沿二维空间周期排布组成。

所述的闪烁晶体阵列、所述的光导阵列和所述的探测器阵列在二维方向的行数m和列数n均相同，且m×n≥900。

所述的闪烁晶体的接收端面向伽马射线源，出射端面向所述的光导阵列，所述的出射端的面积小于或等于所述的接收端的面积。