CN106291657A - 一种基于合束闪烁光纤的放射能谱分析系统 - Google Patents

Abstract

一种基于合束闪烁光纤的放射能谱分析系统。包括，合束闪烁光纤、多模光纤、光电转换器、信号处理模块、能谱分析模块。合束闪烁光纤是通过将多根闪烁光纤拉锥耦合至一起，形成测量辐射环境物理参数的传感探头，拉锥耦合后的一端熔接至普通多模光纤，多模光纤的一端连接光电转换器。合束闪烁光纤探头部分置于辐射环境中，可产生闪烁光子，闪烁光子通过多模光纤传输入进光电转换器获得相应的电子脉冲信号，再通过后端系统对电子脉冲信号进行收集分析，可获得辐射环境的放射性能谱。该放射能谱分析系统探头部分比较灵巧，单探测器可测量范围广，且探测器的电子部分可以远离辐射场，有更好的电磁稳定性。多根闪烁光纤合束后，有效地提高了光子产出数量，提高了系统的灵敏度。此外，该系统测量的是放射性的能谱，可对放射源的成分有更好的分析。

Description

一种基于合束闪烁光纤的放射能谱分析系统

技术领域

本发明属于传感探测技术领域，特别是一种将多根闪烁光纤合束并联作为传感探头的放射能谱测量分析系统，其可以在核工业、海洋监测、地质勘探、生物医学工程、制导定位、航空航天等领域及时准确地对辐射环境的剂量和能谱进行测量和分析，相比于传统的闪烁体探测器，其具有灵敏度高、可远距离探测等优点，解决了在能源电力，石油化工，国防科研等强电场和磁场或恶劣自然环境中进行放射能谱的监测与分析的难题。

背景技术

现有的辐射探测监测常用的技术有气体电离室探测、半导体材料探测、闪烁晶体探测等。闪烁晶体（如NaI，CsI，BGO晶体等）因其有着良好的吸收射线辐射发光的特性，如今已成为测量射线能量和强度的良好器件和主要方法。但是一般这种传统的闪烁体监测的方法都是传感器和信号处理设备封装为一体，在监测区域将辐射信号转化为电信号后再传输到距离较远的信号处理系统处理并记录。一些弱信号探测器输出的信号在远距离传输时很容易受到周围电磁环境的影响，而安装了前置放大电路的探测器由于电子学部分受辐照容易老化的缘故，通常需要在探头端加装很重的铅屏蔽体来屏蔽现场环境的辐射，给安装和使用造成了不便，也无法进行辐射的实时测量。

闪烁光纤是一种兼有辐射探测和光信号传输功能的功能元件。根据使用的闪烁材料,闪烁光纤可分为三大类：闪烁玻璃光纤、闪烁塑料（聚苯乙烯）光纤和闪烁毛细管液体（苯、二甲苯、甲苯）光纤。闪烁光纤掺杂的稀土元素，当有快速运动的α、β粒子，或γ、X射线照射闪烁光纤时，在光纤芯内将会激励起闪烁光。这时，闪烁光纤就是一个射线探测器。在光纤芯内激励起的闪烁光是各向同性的。由于光纤芯部的折射率大于包层的折射率，根据全反射原理，只有那些位于临界角以外的闪烁光才能在光纤内传输。这时，闪烁光纤便起光传输的作用。近年来，随着核物理的发展和各种像增强技术的出现，使闪烁光纤技术得到了迅速发展。与普通闪烁体相比，闪烁光纤的传输衰减和时间特性都有了很大的改善。闪烁光纤可以弯成不同的形状，可以延伸到空间任何位置，用其组成的探测器具有空间分辨好、时间分辨好、机械可塑性好等优点，因此受到核探测技术专家的普遍重视，目前正广泛地应用于核与粒子物理实验中，同时在工业、医学、生物的射线成像系统中也将有重要的应用。一些新型的基于闪烁光纤的辐射探测系统克服了传统的闪烁体探测器的许多缺点，但是由于闪烁光纤体积的限制，产生的光子数量有限，在低能量和低剂量率的情况下，灵敏度不会很高,所以多用于光学成像方面。还有一点就是，现有的辐射探测器多是对辐射剂量的检测，而鲜有进一步的对辐射环境能谱的分析。

发明内容

本发明旨在解决对辐射检测和分析的现有方法中存在的上述问题，提供了一种基于合束闪烁光纤的放射能谱分析系统。

该分析系统利用多根闪烁光纤作为传感器件，由于辐射环境中的高能粒子进入闪烁光纤，可以与之发生相互作用（主要包括光电效应、康普顿散射、正负电子对效应），并产生次级电子，这些次级电子又会再次激发发光材料产生闪烁光子。然后通过耦合进一根多模光纤将闪烁光子收集到适配的光电转换器（例：光电倍增管或者雪崩光电探测器）中，产生电子脉冲。探测器输出电子脉冲的幅度与入射粒子的能量成正比，因此可以通过脉冲幅度谱来测定辐射粒子的能量与能谱。最后，输入后端信号处理模块再通过能谱分析模块对产生的电子脉冲数据进行处理与分析，得到辐射环境的放射能谱。

本发明提供的基于合束闪烁光纤的放射能谱分析系统包括：合束闪烁光纤探头、多模光纤、光电转换器、信号处理模块、能谱分析模块；

所述的合束闪烁光纤探头是通过将多根闪烁光纤经合束拉锥耦合至一起，形成测量辐射环境的传感探头，拉锥耦合后的一端熔接至普通多模光纤，多模光纤的一端连接光电转换器。合束闪烁光纤探头部分置于辐射环境中，可产生闪烁光子，闪烁光子通过多模光纤传输入进光电转换器获得相应的电子脉冲信号，再通过后端信号处理模块及能谱分析模块对电子脉冲信号分析，可得到辐射环境的放射性能谱。

所述多模光纤为在闪烁光纤荧光波段低损传输光纤。

所述的光电转换器为高增益光电转换器件。

所述系统的通过多闪烁光纤并联的传感探头，可以吸收射线能量继而产生闪烁光子，闪烁光子通过多模光纤进入光电转换器转化为电子脉冲信号，电子脉冲信号幅度的大小与入射粒子的能量成正比，这样就可以通过分析电子脉冲幅度谱来获得放射性能谱，故称为放射性能谱分析系统。根据测试原理，待测辐射环境的辐射剂量和能谱都可以确定。此外，这样设计的放射性能谱分析系统具有灵敏度高、可远程感测、便于使用、单探测器可探测范围广、受外界环境影响小等优点。

测试原理：

闪烁光纤主要由两部分组成：核心部分(芯层)和表面涂层部分(包层)。这两部分材料的光学折射率是不同的，芯层折射率n ₁略高于包层折射率n ₂。当带电粒子或射线穿过闪烁光纤时，在芯层产生的部分闪烁发光，约[~(1-n₂/n₁)<10%]，可沿光纤传播。能够被闪烁光纤收集并传输的光，其接收角应该满足公式如下：

(1)

其中，式中α ₁为界面反射角，θ、Φ分别为荧光发射方向相对于光纤轴的极角和方位角。n ₁、n ₂分别是芯层和包层的折射率。满足上述条件的光能够在芯层和包层介面上发生全反射，能被光纤收集，接收角满足如下公式关系的光也会被收集(式中符合定义同式(1))

(2)

其中α ₂为闪烁光在包层与空气界面上的反射角，满足如下关系：

(3)

式中r ₀是光纤芯层半径，r _c 是光纤总的半径。满足式(1)的光为芯层光，满足式(2)的光为包层光。其它的光在两界面处都不发生全反射，将从光纤侧面逸出，称为非全反射光。

光电转换器将接收到的闪烁光转化为电信号经放大送入脉冲幅度分析器，最后得到辐射环境能谱。为得到每次事例的平均光电子数，我们可用如下公式对测得能谱拟合：

(4)

式中P(n,u,r)为在半径等于r的光纤中产生的荧光信号在光电转换器上转化为n个光电子的几率，F(channel,n)是光电转换器件响应函数；u为最小电离粒子在闪烁光纤中平均每1mm沉积的能量对应的光能够转换的光电子数，是平均光电子数N _p.e. 的表征参数。

本发明的优点及效果：

本发明以合束闪烁光纤作为传感元件，其吸收放射性粒子能量后产生闪烁光子，闪烁光子经一定距离传输后通过光电转换器转化为电子脉冲信号，再通过分析电子脉冲幅度得到辐射环境的能谱或者通过电子脉冲计数获得辐射场的剂量率。该放射能谱分析系统采用了多根闪烁光纤拉锥耦合的方法，与传统的闪烁体辐射探测方法相比，传感探头更加灵活，灵敏度更高，单探测器测量范围更广，探测器的电子部分可以远离辐射场，有更好的电磁稳定性。与新型的单根闪烁光纤探测方法相比，有效地提高了光子产出数量，提高了系统的灵敏度。所以，本发明可适用于如广域水体放射实时测量等大范围辐射环境监测。此外，该系统测量的是放射性的能谱，可对放射源的成分有更好的分析。

附图说明

图1 一种基于合束闪烁光纤的放射能谱分析系统结构示意图。

其中：①. 闪烁光纤；. 合束闪烁光纤；③. 连接用多模光纤；④. 光电转换器；

⑤. 信号处理模块；⑥. 能谱分析模块。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供的一种基于合束闪烁光纤的放射性能谱分析系统包括，闪烁光纤1、合束闪烁光纤2、连接用多模光纤3、光电转换器4、信号处理模块5、能谱分析模块6。所述的闪烁光纤1是纤芯材料为掺杂辐射敏感材料，可在放射场的高能粒子作用下产生荧光的光纤，该合束闪烁光纤2传感探头耦合的一端通过熔接至多模光纤3，多模光纤的另一端连接光电转换器4，光电转换器4接入信号处理模块5和能谱分析模块6。合束闪烁光纤是由多根闪烁光纤通过拉锥耦合至一起制作而成的，形成测量放射场的传感探头，并联的闪烁光纤组传感探头部分置于放射场中，可用于测量放射场的剂量率与能量谱。

应用实例：

如，使用10根掺有碘化纳（NaI）的闪烁光纤，其受辐照发出荧光的波长在300-560nm之间，其中一端合束拉锥耦合至一起后作为传感探头，拉锥耦合的一端融接入可见光波段适用的低损耗多模光纤，多模光纤的另一端接入光电倍增管。光电倍增管采用CR185 端窗型光电倍增管，其阴极有效直径为10mm，光谱响应范围为300-650nm，增益（典型值）达到10⁶。光信号通过光电倍增管转换为电信号后接入信号处理模块进行数据的采集处理。信号处理模块包括放大器、多通道分析器、脉冲整形等。最后接入计算机或微处理器中进行能谱数据分析。将系统置于实际辐射环境中，可检测出辐射环境的放射剂量和放射能谱。

Claims (5)

1.一种基于合束闪烁光纤的放射能谱分析系统，该分析系统包括合束闪烁光纤、多模光纤、光电转换器、信号处理模块、能谱分析模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于合束闪烁光纤的放射能谱分析系统，其特征在于，所述的合束闪烁光纤合束后的一端耦合连接至多模光纤一端，多模光纤的另一端耦合连接至光电转换器，光电转换器连接后端信号处理模块和能谱分析模块。

3.根据权利要求1所述的一种基于合束闪烁光纤的放射能谱分析系统，其特征在于，所述合束闪烁光纤是使用光纤拉锥的方法将多根闪烁光纤耦合至一起的。

4.根据权利要求1所述的一种基于合束闪烁光纤的放射能谱分析系统，其特征在于，所述的合束闪烁光纤通过连接多模光纤传导延长使用范围，所述多模光纤为在闪烁光纤荧光波段低损传输光纤。

5.根据权利要求1所述的一种基于合束闪烁光纤的放射能谱分析系统，其特征在于，所述分析系统通过合束闪烁光纤传感探头置于辐射环境中，可以吸收射线能量继而产生闪烁光子，闪烁光子通过多模光纤传输进入光电转换器转化为电子脉冲信号，再通过信号处理和能谱分析模块对电子脉冲信号进行处理和分析，最终获得辐射环境的放射性能谱。