CN104035123A - 一种基于闪烁体与光纤耦合的β表面污染探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于闪烁体与光纤耦合的β表面污染探测装置，包括探头、光纤连接器、光电探测器接口、光电探测器、闪烁光纤束、大芯径耐辐照光纤束，闪烁光纤束的一端安置在探头中，闪烁光纤束的另一端通过光纤连接器与大芯径耐辐照光纤束的一端耦合连接，大芯径耐辐照光纤束的另一端通过光电探测器接口与光电探测器相连接；本发明探测装置灵敏度高抗干扰能力强，结构简单，使用方便，探测面积大。

Description

一种基于闪烁体与光纤耦合的β表面污染探测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种探测装置，特别是涉及一种β表面污染探测装置及探测方法。

背景技术

闪烁探测器是近几年来发展较快，应用最广泛的核探测器，它的核心结构之一是敏感探头。在β粒子直接探测中使用闪烁型探测器，它是由β粒子敏感探测组件，光电倍增管，电源和放大器－分析器－定标器系统组成，往往配备有计算机系统来处理测量结果。β粒子敏感探测组件在很大程度上决定了β粒子探测器的质量。

在传统的β粒子的探测中，塑料闪烁体作为探测β粒子的敏感元件，是探测器的关键部分。但闪烁体内产生的闪烁光的传播方向是随机的，不容易收集和传输，影响探测效率。因此，传统的β探测器采用把光电转换器(如光电倍增管)的有效窗口直接贴在闪烁体表面上，就是为了提高探测效率；光电探测器的有效窗口面积有限，这样就限制了探测面积；同时由于光电探测器与闪烁体不能分离，而作为敏感元件的闪烁体又必须放在有射线的现场，就使得带有电子元件和金属导线的光电探测器也要放在有辐照的现场，现场辐射和电磁干扰往往使电子元件的损毁和金属导线的电流的紊乱。造成不能实现现场无源遥测。

有些场合需要探测大面积污染物，尤其是应急抢险时，需要快速测量，当探测面积大于1000cm2以上时，现有光电探测器的有效探测窗口面积较小，就不能满足探测要求。同时在一些应用场合，还需要把传感元件探测到的信号，通过非金属介质来传输到远处安全的机房。

发明内容

本发明的目的是提供一种灵敏度高、抗干扰能力强、结构简单、使用方便、探测面积大的基于闪烁体与光纤耦合的β表面污染探测装置；

本发明还提供一种应用本发明装置进行β表面污染探测的方法。

本发明一种基于闪烁体与光纤耦合的β表面污染探测装置，包括探头、光纤连接器、光电探测器接口、光电探测器、闪烁光纤束、大芯径耐辐照光纤束，闪烁光纤束的一端安置在探头中，闪烁光纤束的另一端通过光纤连接器与大芯径耐辐照光纤束的一端耦合连接，大芯径耐辐照光纤束的另一端通过光电探测器接口与光电探测器相连接；

探头用于探测β粒子，将探测到的β粒子转化成光信号，并经闪烁光纤束将光信号输出；光纤连接器用于实现闪烁光纤与大芯径耐辐照光纤的耦合连接；大芯径耐辐照光纤束用于接收经闪烁光纤束传来的光信号，并将其输送给光电探测器；光电探测器用于将光信号转化成电信号；光电探测器接口用于实现大芯径耐辐照光纤束的端面与光电探测器的窗口之间的对接。

所述探头包括闪烁光纤、塑料闪烁晶体、金属镀膜、光学胶，闪烁光纤夹在上下两层塑料闪烁晶体之间，闪烁光纤在同一平面内平行致密排列，上下两层塑料闪烁晶体的外表面上镀有金属镀膜。

所述闪烁光纤与上下层塑料闪烁晶体之间的空隙中填充有光学胶。

所述闪烁光纤是有高折射率的闪烁物质作纤芯，低折射率的物质作包层的结构，其直径为0.3mm.

所述大芯径耐辐照光纤是一种耐辐照的低损耗石英光纤，其低损耗窗口覆盖到紫外波段，其直径为1mm。

所述塑料闪烁晶体是片状结构，并且厚度在1mm到2mm之间。

所述光纤连接器的内部包括若干单元，每个单元由7根闪烁光纤通过专用陶瓷插芯与陶瓷套管与1根大芯径耐辐照光纤耦合组成。

每7根直径为0.3mm闪烁光纤7插入内径为0.9mm的陶瓷插芯，灌上环氧胶固化后，进行研磨抛光，做成第一插针；单根直径为1mm的大芯径耐辐照光纤插入内径为1mm的陶瓷插芯，灌上环氧胶固化后，进行研磨抛光，做成第二插针；通过陶瓷套管将第一插针和第二插针准直耦合。

利用本发明一种基于闪烁体与光纤耦合的β表面污染探测装置进行β表面污染探测探测的方法如下：

首先将探头置于有β射线表面污染的场地；

塑料闪烁晶体检测β射线，并将β射线辐射的能量转化成光信号；

经塑料闪烁晶体转化的光信号照射到闪烁光纤7中并传输；

当光信号传输到光纤连接器后，光信号传输到与闪烁光纤耦合连接的大芯径耐辐照光纤束；

大芯径耐辐照光纤束将光信号输送至光电探测器，光电探测器将接收来的光信号转化成电信号，实现对β射线表面污染的检测。

本发明通过采用塑料闪烁体与闪烁光纤同时作敏感材料，塑料闪烁体本身探测效率高，闪烁光纤本身既是探测元件又是塑料闪烁体产生的闪烁光的收集与传输元件。这样组合既解决了塑料闪烁体产生的闪烁光不易收集的难题，又解决闪烁光纤相对效率较低的不足，提高了探头对β粒子的探测效率和闪烁光的收集能力；通过对探头外围镀金属反射膜，在屏蔽外界杂光干扰的情况下，通过闪烁光在探头内部的多次反射，使更多的闪射光进入光纤，提高光纤的耦合效率，从而提高探测器的灵敏度和抗干扰能力；光纤连接器中通过专用陶瓷插芯与陶瓷套管的直接耦合连接，准直度大大高于毛细管套接方式；耦合结构分成多单元，每个单元由7根闪烁光纤与1根大芯径耐辐照光纤耦合，这样在提高了耦合效率的同时减小了连接器的体积；使用大芯径耐辐照光纤束作为信号传输通道，实现现场无源遥测，同时具有传输带宽大，损耗小，抗辐照，抗强电磁干扰等特点。

下面结合附图对本发明一种基于闪烁体与光纤耦合的β表面污染探测装置作进一步说明。

附图说明

图1为基于闪烁体与光纤耦合的β表面污染探测装置的结构示意图；

图2为探头的轴截面示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于闪烁体与光纤耦合的β表面污染探测装置包括探头1、光纤连接器2、光电探测器接口3、光电探测器4、闪烁光纤束5、大芯径耐辐照光纤束6，闪烁光纤束5的一端安置在探头1中，闪烁光纤束5的另一端通过光纤连接器2与大芯径耐辐照光纤束6的一端耦合连接，大芯径耐辐照光纤束6的另一端通过光电探测器接口3与光电探测器4相连接。

探头1用于探测β粒子，将探测到的β粒子转化成光信号；闪烁光纤束5用于将光信号输出，闪烁光纤束5包括多根闪烁光纤7；光纤连接器2用于实现闪烁光纤7与大芯径耐辐照光纤的耦合连接；大芯径耐辐照光纤束6用于接收经闪烁光纤束5传来的光信号，并将其输送给光电探测器4，大芯径耐辐照光纤束6包括多根大芯径辐照光纤；光电探测器4用于将光信号转化成电信号；光电探测器接口3用于大芯径耐辐照光纤束6的端面与光电探测器4的窗口之间对接，保证大芯径耐辐照光纤束6的端面与光电探测器4的窗口垂直，并保持一定距离(1mm到50mm)固定。

闪烁光纤束5中间加有轴向芳纶作为加强芯，外被护套保护；

闪烁光纤7是有高折射率的闪烁物质作纤芯，低折射率的物质作包层的结构，其直径为0.3mm；

大芯径耐辐照光纤是一种耐辐照的低损耗石英光纤，其低损耗窗口覆盖到紫外波段，其直径为1mm；

光纤连接器2的内部并列包括若干单元，每个单元由7根闪烁光纤7通过专用陶瓷插芯与陶瓷套管与1根大芯径耐辐照光纤耦合组成，每7根闪烁光纤7通过专用陶瓷插芯与陶瓷套管与1根大芯径耐辐照光纤耦合连接。

如图2所示，探头1包括闪烁光纤7、塑料闪烁晶体8、金属镀膜9、光学胶10，闪烁光纤7的一端夹在上下两层塑料闪烁晶体8之间，闪烁光纤7在同一平面内平行致密排列，闪烁光纤7的另一端在探头1的外部集结成闪烁光纤束5，上下两层塑料闪烁晶体8的外表面上镀有金属镀膜9，在闪烁光纤7与上下层塑料闪烁晶体8之间的空隙中填充有光学胶10；

塑料闪烁晶体8是片状结构，作为β射线的敏感元件，产生闪烁光信号，并且厚度在1mm到2mm之间时效率较高，塑料闪烁晶体8的上下表面经过研磨抛光，有利于与闪烁光纤7之间的耦合同时有利于与金属镀膜9的结合；

金属镀膜9是反射效率很高的金属膜层，该膜层厚度较小，在不影响β射线入射的情况下，屏蔽外界杂光干扰，提高光纤的耦合效率，所述金属镀膜9可以是铝或者银；

光学胶10采用透过率≥95％的胶体，使得闪烁光纤7、塑料闪烁晶体8之间能够更好的耦合。

上述实施例中光纤连接器2内部的每个单元的具体连接方法为：7根直径为0.3mm闪烁光纤7插入内径为0.9mm的陶瓷插芯，灌上环氧胶固化后，进行研磨抛光，做成第一插针；单根直径为1mm的大芯径耐辐照光纤插入内径为1mm的陶瓷插芯，灌上环氧胶固化后，进行研磨抛光，做成第二插针，通过陶瓷套管将第一插针和第二插针准直耦合。

闪烁光纤7是一种塑料光纤，大芯径耐辐照光纤是一种石英多模光纤，两种材料的折射率、硬度等差别很大，同样芯径的光纤耦合，如果端面不做陶瓷插针研磨或准直不好(用毛细管)，耦合效率很低，采用小芯径光纤注入大芯径光纤提高了耦合效率。耦合时，在第一插针和第二插针的端面涂上折射率介于两种光纤折射率之间的匹配液，提高耦合效率。同时，一个7对1单元比七个1对1单元体积少，便于实用。

光纤连接器2后边是大芯径耐辐照光纤束6，它是探头1探测到的光信号的主要的传输通道，它的低损耗窗口必须涵盖闪烁光波长范围，同时具有一定的抗辐照性能，大芯径耐辐照光纤可以集束成1束，也可以根据与其耦合的前端闪烁光纤的位置分别集结成多束。

本发明的原理为β射线引起塑料闪烁晶体8和闪烁光纤7的分子的激发，被激发的分子从激发态回到基态的跃迁发射出光子，塑料闪烁晶体8产生的荧光有部分耦合到闪烁光纤7内，与闪烁光纤7自身产生的部分受全反射约束的荧光一起，通过大芯径耐辐照光纤束6传输到远处光电探测器4，实现对β表面污染的探测。

利用上述实施例中的一种基于闪烁体与光纤耦合的β表面污染探测装置进行β表面污染探测探测的方法如下：

首先将探头1置于有β射线表面污染的场地；

塑料闪烁晶体8检测β射线，并将β射线辐射的能量转化成光信号；

经塑料闪烁晶体8转化的光信号照射到闪烁光纤7中并传输；

当光信号传输到光纤连接器2后，光信号传输到与闪烁光纤7耦合连接的大芯径耐辐照光纤束6；

大芯径耐辐照光纤束6将光信号输送至光电探测器4，光电探测器4将接收来的光信号转化成电信号，实现对β射线表面污染的检测。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于闪烁体与光纤耦合的β表面污染探测装置，包括光纤连接器(2)、闪烁光纤束(5)、闪烁光纤(7)、大芯径耐辐照光纤束(6)，其特征在于，还包括探头(1)、光电探测器接口(3)、光电探测器(4)，闪烁光纤束(5)的一端安置在探头(1)中，闪烁光纤束(5)的另一端通过光纤连接器(2)与大芯径耐辐照光纤束(6)的一端耦合连接，大芯径耐辐照光纤束(6)的另一端通过光电探测器接口(3)与光电探测器(4)相连接；

探头(1)用于探测β粒子，将探测到的β粒子转化成光信号，并经闪烁光纤束(5)将光信号输出；光纤连接器(2)用于实现闪烁光纤(7)与大芯径耐辐照光纤的耦合连接；大芯径耐辐照光纤束(6)用于接收经闪烁光纤束(5)传来的光信号，并将其输送给光电探测器(4)；光电探测器(4)用于将光信号转化成电信号；光电探测器接口(3)用于实现大芯径耐辐照光纤束(6)的端面与光电探测器(4)的窗口之间的对接。

2.根据权利要求1所述的一种基于闪烁体与光纤耦合的β表面污染探测装置，其特征在于，所述探头(1)包括闪烁光纤(7)、塑料闪烁晶体(8)、金属镀膜(9)、光学胶(10)，闪烁光纤(7)夹在上下两层塑料闪烁晶体(8)之间，闪烁光纤(7)在同一平面内平行致密排列，上下两层塑料闪烁晶体(8)的外表面上镀有金属镀膜(9)。

3.根据权利要求2所述的一种基于闪烁体与光纤耦合的β表面污染探测装置，其特征在于，所述闪烁光纤(7)与上下层塑料闪烁晶体(8)之间的空隙中填充有光学胶(10)。

4.根据权利要求3所述的一种基于闪烁体与光纤耦合的β表面污染探测装置，其特征在于，所述光纤连接器(2)的内部包括若干单元，每个单元由7根闪烁光纤(7)通过专用陶瓷插芯与陶瓷套管与1根大芯径耐辐照光纤耦合组成。

5.根据权利要求4所述的一种基于闪烁体与光纤耦合的β表面污染探测装置，其特征在于，每7根闪烁光纤(7)插入内径为0.9mm的陶瓷插芯，灌上环氧胶固化后，进行研磨抛光，做成第一插针；单根大芯径耐辐照光纤插入内径为1mm的陶瓷插芯，灌上环氧胶固化后，进行研磨抛光，做成第二插针；通过陶瓷套管将第一插针和第二插针准直耦合。

6.根据权利要求5所述的一种基于闪烁体与光纤耦合的β表面污染探测装置，其特征在于，所述闪烁光纤(7)是有高折射率的闪烁物质作纤芯，低折射率的物质作包层的结构，其直径为0.3mm。

7.根据权利要求6所述的一种基于闪烁体与光纤耦合的β表面污染探测装置，其特征在于，所述大芯径耐辐照光纤是一种耐辐照的低损耗石英光纤，其低损耗窗口覆盖到紫外波段， 其直径为1mm。

8.根据权利要求7所述的一种基于闪烁体与光纤耦合的β表面污染探测装置，其特征在于，所述塑料闪烁晶体(8)是片状结构，并且厚度在1mm到2mm之间。

9.利用权利要求1至8任一所述一种基于闪烁体与光纤耦合的β表面污染探测装置进行β表面污染探测探测的方法如下：

首先将探头(1)置于有β射线表面污染的场地；

塑料闪烁晶体(8)检测β射线，并将β射线辐射的能量转化成光信号；

经塑料闪烁晶体(8)转化的光信号照射到闪烁光纤(7)中并传输；

当光信号传输到光纤连接器(2)后，光信号传输到与闪烁光纤(7)耦合连接的大芯径耐辐照光纤束(6)；

大芯径耐辐照光纤束(6)将光信号输送至光电探测器(4)，光电探测器(4)将接收来的光信号转化成电信号，实现对β射线表面污染的检测。