CN104865592B - 一种α、β射线探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种射线探测器，特别是涉及一种薄片塑料闪烁体与光电倍增管组合形式的α、β射线探测器。本发明通过结构设计尽量避免外部光子进入探测器内部、提高探测器内表面光收集效率、增加探测窗口的射线透过面积。探测窗口的避光主要依靠黑色硅胶圈与塑料闪烁体、避光膜、壳体侧壁、保护罩的弹性接触实现。在探测器壳体内表面镀铝膜，使闪烁光反射系数大于0.9，探测器壳体四壁均设计成斜面，减小闪烁光在探测器壳体内的反射次数，使光子能够快速聚集。探测窗口保护罩栅格有两种形式，一种是蜂窝状六角形栅格，射线垂直入射的透过率大于90％。另一种是六角形栅格与不锈钢纱网的组合，射线垂直入射的透过率大于75％。结构简单，维修性强，探测效率高。

Description

一种α、β射线探测器

技术领域

本发明涉及一种α、β射线探测器，特别是涉及一种薄片塑料闪烁体与光电倍增管组合形式的α、β射线探测器。

背景技术

α、β射线探测器是人员全身α、β污染监测仪、手足α、β污染监测仪等的传感器，能快速地检测到被测人体表面沾染的α、β射线，以判别人员是否受到放射性污染。主要应用于核电站、核处理厂、核仓库等放射性工作场所的人身污染监控等方面。

薄片塑料闪烁体与光电倍增管组合形式的α、β射线探测器的原理是：射线进入薄片闪烁体时，闪烁体的原子或分子被电离或激发，退激时，一部分电离或激发能量以光辐射形式释放，形成闪烁光，闪烁光的一部分通过光屏蔽暗室被收集到光电倍增管的阴极上，光子被阴极吸收后产生光电子，光电子在倍增级作用下倍增，最终被阳极吸收产生电流信号，电流信号经过电路被转换为电压信号，再经过放大和比较电路，产生并输出一个TTL脉冲，后续的单片机电路获此脉冲，并将脉冲计数值通过串口向上位机发送，通过上位机所显示的脉冲计数值可以比较准确的了解闪烁体所发出的闪烁光的光子个数。光子个数又与射线种类、能量、活度、与探测器的距离等有关。

由于α、β射线(尤其是低能α、β射线，如¹⁴C)的射程有限，穿透力弱，所以在进行α、β射线探测时，为了达到理想的探测效率，要求探测器与测量对象的距离尽量近，探测器窗口避光材料的面密度尽量低，保护罩栅格对α、β射线的遮挡面积尽量小。

实际操作时，往往将被测物贴在探测器表面，窗口避光材料选择聚乙烯镀铝薄膜。聚乙烯镀铝薄膜厚度一般小于5μm，在使用过程中会发生被外物划伤的情况，导致探测器避光效果失效。此时需要更换镀铝薄膜，因此要求探测器的维修保养要方便。

以往的探测器，薄片塑料闪烁体、避光膜、探测器壳体、保护罩四者之间为硬接触，为了达到理想的避光效果，在装配时采用黑色液体硅胶对这四者接触边缘的缝隙进行一次性密封，再次开启探测器时比较困难，不利于现场维修，同时薄膜和壳体也遭破坏，难于回收再利用，导致浪费。

以往探测器的保护罩栅格采用带若干正方形孔的薄金属板，本身的射线透过率受冲孔工艺限制不可能做的很高(<60％)，这样使探测器的有效探测面积大幅降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、可靠性高、维修性好、装配周期短、适合现场维护、有效探测面积大的α、β射线探测器。

本发明一种α、β射线探测器包括探测器壳体、光屏蔽组合体、保护罩、光电倍增管；探测器壳体探测窗口侧壁上留有止口，光屏蔽组合体放置在止口上，保护罩侧面四周的内沿卡扣与探测器壳体外沿卡扣卡紧；光屏蔽组合体包括薄片塑料闪烁体、避光膜、黑色硅胶圈，具体连接方式为：将避光膜包裹固定在薄片塑料闪烁体探测面的外表面、侧面一周及内表面边缘上，黑色硅胶圈将已包裹避光膜的薄片塑料闪烁体边缘夹住，黑色硅胶圈下部的凸台a与探测窗口侧壁顶部的凹槽a有4°～6°的拔模角度，凸台a与凹槽a紧密贴合；保护罩的网孔结构为蜂窝状六角形栅格，不锈钢纱网位于六角形栅格高度方向的中间位置，不锈钢纱网长度、宽度与保护罩正面长度、宽度相同，六角形栅格栅格宽度b=1mm、高度h=2mm、孔径k=23.2mm；不锈钢纱网丝径t=0.13mm、孔径a＝1.4mm，射线垂直入射通过保护罩的透过率为75％；光电倍增管通过探测器壳体侧壁斜面上的“涵洞”管插入探测器壳体内，探测器壳体四壁均设计有斜面a、斜面b、斜面c、斜面d，探测器壳体底面有小斜面a、小斜面b，斜面法向均指向光电倍增管阴极方向，光电倍增管焊接在电路板上，电路板通过螺栓固定在端盖内部，探测器壳体与电路窗口的接触面开有凹槽b，端盖四壁顶部设有凸台b，凸台b与凹槽b相匹配，凹槽b内放置矩形黑色橡胶圈，端盖通过螺钉压紧固定在探测器壳体上，光电倍增管的电源线通过端盖上的过线孔引出，电源线与过线孔之间用真空封泥密封。光电倍增管的电源线通过端盖上的过线孔引出，电源线与过线孔之间用真空封泥密封。

本发明黑色硅胶圈为长方形，由模具注塑成型，具有一定的弹性，总长度比薄片塑料闪烁体周长略小，截面为C形，利用C形开口和硅胶圈自身弹性将已包裹避光膜的闪烁体边缘夹住，从而组成闪烁光屏蔽组合体。组合体底部的凸台a(位于黑色硅胶圈下部)置于探测窗口侧壁顶部的凹槽a内，目的有两个，一是加强对组合体的侧向定位，二是通过迷宫接触实现避光。保护罩通过内沿卡扣(阴)与探测窗口外沿卡扣(阳)连接，对组合体正向压紧并定位。探测窗口的避光主要依靠黑色硅胶圈与其他零件(避光膜、探测窗口侧壁、保护罩)的弹性接触实现。

本发明电路窗口位于探测器壳体的侧面，与探测窗口垂直。光电倍增管可以通过电路窗口插入探测器壳体内进行探测，方便安装和维护。光电倍增管固定在电路板上，电路板安装在端盖(一面开口的长方形壳体)内部，两者通过螺栓连接。端盖长宽尺寸比电路窗口长宽尺寸大，可以完全覆盖电路窗口，两者同样通过螺栓连接。端盖与电路窗口的接触面开有凹槽b(位于电路窗口四周)和凸台b(位于端盖四壁顶部)，凹槽b深度比凸台b高度尺寸稍大，凹槽b内放置矩形黑色橡胶圈(横截面为圆形)，当端盖与电路窗口端面压紧时，橡胶圈产生形变，起到避光的作用。光电倍增管的电源线(兼用作信号线)通过端盖上的过线孔引出，电源线与过线孔之间用真空封泥密封避光。

本发明将探测器壳体四壁均设计为斜面，探测器壳体底面同样设计有两个小斜面，使底面呈碗状。塑料闪烁体的发光衰减时间为2.8ns，在空气介质中的最大行程为0.84m。减小光在探测器壳体内的反射次数对于提高探测效率有重要意义。从几何结构考虑，斜面法向均指向光电倍增管阴极方向，能够使光子快速聚集，增加一次反射光电倍增管吸收光能量的比例。另一方面，金属镀层对于法向反射光有最大的能量反射比。例如：法向反射比45°斜反射时反射比要高约5％。光电倍增管除了光阴极之外，其余部分吸收光子会损失光子数量，因此在安装光电倍增管的侧壁斜面上设计有“涵洞”管，利用“涵洞”管将光电倍增管阴极以外的部分遮蔽。

探测器保护罩可以在一定程度上起到保护避光膜(镀铝薄膜)的作用，但是保护罩栅格对α、β射线的入射有一定程度的遮挡。

本发明所述的不锈钢纱网黏贴或热敷固定在保护罩的内表面上。

本发明探测器保护罩由注塑工艺一次成型，注塑时将纱网平铺在栅格中间，六角形栅格与不锈钢纱网的组合射线垂直入射的透过率大于75％。这种保护罩主要用于避光膜易损伤的探测环境(如手部探测)。

本发明所述的探测器壳体内表面层和“涵洞”管外表面层为铝。

本发明通过在探测器壳体(通过模具由黑色ABS注塑工艺成型)内表面镀铝膜(采用真空镀工艺)提高闪烁光反射系数。闪烁光最强发射波长(光谱峰位)为423nm，镀铝膜的能量反射比(反射能量与入射能量之比)在闪烁光光谱范围内均大于0.9。与其它金属镀膜(铜、金、银、镍等)相比，在此能谱范围内能量反射比更大，加工工艺成熟，价格低廉。

本发明所述的黑色硅胶圈与探测窗口形状一致，总长度比薄片塑料闪烁体周长小，截面为C形；黑色橡胶圈横截面为圆形。

本发明所述的避光膜为两层、三层或四层。

本发明所述的探测窗口为矩形、方形或圆形。

本发明的有益效果：

1、薄片塑料闪烁体、避光膜、黑色硅胶圈组成的闪烁光屏蔽组合体，装配工艺简单，装配周期短，各个零部件可以反复利用，非常适合现场维修。克服了传统探测器维修成本高，维修周期长的缺点。

2、探测器避光方法可靠性高，抗震动，避光效果好，本发明探测器避光方法的本底计数可以达到光学暗室的水平。

3、探测器电路窗口安装端盖后，端盖顶部不超过探测窗口最大外沿。在多个探测器排列组合使用时，可最大限度减少两个探测器之间的“死区”面积，增大有效探测面积。

4、探测器聚光方法中镀层反射效率高，适合闪烁光能谱范围。多个斜面的设计方式能够使闪烁光快速聚集到光电倍增管的阴极，减少光衰减前在壳体内的反射次数。

5、探测器增透方法中采用的六角形栅格保护罩，射线透过率较传统探测器的正方形栅格有了大幅度的提高。六角形栅格与不锈钢纱网组合保护罩，与传统探测器相比，射线透过率也有提高，而且与被测物的探测距离更近，非常适合各种复杂环境下的探测。

附图说明

图1α、β射线探测器探测窗口剖视图

图2图1中A点局部放大图

图3α、β射线探测器电路窗口剖视图

图4图3中B点局部放大图

图5图3中C点局部放大图

图6探测器壳体探测窗口俯视图

图7第一种保护罩俯视图

图8第二种保护罩俯视图

图9保护罩剖面图

图10图9中D点局部放大图

其中：1.探测器壳体；2.黑色硅胶圈；3.薄片塑料闪烁体；4.保护罩；5.避光膜；6.外沿卡扣；7.内沿卡扣；8.光电倍增管；9.电路板；10.端盖；11.“涵洞”管；12.橡胶圈；13.过线孔；14-1.斜面a；14-2.斜面b；14-3.斜面c；14-4.斜面d；15-1.小斜面a；15-2.小斜面b；16.六角形栅格；17.不锈钢纱网；18.止口；19.光屏蔽组合体；20-1.凸台a；20-2.凸台b；21-1.凹槽a；21-2.凹槽b。

具体实施方式

下面结合附图、具体实施方式对本发明作进一步说明。

实例1

图1和图2说明了如何对探测器壳体1探测窗口进行避光设计。探测窗口为矩形，侧壁上留有止口18，止口18内放置闪烁光屏蔽组合体19，止口18外扣保护罩4。闪烁光屏蔽组合体19包括薄片塑料闪烁体3、避光膜5、黑色硅胶圈2；采用3层避光膜5对薄片塑料闪烁体3外表面、侧面一周及内表面边缘进行包裹。黑色硅胶圈2为长方形，由模具注塑工艺成型，具有一定的弹性，总长度比薄片塑料闪烁体3周长略小，截面为C形，利用C形开口和黑色硅胶圈2自身弹性将已包裹避光膜5的薄片塑料闪烁体3边缘夹住，从而组成闪烁光屏蔽组合体。位于黑色硅胶圈2下部的(即闪烁光屏蔽组合体19底部)凸台a(即20-1)，置于探测窗口侧壁顶部的凹槽a(即21-1)内，目的有两个，一是加强对组合体的侧向定位，二是通过迷宫接触实现避光，避免外部光子从探测窗口进入探测器内部。保护罩4通过内沿卡扣7与探测窗口外沿卡扣6连接，对闪烁光屏蔽组合体19正向压紧并定位。探测窗口的避光主要依靠黑色硅胶圈2与避光膜5、薄片塑料闪烁体3、探测器壳体1、保护罩4的弹性接触实现。

图3、图4和图5说明了如何对探测器壳体1电路窗口进行避光设计。电路窗口位于探测器壳体1的侧面，与探测窗口垂直。光电倍增管8通过探测器壳体1侧面预留开口进入“涵洞”管11内，插入探测器壳体1内进行探测，方便安装和维护。光电倍增管8焊接在电路板9上，电路板9安装在端盖10内部，两者通过螺栓连接。端盖10长宽尺寸比电路窗口长宽尺寸大，可以完全覆盖电路窗口，两者同样通过螺栓连接。端盖10与电路窗口的接触面开有凹槽b(即21-2)，凹槽b(即21-2)位于电路窗口四周，端盖四壁顶部设有凸台b(即20-2)，凹槽b(即21-2)深度比凸台b(即20-2)高度尺寸稍大，凹槽b(即21-2)内放置矩形黑色橡胶圈12，横截面为圆形；当端盖10与电路窗口端面压紧时，橡胶圈12产生形变，起到避光的作用。光电倍增管8的电源线通过端盖10上的过线孔13引出，电源线与过线孔13之间用真空封泥密封避光。

探测器电路窗口安装端盖10后，端盖10顶部不超过探测窗口最大外沿，如图5所示。在多个探测器排列组合使用时，可最大限度减少两个探测器之间的“死区”面积，增大有效探测面积。

图1、图3和图6说明了如何对探测器壳体1内表面进行聚光设计。

本发明通过在探测器壳体1内表面镀铝膜提高闪烁光反射系数。探测器壳体1通过模具由黑色ABS注塑工艺成型，镀铝膜采用真空镀工艺。闪烁光最强发射波长(光谱峰位)为423nm，镀铝膜的能量反射比(反射能量与入射能量之比)在闪烁光光谱范围内均大于0.9。与其它金属镀膜(铜、金、银、镍等)相比，在此能谱范围内能量反射比更大，加工工艺成熟，价格低廉。

本发明将探测器壳体1四壁均设计为斜面14(包括斜面a14-1、斜面b14-2、斜面c14-3、斜面d14-4)，探测器壳体1底面同样设计有两个小斜面15(包括小斜面15-1、小斜面15-2)，底面呈碗状。薄片塑料闪烁体3的发光衰减时间为2.8ns，闪烁光在空气介质中的最大行程为0.84m。减小光在探测器壳体1内的反射次数对于提高探测效率有重要意义。从几何结构考虑，斜面14法向均指向光电倍增管8的阴极，能够使光子快速聚集，增加一次反射光电倍增管8吸收光能量的比例。另一方面，金属镀层对于法向反射光有最大的能量反射比。当法向反射比45°斜反射时反射比要高5％。光电倍增管8除了光阴极之外，其余部分吸收光子会损失光子数量，因此在安装光电倍增管8的侧壁斜面上设计有“涵洞”管11，利用“涵洞”管11将光电倍增管8阴极以外的部分遮蔽。

图7、图8、图9和图10说明了如何对探测器保护罩进行增透设计。

本发明探测器保护罩有两种形式。一种是蜂窝状六角形栅格16，通过模具由注塑工艺成型，如图7所示。六角形栅格16宽度1mm，高度2mm。射线垂直入射的透过率大于90％。这种保护罩主要用于避光膜5不易损伤的探测环境。另一种是六角形栅格16与不锈钢纱网17的组合形式，注塑时将不锈钢纱网17平铺在六角形栅格16中间，如图8、图9和图10所示。不锈钢纱网17孔径1.4mm，丝径0.13mm。射线垂直入射的透过率大于75％。这种保护罩主要用于避光膜易损伤的探测环境，如手部探测。

实例2

探测窗口也可设计为圆形、方形或其它易于探测的形状。

对按本发明设计的原理样机的测试结果证明，采用本发明的技术方案，α、β射线探测器结构简单，装配周期短，可靠性高，维修性好，适合现场维护，有效探测面积大。

Claims (7)

1.一种α、β射线探测器，其特征在于该探测器包括探测器壳体(1)、光屏蔽组合体(19)、保护罩(4)、光电倍增管(8)；探测器壳体(1)探测窗口侧壁上留有止口(18)，光屏蔽组合体(19)放置在止口(18)上，保护罩(4)侧面四周的内沿卡扣(7)与探测器壳体(1)外沿卡扣(6)卡紧；光屏蔽组合体(19)包括薄片塑料闪烁体(3)、避光膜(5)、黑色硅胶圈(2)，具体连接方式为：将避光膜(5)包裹固定在薄片塑料闪烁体(3)探测面的外表面、侧面一周及内表面边缘上，黑色硅胶圈(2)将已包裹避光膜(5)的薄片塑料闪烁体(3)边缘夹住，黑色硅胶圈(2)下部的凸台a(20-1)与探测窗口侧壁顶部的凹槽a(21-1)有4°～6°的拔模角度，凸台a(20-1)与凹槽a(21-1)紧密贴合；保护罩(4)的网孔结构为蜂窝状六角形栅格(16)，不锈钢纱网(17)位于六角形栅格(16)高度方向的中间位置，不锈钢纱网(17)长度、宽度与保护罩(4)正面长度、宽度相同，射线垂直入射通过保护罩(4)的透过率为75％；光电倍增管(8)通过探测器壳体(1)侧壁斜面上的“涵洞”管(11)插入探测器壳体(1)内，探测器壳体(1)四壁均设计有斜面a(14-1)、斜面b(14-2)、斜面c(14-3)、斜面d(14-4)，探测器壳体(1)底面有小斜面a(15-1)、小斜面b(15-2)，斜面法向均指向光电倍增管(8)阴极方向，光电倍增管(8)焊接在电路板(9)上，电路板(9)通过螺栓固定在端盖(10)内部，探测器壳体(1)与电路窗口的接触面开有凹槽b(21-2)，端盖(10)四壁顶部设有凸台b(20-2)，凸台b(20-2)与凹槽b(21-2)相匹配，凹槽b(21-2)内放置矩形黑色橡胶圈(12)，端盖(10)通过螺钉压紧固定在探测器壳体(1)上，光电倍增管(8)的电源线通过端盖(10)上的过线孔(13)引出，电源线与过线孔(13)之间用真空封泥密封。

2.按权利要求1所述的一种α、β射线探测器，其特征在于六角形栅格(16)栅格宽度b=1mm、高度h=2mm、孔径k=23.2mm；不锈钢纱网(17)丝径t＝0.13mm、孔径a=1.4mm。

3.按权利要求1所述的一种α、β射线探测器，其特征在于不锈钢纱网(17)黏贴或热敷固定在保护罩(4)的内表面上。

4.按权利要求1所述的一种α、β射线探测器，其特征在于探测器壳体(1)内表面层和“涵洞”管(11)外表面层为铝。

5.按权利要求1所述的一种α、β射线探测器，其特征在于黑色硅胶圈(2)与探测窗口形状一致，截面为C形；黑色橡胶圈(12)横截面为圆形。

6.按权利要求1所述的一种α、β射线探测器，其特征在于避光膜(5)为两层、三层或四层。

7.按权利要求1所述的一种α、β射线探测器，其特征在于探测窗口为矩形、方形或圆形。