相对永久密封真空康普顿探测器伽马灵敏度研究

　　利用γ射线与物质相互作用产生电子发射进而形成电流的康普顿探测器,具有灵敏度低、时间响应快、动态范围大、在较宽的γ射线能量范围内能量响应平坦的特点,是强流脉冲γ射线探测领域广泛采用的探测器件[1-5].

　　薄窗结构的真空康普顿探测器[5-6]灵敏体积(或称收集极)设计在真空腔室内,在γ射线的作用下,用收集极与前后窗的康普顿电子数量差产生的净电荷,来实现对γ射线的探测.为减小探测器入射窗产生的康普顿电子对探测灵敏度和时间响应性能的影响,窗材料的厚度通常在毫米量级以下,薄窗结构探测器的加工和真空封装都很困难,而且探测器性能难以长期保持稳定.本文依据材料在γ射线作用下的电子发射特性,采用一般导电材料(如Fe、Al、Ag、Ta等),研制了具有厚入射窗结构的真空康普顿探测器,克服了探测器封装加工和静态真空保持两大困难,并且可以较长时间保存和使用,达到相对永久密封的目的.

　　1　探测器结构

　　真空康普顿探测器一般由射线入射窗、电子收集极和出射窗构成,整个腔体内部抽真空,气压小于1 Pa,结构示意图见图1.

　　经过良好准直的γ射线束由入射窗入射时,在光电效应、康普顿效应和电子对效应的作用下(关注的射线平均能量在1~1·5 MeV左右,在此能量范围内以康普顿效应为主),入射窗、收集极和出射窗分别有电子发射,导致收集极发射和接收电子不平衡,通过记录收集极的净电荷,达到测量γ辐射场强度的目的.传统的入射窗厚度小于0·5 mm,探测器加工成型并进行真空高温除气后,受大气压力的影响,探测器入射窗产生凹陷,破坏了探测器的整体结构.结构的破坏不仅影响探测器辐射探测的灵敏度,而且随着时间的推移,探测器的真空度下降,当进行高强度辐射场测量时,内部空气的电离会使探测器失效,因此如何实现真空长期保持成为薄窗结构的一大难题.本文研制了具有厚入射窗结构的真空康普顿探测器,可以满足真空除气和保持的要求,研制的探测器实物见图2.

　　根据导体物质在γ射线作用下的电子发射效率及分布情况,并考虑机械加工特性和真空封装的要求,选用不锈钢材料作主筒材料,探测器圆柱形筒体选用厚度为6 mm的不锈钢.为了减小入射窗的电子发射对收集极的影响,将入射窗内衬铝厚度选为4·5 mm. 50 mm的铁收集极封闭在探测器筒体内,收集极与入射窗、出射窗的距离相等.为了减小结构尺寸同时又要使入射窗和出射窗产生并到达收集极的电子尽量少,计算了出、入射窗的出射电子的角度分布,计算出从收集极到出、入射窗的距离约为48 mm.在筒体侧壁设置真空除气通道,收集极与筒体之间使用陶瓷绝缘材料支撑,并设计了同轴信号引出结构.