CN105068107A - 用于高灵敏检测辐射的闪烁性光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于高灵敏检测辐射的闪烁性光纤传感器，包括依此连接的闪烁性光纤、传导光纤和光检测器，闪烁性光纤采用多孔纳米硅材料，多孔纳米硅材料中掺杂有纳米尺寸的闪烁体。本发明可实现对辐射的现场实时测定，检测灵敏度高，传感过程中光子产率和能量分辨率高，经济实惠。

Description

用于高灵敏检测辐射的闪烁性光纤传感器

技术领域

本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种用于高灵敏检测辐射的闪烁性光纤传感器。

背景技术

闪烁性的技术已被长期用来检测和监控从放射性物质发出的高能辐射和离子化粒子。在一个闪烁性的过程中，一个高能光子(X射线或γ射线)或一个离子化粒子(а粒子、в粒子或中子)与一个闪烁性的材料相互作用产生光子，并可用光电倍增管或光电二极管将光信号转化为电信号进行测定。用于高能辐射和离子化粒子检测的闪烁性技术最具吸引力的优点包括：环境温度下的操作，高的灵敏度和高的能量分辨率。闪烁性检测技术环境温度下操作的特征与基于半导体只能在低温下工作的检测技术形成对比。因此，在辐射检测中闪烁性技术的应用范围比那些基于半导体的技术的应用范围更加广泛，尤其是对于现场的测定。

闪烁性材料的性能是决定一个闪烁性检测器的灵敏度和能量分辨率的关键因素。这里有几类闪烁性的材料可用于不同的应用目的。无机盐晶体，如CsI(Tl)，NaI(Tl)用于γ辐射检测的闪烁性材料中具有最高的光子产率。然而这些晶体有一些缺点：它们通常都很昂贵，在处理和操作时需要很小心，也不能用于恶劣的环境中。一些其它的无机化合物，如ZnS，CdSe，也有高的光子产率，但是因为它们的性能而不能制成透明的晶体。因此它们通常被用作涂层涂在透明玻璃的表面用于重粒子的检测。稀土金属离子是非常好的荧光性物质，已被用于闪烁性检测。稀土元素通常被分布在一个透明的模型中，如玻璃或硅材料，通过与高能粒子间的相互作用而产生的光子被引导通过玻璃而被捕获至光子检测器。有机闪烁体，如芳香族化合物，尤其是多环芳香烃(如蒽和对称二苯乙烯)已被用于检测в粒子、γ射线和中子，在苯溶液或甲苯溶液中的PPO(2,5-二甲基-1,3-恶唑)和POPOP(1,4-二(5-苯基-2-恶唑基)苯)已被广泛用于生物研究中对¹⁴C的计数。

塑料闪烁体可通过将闪烁性的荧光物质加入一塑料结构中得到，如加入聚苯乙烯，聚甲基苯烯酸甲酯等的结构中。用一个塑料闪烁体对高能粒子进行检测的最具吸引力的特征是可将检测器制成我们想要形状和大小的可能性。因此就可能制得大尺寸的塑料闪烁体，可提高闪烁性检测的灵敏度。另外，因为我们可控制塑料闪烁体的形状，就可制成一些特殊应用要求的形状的塑料闪烁体用于设计专门的检测器。而且，在由可控制形状的闪烁体设计而成的闪烁性检测器中，光子很容易通过闪烁体而被捕获至光子检测器。例如，掺杂有荧光性物质的聚苯乙烯已被制成光纤的形式用于γ射线的检测。在如此一个光纤中产生的闪烁性的光信号可通过光纤传输很容易地被捕获至一个与光纤连接的光电倍增管。塑料闪烁体使用最主要的缺点在于它们在将辐射转化成可测光子的固有低光产量以及低的能量分辨率(相比于固态的检测器)。例如，塑料闪烁体的光子产率通常大约为一个晶体闪烁体的15％或者更低。

在闪烁性的材料中，无机闪烁体用于检测γ射线最高的光子产率和最好的能量分辨率。然而，目前无机闪烁体一般都是以晶体或涂层的形式被应用。该晶体非常昂贵，在操作和处理时需要特别小心。另外，制成大尺寸的晶体也很困难和昂贵。塑料闪烁体很耐用，而且可被制成我们想要的形状以及大尺寸的闪烁体。然而，这类闪烁体具有低的光子产率和低的能量分辨率，从而限制了其应用。而新的闪烁性材料，既拥有与塑料闪烁体相似的弯曲性能，可制成大尺寸的材料具有高的灵敏度，还拥有无机闪烁体高的光子产率和高的能量分辨率，因此，它被寄予高度期望用于设计出功能强大的闪烁性检测器。

以往传统的闪烁性传感器，将闪烁体制成大尺寸的形式，其局限不仅在于制作技术的难度和花费的昂贵，还在于灵敏性很差。因为辐射与闪烁体作用产生闪烁光的方向是向着各个方向的，用光电倍增管无论在那个方向检测都只能检测到一部分光子，存在严重的光损失，因此不能有效地转移和捕获闪烁性材料中发出的光子至光子检测器中。

发明内容

本发明旨在提供一种用于高灵敏检测辐射的闪烁性光纤传感器，可实现对辐射的现场实时测定，检测灵敏度高，传感过程中光子产率和能量分辨率高，经济实惠。

为达到上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：

本发明公开的用于高灵敏检测辐射的闪烁性光纤传感器，包括依此连接的闪烁性光纤、传导光纤和光检测器，所述闪烁性光纤采用多孔纳米硅材料，所述多孔纳米硅材料中掺杂有纳米尺寸的闪烁体。

优选的，所述闪烁性光纤采用溶胶-凝胶闪烁性技术制备。

优选的，所述闪烁性光纤按照以下步骤制备得到：

a、取硅氧烷与乙醇混合，加入盐酸水溶液，搅拌反应，得到硅溶胶溶液；

b、将闪烁体加入到溶剂中，得到闪烁体溶液；

c、将步骤a所得硅溶胶溶液与步骤b所得闪烁体溶液混匀，加入还原剂，得到含有闪烁体的硅溶胶溶液；

d、将步骤c所得含有闪烁体的硅溶胶溶液装填于管中，定型，得到多孔材料的凝胶；

e、将步骤e所得多孔材料的凝胶从管中洗脱出来，干燥或自然风干，即得闪烁性光纤。

优选的，步骤a中，硅氧烷与乙醇的体积比为45:55；硅氧烷与盐酸水溶液的体积比为45:10；步骤b中，闪烁体与溶剂的质量体积比为1：1mg/ml；步骤c中，闪烁体的加入量为18mg/100ml。

优选的，步骤a中，盐酸水溶液的pH＝1；步骤b中，溶剂为水或乙醇；步骤c中，还原剂为H₂、N₂H₄或NaBH₄；步骤e中，洗脱的溶剂为水或乙醇。

步骤a的反应为：(1)(RO)₃Si-OR+H₂O→(RO)₃Si-OH+ROH；步骤b的反应为：(2)(RO)₃Si-OH+(RO)₃Si-OR→(RO)₃Si-O-Si(OR)₃+ROH，(3)(RO)₃Si-OH+(RO)₃Si-OH→(RO)₃Si-O-Si(OR)₃+H₂O；其中，R表示烷基。

发明将一种溶胶-凝胶技术制备的纳米结构的材料以光纤的形式用于传感器的设计中，溶胶-凝胶是一个通用的溶液过程用于制备纳米结构的硅材料和金属氧化物材料。另外，这种室温下的溶液过程也可用于合成混合材料，如嵌入金属盐或金属氧化物的硅材料，固定有纳米金属粒子的硅材料，固定有酶的硅材料。溶胶-凝胶技术得到的硅材料可根据不同的应用目的而制成粉末、涂层、光纤和大尺寸的形式。溶胶-凝胶得到的混合材料已被用作催化剂来催化高温下的气体反应，作为吸附剂用于气体的储存和分离，作为生物活性材料用于催化生化反应及分离，作为传感材料用于光纤传感器设计。

进一步的，所述闪烁性光纤与传导光纤之间通过石英毛细管连接，闪烁性光纤、石英毛细管、传导光纤采用环氧树脂胶固定并形成一个连续的光导管。

优选的，所述光检测器为光电倍增管。

进一步的，所述光电倍增管通过SMA连接器连接传导光纤。

进一步的，所述光导管密封在一个黑管里。

进一步的，所述光电倍增管密封在一个黑色圆筒里。

在上述技术方案中，将掺杂有纳米闪烁体的多孔硅闪烁性光纤用于辐射测定的传感器设计中，将闪烁性光纤与一个传统的传导硅光纤相连。尽管在闪烁性光纤中产生的光子也可传至光纤末端被光子检测器捕获，但在技术上无法将闪烁性的光纤与一个光子检测器如光电倍增管直接相连而进行远距离传感，使传感器的应用受到限制。一个新组装的光纤是将闪烁性的光纤与市场上可买到的传统通用目的的硅光纤相连的光纤。通过这种设计，传统光纤部分将作为光路径用于传输在光纤中产生并传出的光子。用一个石英毛细管可将上述两种光纤连接起来，并用环氧树脂胶固定，从而形成一个连续的光导管，在闪烁性光纤内产生的光子通过光纤的全反射传输至传统硅光纤从而被传输至光电倍增管。可用于远距离传感，避免了高能辐射对光子检测器的直接冲击。

在上述设计方案的基础上，用一标准的SMA连接器将传统光纤的末端与光电倍增管连接起来。另外，在闪烁性光纤中产生的光子与工作环境中的杂散光如太阳光或实验室照明汞灯产生的光相比，具有很有限的光强度。各种来源的杂散光会被光纤顺便捕获并传输至光子检测器，因为杂散光的信号比闪烁性光子的信号强很多，所以对辐射的测定会造成较大的干扰。在这里的设计方案中，将连续的光导管和光电倍增管分别密封在一个黑管和黑色圆筒里。在实验室的初步测试中发现，如果没有黑色管子和黑色圆筒的封装，光电倍增管的光子计数信号高于10⁶counts/s，已达到检测器的上限。如果对上述系统进行封装，并且在一个所有照明灯都开着(没有辐射源)的实验情况下，测得的背景计数信号大约只有28counts/s。表明黑色管子和圆筒的屏蔽封装已成功地阻止了工作环境中杂散光进入光纤和光子检测器中。

在上述设计方案的基础上，将光电倍增管与一数据采集器(DAQ)和一便携式电脑相连用于读取光子计数信号。这里得到的光电倍增管计数信号是一个连续平均的光子计数信号，与用带有多波段分析仪表的传统闪烁性计数器所获得的计数信号不同。计数信号通过实验室制成的电脑程序累计并以counts/s为单位进行记录。

本发明的有益效果，基于这种新闪烁性材料设计而成的传感器对高能辐射的检测有以下优点：

(1)可用光纤路径来有效地转移和捕获闪烁性材料中发出的光子至光子检测器中；

(2)提供了远距离传感能力；

(3)可将传感器部署在一有限空间内和条件苛刻的环境中；

(4)能很容易地屏蔽来自工作环境的杂散光，因此可检测低强度的微弱闪烁光；

(5)可提供一种分布式的传感和检测；

(6)这种闪烁性光纤的费用远低于单纯的晶体闪烁体的费用。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图中：1-γ射线；2-闪烁性光纤；3-闪烁体；4-黑色圆管；5-传导光纤；6-石英毛细管；7-SMA连接器；8-光检测器；9-数据采集器；10-便携式电脑。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示，本发明公开的用于高灵敏检测辐射的闪烁性光纤传感器，包括闪烁性光纤2、传导光纤5和光检测器8，闪烁性光纤2与传导光纤5之间通过石英毛细管6连接，闪烁性光纤2、石英毛细管8、传导光纤5采用环氧树脂胶固定并形成一个连续的光导管，光导管密封在一个黑管里；光检测器8采用光电倍增管，光电倍增管通过SMA连接器7连接传导光纤5,光电倍增管密封在一个黑色圆筒里；闪烁性光纤2采用多孔纳米硅材料，多孔纳米硅材料中掺杂有纳米尺寸的闪烁体3。在实际使用时，将光电倍增管与一数据采集器9和便携式电脑10相连便可从读出光子计数信号。

本发明的工作原理如下：当辐射照射至光纤时，比如γ射线1辐射与闪烁性光纤2中的纳米闪烁体3相互作用产生光子，方向向着各个方向，当光从各个方向传至闪烁性光纤2与空气的界面时，由于是从光密介质向光疏介质传输，大部分光的入射角将超过临界角而发生全反射，使光沿着闪烁光纤2和传导光纤5的方向传输至光电倍增管，光损失很小。

闪烁性光纤采用溶胶-凝胶闪烁性技术制备，优选的制备方法如下(其中相关试剂的用量与比例并无严格限制，可在一定范围内根据需求进行相应改动。下述为常用优选方案，但并不限制本发明，本领域技术人员根据本发明作出各种用量和比例上的改变和替换，只要不脱离本发明的原理，均应属于本发明所附权利要求的范围)：

a、将乙醇与硅氧烷以4.7:1的比例进行充分混合，并加入一定量的酸来催化该聚合过程。由于水与硅氧烷以2:1的比例便足以实现水解缩合反应充分进行，可直接采用PH为1的盐酸溶液以2:1比例与硅氧烷溶液混合，得到产物硅溶胶溶液。具体而言，可将45ml硅氧烷与55ml乙醇混合，搅拌20分钟，加入10mlPH＝1的盐酸溶液，搅拌1小时；

b、将闪烁体溶于水或乙醇中，得到闪烁体溶液。按照每10ml乙醇中加入10mg闪烁体固体的比例配制；

c、步骤b的硅溶胶溶液与步骤c的闪烁体溶液按照每100ml中加入18mg闪烁体的比例混匀，搅拌1小时，加入还原剂(H₂，N₂H₄，NaBH₄适量即可)，得到含有闪烁体的硅溶胶溶液；

d、将含有闪烁体的硅溶胶溶液装填于管中，定型，得到多孔材料的凝胶；

e、用液体(去离子水或乙醇)将步骤e得到的凝胶从管中洗脱出来，干燥或自然风干，除去其中的溶剂和还原剂，即得闪烁性光纤。

其中，步骤a的反应为：(1)(RO)₃Si-OR+H₂O→(RO)₃Si-OH+ROH；步骤b的反应为：(2)(RO)₃Si-OH+(RO)₃Si-OR→(RO)₃Si-O-Si(OR)₃+ROH，(3)(RO)₃Si-OH+(RO)₃Si-OH→(RO)₃Si-O-Si(OR)₃+H₂O；其中，R表示烷基。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.用于高灵敏检测辐射的闪烁性光纤传感器，其特征在于：包括依此连接的闪烁性光纤、传导光纤和光检测器，所述闪烁性光纤采用多孔纳米硅材料，所述多孔纳米硅材料中掺杂有纳米尺寸的闪烁体。

2.根据权利要求1所述的用于高灵敏检测辐射的闪烁性光纤传感器，其特征在于：所述闪烁性光纤采用溶胶-凝胶闪烁性技术制备。

3.根据权利要求1或2所述的用于高灵敏检测辐射的闪烁性光纤传感器，其特征在于：所述闪烁性光纤按照以下步骤制备得到：

a、取硅氧烷与乙醇混合，加入盐酸水溶液，搅拌反应，得到硅溶胶溶液；

b、将闪烁体加入到溶剂中，得到闪烁体溶液；

c、将步骤a所得硅溶胶溶液与步骤b所得闪烁体溶液混匀，加入还原剂，得到含有闪烁体的硅溶胶溶液；

d、将步骤c所得含有闪烁体的硅溶胶溶液装填于管中，定型，得到多孔材料的凝胶；

e、将步骤e所得多孔材料的凝胶从管中洗脱出来，干燥或自然风干，即得闪烁性光纤。

4.根据权利要求3所述的用于高灵敏检测辐射的闪烁性光纤传感器，其特征在于：步骤a中，硅氧烷与乙醇的体积比为45:55；硅氧烷与盐酸水溶液的体积比为45:10；步骤b中，闪烁体与溶剂的质量体积比为1：1mg/ml；步骤c中，闪烁体的加入量为18mg/100ml。

5.根据权利要求3所述的用于高灵敏检测辐射的闪烁性光纤传感器，其特征在于：步骤a中，盐酸水溶液的pH＝1；步骤b中，溶剂为水或乙醇；步骤c中，还原剂为H₂、N₂H₄或NaBH₄；步骤e中，洗脱的溶剂为水或乙醇。

6.根据权利要求1所述的用于高灵敏检测辐射的闪烁性光纤传感器，其特征在于：所述闪烁性光纤与传导光纤之间通过石英毛细管连接，闪烁性光纤、石英毛细管、传导光纤采用环氧树脂胶固定并形成一个连续的光导管。

7.根据权利要求1所述的用于高灵敏检测辐射的闪烁性光纤传感器，其特征在于：所述光检测器为光电倍增管。

8.根据权利要求7所述的用于高灵敏检测辐射的闪烁性光纤传感器，其特征在于：所述光电倍增管通过SMA连接器连接传导光纤。

9.根据权利要求6所述的用于高灵敏检测辐射的闪烁性光纤传感器，其特征在于：所述光导管密封在一个黑管里。

10.根据权利要求1所述的用于高灵敏检测辐射的闪烁性光纤传感器，其特征在于：所述光电倍增管密封在一个黑色圆筒里。