採用非晶材料的輻射探測器的製作方法

2023-06-06 13:47:11

專利名稱：採用非晶材料的輻射探測器的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及輻射探測器。特別是，本發明涉及將非晶材料用於輻射探 測器的陽極絲。
背景技術：
輻射探測器例如正比輻射計數器和/或中子探測器常常用於石油、天然氣和 礦物勘探(例如井下應用)，以及核反應堆和工業測量、科學研究(例如中子散 射研究)、和國防應用以檢測方婦寸性物質或者"髒彈"。一種輻射探測器為正比計數器，這種類型的探測器常常用於中子探測。常 規的正比計數器包括基本上圓筒狀的陰極管，和延伸通過陰極管的陽極絲。陽極絲通常非常細(例如直徑為5—25微米，或者更大)，並且具有大電阻。陰極 管兩端密封，可充滿氣體例如氦-3 (3He)或者BF3氣體。陽極絲與陰極絕緣， 並皿常保持為正電壓而陰極接地(或者為負電壓)。使用時，入射輻射例如中子與陰極內的氣體相互反應並產生帶電粒子，該 帶電粒子電離氣體原子和產生電子。電子被吸引和撞擊正壓陽l及絲並產生可探 測的電流脈衝。該現象也可被稱為入射輻射。電流脈衝的幅值與電離中所釋放 的能量(即和可電離氣體反應的中子)成正比。某些應用中，正比計數器可被用作位置敏感探測器，其中從陽極絲相對端 部上電流脈衝的上升時間差或者從到達端部的電荷相對量(例如電荷分配方法) 確定到達電離電子的位置。通過增加陽極絲的電阻提高位置敏感探測器的空間 解析度，其中所述增加電阻可慢化電流脈衝、增加控制電子器j頓測電流脈衝 的時間。因此，雌高電阻陽極絲以5爐位置敏感探測器的空間解析度。常常在惡劣環境4頓輻射探測器、正比輻射計數器和中子探測器。該探測 器可暴露於樹氏和極高的溫度、低頻或者高頻振動以及腐蝕性環境。設計出非 常細的陽極絲以經受這樣的環境可以說是一個挑戰。陽極絲i^應具有高電阻 (對良好的空間^f,率而言)、平滑的表面拋光和均勻厚度(對其長度上的均勻或者氣體膨脹)、耐腐蝕性(對惡劣環境而言)、以及高拉 伸強度(以消除由於不需要的振動而弓胞的有害作用)。在組裝輻射探測器時陽極絲受到張力作用，而所述絲必須承受製造過程以 及i頓時的熱和機lte力。晶體金屬合金已被用作陽極絲，並具有低拉伸糹破, 一旦超過其拉伸強度則發生塑性變形。陽極絲故障和/或塑性變形弓胞的其尺寸 變化使得輻射探測器的操作退化。另外，當在某些應用中{頓輻射探測器時， 期望輻射探測器對低頻振動不敏感。通常，通過使陽極絲受到高機械張力實現 這一點。不利地是，晶體金屬合金可能塑性變形和/或斷裂，並且故障率高、使 用壽命短。因此，本領域需要一種具有高電阻、平滑表面拋光、良好耐腐蝕性 以及高拉伸強度的陽極絲。發明內容本發明的一方面提供了一種具有陰極和陽極的輻射探測器。所述陽極由非 晶金屬合金構成。本發明的另一方面提供了一種具有陰極組件的輻射探測器。該陰極組件包 含主體部分、第一端部和第二端部。第一端部正對第二端部。陰極組件圈定體 積，而輻射相互作用材料包含在該體積中。陽極在陰極組件內從第一端部延伸 至第二端部。陽極由非晶金屬合金構成。


圖1是充氣輻射探測器的簡單示意圖。圖2是根據本發明一個實船案的輻射探測器的結構圖。
具體實施方式
輻射探測器可包括多種不同類型的探測器。正比計數器是可用於中子探測 的輻射探測器的一個實例。輻射探測驗在許多種，例如密封管計數器、無窗 流動計數器、盤式探測器、單線探測器、多線探測器、氣體電子倍增織測器、 平行板雪崩計數器、位置敏感正比計數器、和氣體正比閃爍計數器等等。輻射 探測器的橫截面常常基本上為圓筒狀，但是其橫截面還可以是橢圓形、近似橢 圓形和矩形。輻射探測器可用於檢測許多種輻射，包括但不限於帶電粒子輻射(例如快電子、P粒子、重帶電粒子、a粒子或者質子)和/或不帶電粒子(例 如電磁輻射或者中子)。在下文中，術語輻射探測器將被理解為包括所有可用於 檢測輻射的設備，包括中子探測器。圖1是如本發明一方面所體現的、具有非晶金屬陽極絲120和陰極140的 充氣正比輻射探測器100的簡單示圖。可M去除玻璃塗層從塗覆玻璃的微絲 獲得非晶金屬陽極絲120。 一般地，陽極絲120被維持在正壓，陰極140被維持 在負壓或者接地。陽極絲120的正壓將電子吸引至陽極140，從而可探測入射輻 射。對於圖l所示出的電路，在負載電阻RL上形成輸出脈衝。可採用合適的電 路(圖l中未示出)探測輸出脈衝以確定何時發狄射輻射。圖2為如本發明一方面所體現的位置敏繊射探測器200的結構圖。陰極 215中包括示意性示出為電阻的陽極絲210。陽極絲210保持為正電壓HV，而 陰極215保持接地。陰極兩端密封，並且可被充滿氣體例如氦-3 (&e)或者BF3 氣體。4頓時，入射輻射例如中子與陰極215內的氣體相互作用並產生使氣體 原子電離和生成電子的帶電粒子。電子被吸引和撞擊正陽極絲210並生成可被 探測的電流脈衝。該實例中的氣體(即力e或者BF3)是輻射相互作用材料，但是也可採用其 它氣體。其它可用作輻射相互作用材料的合適氣體可包括但不限於稀有氣體、 氬、甲烷、氪、氤、乙烯、氫、氦、氧、二氧化碳和氮的一種或者其組合。一 些實例中，可能期望使用阻止或者驟冷氣。作為一個實例，多原子氣體例如甲 烷可用於驟冷氣。驟冷氣用於防止寄生雪崩(parasitic avaJanche)遠離輻射俘獲 位置。當用於位置敏感探測器時，這一點可變得重要。固體材料也可被用作輻 射相互作用材料。例如，不是採用可電離氣體或者除了採用可電離氣體以外， 可將硼固條層施加至陰極內壁。硼塗層採集入射輻射(例如中子)並生成使氣體組分電離的衝擊粒子。本發明所體現的檢測器200可採用電荷分配方法確定入射輻射沿著陽極絲 210的位置。放大器220和221放大陽極絲上的信號。放大器220輸出和到達陽 極絲210左端(如圖2所示出)的電荷量成正比的信號qa。放大器221輸出與 到達陽極絲210右端(如圖2所示出)的電荷量成正比的信號qb。兩個放大器 220和221的輸出在框230相加，相加的結果作為輸出脈衝Qr，即(Or =Qa + Qb)。 Qr的幅值與入射輻射的總電荷成正比。在框240， M:將從陽極絲的一端的電荷部分，在這種情況下為Qa，除以總電荷(QA + Qb)，從而產生位置信 號。或者，電荷Qe可除以總電荷(Qa+ Qb)。結果245為表示入射輻射沿陽 極絲210相對位置的輸出脈衝。確定入射輻射沿陽極絲210位置的替代方法可利用在陽極絲210任意一端 脈衝的相對上升時間之間的時間差。例如，前置放大器可置於陽極絲210的任 意一端。可從兩個前置放大器所產生的脈衝之間的上升時間差獲得入射輻射沿 著陽極絲210的位置信號。本發明也可考慮獲得位置信號的其它方法。這裡描述了幾種類型的輻射探測器，但是將理解本發明可以使用任何合適 類型的輻射探測器。如本發明所示，輻射探測器的陽極絲(120、 210) 由 非晶金屬合誠喊。非晶合金具有各種潛在的有用特性。特別是，這些性質趨向於比相似化學 組成的晶體合金的性質更強。非晶金屬的強度直接產生於其非晶結構，該結構 沒有限制晶體合金強度的任何缺陷(例如錯位)。已發現非晶金屬合金用作輻射 探測器的陽極絲性能優異。可ailTaylor—Ulitovsky生產工藝產生也被稱作微絲的小直徑(例如1—150 微米)非晶金屬線，其中玻璃管和需要的金屬處於高頻電感場內。金屬被高頻 電感場熔化，其熱量軟化玻璃管，從而從軟化的玻璃管拉制薄金屬填充的毛細 管。金屬填充的毛細管以過熱狀態進入冷去瞘域，在這裡其快速7賴卩，從而獲 得希望的非晶結構。在該過程中，合金熔體在軟化的玻璃套中ffiil固化。軟化 的玻璃套的存在消除了合金熔體中的不穩定狀態，並促進形成直徑均勻、金屬 一玻璃界面平滑的塗覆玻璃的微絲。通常需要快3I冷卻以獲得非晶結構。冷卻 速率不低於104攝氏衝秒，,為105至106攝氏獻秒。還可採用其它方法製造非晶金屬合金線，其包括但不限於I. Ohnaka等人在"Production Of Amorphous Filament By In-Rotating醫Liquid Spinning Method",Proceedings Of The 4th International Conference On Rapidly Quenched Metals, Vol.1， 1981年8月24-28日，31—34頁所公開的迴轉7K熔體紡絲(in-rotating-watermelt spinning)方法。另一種方法為丄Strom-Olsen在"Fine Fibres By MeltExtraction" , Materials Science And Engineering, Vol. A178,1994,239—243頁所公開的熔體分離方法。這些只是幾個用於產生非晶金屬合金絲的可能方法的實例; 還可採用其它合適的方法。可通過向鐵磁基合金添加附加金屬元素獲得電阻、表面拋光度、耐腐蝕性 和拉伸強度得到改進的非晶金屬合金。常規的鐵磁基合金為鐵或鈷基合金。可iA31渡金屬和非金屬元素選擇該附加金屬元素。特別是，該附加金屬元素包括鈧(Sc)、鈦(Ti)、釩(V)、鉻(Cr)、錳(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鋅(Zn)、釔(Y)、鋯(Zr)、 鈮(Nb)、鉬(Mo)、釕(Ru)、銠(Rh)、鈀(Pd)、銀(Ag)、鎘(Cd)、鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、釤(Sm)、銪(Eu)、軋(Gd)、鋱(Tb)、 鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、鑥(Lu)、鉿(Hf)、鉭(Ta)、 鉤(W)、錸(Re)、鋨(Os)、銥(Ir)、鈾(Pt)、金(Au)、汞(Hg)。優選的被添加至鐵或者鈷基合金的附加金屬元素包括袼(Cr)、錳(Mn)、 鉬(Mo)和釩(V)。這些是非鐵磁性過渡金屬元素，選擇這些元素以提高非晶 合金的電子、磁和結構的無序程度。該無序程度的提高造成電阻增加(通過增 強的電子散射)和拉伸^^提高(MilM^形成剪切帶)。所選擇的附加金屬元 素可佔據合金的4—50原子％。可以以下述範圍單獨或者組合地添加j，的附 加金屬元素4—25原子％的鉻、10—25原子％的錳、15—30原子％的鉬，和/ 或15—40原子％的釩。非金屬元素例如硼(B)、矽(SO、磷(P)、碳(C)和鍺(Ge)已知為"玻 璃形成劑(glass former)",並且可用於輔助形成非晶、類玻璃金屬態。可以以 總化學組成的10—40原子％的範圍添加這些玻璃形成劑。優選的元素為硼和矽。 存在的硼可以為10—20原子％，而優選的範圍為10—15原子％。存在的矽可 以為5—15原子％，而優選的範圍為10—15原子％。 1M硼和矽的組合作為玻 璃形成元素。在本發明的一個方面中，非晶金屬合金的化學組成由下面的通式以如下的 原子％表示(C0l^Fea) K304KHjCrbTcXd，其中T為至少一種選自過渡金屬， 為選自Mn、 Mo和V的元素，X為至少一種選自B、 Si和P的元素，a、 b、 c 和d分別滿足公式0SaS100、 4Sb^25、 0Sc^40、 15Sd蚪0。該合金結構完 全為非晶和非晶體結構。完全非晶結構產生一種拉伸3艘高、大於3500MPa的 合金。該合金的電阻可以大於145" Q"Cm。在本發明的另一個方面中，非晶金屬合金的化學組成由下面的通式以如下 的原子％表示(Co^Fea) KxwxxiCrbT^Xd,其中T為至少一種選自過渡金屬，優選為選自Mn、 Mo和V的元素，T為至少一種選自B、 Si和P的元素，a、 b、 c禾口d分另iJ滿足公式5^aS25、 4幼S25、 20ScS40、 15 ScU30。該合金結構完 全為非晶和非晶體結構。完全非晶結構產生一種拉伸糹鵬高、大於4500MPa的 合金。該合金的電阻可以大於160n Q^cm。在本發明的其它方面中，並且僅僅作為{ 性實例，非晶金屬合金可以具 有如下化學組成(以原子％): Co46.5Fe4Cr4V2oSi12B13.5、 Q^.sF^Q^SbB!^ Co46.5Fe4Cr4Mn20Sii2B13.5 、 Co46.5Fe4Cr4Mo20Si12B3.5 、 Co2a5Fe4Cr25Mo25Si12B13.5 、 Co26.5Fe4Cr4V4oSi12B13.5 、 Co26.5Fe4Cr4Mn4oSii2Bi3.5 、 Co68Fe4Cr4P5Sii9Bio 、 Co67Fe4Cr4Si5B20、 Co46.5Fe4Cr4VoMn10Si2B135。發現包含C0私5Fe4Cr24Si,2B,3.5的合金具有良好的可澆鑄性。在該上下文中， 良好的可澆鑄性被定義為形成長而連續長度的帶或者絲的能力。當合金固化為 不適合於應用的離散薄片或者碎片時顯示出差的可澆鑄性。發現該合金的熔化 、鵬為大約1，050°C。過高的:l^七溫度通常使得難以完全熔化感應加熱線圈中的 原料。感應加熱線圈常常用於形成玻璃覆蓋的微絲的Taylor-Ulitovsky過程。而 且，如果熔化 鵬非常高，貝i」其可能表示合金偏離被認為是共晶材料的組成， i^l常意味著差的玻璃可成形性。通常,較低的熔點，並且應當以期望的高 拉伸強度、硬度和高電阻的材料特徵平衡。發現該合金的納米硬度 (nanohardness)為大約13.1GPa。採用Oliver-Pharr技術(GM Pharr, Materials Science and Engineering, Vol. A253,1998,151—159頁)測量納米硬度。發現該合 金的電阻為大約163 n Q《m。在本發明的另一方面中，非晶金屬合金可具有如下的化學組成(以原子％):COaFetCreSidBe，這裡Co為鈷，Fe為鐵，Cr為鉻，Si為矽和B為硼，a、 b、 c、 d和e分別表示Co、 Fe、 Cr、 Si和B的原子X，並且具有下述值20Sa30、 lSb《0、 ""25、 5ScU15、 10^"20，並且a+b+c+d+e:亂而在本發明的還一方面中，非晶金屬合金可具有如下的化學組成(原子％ ):COaFebCrcSidBeTf，其中T為至少一種選自錳(Mn)、鉬(Mo)和釩(V)的元 素，a、 b、 c、 d、 e和f分別表示Co、 Fe、 Cr、 Si、 B和T的原子X，並且具有 下述值20"^50、 lSbS10、 ""25、 5"S15、 10"^20、 0化40，並 且a+b+c+d+e+f = 100。拉伸弓賊是小直徑絲非常重要的特徵。輻射探測器常常禾傭直徑處於5—50 範圍的陽極絲。 一些應用中，金屬絲的直徑可以處於i一ioo縣的範圍。這些陽極絲在其齡長度上具有恆定直4別探測器的準確度非常重要。沿其長度具有叵定直徑的金屬絲產生沿其長度電阻恆定的金屬絲。對於精確的空間分 辨率怖先恆定電阻。高拉伸強度的另一個優勢在於抗塑性變形性。當對金屬絲 施加恆定張力形式的負載時，金屬絲應當抵抗塑性變形。如果金屬絲塑性郷， 則其伸長並且沿其長度的金屬絲直徑變得不一致。這一點造成不一致的電阻和 差的空間解析度。非晶金屬絲的有利特徵為當負載時在斷裂之前不出現塑性變形。拉伸糹艘為3,500MPa或者更大的金屬絲將抵抗郷、維持期黃截面直徑、 耐受惡劣環境並能夠經受製造過程(特別是對較長的陽極絲)。電阻也是輻射探觀螺中所使用的小直徑金屬絲的一個非常重要的特徵。在 位置敏感輻射探測器中，可通過陽極絲相對端部電脈衝到達時間差確定到達中 子在陽極絲上的位置。隨著陽極絲的電阻增加，電脈衝沿陽極絲運行的速度下 降。這一點增加了陽極絲端部上的到達時間差，從而當確定到達中子的位置時 旨,使得探測器控制電子器件空間解析度提高。以電阻大於145u Q-cm、雌 大於160U Q-cm的陽極絲製造的探測器將具有優良的空間^fjf率。和晶體金屬合金絲相比，拉伸強度高和電阻大的非晶金屬合金具有許多優 點。改進的拉伸糹艘允許i頓直徑較小的金屬絲。直徑較小的金屬絲電阻駄。 較高電阻絲對輻射探測器非常有用，並且大大提高了探測器的空間解析度。一 些輻射探測器需要長度至多為4m或更長的陽極絲，而具有拉伸強度高的金屬絲 以抗斷裂和/或塑性 對這些應用非常關鍵。這裡所描述的輻射探測器可用於檢測帶電粒子輻射(例如快電子、3粒子、 重帶電粒子、a粒子或者質子)和/或不帶電粒子(例如電磁輻射或者中子)。雖然以各種具體實施方案描述了本發明，但是本領域那些技術人員將認識 到可以通過在權禾腰求書的實質和範圍內通過更^*實施本發明。部件列表100輻射探測器120陽極絲140陰極200輻射探測器210陽鵬215陰極 220放大器 221放大器 230 Qa+Qb 240 Qa/(Qa+Qb) 245定位信號 Rl負載電阻
權利要求
1.一種輻射探測器(100，200)，其包含陰極(140，215)和陽極(120，210)，其中所述陽極(120，210)由非晶金屬合金構成。
2、 根據權利要求1定義的輻射探測器(100， 200)，其中，所述非晶金屬 合金的組成如下式CoaFebCrcSidBe其中，Co為鈷，Fe為鐵，Cr為鉻，Si為矽和B為硼，a、 b、 c、 d禾卩e分 別表示Co、 Fe、 Cr、 Si和B的原子X，並且具有下述值""25 10 "^20a+b+c+d+e = 100。
3、 根據前述任一權利要求定義的輻射探測器(100， 200)，其中所述非晶 金屬合金的拉伸強度大於3500MPa，電阻大於145 u Q-cm。
4、 根據權利要求2定義的輻射探測器(100， 200)，所述組成還包含元素 組T，其中T為至少一種選自錳(Mn)、鉬(Mo)和釩(V)的元素，所述非 晶金屬合金具有如下式的組成CoaFebCrcSidBeTf其中以原子％表示的f具有下述值10Sf^40，並且 a+b+c+d+e+f = 100。
5、 根據前述任一權利要求定義的輻射探測器(100， 200)，其中所述非晶 金屬合金的拉伸強度大於4500MPa，電阻大於160u Q-cm。
6、 根據權禾腰求4定義的輻射探測器(100， 200)，其中所述輻射探測器 包含；陰極(140， 215)，其包含第一和第二相對的端部，所述陰極圈定體積，並 且所述體積充滿可電離氣體；所述陽極(120， 210)在所述陰極內從所述第一相對端部延伸到所述第二 相對端部，並且其中戶萬述陽極與所述陰極電絕緣，並且 其中所述輻射探測器被配置為探測中子。
7、 根據前述任一權禾腰求定義的輻射探測器(100， 200)，其還包含 耦合至所述陽極(210)的信號檢測裝置(220， 221)，所述信號檢測，包括第一信號檢測元件和第二信號檢觀阮件，所述信號檢觀阮件用於探測入射 輻射；所述陽極(210)具有第一端部和與所述第一端部相對的第二端部；所述第 一信號檢測元件耦合至所述第一端部，所述第二信號檢測元件耦合至所述第二 端部；其中，可通過分析所述第一信號檢測裝置所接收的第一f言號與所述第二信 號檢測元件所接收的第二信號之間的時間差確定所述入射輻射沿所述陽極 (210)的位置。
8、 根據前述任一權利要求所定義的輻射探測器(100， 200)，還包含 耦合至所述陽極的電荷檢測裝置，所述電荷檢測裝置包括第一電荷檢測元件和第二電荷檢測元件，所述電荷檢測元件用於探測入射輻射；所述陽極(210)具有第一端部和與所述第一端部相對的第二端部；所述第 一電荷檢測元件耦合至所述第一端部，所述第二電荷檢測元件耦合至所述第二 端部；其中，可通過以M相加所述第一和第二電荷檢測元件所輸出的電荷而獲 得的電荷總和除所述第一 電荷檢測元件或者所述第二電荷檢測元件輸出的電荷 量確定所述yV射輻射沿所述陽極的位置。
9、 根據前述任一權利要求所定義的輻射探測器(100， 200)，所述非晶金 屬合金具有如下組成C046.5Fe4G24Si12B13.5，並且其中所述非晶金屬合金的拉伸 弓皿大於4500MPa，電阻大於160u Q-cm。
10、 根據前述任一權利要求所定義的輻射探測器(100， 200)，所述非晶金 屬合金具有如下組成Co46.5Fe4Cr4Mn2Si12B13.5，並且其中所述非晶金屬合金的 拉伸糹艘大於4500MPa，電阻大於160u Q《m。
全文摘要
本申請提供了一種具有由非晶金屬合金製成的陽極絲(120，210)的輻射探測器(100，200)。在一個實施方案中，輻射探測器包含陰極(140，215)組件。該陰極組件包含主體部分、第一端部和第二端部，其中第一端部正對第二端部。該陰極組件還包含輻射相互作用材料。陽極在陰極組件內從第一端部延伸至第二端部，並且陽極由非晶金屬合金組成。
文檔編號G01T3/00GK101308216SQ200810125808
公開日2008年11月19日 申請日期2008年5月14日 優先權日2007年5月14日
發明者E·M·韋斯曼, F·詹森, G·T·納洛, J·R·威廉斯, L·E·約裡奧, L·L·克拉克, N·H·詹森, T·R·安德森 申請人:通用電氣公司