CN101581788A - 气体闪烁正比计数器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的气体闪烁正比计数器，由气体容器和光电倍增管组成，其中，气体容器中充满了工作气体，气体容器的上方有入射窗、下方有出射窗，气体容器内加有电场，γ射线或X射线透过入射窗进入气体容器后，与气体容器中的工作气体发生光电效应产生光电子，在电场的作用下，电子经电场加速后激发气体原子，发射出真空紫外光子，从出射窗射出并被光电倍增管探测，上述出射窗的上部是波长转换结构。该气体闪烁正比计数器能满足人体摄入低能核素后内照射活体测量的需要，它只需要使用普通的光电倍增管就可以探测到工作气体的退激光，大大降低了气体闪烁正比计数器的成本。
Description
技术领域
本发明属于辐射探测技术领域，具体涉及一种用于探测低能γ射线或X射线的气体闪烁正比计数器。
背景技术
在核燃料循环，放射性同位素生产，核设施退役以及核技术应用等生产实践活动中，接受职业照射的工作人员可能因摄入放射性核素而受到内照射，所以必须要有相应的辐射防护手段作为保障。
当人体摄入镅、钚等低能放射性超铀核素后，由于这些核素发射的γ射线能量很低，会被人体严重吸收和散射。在测量中，要求探测器具有较高的探测效率；较低的可探测能量下限；为了进行核素识别，要求探测器具有较高的能量分辨率；同时，为了减小在校准过程中由于人体体表通量分布不均匀造成的不确定性，还要求探测器具有尽可能大的有效探测面积。
气体闪烁正比计数器的工作原理是，入射γ射线或X射线进入气体闪烁正比计数器的气体容器之后，通过初电离以及次级电离产生电子离子对，在外加电场作用下，电子向正电极漂移，在这个过程中根据气体成分的不同，电场强度的不同，会发生不同程度的扩散，电子吸附以及复合等效应。气体闪烁正比计数器不通过电荷漂移感应出电信号来测量入射粒子能量，而是通过电子在电场作用下激发气体分子，然后收集气体分子退激时发出的光子来测量入射粒子的能量。
现有技术中，存在的技术问题是，工作气体，如Xe的退激光中心波长为172nm，处于真空紫外波段(100～200nm)，而对处于该真空紫外波段的光子有较好响应的光电倍增管，光电二极管等器件加工制作工艺都非常难以实现。这也造成了气体闪烁正比计数器成本的大幅度提高。在《气体闪烁正比计数器：GSPC》(核电子学与探测技术，2005，第6期)一文中作者指出采用波长转移光纤，或采用Xe-Kr-He混合气体(P666，第8～10行)能解决这一技术问题，而实际情况却是以上两种方案均不能达到使真空紫外光的波长转换为可见光波长的目的，另外，该文章中还指出，气体闪烁正比计数器内壁一般需要涂MgO作为反射材料，在MgO上再涂波长转换材料以使光波长与光电倍增管匹配(P666，第35～37行)，然而，波长转换材料如果是用涂的方式，也是难以实现的，并且该文章尚未公开该波长转换材料的具体内容以及使用方法。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是选择一种能实现波长转换的材料，并实现该材料在气体闪烁正比计数器中的具体使用方法。
(二)技术方案
本发明提供的气体闪烁正比计数器，由气体容器和光电倍增管组成，其中，气体容器中充满了工作气体，气体容器的上方是入射窗，下方是出射窗，气体容器中加有电场，γ射线或X射线透过入射窗进入气体容器后，与气体容器中的工作气体发生光电效应产生光电子，在电场的作用下，电子经电场加速后激发气体原子，发射出真空紫外光子，从出射窗射出并被光电倍增管探测，其中，所述的出射窗的上部有一层波长转换结构，该波长转换结构是将波长转换材料均匀的铺在用支架固定的两片石英玻璃中间。
上述波长转换材料包含了基质BaMgAl10O17和激活剂Eu。
(三)技术效果
本发明提供的气体闪烁正比计数器，由于使用了波长转换材料，使得工作气体如Xe产生的退激光经波长转换材料的转换后，将中心波长是172nm的真空紫外光转换为波长范围为400nm～550nm，中心波长为450nm的可见光，容易被大部分的普通光电倍增管探测，大大降低了气体闪烁正比计数器的成本。
因为工作气体Xe进入气体容器后不存在气体放大过程，没有由于气体放大倍数的统计涨落引入的能量展宽，所以该气体闪烁正比计数器具有较高的能量分辨率。气体闪烁正比计数器的可探测能量下限取决于入射窗的材料及厚度。当入射窗采用一层镀金属聚酯薄膜时，可探测能量下限可以达到0.2KeV。当工作气体压强为5atm时，可探测能量上限为120KeV。所以气体闪烁正比计数器适用于低能射线的测量。气体闪烁正比计数器由于是气体探测器，可以方便的制作成较大的有效探测面积。气体闪烁正比计数器的辐射损伤小，可以长期暴露于辐射环境下稳定工作。适于长时间连续稳定测量。
为了能满足人体摄入低能核素后内照射活体测量探测器的要求，本发明提供了一种高探测效率和能量分辨率、低探测能量下限、有效探测面积大的气体闪烁正比计数器，它只需要使用普通的光电倍增管就可以探测到工作气体的退激光，大大降低了气体闪烁正比计数器的成本。
附图说明
图1气体闪烁正比计数器示意图
入射窗1，电离室2，气体容器3，电场4，波长转换结构5，出射窗6，光电倍增管7。
图2波长转换材料具体结构示意图
波长转换结构5，支架8，石英玻璃9，波长转换材料10。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步阐述。
如图1、图2所示，气体闪烁正比计数器由气体容器2和光电倍增管7组成，气体容器2中充满了工作气体3，气体容器2的上端有一个入射窗1，下端有一个出射窗6，在气体容器2内加了电场4，光电倍增管7在出射窗6的下端，出射窗6的上端安装了波长转换结构5，该波长转换结构5是将波长转换材料10均匀的铺在用支架8固定的两片石英玻璃9中间。
本发明使用的波长转换材料是掺杂了Eu的BaMgAl10O17，这种材料俗称BAM荧光粉，在各种制作稀土荧光材料的公司均可以买到。该材料包含了基质BaMgAl10O17和激活剂Eu，还可以含有常用的共激活剂、助溶剂、敏化剂。
电场4由两块栅极板产生，入射窗1与上方栅极板之间为漂移区，漂移区有电场强度较弱的方向向下的电场，两栅极板之间是闪烁区，闪烁区有电场强度较强的方向向下的电场4，当γ射线或X射线通过入射窗1进入气体容器2后，在漂移区射线与工作气体(如Xe)发生初电离，电离后产生的次级电子在气体分子中通过次电离等效应产生电子离子对，产生的电子在电场作用下向上方栅极板漂移，由于漂移区电场强度较弱，电子能量较低，电子与气体原子的作用主要为弹性碰撞，当电场强度很小时，漂移过程中复合，电子吸附效应对电子数目的影响就很小了。在漂移区电场作用下向上方栅极板运动的电子穿过该栅极板后到达闪烁区得到更强的电场加速，在一个自由程内，电子得到足够加速，与气体原子发生非弹性碰撞，使得气体原子激发而不电离，并且迅速退激，产生退激光。这一过程不存在气体放大过程，所以没有由于气体放大倍数的统计涨落引入的能量展宽，所以该气体闪烁正比计数器具有较高的能量分辨率。
产生的退激光是中心波长为172nm真空紫外光，经波长转换材料的转换后发射光波长范围为400nm～550nm，中心波长为450nm，这一波长范围的光子处于可见光范围，容易被大部分的普通光电倍增管探测。将闪烁区的真空紫外光转换为可见光，用普通大面积光电倍增管测量，在提高探测器能量分辨率的同时，降低了探测器加工制作难度和成本。解决了探测器遇到的真空紫外光子难以测量的难题。
气体闪烁正比计数器的探测面积取决于入射窗的大小，经过特定设计后，可以使入射窗在保证探测器真空性能的同时，做到大面积，且具有足够的机械强度以承受探测器内部气体压力。
通过以上描述不难看出，本发明提供的气体闪烁正比计数器具有高探测效率和能量分辨率、低探测能量下限、有效探测面积大的特点，它只需要使用普通的光电倍增管就可以探测到工作气体的退激光，大大降低了气体闪烁正比计数器的成本。该气体闪烁正比计数器能满足人体摄入低能核素后内照射活体测量探测器的要求。
Claims (2)
1.一种气体闪烁正比计数器，由气体容器(2)和光电倍增管(7)组成，其中，气体容器(2)中充满了工作气体(3)，气体容器(2)的上方是入射窗(1)，下方是出射窗(6)，气体容器(2)中加有电场(4)，γ射线或X射线通过入射窗(1)进入气体容器(2)后，与气体容器(2)中的工作气体(3)发生光电效应产生光电子，在电场(4)的作用下，电子经电场(4)加速后激发气体原子，发射出真空紫外光子，从出射窗(6)射出并被光电倍增管(7)探测，其特征在于，所述的出射窗(6)的上部有一层波长转换结构(5)，波长转换结构(5)是将波长转换材料(10)均匀的铺在用支架(8)固定的两片石英玻璃(9)中间。
2.根据权利要求1所述的气体闪烁正比计数器，其特征在于，所述的波长转换材料(10)包含了基质BaMgAl10O17和激活剂Eu。
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