CN105353400B - 用于闪烁晶体探测器增益自动控制的镶嵌源装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于闪烁晶体探测器增益自动控制的镶嵌源装置。包括：塑料闪烁体圆桶，在所述塑料闪烁体圆桶底部附着有²⁴¹Am放射源；塑料闪烁体圆柱，插接在所述塑料闪烁体圆桶中，并抵顶所述²⁴¹Am放射源，从而形成塑料闪烁体；所述塑料闪烁体外侧具有反射涂层；环氧树脂层，封接在所述塑料闪烁体圆柱顶部，用于将所述²⁴¹Am放射源密封在所述塑料闪烁体内。本发明用于闪烁晶体探测器增益自动控制的镶嵌源装置，²⁴¹Am镶嵌源的制作过程简单，容易实现；光收集效率高，有效的提升了信噪比，并将α粒子的探测效率进行了极大的提升。

Description

用于闪烁晶体探测器增益自动控制的镶嵌源装置

技术领域

本发明涉及一种镶嵌源装置，尤其涉及一种用于闪烁晶体探测器增益自动控制的镶嵌源装置。

背景技术

常用的NaI或CsI晶体探测器，其能量响应可能受环境的磁场、温度等因素影响而发生改变，相关影响详述如下：

1)随着地磁场变化，闪烁探测器的光电倍增管(PMT)的增益将受缓慢变化的地磁场的影响发生变化。

2)光电倍增管长时间工作后以及电子线路老化可能引起系统增益的改变。

3)外界工作温度出现变化后，NaI或CsI晶体的发光效率和电子学系统增益也可能发生变化，从而引起能量线性的变化。

4)PMT高压的波动，也将引起探测器增益的波动。

针对以上因素，为了保证闪烁晶体探测器性能的长期稳定，设计了一种²⁴¹Am镶嵌源，用以实现闪烁晶体探测器的增益自动控制。特别是在环境本底较高的情况下，采用本方案中的镶嵌源，使用符合测量的方法可以有效的降低环境本底对测量结果的影响。比如目前地下暗物质实验广泛采用了晶体探测器且体积较大，通常该探测器工作于低温环境下，为了对晶体探测器在低温下的性能进行刻度，²⁴¹Am镶嵌源将是一种理想的刻度源，可以有效的排除环境本底的影响。

用于自动增益控制的²⁴¹Am镶嵌源主要有两种方式，一种是将塑料闪烁体融化后与²⁴¹Am溶液均匀混合后再将塑料闪烁体固化，从而得到分布均匀的镶嵌源，但该方案制作较为困难，需要确保塑料闪烁体融化后再固化后性能变化不大；另一种方式则是将²⁴¹Am镀到金属表面，再将塑料闪烁体粘接到金属表面从而实现放射源的密封，该方案制作容易但²⁴¹Am的α粒子探测立体角小于2π，导致探测效率偏低。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种用于闪烁晶体探测器增益自动控制的镶嵌源装置，可以有效的排除环境本底，从而降低了对环境本底的屏蔽要求。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于闪烁晶体探测器增益自动控制的镶嵌源装置，所述装置包括：

塑料闪烁体圆桶，在所述塑料闪烁体圆桶底部附着有²⁴¹Am放射源；

塑料闪烁体圆柱，插接在所述塑料闪烁体圆桶中，并抵顶所述²⁴¹Am放射源，从而形成塑料闪烁体；所述塑料闪烁体外侧具有反射涂层；

环氧树脂层，封接在所述塑料闪烁体圆柱顶部，用于将所述²⁴¹Am放射源密封在所述塑料闪烁体内；

所述²⁴¹Am放射源发生α衰变，产生α粒子，α粒子能量沉积在所述塑料闪烁体中导致所述塑料闪烁体产生荧光，通过所述反射涂层将所述荧光收集。

进一步的，所述²⁴¹Am放射源具体通过将²⁴¹Am放射源溶液滴入所述塑料闪烁体圆桶的底部，使用红外灯照射所述²⁴¹Am溶液使得溶剂蒸发掉，将²⁴¹Am氧化从而附着在塑料闪烁体圆桶的底部形成所述²⁴¹Am放射源。

进一步的，所述反射涂层为BC620反射涂层。

进一步的，所述环氧树脂层的材质为EJ500环氧树脂。

进一步的，所述塑料闪烁体圆桶下部为锥体结构。

进一步的，所述塑料闪烁体外具有特氟龙Telfon涂层。

本发明用于闪烁晶体探测器增益自动控制的镶嵌源装置，具有如下效果：²⁴¹Am镶嵌源的制作过程简单，容易实现；光收集效率高，有效的提升了信噪比，并将α粒子的探测效率进行了极大的提升。

附图说明

图1为本发明用于闪烁晶体探测器增益自动控制的镶嵌源装置的示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

图1为本发明用于闪烁晶体探测器增益自动控制的镶嵌源装置的示意图，如图所示，本发明包括：塑料闪烁体圆桶1、塑料闪烁体圆柱2和环氧树脂层3。

在塑料闪烁体圆桶底1部附着有²⁴¹Am放射源10；。塑料闪烁体圆柱2插接在塑料闪烁体圆桶1中，并抵顶所述²⁴¹Am放射源10，从而形成塑料闪烁体9，塑料闪烁体9外侧具有反射涂层90；环氧树脂层3封接在塑料闪烁体圆柱2顶部，用于将²⁴¹Am放射源10密封在塑料闪烁体9内。

²⁴¹Am放射源具体通过将²⁴¹Am放射源溶液滴入塑料闪烁体圆桶1的底部，使用红外灯照射²⁴¹Am溶液使得溶剂蒸发掉，将²⁴¹Am氧化从而附着在塑料闪烁体圆桶的底部形成²⁴¹Am放射源。

具体的，塑料闪烁体圆桶1为一个带锥体结构的圆桶。将²⁴¹Am放射源溶液滴入带锥体结构的塑料闪烁体圆桶1的底部，使用红外灯照射²⁴¹Am溶液使得溶剂蒸发掉，同时使得²⁴¹Am氧化从而附着在塑料闪烁体圆桶1的底部。当放射源溶液完全挥发后，将塑料闪烁体圆柱2压入塑料闪烁体圆桶1中，在塑料闪烁体圆柱2的一端涂抹环氧树脂层3，例如环氧树脂EJ500，从而将²⁴¹Am放射源10密封在塑料闪烁体的内部。

²⁴¹Am放射源发生α衰变，产生α粒子，α粒子能量沉积在所述塑料闪烁体中导致所述塑料闪烁体产生荧光，通过所述反射涂层将所述荧光收集。

具体的，为了探测²⁴¹Am衰变产生的α粒子，需要在塑料闪烁体9的外侧涂抹一层反射涂层90，将α粒子所导致的荧光反射，并从未涂抹反射层的一侧出射，由光电读出器件读出荧光信号。反射涂层的种类直接影响了闪烁荧光的收集效率，收集效率越好，则光电读出器件探测到的荧光光子数就越多，测量到的α信号幅度就越大，测得的信号噪比也越大，从而优化α粒子的探测效率。为了获得最佳的光收集效率，采用了漫反射涂层BC620作为²⁴¹Am镶嵌源的反射层，并在塑料闪烁体圆桶出光面的一侧设计为带有锥体的结构，从而有效的增加了荧光的光收集效果，提升了α信号的信号比，获得了最佳的α粒子探测效率。

本发明将²⁴¹Am放射源镶嵌到塑料闪烁体中，当²⁴¹Am发生α衰变时，其衰变到Np-237，放出一个α粒子，此时Np-237处于激发态。Np-237进一步退激放出一个X/γ光子。α粒子的能量为5.4428MeV(13.0％)、5.4856MeV(84.5％),X/γ光子的能量为13.9keV(13.3％)、17.8keV(20.2％)、59.5keV(35.8％)。α粒子因电离能力较强，其能量完全沉积在塑料闪烁体中导致塑料闪烁体发光，在塑料闪烁体的外表面涂抹一层反射层可以将闪烁体的荧光收集，并使用光电器件如光电倍增管(PMT)或者多像素光子计数器(MPPC)读出荧光信号，从而将光信号转换成电信号实现alpha粒子的探测。与此同时，Np-237退激产生的X/γ光子可以穿透塑料闪烁体，如果在闪烁体的一侧放置一个符合晶体探测器，当X/γ光子进入晶体时即可被探测。利用探测到的alpha信号作为符合信号，可以将晶体探测器测量到的X/γ光子从环境本底中挑选出来。因测量到的X/γ光子能量单一，从其信号幅度的大小可以判断出符合晶体探测器的性能，从而调整符合晶体探测器的参数维持X/γ光子信号幅度的稳定，即可实现符合晶体探测器增益的自动控制。同时利用测量到X/γ光子的能量信息，可以对符合晶体探测器的能量线性以及能量分辨进行刻度。

本发明通过将²⁴¹Am放射源溶液滴入塑料闪烁体圆桶的底部，再将塑料闪烁体圆柱插入圆桶中，从而将²⁴¹Am放射源镶嵌到了塑料闪烁体的内部，实现了²⁴¹Am的α粒子的4π立体角探测。在塑料闪烁体圆桶与塑料闪烁圆柱的连接处使用环氧树脂层进行密封，从而将²⁴¹Am放射源密封在了塑料闪烁体的内部，避免²⁴¹Am从塑料闪烁体圆柱与塑料闪烁体圆桶间的缝隙中泄露的可能。

另外，塑料闪烁体外具有特氟龙Telfon涂层8。

在塑料闪烁体的外表面涂抹反射涂层，例如漫反射涂层，从而收集由²⁴¹Am的α粒子所产生的闪烁荧光，在出光面使用一个光电读出器件如PMT即可将闪烁荧光转换成电信号，从而实现²⁴¹Am的α粒子探测。为了获得最佳的光收集效率，对塑料闪烁体圆桶的结构进行了优化设计，在出光面增加了锥体结构。

本方案结构简单，放射源的制作容易，在常温下即可完成镶嵌源的制作，同时实现了α粒子的4π立体角探测，有效的增加了α粒子的探测效率。使用环氧树脂进行放射源的密封，方案简单可靠。采用带锥体结构的塑料闪烁体圆桶，获得了最佳的光收集效果。本方案制作的放射源可用于空间X/γ射线探测、高能物理实验以及核医学等领域，用于实现晶体探测器的增益自动控制以及对能量线性和能量分辨进行刻度。特别是在环境本底较高，无有效屏蔽措施的环境中，使用本方案的镶嵌源可以有效的排除环境本底，从而降低了对环境本底的屏蔽要求。

现有的²⁴¹Am镶嵌源制作工艺在很难同时满足在获得接近4π的探测立体角的同时，还能满足制作工艺简单的需求。而本发明采用将放射源溶液滴入闪烁体圆桶的底部，并使用闪烁体圆柱进行密封的方式，实现了alpha粒子的4π粒子角探测，同时制作工艺简单可靠。

例如，对本发明的镶嵌源的光收集效果进行检测。将制作完成的镶嵌源的出光面通过光学耦合胶BC634A与光电读出器件MPPC耦合在一起，使用电荷灵敏放大器以及成形放大器读出MPPC的信号，将经过成形后的MPPC的信号输入到多道MCA8000A中，读出MPPC测量到的脉冲幅度谱。可以估计到镶嵌源的实际光收集效率在50％左右。

MPPC的增益较高时，直接导致了前端电子学的输出信号饱和，因而使得α信号峰的宽度进一步变窄，此时输出的信号的幅度较为固定，非常适合用作符合测试的触发信号或者门信号。并且α信号峰与噪声间的平谷进一步的展宽，使得α信号峰位道址计数与峰谷峰位道址计数之比进一步增大，使得²⁴¹Am镶嵌源成为用作闪烁晶体探测器增益自动控制的理想放射源。

在对²⁴¹Am镶嵌源的另一个最重要性能指标进行了测量。在轨标定探测器测量²⁴¹Am镶嵌源的α粒子，与此同时由NaI探测器测量²⁴¹Am发生α衰变时退激发射的γ射线。将在轨标定探测器的α信号经过单道后将产生的电平信号输入到延迟器进行延迟，经过延迟器的门信号输入多道分析仪MCA8000A的门电路中。将NaI的γ信号输入谱仪放大器放大并反相后输入到多道MCA8000A中测量γ能谱。

由实测的γ能谱以及符合的γ能谱，计算得到的²⁴¹Am镶嵌源的探测效率可以达到99.9％，远高于印度空间科学卫星Astrosat上的²⁴¹Am镶嵌源95％的探测效率，同时也优于意大利的BeppoSAX卫星上的²⁴¹Am镶嵌源的98％的探测效率。

综上由实验的测试结果可以发现本方案制作的²⁴¹Am镶嵌源的光收集效率可以达到50％以上，同时对α的探测效率可以达到99.9％的水平。

本发明用于闪烁晶体探测器增益自动控制的镶嵌源装置，具有如下效果：

1、²⁴¹Am镶嵌源的制作过程简单，容易实现。

2、²⁴¹Am光收集效率得以优化，光收集效率可以达到50％的水平，有效的提升了信噪比，减小了作为增益自动控制时的误触发。

3、实现了²⁴¹Am镶嵌源α粒子的4π立体角探测，并将α粒子的探测效率提升到了99.9％的水平。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于闪烁晶体探测器增益自动控制的镶嵌源装置，其特征在于，所述装置包括：

塑料闪烁体圆桶，在所述塑料闪烁体圆桶底部附着有²⁴¹Am放射源；所述²⁴¹Am放射源具体通过将²⁴¹Am放射源溶液滴入所述塑料闪烁体圆桶的底部，使用红外灯照射所述²⁴¹Am溶液使得溶剂蒸发掉，将²⁴¹Am氧化从而附着在塑料闪烁体圆桶的底部形成所述²⁴¹Am放射源；

塑料闪烁体圆柱，插接在所述塑料闪烁体圆桶中，并抵顶所述²⁴¹Am放射源，从而形成塑料闪烁体；所述塑料闪烁体外侧具有反射涂层；

环氧树脂层，封接在所述塑料闪烁体圆柱顶部，用于将所述²⁴¹Am放射源密封在所述塑料闪烁体内；

所述²⁴¹Am放射源发生α衰变，产生α粒子，α粒子能量沉积在所述塑料闪烁体中导致所述塑料闪烁体产生荧光，通过所述反射涂层将所述荧光收集。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反射涂层为BC620反射涂层。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述环氧树脂层的材质为EJ500环氧树脂。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述塑料闪烁体圆桶下部为锥体结构。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述塑料闪烁体外具有特氟龙Telfon涂层。