CN106093999A - 一种阿尔法粒子非接触式测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阿尔法粒子非接触式测量装置及方法，所述阿尔法粒子非接触式测量装置包括多个紫外反射平面镜、至少两个紫外敏感光电倍增管、高电压模块、至少两个扇入扇出单元、至少两个甄别器、符合单元、多道分析器、控制器。本发明还提出一种使用所述阿尔法粒子非接触式测量装置对阿尔法粒子进行非接触式测量的方法。本发明利用阿尔法粒子在空气中产生紫外光的特性，可以实现非接触式测量阿尔法粒子的目的。

Description

一种阿尔法粒子非接触式测量装置及方法

技术领域

本发明涉及辐射探测技术领域，具体涉及一种阿尔法粒子非接触式测量装置及方法。

背景技术

阿尔法(α)粒子是带正电的高能粒子(He原子核)，通常由一些重原子(例如铀，镭)或一些人造核素衰变时产生。α粒子在介质中运行的过程中迅速失去能量，因此不能穿透很远，一张薄纸就可以阻挡α粒子。但是，即使不能深入，在α粒子穿入组织时依然会引起组织的损伤。α粒子通常被人体外层坏死肌肤完全吸收，因此α粒子在人体外部不构成危险。然而，它们一旦被吸入或注入，将会十分危险。

由于α粒子在空气中的射程很短(5MeV的α粒子在空气中的射程约为3.5cm)，传统的α气溶胶测试法由于需要取样不能够现场实时获得α气溶胶的放射性数据，因此给事故救援方案的快速确定和保护涉核人员免受大剂量内辐照带来了困难。

研究发现，α粒子在空气中能够产生波长300-400nm的紫外光，而紫外光在空气中的穿透性较强，这为非接触测量α粒子提供了一种途径。

发明内容

本发明利用α粒子在空气中产生紫外光的特性，提供一种阿尔法粒子非接触式测量装置及方法，可以实现非接触式测量的目的。

根据本发明的一方面，提出一种阿尔法粒子非接触式测量装置，所述阿尔法粒子非接触式测量装置包括多个紫外反射平面镜、至少两个紫外敏感光电倍增管、高电压模块、至少两个扇入扇出单元、至少两个甄别器、符合单元、多道分析器、控制器，其中：

所述高电压模块与所述紫外敏感光电倍增管连接，用于提供紫外敏感光电倍增管正常工作所需要的高电压；

所述多个紫外反射平面镜和所述紫外敏感光电倍增管形成一密闭空间，所述密闭空间用于放置α源；

所述紫外敏感光电倍增管与所述紫外反射平面镜密闭连接，用于检测α源辐射出的以及所述紫外反射平面镜反射的紫外光，并将检测到的光子转换为电流信号；

所述扇入扇出单元的一端与所述紫外敏感光电倍增管相应连接，另一端与甄别器和多道分析器连接，用于将所述紫外敏感光电倍增管输出的电流信号分为两路，一路输入甄别器，另一路经延迟后输入多道分析器；

所述甄别器与所述符合单元连接，用于将收到的电流信号输入至符合单元；

所述符合单元与所述多道分析器连接，用于对于接收到的电流信号进行符合处理形成触发信号，并将触发信号发送至所述多道分析器；

所述多道分析器根据所述触发信号的触发对于接收到的延迟信号进行电荷量测量，并将得到的电荷量信息发送至所述控制器；

所述控制器对于接收到的电荷量信息进行分析得到α源的能量，对于触发信号计数率进行分析可以得到α源的活度。

可选地，所述紫外敏感光电倍增管与所述紫外反射平面镜之间通过螺纹进行密闭连接。

可选地，α源为固态或液态时，所述密闭空间内还设有α源放置台，α源放置台下方还设有紫外反射凹面镜，所述紫外反射凹面镜的凹面朝向α源。

可选地，α源为气态时，所述密闭空间与一抽气泵连通，用于抽入待测α源。

可选地，所述密闭空间的上方、紫外敏感光电倍增管的前侧设置有紫外通透玻璃。

可选地，所述紫外通透玻璃与所述紫外敏感光电倍增管独立放置。

可选地，所述紫外敏感光电倍增管还加设有放大器，以增加电流信号。

根据本发明的另一方面，还提出一种使用所述阿尔法粒子非接触式测量装置对阿尔法粒子进行非接触式测量的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，将α源放置于空气中沉积能量，空气中的氮气受激辐射出各向同性的紫外光；

步骤2，一部分紫外光直接进入紫外敏感光电倍增管，另一部分紫外光经过紫外反射平面镜和/或紫外反射凹面镜反射进入所述紫外敏感光电倍增管；

步骤3，所述紫外敏感光电倍增管将入射的光子转换为电流信号；

步骤4，将所述紫外敏感光电倍增管输出的电流信号经相应的扇入扇出单元分为两路，其中一路经甄别器后符合形成触发信号，另外一路经延迟后进入多道分析器由所述触发信号启动进行电荷量测量；

步骤5，将得到的电荷量信息发送至控制器，所述控制器根据所述电荷量信息分析得到α源的能量，根据所述触发信号的计数率分析得到α源的活度。

可选地，所述步骤3中，借助放大器增加电流信号的强度。

可选地，α源为固态或液态时，所述步骤1之前还包括将α源放置在α源放置台上的步骤；α源为气态时，所述步骤1之前还包括使用抽气泵将待测α源抽入密闭空间内的步骤。

本发明的优点为：

1、加入紫外反射镜，可以充分利用α源在空气中激发的紫外光，使得得到的电流信号足够大，以便于抑制噪声和提高测量α源能量的分辨率；

2、两路电流信号经符合可以大大抑制噪声信号的干扰，从而提高活度测量的准确度；

3、针对气态α源加入的紫外通透玻璃，可以保证光电倍增管的入射窗不被污染，而且容易替换。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的固液态阿尔法粒子非接触式测量装置的结构示意图；

图2是根据本发明一实施例的气态阿尔法粒子非接触式测量装置的结构示意图；

图3是放射源活度与光电倍增管计数率的关系示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

根据本发明的一方面，提供一种阿尔法粒子非接触式测量装置，图1是根据本发明一实施例的固液态阿尔法粒子非接触式测量装置的结构示意图，图2根据本发明一实施例的气态阿尔法粒子非接触式测量装置的结构示意图，如图1和图2所示，所述阿尔法粒子非接触式测量装置包括多个紫外反射平面镜、至少两个紫外敏感光电倍增管、高电压模块、至少两个扇入扇出单元、至少两个甄别器、符合单元、多道分析器、控制器，其中：

所述高电压模块与所述紫外敏感光电倍增管连接，用于提供紫外敏感光电倍增管正常工作所需要的高电压；

所述多个紫外反射平面镜和所述紫外敏感光电倍增管形成一密闭空间，所述密闭空间用于放置α源，α源辐射出的各向同性紫外光经多个紫外反射平面镜反射至紫外敏感光电倍增管；

所述紫外敏感光电倍增管与所述紫外反射平面镜密闭连接，用于检测α源辐射出的以及所述紫外反射平面镜反射的紫外光，并将检测到的光子转换为电流信号；

所述扇入扇出单元的一端与所述紫外敏感光电倍增管相应连接，另一端与甄别器和多道分析器连接，用于将所述紫外敏感光电倍增管输出的电流信号分为两路，一路输入甄别器，另一路经延迟后输入多道分析器；

所述甄别器与所述符合单元连接，用于将收到的电流信号输入至符合单元；

所述符合单元与所述多道分析器连接，用于对于接收到的电流信号进行符合处理形成触发信号，并将触发信号发送至所述多道分析器；

所述多道分析器根据所述触发信号的触发对于接收到的延迟信号进行电荷量测量，并将得到的电荷量信息发送至所述控制器；

所述控制器对于接收到的电荷量信息进行分析得到α源的能量，对于触发信号计数率进行分析可以得到α源的活度。

其中，所述紫外敏感光电倍增管与所述紫外反射平面镜之间可通过螺纹进行密闭连接，以便于放置和取出α源。

在本发明一实施例中，如果α源为固态或液态α源，则在所述密闭空间内还设有α源放置台，并在α源放置台下方还设有紫外反射凹面镜，如图1所示，其中，所述紫外反射凹面镜的凹面朝向α源，用于将α源辐射出的紫外光反射至紫外敏感光电倍增管。

在本发明一实施例中，如果α源为气态α源，则将所述密闭空间与一抽气泵连通，用于抽入待测α源，如图2所示；并在所述密闭空间的上方、紫外敏感光电倍增管的前侧设置有紫外通透玻璃，以保护所述紫外敏感光电倍增管入射窗免遭污染，在本发明另一实施例中，所述紫外通透玻璃与所述紫外敏感光电倍增管独立放置，这样可以在紫外通透玻璃被污染的情况下很方便地进行替换。

其中，所述紫外敏感光电倍增管还加设有放大器，以增加电流信号，增强抗干扰能力和提高灵敏度。

在本发明一实施例中，所述紫外反射平面镜和紫外反射凹面镜采用高反的Al材反射镜(300-400nm反射率达90％)，所述紫外通透玻璃采用石英玻璃或MgF₂玻璃(300-400nm紫外透过率近乎100％)，所述紫外敏感光电倍增管采用Hamamatsu877-1光电倍增管，其典型参数为：300-400nm区间典型量子效率为ε＝20％，典型增益为G＝5.0x10⁵，噪声率为f＝1000Hz，典型信号宽度取为T＝50ns。

接下来以本实施例采用的器件为例对于α源的活度和能量的计算进行进一步地说明：

1)二重符合偶然符合率可计算为：2f²T＝2×1000×1000×50×10^-9＝0.1Hz，

由上式计算结果可以看出，在两个光电倍增管的情况下，偶然符合率已经很小了，可想，3个以上的光电倍增管的偶然符合会更小。因此，完全可以忽略噪声对α粒子计数率的影响，而认为符合计数率，即触发信号计数率可以表征α源的活度，另外，考虑到电流信号存在50ns期间的死时间，可以将α源的活度修正为(如图3所示)：

$n=\frac{m}{1-mT},$

其中，n为α源的活度，m为测量得到的触发信号计数率，T为光电倍增管典型信号宽度。

2)由于紫外反射镜的反射率达90％，而透射率近乎100％，因此利用上述装置，α源在空气中辐射的紫外光的利用率在理想的情况下可以达到F＝90％。

所以，可以认为，α源能量和两个光电倍增管电流信号的电荷量之间的关系为：

EY×F×ε×G＝Q_PMT1+Q_PMT2，

其中，E为α源能量(MeV)，Y为α源在空气中的光产额(20/MeV)，F为光利用率(90％)，ε为光电倍增管的量子效率，G为光电倍增管增益，Q_PMT1和Q_PMT2分别为两个光电倍增管电荷谱的峰值对应的电荷量。

由上式可知，α源粒子的能量为：

$E=\frac{Q_{PMT1}+Q_{PMT2}}{YF\mathrm{\ϵ}G}.$

根据本发明的另一方面，还提出一种使用所述阿尔法粒子非接触式测量装置对阿尔法粒子进行非接触式测量的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，将α源放置于空气中沉积能量，空气中的氮气受激辐射出各向同性的紫外光；

步骤2，一部分紫外光直接进入紫外敏感光电倍增管，另一部分紫外光经过紫外反射平面镜和/或紫外反射凹面镜反射进入所述紫外敏感光电倍增管；

其中，紫外光在空气中衰减可以忽略，并且部分紫外光可通过反射进入紫外敏感光电倍增管，因此，α源辐射出的紫外光损失很小。

步骤3，所述紫外敏感光电倍增管将入射的光子转换为电流信号，其中，如需要，可借助放大器增加电流信号的强度；

步骤4，将所述紫外敏感光电倍增管输出的电流信号经相应的扇入扇出单元分为两路，其中一路经甄别器后符合形成触发信号，另外一路经延迟后进入多道分析器由所述触发信号启动进行电荷量测量；

步骤5，将得到的电荷量信息发送至控制器，所述控制器根据所述电荷量信息分析得到α源的能量，根据所述触发信号的计数率分析得到α源的活度。

在本发明一实施例中，如果α源为固态或液态α源，则在所述步骤1之前还包括将α源放置在α源放置台上的步骤。

在本发明一实施例中，如果α源为气态α源，则在所述步骤1之前还包括使用抽气泵将待测α源抽入密闭空间内的步骤。

以上所述的具体实施例，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例而已，并不用于限制本发明，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 (10)

1.一种阿尔法粒子非接触式测量装置，其特征在于，所述阿尔法粒子非接触式测量装置包括多个紫外反射平面镜、至少两个紫外敏感光电倍增管、高电压模块、至少两个扇入扇出单元、至少两个甄别器、符合单元、多道分析器、控制器，其中：

所述高电压模块与所述紫外敏感光电倍增管连接，用于提供紫外敏感光电倍增管正常工作所需要的高电压；

所述多个紫外反射平面镜和所述紫外敏感光电倍增管形成一密闭空间，所述密闭空间用于放置α源；

所述紫外敏感光电倍增管与所述紫外反射平面镜密闭连接，用于检测α源辐射出的以及所述紫外反射平面镜反射的紫外光，并将检测到的光子转换为电流信号；

所述扇入扇出单元的一端与所述紫外敏感光电倍增管相应连接，另一端与甄别器和多道分析器连接，用于将所述紫外敏感光电倍增管输出的电流信号分为两路，一路输入甄别器，另一路经延迟后输入多道分析器；

所述甄别器与所述符合单元连接，用于将收到的电流信号输入至符合单元；

所述符合单元与所述多道分析器连接，用于对于接收到的电流信号进行符合处理形成触发信号，并将触发信号发送至所述多道分析器；

所述多道分析器根据所述触发信号的触发对于接收到的延迟信号进行电荷量测量，并将得到的电荷量信息发送至所述控制器；

所述控制器对于接收到的电荷量信息进行分析得到α源的能量，对于触发信号计数率进行分析可以得到α源的活度。

2.根据权利要求1所述的阿尔法粒子非接触式测量装置，其特征在于，所述紫外敏感光电倍增管与所述紫外反射平面镜之间通过螺纹进行密闭连接。

3.根据权利要求1所述的阿尔法粒子非接触式测量装置，其特征在于，α源为固态或液态时，所述密闭空间内还设有α源放置台，α源放置台下方还设有紫外反射凹面镜，所述紫外反射凹面镜的凹面朝向α源。

4.根据权利要求1所述的阿尔法粒子非接触式测量装置，其特征在于，α源为气态时，所述密闭空间与一抽气泵连通，用于抽入待测α源。

5.根据权利要求4所述的阿尔法粒子非接触式测量装置，其特征在于，所述密闭空间的上方、紫外敏感光电倍增管的前侧设置有紫外通透玻璃。

6.根据权利要求5所述的阿尔法粒子非接触式测量装置，其特征在于，所述紫外通透玻璃与所述紫外敏感光电倍增管独立放置。

7.根据权利要求1所述的阿尔法粒子非接触式测量装置，其特征在于，所述紫外敏感光电倍增管还加设有放大器，以增加电流信号。

8.一种使用权利要求1所述的阿尔法粒子非接触式测量装置对阿尔法粒子进行非接触式测量的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，将α源放置于空气中沉积能量，空气中的氮气受激辐射出各向同性的紫外光；

步骤2，一部分紫外光直接进入紫外敏感光电倍增管，另一部分紫外光经过紫外反射平面镜和/或紫外反射凹面镜反射进入所述紫外敏感光电倍增管；

步骤3，所述紫外敏感光电倍增管将入射的光子转换为电流信号；

步骤4，将所述紫外敏感光电倍增管输出的电流信号经相应的扇入扇出单元分为两路，其中一路经甄别器后符合形成触发信号，另外一路经延迟后进入多道分析器由所述触发信号启动进行电荷量测量；

步骤5，将得到的电荷量信息发送至控制器，所述控制器根据所述电荷量信息分析得到α源的能量，根据所述触发信号的计数率分析得到α源的活度。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，借助放大器增加电流信号的强度。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，α源为固态或液态时，所述步骤1之前还包括将α源放置在α源放置台上的步骤；α源为气态时，所述步骤1之前还包括使用抽气泵将待测α源抽入密闭空间内的步骤。