一種基于光學成像的單粒子能量測量裝置及方法

一種基于光學成像的單粒子能量測量裝置及方法
【專利摘要】本發明涉及核技術應用領域，尤其涉及一種基于光學成像的單粒子能量測量裝置及方法。本發明提出一種基于光學成像的單粒子能量測量裝置及方法，利用單絲氣體閃爍正比結構中的強電場將單粒子在氣體閃爍體中產生的熒光倍增，再通過高靈敏高量子效率的成像裝置對倍增強度的徑跡熒光成像，就能得到單粒子的徑跡發光圖像，從圖像提取徑跡特征信息，進而實現單粒子能量的測量。
【專利說明】
一種基于光學成像的單粒子能量測量裝置及方法
技術領域
[0001]本發明涉及核技術應用領域，尤其涉及一種基于光學成像的單粒子能量測量裝置 及方法。
【背景技術】
[0002 ] 帶電粒子包括重帶電粒子(α粒子、質子P及其他重帶電粒子)和輕帶電粒子(β粒子 等），在此我們主要針對單個重帶電粒子，簡稱單粒子。
[0003] 文獻1"用于脈沖中子能譜測量的質子束光學成像方法研究[D].北京:清華大學工 程物理系，2013"公開了一種粒子束能譜的光學成像測量裝置和方法。利用粒子束在氣體閃 爍體中沿入射方向的徑跡位置上激發氣體發出熒光，熒光的位置指示粒子束的徑跡點，熒 光的強度分布表征粒子束能量沉積的空間分布特征，用成像裝置將徑跡熒光記錄得到徑跡 圖像。論文中公開的實驗系統裝置已成功獲得質子束的徑跡發光圖像，但要求入射的質子 束強度至1〇 5,而對于單粒子，在氣體閃爍體中產生的熒光極其微弱，成像裝置的靈敏度和 量子效率都有限，直接成像很困難，因此很難利用現有裝置系統通過光學成像方法來測量 單粒子的能量。

【發明內容】

[0004] 本發明所要解決的技術問題是提供一種基于光學成像的單粒子能量測量裝置及 方法，用以解決現有技術通過光學方法不能測量單粒子能量的缺陷。
[0005] 為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是：
[0006] 提供一種基于光學成像的單粒子能量測量裝置，其特殊之處在于:包括單絲氣體 閃爍正比結構、氣體密封腔室及成像裝置三部分；
[0007] 所述單絲氣體閃爍正比結構包括一根陽極絲、若干根陰極絲、兩塊絕緣板和高壓 模塊;所述陽極絲處于單絲氣體閃爍正比結構中心，兩端分別與兩塊絕緣板的中心連接，所 述若干陰極絲與陽極絲平行等距離均勻分布，呈圓柱形包絡，陰極絲兩端分別與兩塊絕緣 板連接，所述兩塊絕緣板的相對位置分別設置一個粒子入射小孔；
[0008] 所述氣體密封腔室包括腔體以及布置在所述腔體上的真空抽試閥門、充氣閥門和 光學窗口；所述單絲氣體閃爍正比結構位于腔體內部，高壓模塊位于腔體外部并與腔體內 的陽極絲連接，所述腔體上設置有一個與所述其中之一粒子入射小孔正對的粒子入射窗 口，所述腔體內部充滿工作氣體;所述陰極絲和腔體接地。
[0009] 所述成像裝置的鏡頭與腔體上的光學窗口正對。
[0010] 所述兩塊絕緣板相對應的四個角之間設置有支撐柱，所述陽極絲、陰極絲及支撐 柱之間相互平行。
[0011] 所述陽極絲直徑小于50μπι，陰極絲直徑小于1mm，所述陽極絲與陰極絲都為導電材 料。
[0012]所述絕緣板的材料是陶瓷或聚四氟乙烯。
[0013] 所述粒子入射小孔位于絕緣板中心正下方5mm處。
[0014]所述粒子入射窗口采用鈦膜密封。
[0015] 所述光學窗口為圓柱形石英玻璃，透光率大于90%。
[0016] 所述工作氣體主要包括稀有氣體和四氟化碳氣體。
[0017] 本發明還提供一種基于上述裝置的單粒子能量測量方法，其特殊之處在于:包括 以下步驟：
[0018] (1)將單絲氣體閃爍正比結構置于氣體密封腔室中，貼緊光學窗口，同時保證陽極 絲平行于光學窗口的平面，絕緣板端面平行于粒子入射窗口，粒子入射小孔與粒子入射窗 口的中心處于同一軸線上;腔體密封后抽真空、充入工作氣體;高壓模塊給陽極絲提供穩定 高壓，陰極絲與腔體接地，這樣陽極絲和陰極絲之間就會產生均勻分布的電場，在陽極絲附 近區域電場最強;待測單粒子平行于陽極絲從粒子入射小孔入射到電場中的氣體中，在陽 極絲附近強電場區域發生雪崩，使單粒子徑跡熒光強度倍增；
[0019] (2)對成像裝置調好焦距、景深和位置，對步驟(1)倍增的徑跡熒光進行成像，得到 單粒子的徑跡發光圖像；
[0020] (3)對步驟(2)得到的單粒子徑跡圖像進行處理，并提取徑跡特征信息：先對圖像 降噪、濾波，然后對徑跡徑向積分得到徑跡熒光強度沿粒子入射方向的分布，即Bragg曲線， 從中可以直觀地讀出Bragg峰位X P;通過對圖像灰度和梯度的分析或者對徑跡圖像的直接 讀取，獲得單粒子徑跡的末端位置Xr ;
[0021] (4)由步驟(3)得到的單粒子徑跡特征信息獲得單粒子的能量。
[0022] 所述步驟(4)包括以下步驟：
[0023] 4.1)建立單粒子能量與其徑跡特征信息的具體對應曲線ΧΡ(Ε)或Xr(E);
[0024] 徑跡焚光強度沿粒子入射方向的分布表征粒子沿入射方向的能量沉積分布；
[0025] 粒子沿入射方向的能量沉積分布為：
[0029] ε〇為真空中介電常數；
[0030] mo為電子的靜止質量，e為電子電荷量；
[0031] v為入射粒子速度，z為入射粒子電荷數；
[0032] Z為靶物質原子的序數，I為靶物質平均等效電離電位，N為靶物質單位體積的原子 數；
[0033]故入射粒子的初始能量為：
[0035]式中：R為入射粒子的射程，可以從所述步驟(3)得到的單粒子徑跡末端位置XR與 粒子初始位置X〇的差值直接獲得，即R=Xr_X〇 ;
[0036]實驗條件保持一致時，即公式（1)中除了v，其他變量都一定時，因粒子能量E = l/ 2mv2，其中m為粒子質量，粒子沿入射方向的能量沉積分布只隨其能量E變化，故徑跡特征信 息，包括Bragg峰位XP和徑跡末端位置Xr都與待測單粒子的能量E呈--對應關系；
[0037]利用一系列已知能量的單粒子，通過所述步驟（1)至(3)對所述基于光學成像的單 粒子能量測量裝置進行標定，建立單粒子能量E與其徑跡特征信息中Bragg峰位XjP徑跡末 端位置Xr的具體對應關系，得到以能量E為橫坐標，Bragg峰位知或徑跡末端位置X R為縱坐標 的標準曲線Xp(E)或Xr(E);
[0038] 4.2)從曲線Xp (E)或XR (E)直接獲得待測單粒子的能量；
[0039]由所述步驟（3)得到待測單粒子徑跡的Bragg峰位XP和末端位置Xr，帶入從步驟 4.2)得到的曲線Xp (E)或Xr (E)的縱坐標，直接從曲線中讀出對應橫坐標，即直接獲得待測單 粒子對應的能量E。
[0040]本發明的有益效果是：
[0041] (1)本發明利用單絲氣體閃爍正比結構將單粒子熒光強度倍增，解決了單粒子徑 跡熒光微弱的不足。
[0042] (2)本發明裝置對單粒子熒光強度的放大倍數Μ可通過陽極絲和陰極絲之間的距 離b來調節。由于在本發明裝置中，真空抽試閥門7、充氣閥門8及光學窗口 9都可以加工在氣 體密封腔室的腔體10上，腔室內部單絲閃爍正比結構中陽極絲1和陰極絲2之間的距離b可 以做到小于lcm。距離b越小，陽極絲1附近電場越強，熒光雪崩放大倍數Μ就越大。此外，距離 b越小，陽極絲1離光學窗口7和成像裝置的距離越近，成像鏡頭12收集到的光子數越多。這 兩方面的原因都會使得到的單粒子徑跡圖像隨著b的減小而更加清晰。
[0044] (3)本發明測量單粒子能量的光學成像方法很直觀、很簡便，且方法靈活，能實時 給出測量結果。單粒子徑跡圖像反映其能量沉積分布，與粒子能量呈一一對應關系，根據單 粒子徑跡發光強度沿入射方向的分布曲線(Bragg曲線)峰位或單粒子徑跡的末端位置等徑 跡特征信息都可以獲得入射單粒子的能量。
[0045] (4)本發明能夠測量多種帶電粒子的能量，且可測量的能量范圍較大，具體根據發 明裝置的大小及工作氣體的種類和壓強等來選擇。
[0046] (5)本發明可以進行粒子種類的辨別。相同能量的不同粒子在同樣的介質中能量 沉積分布會不同，進而徑跡發光圖像會有差別，根據該特征進行粒子種類的辨別。
【附圖說明】
[0047] 圖1是一種基于光學成像的單粒子能量測量裝置和方法示意圖。
[0048]圖2是一種單絲氣體閃爍正比結構兩端絕緣板的側視圖。
[0049] 圖中，1-陽極絲，2-陰極絲，3-絕緣板，4-支撐柱，5-粒子入射小孔，6-粒子入射窗 口，7-真空抽試閥門，8-充氣閥門，9-光學窗口，10-腔體，11-工作氣體，12-鏡頭，13-相機， 14-高壓模塊，15-粒子準直器，16-入射單粒子。
[0050] 圖3是基于本發明獲取得到的單個5.485MeVa粒子的徑跡發光圖像。
[0051]圖4是對應于圖3單粒子徑跡圖像經過降噪濾波處理后的Bragg曲線。
【具體實施方式】
[0052]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作詳細說明。
[0053] 一種基于光學成像的單粒子能量測量裝置，參照圖1，包括單絲氣體閃爍正比結 構、氣體密封腔室及成像裝置三部分。其中單絲氣體閃爍正比結構包括陽極絲1、陰極絲2、 絕緣板3、支撐柱4、粒子入射小孔5、工作氣體11及高壓模塊14;氣體密封腔室包括腔體10、 粒子入射窗口 6、真空抽試閥門7、充氣閥門8及光學窗口 9;成像裝置包括鏡頭12及相機13。 [0054] 單絲氣體閃爍正比結構在實際應用中相對比較靈活，參照圖1和圖2,兩端絕緣板3 最好用耐高壓且放氣少的陶瓷材料，可以做成長寬相等的長方體，厚度lcm左右，支撐體4固 定在絕緣板3周邊，支撐整個結構，整體輪廓呈長方體結構；陽極絲1、陰極絲2及支撐住4之 間相互平行，陽極絲1和陰極絲2兩頭都分別穿過兩端的絕緣體3焊接固定，并處于拉直狀 態，陽極絲1兩頭分別固定在兩端絕緣板3的中心位置，陰極絲2可選用6根、12根或18根，也 可以更多，都與陽極絲1距離相等，陰極絲2之間距離也相等，陰極絲2和陽極絲1的包絡呈圓 柱形;絕緣板3還開有一個粒子入射小孔5,位于一個陰極絲焊點和陽極絲焊點之間，并靠近 陽極絲焊點，直徑在比較合適，用于粒子入射到電場中；陽極絲1可以選用直徑為20 μπι的鍍金鎢絲，陰極絲2可以選用直徑為0.5mm的銅絲，絕緣板3必須為耐高壓的絕緣體(最 好用耐高壓且放氣少的陶瓷材料，也可以選常用的聚四氟乙烯），支撐柱4為硬度較大的材 料，可選用直徑為5_的銅棒或鋁棒;工作氣體11為一種或多種混合的閃爍性氣體，包括稀 有氣體、四氟化碳氣體或其他閃爍性氣體，常用純四氟化碳氣體或四氟化碳氣體與稀有氣 體的混合氣體;在這種尺寸下，高壓模塊14給陽極絲1提供2500V-5000V高壓，在陽極絲1和 陰極絲2之間的圓柱形區域產生電場，電場方向沿徑向，在靠近陽極絲區域迅速增強。
[0055] 氣體密封腔室形狀也較靈活，但長方體最合適，參照圖1，腔體10為不銹鋼材料;粒 子入射窗口 6采用鈦膜密封，鈦膜厚度根據粒子穿透能力和氣體壓強來選定，若測量低能粒 子，選用百納米到十微米，若測量高能粒子，厚度可以為幾個微米;光學窗口 9為圓柱形石英 玻璃，厚度lcm左右。
[0056] 成像裝置置于光學窗口 9外側，鏡頭12為透鏡組，相機13最好采用高靈敏高量子效 率的I(XD。
[0057] 基于本發明的單粒子能量測量裝置，其測量方法包括以下步驟：
[0058] (1)將單絲氣體閃爍正比結構置于氣體密封腔室中，貼緊光學窗口9,同時保證陽 極絲1平行于光學窗口 9的平面，絕緣板3端面平行于粒子入射窗口 6。
[0059] (2)待測粒子可以從腔體10外側經過準直器穿過粒子入射窗口 6入射到單絲氣體 閃爍正比結構中，此時需要保證粒子入射小孔5、粒子入射窗口 6以及準直器的中心都處在 同一條軸線上，便于粒子入射到陽極絲和陰極絲之間的電場區域;待測粒子也可以直接置 于陽極絲1和陰極絲2之間的電場區域，通過絕緣材料固定和準直后平行于陽極絲出射到工 作氣體11中。
[0060] (3)待測粒子的入射方式和位置固定好后，密封腔體10,抽真空、充入工作氣體11; 高壓模塊14給陽極絲1提供高壓，陰極絲2與腔體10接地，這樣陽極絲1和陰極絲2之間就會 產生均勻分布的電場，在陽極絲1附近區域電場最強，通過調節電壓大小保證陽極絲1附近 區域的電場強度達到熒光倍增的閾值l〇6V/m;待測單粒子平行于陽極絲1入射到陽極絲1和 陰極絲2之間的氣體中，在陽極絲附近強電場區域發生雪崩，使徑跡熒光強度倍增。
[0061] (4)將成像裝置調好焦距、景深和位置，對步驟(3)倍增的徑跡熒光進行成像，得到 單粒子的徑跡發光圖像。參照圖3,基于本發明獲取得到的單個5.485MeVa粒子的徑跡發光 圖像。
[0062] (5)對步驟(4)得到的圖像進行處理，并提取單粒子的徑跡特征信息，先對圖像降 噪、濾波，然后對徑跡徑向積分得到徑跡熒光強度沿粒子入射方向的分布，即Bragg曲線，參 照圖4，對應于圖3單粒子徑跡的Bragg曲線，從圖中可以直觀地讀出Bragg峰位X P;通過對圖 像灰度和梯度的分析或者對徑跡圖像的直接讀取，獲得單粒子徑跡的末端位置Xr。
[0063] (6)由步驟(5)得到的單粒子徑跡特征信息獲得單粒子的能量。
[0064] 6.1)建立單粒子能量與其徑跡特征信息的具體對應曲線ΧΡ(Ε)或Xr(E);
[0065] 徑跡焚光強度沿粒子入射方向的分布表征粒子沿入射方向的能量沉積分布；
[0066] 粒子沿入射方向的能量沉積分布為：
[0070] ε〇為真空中介電常數；
[0071] mo為電子的靜止質量，e為電子電荷量；
[0072] v為入射粒子速度，z為入射粒子電荷數；
[0073] Z為靶物質原子的序數，I為靶物質平均等效電離電位，N為靶物質單位體積的原子 數；
[0074]故入射粒子的初始能量為：
[0076]式中：R為入射粒子的射程，可以從所述步驟(5)得到的單粒子徑跡末端位置XR與 粒子初始位置X〇的差值直接獲得，即R=Xr_X〇 ;
[0077]實驗條件保持一致時，即公式（1)中除了V，其他變量都一定時，因粒子能量E = l/ 2mv2，其中m為粒子質量，粒子沿入射方向的能量沉積分布只隨其能量E變化，故徑跡特征信 息，包括Bragg峰位XP和徑跡末端位置Xr都與待測單粒子的能量E呈--對應關系；
[0078]利用一系列已知能量的單粒子，通過所述步驟（1)至(5)對所述基于光學成像的單 粒子能量測量裝置進行標定，建立單粒子能量E與其徑跡特征信息中Bragg峰位XjP徑跡末 端位置Xr的具體對應關系，得到以能量E為橫坐標，Bragg峰位知或徑跡末端位置Xr為縱坐標 的標準曲線Xp(E)或Xr(E);
[0079] 6.2)從曲線Xp (E)或Xr (E)直接獲得待測單粒子的能量；
[0080]由所述步驟（5)得到待測單粒子徑跡的Bragg峰位Xp和末端位置Xr，帶入從步驟 6.2)得到的曲線Xp (E)或Xr (E)的縱坐標，直接從曲線中讀出對應橫坐標，即直接獲得待測單 粒子對應的能量E。
【主權項】
1. 一種基于光學成像的單粒子能量測量裝置，其特征在于:包括單絲氣體閃爍正比結 構、氣體密封腔室及成像裝置三部分； 所述單絲氣體閃爍正比結構包括一根陽極絲、若干根陰極絲、兩塊絕緣板和高壓模塊； 所述陽極絲處于單絲氣體閃爍正比結構中心，兩端分別與兩塊絕緣板的中心連接，所述若 干陰極絲與陽極絲平行等距離均勻分布，呈圓柱形包絡，陰極絲兩端分別與兩塊絕緣板連 接，所述兩塊絕緣板的相對位置分別設置一個粒子入射小孔； 所述氣體密封腔室包括腔體以及布置在所述腔體上的真空抽試閥門、充氣閥門和光學 窗口；所述單絲氣體閃爍正比結構位于腔體內部，高壓模塊位于腔體外部并與腔體內的陽 極絲連接，所述腔體上設置有一個與所述其中之一粒子入射小孔正對的粒子入射窗口，所 述腔體內部充滿工作氣體;所述陰極絲和腔體接地； 所述成像裝置的鏡頭與腔體上的光學窗口正對。2. 根據權利要求1所述的一種基于光學成像的單粒子能量測量裝置，其特征在于:所述 兩塊絕緣板相對應的四個角之間設置有支撐柱，所述陽極絲、陰極絲及支撐柱之間相互平 行。3. 根據權利要求1所述的一種基于光學成像的單粒子能量測量裝置，其特征在于:所述 陽極絲直徑小于50μπι，陰極絲直徑小于1mm，所述陽極絲與陰極絲都為導電材料。4. 根據權利要求1所述的一種基于光學成像的單粒子能量測量裝置，其特征在于:所述 絕緣板的材料是陶瓷或聚四氟乙烯。5. 根據權利要求1所述的一種基于光學成像的單粒子能量測量裝置，其特征在于:所述 粒子入射小孔位于絕緣板中心正下方5mm處。6. 根據權利要求1所述的一種基于光學成像的單粒子能量測量裝置，其特征在于:所述 粒子入射窗口采用鈦膜密封。7. 根據權利要求1所述的一種基于光學成像的單粒子能量測量裝置，其特征在于:所述 光學窗口為圓柱形石英玻璃，透光率大于90%。8. 根據權利要求1所述的一種基于光學成像的單粒子能量測量裝置，其特征在于:所述 工作氣體主要包括稀有氣體和四氟化碳氣體。9. 基于權利要求1所述裝置的單粒子能量測量方法，其特征在于:包括以下步驟： (1) 將單絲氣體閃爍正比結構置于氣體密封腔室中，貼緊光學窗口，同時保證陽極絲平 行于光學窗口的平面，絕緣板端面平行于粒子入射窗口，粒子入射小孔與粒子入射窗口的 中心處于同一軸線上;腔體密封后抽真空、充入工作氣體;高壓模塊給陽極絲提供穩定高 壓，陰極絲與腔體接地，這樣陽極絲和陰極絲之間就會產生均勻分布的電場，在陽極絲附近 區域電場最強;待測單粒子平行于陽極絲從粒子入射小孔入射到電場中的氣體中，在陽極 絲附近強電場區域發生雪崩，使單粒子徑跡熒光強度倍增； (2) 對成像裝置調好焦距、景深和位置，對步驟（1)倍增的徑跡熒光進行成像，得到單粒 子的徑跡發光圖像； (3) 對步驟(2)得到的單粒子徑跡圖像進行處理，并提取徑跡特征信息:先對圖像降噪、 濾波，然后對徑跡徑向積分得到徑跡熒光強度沿粒子入射方向的分布，即Bragg曲線，從中 可以直觀地讀出Bragg峰位X P;通過對圖像灰度和梯度的分析或者對徑跡圖像的直接讀取， 獲得單粒子徑跡的初始位置X〇和末端位置Xr; (4)由步驟(3)得到的單粒子徑跡特征信息獲得單粒子的能量。10.根據權利要求9所述單粒子能量測量方法，其特征在于：所述步驟(4)包括以下步 驟： 4.1) 建立單粒子能量與其徑跡特征信息的具體對應曲線XKE)或Xr(E); 4.2) 從曲線Xp (E)或Xr( E)直接獲得待測單粒子的能量。
【文檔編號】G01T1/205GK106094004SQ201610624040
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月2日 公開號201610624040.2, CN 106094004 A, CN 106094004A, CN 201610624040, CN-A-106094004, CN106094004 A, CN106094004A, CN201610624040, CN201610624040.2
【發明人】胡靜, 歐陽曉平, 劉金良, 阮金陸, 張忠兵, 陳亮, 姚志明
【申請人】西北核技術研究所