专利名称：采用非晶材料的辐射探测器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及辐射探测器。特别是，本发明涉及将非晶材料用于辐射探 测器的阳极丝。
背景技术：
辐射探测器例如正比辐射计数器和/或中子探测器常常用于石油、天然气和 矿物勘探(例如井下应用)，以及核反应堆和工业测量、科学研究(例如中子散 射研究)、和国防应用以检测方妇寸性物质或者"脏弹"。一种辐射探测器为正比计数器，这种类型的探测器常常用于中子探测。常 规的正比计数器包括基本上圆筒状的阴极管，和延伸通过阴极管的阳极丝。阳极丝通常非常细(例如直径为5—25微米，或者更大)，并且具有大电阻。阴极 管两端密封，可充满气体例如氦-3 (3He)或者BF3气体。阳极丝与阴极绝缘， 并皿常保持为正电压而阴极接地(或者为负电压)。使用时，入射辐射例如中子与阴极内的气体相互反应并产生带电粒子，该 带电粒子电离气体原子和产生电子。电子被吸引和撞击正压阳l及丝并产生可探 测的电流脉冲。该现象也可被称为入射辐射。电流脉冲的幅值与电离中所释放 的能量(即和可电离气体反应的中子)成正比。某些应用中，正比计数器可被用作位置敏感探测器，其中从阳极丝相对端 部上电流脉冲的上升时间差或者从到达端部的电荷相对量(例如电荷分配方法) 确定到达电离电子的位置。通过增加阳极丝的电阻提高位置敏感探测器的空间 分辨率，其中所述增加电阻可慢化电流脉冲、增加控制电子器j顿测电流脉冲 的时间。因此，雌高电阻阳极丝以5爐位置敏感探测器的空间分辨率。常常在恶劣环境4顿辐射探测器、正比辐射计数器和中子探测器。该探测 器可暴露于樹氏和极高的温度、低频或者高频振动以及腐蚀性环境。设计出非 常细的阳极丝以经受这样的环境可以说是一个挑战。阳极丝i^应具有高电阻 (对良好的空间^f,率而言)、平滑的表面抛光和均匀厚度(对其长度上的均匀或者气体膨胀)、耐腐蚀性(对恶劣环境而言)、以及高拉 伸强度(以消除由于不需要的振动而弓胞的有害作用)。在组装辐射探测器时阳极丝受到张力作用，而所述丝必须承受制造过程以 及i顿时的热和机lte力。晶体金属合金已被用作阳极丝，并具有低拉伸纟破, 一旦超过其拉伸强度则发生塑性变形。阳极丝故障和/或塑性变形弓胞的其尺寸 变化使得辐射探测器的操作退化。另外，当在某些应用中{顿辐射探测器时， 期望辐射探测器对低频振动不敏感。通常，通过使阳极丝受到高机械张力实现 这一点。不利地是，晶体金属合金可能塑性变形和/或断裂，并且故障率高、使 用寿命短。因此，本领域需要一种具有高电阻、平滑表面抛光、良好耐腐蚀性 以及高拉伸强度的阳极丝。发明内容本发明的一方面提供了一种具有阴极和阳极的辐射探测器。所述阳极由非 晶金属合金构成。本发明的另一方面提供了一种具有阴极组件的辐射探测器。该阴极组件包 含主体部分、第一端部和第二端部。第一端部正对第二端部。阴极组件圈定体 积，而辐射相互作用材料包含在该体积中。阳极在阴极组件内从第一端部延伸 至第二端部。阳极由非晶金属合金构成。
图1是充气辐射探测器的简单示意图。图2是根据本发明一个实船案的辐射探测器的结构图。
具体实施方式
辐射探测器可包括多种不同类型的探测器。正比计数器是可用于中子探测 的辐射探测器的一个实例。辐射探测驗在许多种，例如密封管计数器、无窗 流动计数器、盘式探测器、单线探测器、多线探测器、气体电子倍增織测器、 平行板雪崩计数器、位置敏感正比计数器、和气体正比闪烁计数器等等。辐射 探测器的横截面常常基本上为圆筒状，但是其横截面还可以是椭圆形、近似椭 圆形和矩形。辐射探测器可用于检测许多种辐射，包括但不限于带电粒子辐射(例如快电子、P粒子、重带电粒子、a粒子或者质子)和/或不带电粒子(例 如电磁辐射或者中子)。在下文中，术语辐射探测器将被理解为包括所有可用于 检测辐射的设备，包括中子探测器。图1是如本发明一方面所体现的、具有非晶金属阳极丝120和阴极140的 充气正比辐射探测器100的简单示图。可M去除玻璃涂层从涂覆玻璃的微丝 获得非晶金属阳极丝120。 一般地，阳极丝120被维持在正压，阴极140被维持 在负压或者接地。阳极丝120的正压将电子吸引至阳极140，从而可探测入射辐 射。对于图l所示出的电路，在负载电阻RL上形成输出脉冲。可采用合适的电 路(图l中未示出)探测输出脉冲以确定何时发狄射辐射。图2为如本发明一方面所体现的位置敏繊射探测器200的结构图。阴极 215中包括示意性示出为电阻的阳极丝210。阳极丝210保持为正电压HV，而 阴极215保持接地。阴极两端密封，并且可被充满气体例如氦-3 (&e)或者BF3 气体。4顿时，入射辐射例如中子与阴极215内的气体相互作用并产生使气体 原子电离和生成电子的带电粒子。电子被吸引和撞击正阳极丝210并生成可被 探测的电流脉冲。该实例中的气体(即力e或者BF3)是辐射相互作用材料，但是也可采用其 它气体。其它可用作辐射相互作用材料的合适气体可包括但不限于稀有气体、 氩、甲烷、氪、氤、乙烯、氢、氦、氧、二氧化碳和氮的一种或者其组合。一 些实例中，可能期望使用阻止或者骤冷气。作为一个实例，多原子气体例如甲 烷可用于骤冷气。骤冷气用于防止寄生雪崩(parasitic avaJanche)远离辐射俘获 位置。当用于位置敏感探测器时，这一点可变得重要。固体材料也可被用作辐 射相互作用材料。例如，不是采用可电离气体或者除了采用可电离气体以外， 可将硼固條层施加至阴极内壁。硼涂层采集入射辐射(例如中子)并生成使气体组分电离的冲击粒子。本发明所体现的检测器200可采用电荷分配方法确定入射辐射沿着阳极丝 210的位置。放大器220和221放大阳极丝上的信号。放大器220输出和到达阳 极丝210左端(如图2所示出)的电荷量成正比的信号qa。放大器221输出与 到达阳极丝210右端(如图2所示出)的电荷量成正比的信号qb。两个放大器 220和221的输出在框230相加，相加的结果作为输出脉冲Qr，即(Or =Qa + Qb)。 Qr的幅值与入射辐射的总电荷成正比。在框240， M:将从阳极丝的一端的电荷部分，在这种情况下为Qa，除以总电荷(QA + Qb)，从而产生位置信 号。或者，电荷Qe可除以总电荷(Qa+ Qb)。结果245为表示入射辐射沿阳 极丝210相对位置的输出脉冲。确定入射辐射沿阳极丝210位置的替代方法可利用在阳极丝210任意一端 脉冲的相对上升时间之间的时间差。例如，前置放大器可置于阳极丝210的任 意一端。可从两个前置放大器所产生的脉冲之间的上升时间差获得入射辐射沿 着阳极丝210的位置信号。本发明也可考虑获得位置信号的其它方法。这里描述了几种类型的辐射探测器，但是将理解本发明可以使用任何合适 类型的辐射探测器。如本发明所示，辐射探测器的阳极丝(120、 210) 由 非晶金属合誠喊。非晶合金具有各种潜在的有用特性。特别是，这些性质趋向于比相似化学 组成的晶体合金的性质更强。非晶金属的强度直接产生于其非晶结构，该结构 没有限制晶体合金强度的任何缺陷(例如错位)。已发现非晶金属合金用作辐射 探测器的阳极丝性能优异。可ailTaylor—Ulitovsky生产工艺产生也被称作微丝的小直径(例如1—150 微米)非晶金属线，其中玻璃管和需要的金属处于高频电感场内。金属被高频 电感场熔化，其热量软化玻璃管，从而从软化的玻璃管拉制薄金属填充的毛细 管。金属填充的毛细管以过热状态进入冷去眍域，在这里其快速7賴卩，从而获 得希望的非晶结构。在该过程中，合金熔体在软化的玻璃套中ffiil固化。软化 的玻璃套的存在消除了合金熔体中的不稳定状态，并促进形成直径均匀、金属 一玻璃界面平滑的涂覆玻璃的微丝。通常需要快3I冷却以获得非晶结构。冷却 速率不低于104摄氏衝秒，,为105至106摄氏獻秒。还可采用其它方法制造非晶金属合金线，其包括但不限于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页所公开的回转7K熔体纺丝(in-rotating-watermelt spinning)方法。另一种方法为丄Strom-Olsen在"Fine Fibres By MeltExtraction" , Materials Science And Engineering, Vol. A178,1994,239—243页所公开的熔体分离方法。这些只是几个用于产生非晶金属合金丝的可能方法的实例; 还可采用其它合适的方法。可通过向铁磁基合金添加附加金属元素获得电阻、表面抛光度、耐腐蚀性 和拉伸强度得到改进的非晶金属合金。常规的铁磁基合金为铁或钴基合金。可iA31渡金属和非金属元素选择该附加金属元素。特别是，该附加金属元素包括钪(Sc)、钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、钇(Y)、锆(Zr)、 铌(Nb)、钼(Mo)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、镉(Cd)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钐(Sm)、铕(Eu)、轧(Gd)、铽(Tb)、 镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)、铪(Hf)、钽(Ta)、 钩(W)、铼(Re)、锇(Os)、铱(Ir)、铀(Pt)、金(Au)、汞(Hg)。优选的被添加至铁或者钴基合金的附加金属元素包括袼(Cr)、锰(Mn)、 钼(Mo)和钒(V)。这些是非铁磁性过渡金属元素，选择这些元素以提高非晶 合金的电子、磁和结构的无序程度。该无序程度的提高造成电阻增加(通过增 强的电子散射)和拉伸^^提高(MilM^形成剪切带)。所选择的附加金属元 素可占据合金的4—50原子％。可以以下述范围单独或者组合地添加j，的附 加金属元素4—25原子％的铬、10—25原子％的锰、15—30原子％的钼，和/ 或15—40原子％的钒。非金属元素例如硼(B)、硅(SO、磷(P)、碳(C)和锗(Ge)已知为"玻 璃形成剂(glass former)",并且可用于辅助形成非晶、类玻璃金属态。可以以 总化学组成的10—40原子％的范围添加这些玻璃形成剂。优选的元素为硼和硅。 存在的硼可以为10—20原子％，而优选的范围为10—15原子％。存在的硅可 以为5—15原子％，而优选的范围为10—15原子％。 1M硼和硅的组合作为玻 璃形成元素。在本发明的一个方面中，非晶金属合金的化学组成由下面的通式以如下的 原子％表示(C0l^Fea) K304KHjCrbTcXd，其中T为至少一种选自过渡金属， 为选自Mn、 Mo和V的元素，X为至少一种选自B、 Si和P的元素，a、 b、 c 和d分别满足公式0SaS100、 4Sb^25、 0Sc^40、 15Sd蚪0。该合金结构完 全为非晶和非晶体结构。完全非晶结构产生一种拉伸3艘高、大于3500MPa的 合金。该合金的电阻可以大于145" Q"Cm。在本发明的另一个方面中，非晶金属合金的化学组成由下面的通式以如下 的原子％表示(Co^Fea) KxwxxiCrbT^Xd,其中T为至少一种选自过渡金属，优选为选自Mn、 Mo和V的元素，T为至少一种选自B、 Si和P的元素，a、 b、 c禾口d分另iJ满足公式5^aS25、 4幼S25、 20ScS40、 15 ScU30。该合金结构完 全为非晶和非晶体结构。完全非晶结构产生一种拉伸纟鹏高、大于4500MPa的 合金。该合金的电阻可以大于160n Q^cm。在本发明的其它方面中，并且仅仅作为{ 性实例，非晶金属合金可以具 有如下化学组成(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。发现包含C0私5Fe4Cr24Si,2B,3.5的合金具有良好的可浇铸性。在该上下文中， 良好的可浇铸性被定义为形成长而连续长度的带或者丝的能力。当合金固化为 不适合于应用的离散薄片或者碎片时显示出差的可浇铸性。发现该合金的熔化 、鹏为大约1，050°C。过高的:l^七温度通常使得难以完全熔化感应加热线圈中的 原料。感应加热线圈常常用于形成玻璃覆盖的微丝的Taylor-Ulitovsky过程。而 且，如果熔化 鹏非常高，贝i」其可能表示合金偏离被认为是共晶材料的组成， i^l常意味着差的玻璃可成形性。通常,较低的熔点，并且应当以期望的高 拉伸强度、硬度和高电阻的材料特征平衡。发现该合金的纳米硬度 (nanohardness)为大约13.1GPa。采用Oliver-Pharr技术(GM Pharr, Materials Science and Engineering, Vol. A253,1998,151—159页)测量纳米硬度。发现该合 金的电阻为大约163 n Q《m。在本发明的另一方面中，非晶金属合金可具有如下的化学组成(以原子％):COaFetCreSidBe，这里Co为钴，Fe为铁，Cr为铬，Si为硅和B为硼，a、 b、 c、 d和e分别表示Co、 Fe、 Cr、 Si和B的原子X，并且具有下述值20Sa30、 lSb《0、 ""25、 5ScU15、 10^"20，并且a+b+c+d+e:亂而在本发明的还一方面中，非晶金属合金可具有如下的化学组成(原子％ ):COaFebCrcSidBeTf，其中T为至少一种选自锰(Mn)、钼(Mo)和钒(V)的元 素，a、 b、 c、 d、 e和f分别表示Co、 Fe、 Cr、 Si、 B和T的原子X，并且具有 下述值20"^50、 lSbS10、 ""25、 5"S15、 10"^20、 0化40，并 且a+b+c+d+e+f = 100。拉伸弓贼是小直径丝非常重要的特征。辐射探测器常常禾佣直径处于5—50 范围的阳极丝。 一些应用中，金属丝的直径可以处于i一ioo縣的范围。这些阳极丝在其齡长度上具有恒定直4别探测器的准确度非常重要。沿其长度具有叵定直径的金属丝产生沿其长度电阻恒定的金属丝。对于精确的空间分 辨率怖先恒定电阻。高拉伸强度的另一个优势在于抗塑性变形性。当对金属丝 施加恒定张力形式的负载时，金属丝应当抵抗塑性变形。如果金属丝塑性郷， 则其伸长并且沿其长度的金属丝直径变得不一致。这一点造成不一致的电阻和 差的空间分辨率。非晶金属丝的有利特征为当负载时在断裂之前不出现塑性变形。拉伸纟艘为3,500MPa或者更大的金属丝将抵抗郷、维持期黄截面直径、 耐受恶劣环境并能够经受制造过程(特别是对较长的阳极丝)。电阻也是辐射探观螺中所使用的小直径金属丝的一个非常重要的特征。在 位置敏感辐射探测器中，可通过阳极丝相对端部电脉冲到达时间差确定到达中 子在阳极丝上的位置。随着阳极丝的电阻增加，电脉冲沿阳极丝运行的速度下 降。这一点增加了阳极丝端部上的到达时间差，从而当确定到达中子的位置时 旨,使得探测器控制电子器件空间分辨率提高。以电阻大于145u Q-cm、雌 大于160U Q-cm的阳极丝制造的探测器将具有优良的空间^fjf率。和晶体金属合金丝相比，拉伸强度高和电阻大的非晶金属合金具有许多优 点。改进的拉伸纟艘允许i顿直径较小的金属丝。直径较小的金属丝电阻駄。 较高电阻丝对辐射探测器非常有用，并且大大提高了探测器的空间分辨率。一 些辐射探测器需要长度至多为4m或更长的阳极丝，而具有拉伸强度高的金属丝 以抗断裂和/或塑性 对这些应用非常关键。这里所描述的辐射探测器可用于检测带电粒子辐射(例如快电子、3粒子、 重带电粒子、a粒子或者质子)和/或不带电粒子(例如电磁辐射或者中子)。虽然以各种具体实施方案描述了本发明，但是本领域那些技术人员将认识 到可以通过在权禾腰求书的实质和范围内通过更^*实施本发明。部件列表100辐射探测器120阳极丝140阴极200辐射探测器210阳鹏215阴极 220放大器 221放大器 230 Qa+Qb 240 Qa/(Qa+Qb) 245定位信号 Rl负载电阻
权利要求
1.一种辐射探测器(100，200)，其包含阴极(140，215)和阳极(120，210)，其中所述阳极(120，210)由非晶金属合金构成。
2、 根据权利要求1定义的辐射探测器(100， 200)，其中，所述非晶金属 合金的组成如下式CoaFebCrcSidBe其中，Co为钴，Fe为铁，Cr为铬，Si为硅和B为硼，a、 b、 c、 d禾卩e分 别表示Co、 Fe、 Cr、 Si和B的原子X，并且具有下述值""25 10 "^20a+b+c+d+e = 100。
3、 根据前述任一权利要求定义的辐射探测器(100， 200)，其中所述非晶 金属合金的拉伸强度大于3500MPa，电阻大于145 u Q-cm。
4、 根据权利要求2定义的辐射探测器(100， 200)，所述组成还包含元素 组T，其中T为至少一种选自锰(Mn)、钼(Mo)和钒(V)的元素，所述非 晶金属合金具有如下式的组成CoaFebCrcSidBeTf其中以原子％表示的f具有下述值10Sf^40，并且 a+b+c+d+e+f = 100。
5、 根据前述任一权利要求定义的辐射探测器(100， 200)，其中所述非晶 金属合金的拉伸强度大于4500MPa，电阻大于160u Q-cm。
6、 根据权禾腰求4定义的辐射探测器(100， 200)，其中所述辐射探测器 包含；阴极(140， 215)，其包含第一和第二相对的端部，所述阴极圈定体积，并 且所述体积充满可电离气体；所述阳极(120， 210)在所述阴极内从所述第一相对端部延伸到所述第二 相对端部，并且其中戶万述阳极与所述阴极电绝缘，并且 其中所述辐射探测器被配置为探测中子。
7、 根据前述任一权禾腰求定义的辐射探测器(100， 200)，其还包含 耦合至所述阳极(210)的信号检测装置(220， 221)，所述信号检测，包括第一信号检测元件和第二信号检观阮件，所述信号检观阮件用于探测入射 辐射；所述阳极(210)具有第一端部和与所述第一端部相对的第二端部；所述第 一信号检测元件耦合至所述第一端部，所述第二信号检测元件耦合至所述第二 端部；其中，可通过分析所述第一信号检测装置所接收的第一f言号与所述第二信 号检测元件所接收的第二信号之间的时间差确定所述入射辐射沿所述阳极 (210)的位置。
8、 根据前述任一权利要求所定义的辐射探测器(100， 200)，还包含 耦合至所述阳极的电荷检测装置，所述电荷检测装置包括第一电荷检测元件和第二电荷检测元件，所述电荷检测元件用于探测入射辐射；所述阳极(210)具有第一端部和与所述第一端部相对的第二端部；所述第 一电荷检测元件耦合至所述第一端部，所述第二电荷检测元件耦合至所述第二 端部；其中，可通过以M相加所述第一和第二电荷检测元件所输出的电荷而获 得的电荷总和除所述第一 电荷检测元件或者所述第二电荷检测元件输出的电荷 量确定所述yV射辐射沿所述阳极的位置。
9、 根据前述任一权利要求所定义的辐射探测器(100， 200)，所述非晶金 属合金具有如下组成C046.5Fe4G24Si12B13.5，并且其中所述非晶金属合金的拉伸 弓皿大于4500MPa，电阻大于160u Q-cm。
10、 根据前述任一权利要求所定义的辐射探测器(100， 200)，所述非晶金 属合金具有如下组成Co46.5Fe4Cr4Mn2()Si12B13.5，并且其中所述非晶金属合金的 拉伸纟艘大于4500MPa，电阻大于160u Q《m。
全文摘要
本申请提供了一种具有由非晶金属合金制成的阳极丝(120，210)的辐射探测器(100，200)。在一个实施方案中，辐射探测器包含阴极(140，215)组件。该阴极组件包含主体部分、第一端部和第二端部，其中第一端部正对第二端部。该阴极组件还包含辐射相互作用材料。阳极在阴极组件内从第一端部延伸至第二端部，并且阳极由非晶金属合金组成。
文档编号G01T3/00GK101308216SQ200810125808
公开日2008年11月19日 申请日期2008年5月14日 优先权日2007年5月14日
发明者E·M·韦斯曼, F·约翰逊, G·T·纳洛, J·R·威廉斯, L·E·约里奥, L·L·克拉克, N·H·约翰逊, T·R·安德森 申请人:通用电气公司