高能X射線工業(yè)CT氣固混合型電子倍增輻射探測(cè)器探索研究.pdf

1、工業(yè)計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)(Industrial Computed Tomography，簡(jiǎn)稱工業(yè)CT)能直觀、清晰、準(zhǔn)確地檢測(cè)被測(cè)物體斷面內(nèi)部的結(jié)構(gòu)組成、密度變化以及缺陷的性質(zhì)、位置及大小，被人們喻為最佳、最具發(fā)展前景的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)之一。高能工業(yè)CT采用電子直線加速器為X射線源，具有穿透力更強(qiáng)、檢測(cè)精度更高、掃描速度更快等特點(diǎn)，滿足了航空航天、國(guó)防軍工以及交通運(yùn)輸(如高速鐵路等)、鋼鐵冶金、地質(zhì)、石油等行業(yè)的大型構(gòu)件和大型裝備的特殊的無(wú)損

2、檢測(cè)需求，是保障這些特殊產(chǎn)品的質(zhì)量與安全必不可少的重要手段，因而具有巨大的社會(huì)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。
　　 探測(cè)器是高能工業(yè)CT系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，對(duì)保證高能工業(yè)CT的檢測(cè)效率、空間分辨率與密度分辨率等關(guān)鍵性能至關(guān)重要。然而，由于目前常用的閃爍體探測(cè)器存在抗輻射能力差、探測(cè)器竄擾大、環(huán)境條件要求高、制備復(fù)雜價(jià)格昂貴、電子學(xué)噪聲大動(dòng)態(tài)范圍受限制等缺點(diǎn)，在很大程度上還不能完全滿足高能工業(yè)CT的使用要求。氣體電離室探測(cè)器具有抗輻射能力強(qiáng)、性能穩(wěn)

3、定可靠、成本低廉、暗電流小動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，但也存在探測(cè)效率低和體積大這兩大致命缺陷，嚴(yán)重影響高能工業(yè)CT的檢測(cè)效率及分辨率等關(guān)鍵指標(biāo)。到目前為此，探測(cè)器仍是制約高能工業(yè)CT技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸之一，也是限制這一先進(jìn)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)普及和推廣的重要原因之一。
　　 由于閃爍體探測(cè)器受工作原理及材料性能等限制，其性能很難有大幅度的提高。氣體電離室探測(cè)器除了探測(cè)效率低和體積大兩大缺點(diǎn)外，具有許多閃爍探測(cè)器難已比擬的優(yōu)點(diǎn)，有很大的

4、發(fā)展空間和潛能。為攻克氣體電離室探測(cè)效率低、體積大這兩大難題，由國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和重慶市科技攻關(guān)項(xiàng)目資助，深入研究和探討了高能X射線輻射探測(cè)理論、氣體電子倍增(GEM)機(jī)理等相關(guān)理論，提出了高能工業(yè)CT新型氣固混合型電子倍增輻射探測(cè)器方案，并搭建了實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，為新型氣體電離室探測(cè)器的實(shí)際應(yīng)用奠定了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。主要工作如下：
　　 (1)通過(guò)分析高能X射線工業(yè)CT目前發(fā)展遇到的問(wèn)題和技術(shù)瓶頸，結(jié)合我國(guó)高能工業(yè)CT目前的發(fā)

5、展?fàn)顩r，全面地比較、分析和總結(jié)了高能工業(yè)CT目前常用探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)和不足，提出本論文總體研究思路和研究工作要點(diǎn)。
　　 (2)通過(guò)對(duì)電子直線加速器高能脈沖X射線輻射探測(cè)理論和氣體電子倍增(GEM)機(jī)理等相關(guān)理論的深入研究和探討，結(jié)合高能工業(yè)CT的特殊結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新性地提出了新型氣固混合型電子倍增輻射探測(cè)器方案。通過(guò)創(chuàng)新性地采用薄高密度金屬片作為光電轉(zhuǎn)換體來(lái)提高氣體電離室探測(cè)器效率，用GEM(電子倍增器)來(lái)減小氣室體積的全新的氣固混和型

6、探測(cè)器結(jié)構(gòu)方式，解決了傳統(tǒng)氣體電離室探測(cè)器探測(cè)效率低、體積大這兩大難題，為高能X射線工業(yè)CT提供性能優(yōu)良、價(jià)格低廉的探測(cè)器開拓了新的途徑。
　　 (3)建立基于GEM電子倍增原理的高能工業(yè)CT氣固混合型電子倍增輻射探測(cè)器物理模型，用理論分析和計(jì)算機(jī)仿真相結(jié)合的方法，對(duì)探測(cè)器方案的可行性進(jìn)行了理論分析和論證。
　　 (4)根據(jù)理論計(jì)算和仿真結(jié)果，試制了探測(cè)器樣品，并設(shè)計(jì)了相關(guān)的觀察和測(cè)試實(shí)驗(yàn)。在現(xiàn)有高能工業(yè)CT實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)

7、的基礎(chǔ)上，搭建了探測(cè)器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并完成了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中用示波器直觀地觀測(cè)到了探測(cè)器單元輸出模擬信號(hào)的波形、幅值大小，測(cè)量了探測(cè)器輸出信號(hào)強(qiáng)度與輸入的X射線強(qiáng)度變化，表明探測(cè)器不僅具備把X射線粒子轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的基本功能，而且其輸出信號(hào)強(qiáng)度與X射線強(qiáng)度存在良好的線性關(guān)系，證明了探測(cè)器方案的可行性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，也發(fā)現(xiàn)了探測(cè)器存在諸多問(wèn)題和不足，為進(jìn)一步提高探測(cè)器性能和最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化、實(shí)用化奠定了基礎(chǔ)。
　　 最后，總結(jié)了全文研究