高能X射线工业CT气固混合型电子倍增辐射探测器探索研究

论文摘要

工业计算机层析成像技术(Industrial Computed Tomography,简称工业CT)能直观、清晰、准确地检测被测物体断面内部的结构组成、密度变化以及缺陷的性质、位置及大小,被人们喻为最佳、最具发展前景的无损检测技术之一。高能工业CT采用电子直线加速器为X射线源,具有穿透力更强、检测精度更高、扫描速度更快等特点,满足了航空航天、国防军工以及交通运输(如高速铁路等)、钢铁冶金、地质、石油等行业的大型构件和大型装备的特殊的无损检测需求,是保障这些特殊产品的质量与安全必不可少的重要手段,因而具有巨大的社会价值和应用价值。探测器是高能工业CT系统的关键部件,对保证高能工业CT的检测效率、空间分辨率与密度分辨率等关键性能至关重要。然而,由于目前常用的闪烁体探测器存在抗辐射能力差、探测器窜扰大、环境条件要求高、制备复杂价格昂贵、电子学噪声大动态范围受限制等缺点,在很大程度上还不能完全满足高能工业CT的使用要求。气体电离室探测器具有抗辐射能力强、性能稳定可靠、成本低廉、暗电流小动态范围大等优点,但也存在探测效率低和体积大这两大致命缺陷,严重影响高能工业CT的检测效率及分辨率等关键指标。到目前为此,探测器仍是制约高能工业CT技术进一步发展的主要技术瓶颈之一,也是限制这一先进无损检测技术普及和推广的重要原因之一。由于闪烁体探测器受工作原理及材料性能等限制,其性能很难有大幅度的提高。气体电离室探测器除了探测效率低和体积大两大缺点外,具有许多闪烁探测器难已比拟的优点,有很大的发展空间和潜能。为攻克气体电离室探测效率低、体积大这两大难题,由国家自然科学基金项目和重庆市科技攻关项目资助,深入研究和探讨了高能X射线辐射探测理论、气体电子倍增(GEM)机理等相关理论,提出了高能工业CT新型气固混合型电子倍增辐射探测器方案,并搭建了实验测试平台,为新型气体电离室探测器的实际应用奠定了理论和实验基础。主要工作如下:(1)通过分析高能X射线工业CT目前发展遇到的问题和技术瓶颈,结合我国高能工业CT目前的发展状况,全面地比较、分析和总结了高能工业CT目前常用探测器的优点和不足,提出本论文总体研究思路和研究工作要点。(2)通过对电子直线加速器高能脉冲X射线辐射探测理论和气体电子倍增(GEM)机理等相关理论的深入研究和探讨,结合高能工业CT的特殊结构,创新性地提出了新型气固混合型电子倍增辐射探测器方案。通过创新性地采用薄高密度金属片作为光电转换体来提高气体电离室探测器效率,用GEM(电子倍增器)来减小气室体积的全新的气固混和型探测器结构方式,解决了传统气体电离室探测器探测效率低、体积大这两大难题,为高能X射线工业CT提供性能优良、价格低廉的探测器开拓了新的途径。(3)建立基于GEM电子倍增原理的高能工业CT气固混合型电子倍增辐射探测器物理模型,用理论分析和计算机仿真相结合的方法,对探测器方案的可行性进行了理论分析和论证。(4)根据理论计算和仿真结果,试制了探测器样品,并设计了相关的观察和测试实验。在现有高能工业CT实验研究平台的基础上,搭建了探测器实验平台,并完成了相关的实验测试。实验中用示波器直观地观测到了探测器单元输出模拟信号的波形、幅值大小,测量了探测器输出信号强度与输入的X射线强度变化,表明探测器不仅具备把X射线粒子转换为电信号的基本功能,而且其输出信号强度与X射线强度存在良好的线性关系,证明了探测器方案的可行性。通过实验,也发现了探测器存在诸多问题和不足,为进一步提高探测器性能和最终实现产品化、实用化奠定了基础。最后,总结了全文研究工作和创新之处,指出了论文的不足和近期有待进一步研究的问题。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 高能工业CT 技术概述
• 1.2.1 工业CT 技术的发展与应用
• 1.2.2 工业CT 原理及工业CT 系统结构
• 1.2.3 高能工业CT 技术的局限性及亟待解决的问题
• 1.3 高能工业CT 探测器技术
• 1.3.1 高能工业CT 探测技术特点和要求
• 1.3.2 现有的高能工业CT 探测器技术
• 1.4 课题研究意义及主要研究内容
• 1.4.1 课题研究的意义
• 1.4.2 主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 2 高能 X 射线工业 CT 辐射探测技术相关基础
• 2.1 引言
• 2.2 高能工业CT 组成及与辐射探测功能相关部件
• 2.2.1 电子直线加速器
• 2.2.2 高能工业CT 后准直器
• 2.2.3 高能工业CT 探测器阵列
• 2.3 辐射探测基本原理
• 2.3.1 X 射线与物质的相互作用
• 2.3.2 X 射线的衰减和吸收
• 2.4 常规工业CT 辐射探测器主要性能特点
• 2.5 高能X 射线工业CT 辐射探测器的特殊性能要求
• 2.6 高能X 射线工业CT 闪烁体探测器
• 2.6.1 闪烁体探测器工作原理
• 2.6.2 闪烁体探测器结构
• 2.6.3 闪烁体探测器性能
• 2.6.4 闪烁体探测器的局限性和不足
• 2.7 气体电离室探测器
• 2.7.1 气体电离室探测器工作机制
• 2.7.2 气体电离室探测器性能特点
• 2.8 闪烁体探测器与气体电离室探测器性能比较
• 2.9 本章小结
• 3 新型气固混合型电子倍增辐射探测器建模及理论分析
• 3.1 引言
• 3.2 提高气体电离室探测效率的常规方法及应用
• 3.3 减小气体电离室体积方法和途径的探讨
• 3.4 气固混合型电子倍增辐射探测器物理建模及探测原理
• 3.4.1 气体电子倍增器（GEM）
• 3.4.2 气固混合型电子倍增辐射探测器物理模型
• 3.4.3 气固混合型电子倍增辐射探测器探测原理
• 3.5 气固混合型电子倍增辐射探测器工作过程的理论分析
• 3.5.1 X 射线粒子转换为光电子及光电子“逃逸”过程
• 3.5.2 光电子在气体室的电离和漂移过程
• 3.5.3 电子在GEM 微孔中的“雪崩”倍增过程
• 3.6 气固混合型电子倍增辐射探测器电信号输出
• 3.6.1 输出电流信号的计算方法
• 3.6.2 输出电压信号的计算方法
• 3.6.3 输出信号的统计涨落
• 3.7 本章小结
• 4 影响气固混合型电子倍增辐射探测器探测效率和体积的关键物理参数分析与计算机仿真
• 4.1 引言
• 4.2 相关理论分析方法及计算机仿真软件
• 4.2.1 蒙特卡罗方法及EGSnrc 模拟程序
• 4.2.2 有限元方法及Comsol Multiphysics 模拟仿真程序
• 4.3 影响气固混合型电子倍增辐射探测器探测效率关键物理参数
• 4.3.1 探测器的X 射线粒子总转换效率
• 4.3.2 探测器的X 射线粒子有效转换效率
• 4.3.3 计算机仿真
• 4.4 影响气固混合型电子倍增辐射探测器体积的物理参数
• 4.4.1 GEM 主要性能参数
• 4.4.2 极间距参数对GEM 电子增殖倍数的影响
• 4.4.3 极间距参数对GEM 漂移区间电子漂移运动及气体电离的影响
• 4.4.4 计算仿真
• 4.4.5 模拟结果及分析
• 4.5 本章小结
• 5 高能 X 射线工业 CT 气固混合型电子倍增辐射探测器设计研制及实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 探测器设计研制
• 5.2.1 探测器结构设计
• 5.2.2 探测器制作工艺要求
• 5.3 探测器实验验证
• 5.3.1 实验平台
• 5.3.2 探测器可行性验证实验
• 5.3.3 探测器输出信号与入射X 射线强度关系的测量实验
• 5.3.4 探测器稳定性实验
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 进一步的工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A 作者在攻读学位期间发表的论文和著作目录
• B 作者在攻读学位期间申请的发明专利