[发明专利]一种基于切仑科夫辐射探测的飞行时间探测器及制作方法

说明书

本发明公开了一种基于切仑科夫辐射探测的飞行时间探测器及制作方法。本发明的探测器包括切仑科夫辐射体，切仑科夫辐射体的出光面镀有光阴极，光阴极后设有阳极阵列型光电转换器；切仑科夫辐射体为二维阵列结构，其中相邻两阵列单元的相对侧面上分别设置低折射率透明光学材料层、在低反射透明光学材料层之间填充高反射材料，二维阵列结构一端为入光面、另一端为出光面；切仑科夫辐射体用于与入射的射线相互作用产生切仑科夫光子并将其束缚在对应的阵列单元中传输至光阴极；光阴极用于将输入的切伦科夫光转换成光电子并输入到阳极阵列型光电转换器；阳极阵列型光电转换器用于输入的光电子放大后输出。本发明提升了探测到的光子数及位置分辨能力。

技术领域

本发明属于核辐射探测及核技术应用领域，特别是涉及一种基于切仑科夫辐射体的阵列型飞行时间探测器及其制作方法。

背景技术

在核辐射探测领域，探测器作为探测粒子的第一步是后续所有核技术、核分析应用的基础，使用不同的粒子探测材料和不同的探测器种类相结合可以应用于不同场景。常用的一种探测器类型便是闪烁体结合硅光电倍增管(SiPM)或者光电倍增管(PMT)去探测射线。一个重要应用便是用于飞行时间(TOF)的测量，飞行时间技术利用一对湮没光子在闪烁体内产生的闪烁光信号做时间甄别，精确测量两个湮没光子到达探测器的时间差，其在核辐射探测及核技术应用领域有着重要作用，比如飞行时间技术的加入，对于核医学领域中正电子发射断层扫描成像(PET)有显著帮助，可以显著提高PET图像的信噪比，为临床应用带来重要改进。然而由于闪烁体自身发光机制和SiPM以及PMT自身单光子时间分辨能力的限制，决定了这种探测器方案的时间分辨已接近极限，难以得到大幅度的提高。

在瞬时光子探测方面，当湮没光子在闪烁体内沉积时，会产生若干高能电子并在短时间内以超光速运动，从而产生切伦科夫光，且切伦科夫光的产生时刻与湮没光子的沉积时刻几乎同步。利用这种瞬时特性，通过提高切伦科夫光子输出产额，有可能大大提高探测器的时间分辨能力。在光电探测器件的单光子时间分辨(SPTR)方面，目前文献记录的各类SiPM器件的SPTR均保持在100ps左右水平，且受硅电离率等的影响，SiPM器件的SPTR性能很难有较大幅度的提升。

微通道板光电倍增管(MCP-PMT)是一种新型的光电探测器件，它是以微通道板(MCP)取代传统的打拿极结构实现电子倍增的一种PMT器件。一般来说亚毫米厚的MCP即可以实现10⁴左右的电子倍增，通过两片MCP叠加可以实现10⁷水平的电子倍增，可用于各类弱光探测领域。应用于快时间分辨领域的PMT通常为近贴聚焦式MCP-PMT，由光窗、光阴极、微通道板以及阳极四部分组成。其中光窗材质通常为石英或铅玻璃作透射光窗。光子透过光窗打在光阴极上实现光电转换，光电子由光阴极飞行至微通道板的时间极短，光电子在MCP通道内实现倍增放大，MCP具有响应快速的天然优势，因此该类型的MCP具有超快的响应时间，通过改变MCP的孔径大小、通道长度、镀膜方式可以优化其时间分辨能力。

与传统的打拿极型光电倍增管相比，由于MCP-PMT所采用的MCP厚度薄、时间响应快、电子在真空中的运动距离大大缩短，使其具有良好的单光子时间分辨能力。这种极佳的位置分辨、时间分辨、抗磁场等性能，使得MCP-PMT有望应用于核辐射探测及核技术应用领域中探测器系统。

光电转换器件中光阴极上光电子数目影响关系为：

n∝LTE*W_ab*QE*N

其中，LTE为与光子从光密介质传输到光疏介质中引起的全反射有关的系数，受介质折射率影响，W_ab为与光电器件光窗对光子吸收有关的系数，QE为到达光阴极光子转换为光电子的量子效率，N为在辐射体内产生的光子数。

以硅酸钇镥闪烁晶体(LYSO)为例(闪烁光产额约为30000光子/MeV)在511keV伽马射线照射下估算在传统的探测器结构下到达光电器件并经过光电转换得到的光电子数n_s：