CN107300712B - 一种可同时测量β、γ能谱的层叠型闪烁体探测器的测量方法 - Google Patents

一种可同时测量β、γ能谱的层叠型闪烁体探测器的测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可同时测量β、γ能谱的层叠型闪烁体探测器的测量方法，所述探测器具有一端开口的外壳及密封所述开口的铝化聚酯膜，所述外壳内具有三层闪烁晶体结构及光电倍增模块，所述光电倍增模块收集所述三层闪烁晶体结构产生的闪烁光子并生成信号。所述方法通过分析光电倍增模块中光电倍增管的阳极输出脉冲的形状，对入射粒子发生的能量沉积情形进行识别，取其特征量，判断脉冲中是否含有特定晶体产生的波形，最终实现对粒子类型的甄别。本发明能实现对100keV～3.5MeV能量范围内的β、γ粒子类型甄别，只需进行一次测量，可分别获取混合场中β能谱和γ能谱。对混合场中辐射源项识别和辐射防护措施设计有重要意义。

Description

一种可同时测量β、γ能谱的层叠型闪烁体探测器的测量方法
技术领域
本发明涉及一种可同时测量β、γ能谱的层叠型闪烁体探测器的测量方法，属于β能谱测量、γ能谱测量、混合辐射场粒子甄别技术领域。
背景技术
在核设施场所中，往往同时存在多种类型的辐射粒子(β、γ、n等)；由于放射性核素发生β衰变往往会伴随发射出γ射线，因此β、γ混合辐射场是一种很常见的混合场。能量相同的β射线穿透能力远不及γ射线，因此需要分别测量混合场中的β、γ能谱信息，以便采取合理防护措施。
想要分别获取混合场中的β能谱和γ能谱，关键点和难点都是实现β、γ粒子的甄别。一方面，β、γ粒子具有类似的辐射灵敏性，用于测量β粒子的探测器对γ粒子也有较大的响应；反之，用于测量γ粒子的探测器也能对β粒子产生响应。另一方面，β射线的本质是电子，而γ光子通过光电效应、康普顿效应和电子效应产生电子，最终也是由电子在探测器晶体中实现沉积能量的，而这三种效应的时间极快，因此β、γ射线在探测器晶体中产生的信号形状非常相似，不能用传统的脉冲形状甄别方法进行甄别。
传统的β、γ粒子甄别方法是两次测量法，即首先用探测器测量混合场中的β、γ叠加能谱，然后在探头前方安装较厚的屏蔽体，阻止β射线进入探测器晶体，测得γ能谱，最后两次测量结果相减，得到β能谱。两次测量法有诸多缺点：测量时间长，工作人员会受到两倍剂量；对辐射场稳定性要求高；第二次测量时安装的屏蔽块会改变探测器对γ的响应，测量结果准确度低等。
发明内容
为解决以上问题，本发明的目的是提供一种可同时测量β、γ能谱的层叠型闪烁体探测器的测量方法，能实现对100keV～3.5MeV能量范围内的β、γ粒子类型甄别，只需进行一次测量，可分别获取混合场中β能谱和γ能谱。
具体的，本发明提供一种可同时测量β、γ能谱的层叠型闪烁体探测器的测量方法，所述探测器具有一端开口的外壳及密封所述开口的前窗，所述外壳内具有三层闪烁晶体结构及光电倍增模块，所述方法通过分析所述光电倍增模块中光电倍增管的阳极输出脉冲的形状，并识别入射粒子发生的能量沉积情形，取其特征量，判断脉冲中是否含有特定晶体产生的波形，最终实现对粒子类型的甄别；
所述情形包括：情形1为入射粒子只在第一层晶体中沉积能量，情形2 为入射粒子在第一层和第二层晶体中都沉积能量，情形3为入射粒子只在第二层晶体中沉积能量，情形4为入射粒子在第一层和第三层晶体中都沉积能量，情形5为入射粒子在第二层和第三层晶体中都沉积能量，情形6为入射粒子在所有三层晶体中都沉积能量，情形7为入射粒子只在第三层晶体中沉积能量；
所述方法包括以下步骤：
(1)以触发之前连续100次采样信号的平均值B为信号基线，并对采样信号进行去基线处理；
(2)寻找触发信号的峰值P和峰位P_pos；
(3)寻找峰位P_pos前信号第一次到达峰值1/10高度时的位置B_pos；
(4)获取峰位后第3～9次信号的平均值为V0；获取峰位后第10～49 次信号的平均值为V1；获取峰位后第50～99次信号的平均值为V2；获取峰位后第100～149次信号的平均值为V3；
(5)定义并计算甄别因子step＝P_pos–B_pos；
甄别因子f1＝(P-V0)/P；
甄别因子f2＝(V1-V2)/V1；
甄别因子f3＝(V1-V3)/V1；
(6)甄别算法：
入射粒子发生情形1条件：f1>0.9，且step<10ns；
入射粒子发生情形2条件：f2<0.5且f3<0.7，且step<10ns；
入射粒子发生情形7条件：f1<0.9且f2>0.5，且f3>0.7；
当判断为情形1或情形2时，入射粒子被甄别为β粒子；当判断为情形 7时，入射粒子被甄别为γ粒子；否则，该次入射事件被舍弃；
(7)定义并计算入射β、γ粒子能量
当入射粒子被甄别为β粒子时，定义并计算：
sum1＝信号峰值P与峰位P_pos前后各两次采样信号之和–峰位P_pos后 3～6次采样信号之和；
sum2＝峰位P_pos后3～1000次采样信号之和；
最终入射β粒子能量为：Eβ＝0.0569*sum1+0.0187*sum2–42；
当入射粒子被甄别为γ粒子时，定义并计算：
sum3＝从信号触发到峰位P_pos后1000次采样之间的所有采样信号之和；入射γ粒子的能量：Eγ＝0.0126*sum3–4。
进一步，如上所述的可同时测量β、γ能谱的层叠型闪烁体探测器的测量方法，所述脉冲由含有200MSPS采样频率的模数转换器的数字信号采样器采集。
进一步，如上所述的可同时测量β、γ能谱的层叠型闪烁体探测器的测量方法，所述三层闪烁晶体结构包括依次排列的第一层闪烁晶体、第二层闪烁晶体、第三层闪烁晶体，其类型分别是EJ212、CaF2(Eu)、NaI(Tl)，其厚度分别是0.15mm、6.0mm、25.4mm，所述EJ212为一种快响应塑料闪烁晶体，其衰变时间为2.4ns。
进一步，如上所述的可同时测量β、γ能谱的层叠型闪烁体探测器的测量方法，所述三层闪烁晶体结构包括依次排列的第一层闪烁晶体、第二层闪烁晶体、第三层闪烁晶体，其类型分别是EJ212、EJ240、CsI(Na)，其厚度分别是0.15mm、18.0mm、25.4mm，所述EJ240为一种慢响应塑料闪烁晶体，其衰变时间为285ns。
进一步，如上所述的可同时测量β、γ能谱的层叠型闪烁体探测器的测量方法，所述光电倍增模块包括光电倍增管、分压器和高压电源。
进一步，如上所述的可同时测量β、γ能谱的层叠型闪烁体探测器的测量方法，所述外壳为铝壳，厚度为5mm。
进一步，如上所述的可同时测量β、γ能谱的层叠型闪烁体探测器的测量方法，所述前窗为三层交错重叠的铝化聚酯膜，每层厚度为2um。
本发明所述的层叠型闪烁体探测器的测量方法，对混合场中辐射源项识别和辐射防护措施设计有重要意义。
附图说明
图1为本发明可同时测量β、γ能谱的层叠型闪烁体探测器的结构示意图。
图2为本发明中β(或γ)粒子入射时可能发生的7种能量沉积情形示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，为本发明设计的探测器，探头部分一共使用了三块层叠排列的闪烁晶体，三块晶体的直径相同，但类型和厚度都各不相同。第一层闪烁晶体1前方是一层极薄的铝化聚酯膜4，作为探头的入射窗；第三层闪烁晶体3的后方是光电倍增模块5，所述光电倍增模块包括光电倍增管、分压器和高压电源。三块晶体共用一个光电倍增管，即无论粒子在哪块晶体发生沉积，产生的闪烁光子都由同一个光电倍增管收集并生成信号7。所述探头的外壳上还具有外接电源8。
由于铝壳6厚度(5mm)足够，设计能量范围(100keV～3.5MeV)内的β粒子不可能通过探头外壳进入闪烁晶体内。
前两层闪烁晶体用于测量入射的β粒子，其中第一层闪烁晶体1主要起甄别β、γ粒子的作用，并沉积β粒子的部分或全部能量，第二层闪烁晶体 2用于沉积入射β粒子的剩余全部能量；第三层闪烁晶体3用于测量入射的γ粒子。本发明设计的两个层叠闪烁体探头(编号A和B)所使用的晶体如表1所示。
表1.两个探头使用的晶体材料及厚度
Figure GDA0003053222290000051
Figure GDA0003053222290000061
其中EJ212和EJ240都为塑料闪烁体，原子序数低、密度约为1g/cm3； CaF2(Eu)为低原子序数的无机闪烁体；这三种晶体适宜用于测量β射线。 NaI(Tl)和CsI(Na)为高原子序数、高密度的无机闪烁体，适宜用于测量γ射线。两个探头所用晶体的直径都为25.4mm，为了保证避光性，前窗使用了三层交错重叠的铝化聚酯膜(每层厚度约2um)。此外，探头的铝壳厚度为5mm。
本发明中β、γ粒子的甄别原理如下：
如果一个辐射粒子(β或γ)从前窗进入并在闪烁晶体中发生能量沉积，根据能量沉积发生的位置，可以分为如图2所示的七种情形。情形1为入射粒子只在第一层晶体中沉积能量，情形2为入射粒子在第一层和第二层晶体中都沉积能量，情形3为入射粒子只在第二层晶体中沉积能量，情形4为入射粒子在第一层和第三层晶体中都沉积能量，情形5为入射粒子在第二层和第三层晶体中都沉积能量，情形6为入射粒子在所有三层晶体中都沉积能量，情形7为入射粒子只在第三层晶体中沉积能量。
当入射粒子为γ时，由于第一层闪烁晶体原子序数低、厚度极薄，光子在第一层晶体上发生作用的概率非常低，因此γ入射时发生情形1、2、4和 6的概率非常低。虽然γ入射时有一定概率发生情形3和情形5，但考虑到 CaF2(Eu)的能量分辨率远次于NaI(Tl)，因此也舍弃这两种情形。所以，只有当发生情形7时，才将入射粒子甄别为γ粒子。
当入射粒子为β时，由于电子在物质中是连续沉积能量，因此几乎不会发生情形3、4、5和7；另一方面，由于第二层闪烁晶体的厚度足够阻挡设计能量范围内最高能量的β粒子，因此情形6的发生概率也很低。所以，只有当发生情形1或2时，才将入射粒子甄别为β粒子。
本发明通过分析光电倍增管阳极输出脉冲的形状，对前述七种情形进行识别，最终实现对粒子类型的甄别。各情形脉冲形状不同源于各层闪烁晶体的发光衰减时间不同，表2为两个探头用到的各种晶体的发光衰减时间。例如EJ212发光衰减时间短，脉冲宽度非常窄，在产生可见光子数相同的情况下，产生的脉冲幅度也比表中其他闪烁体要高；由于CaF2(Eu)发光衰减时间长，所以它产生脉冲波形必有较长的拖尾；而发光衰减时间居中的NaI(Tl) 产生的脉冲长度介于EJ212和CaF2(Eu)之间。所以可以根据脉冲形状，取其特征量，判断脉冲中是否含有特定晶体产生的波形。
表2.选用的各晶体材料的发光衰减时间
材料名称 EJ212 CaF2(Eu) NaI(Tl) EJ240 CsI(Na)
发光衰减时间(ns) 2.4 930 250 280 630
以下以探头A(所用晶体材料由表1给出)说明本发明中脉冲形状甄别算法和能谱获取算法的实现过程，对探头B，算法类似，只有各参数取值微有区别，故不赘述。信号脉冲由市售的含有200MSPS采样频率(采样间隔5ns) 的模数转换器(ADC)的某数字信号采样器采集。
(1)以触发之前连续100次(500ns)采样信号的平均值B为信号基线，并对采样信号进行去基线处理。
(2)寻找触发信号的峰值P和峰位P_pos；
(3)寻找峰位P_pos前信号第一次到达峰值1/10高度时的位置B_pos；
(4)获取峰位后第3～9次信号的平均值为V0；获取峰位后第10～49 次信号的平均值为V1；获取峰位后第50～99次信号的平均值为V2；获取峰位后第100～149次信号的平均值为V3；
(5)定义并计算甄别因子step＝P_pos–B_pos；
甄别因子f1＝(P-V0)/P；
甄别因子f2＝(V1-V2)/V1；
甄别因子f3＝(V1-V3)/V1；
(6)甄别算法：
入射粒子发生情形1条件：f1>0.9且step<10ns
入射粒子发生情形2条件：f2<0.5且f3<0.7且step<10ns
入射粒子发生情形7条件：f1<0.9且f2>0.5且f3>0.7
当判断为情形1或2时，入射粒子被甄别为β粒子；当判断为情形7时，入射粒子被甄别为γ粒子；否则，该次入射事件被舍弃(这时可能发生了情形3、4、5或6)。
(7)获取能谱
当入射粒子被甄别为β粒子时，定义并计算
sum1＝信号峰值P与峰位P_pos前后各两次采样信号之和–峰位P_pos 后3～6次采样信号之和。
sum2＝峰位P_pos后3～1000次采样信号之和。
其中sum1正比于β粒子在第一层晶体中沉积的能量energy1，用低能β源14C进行能量刻度，得到energy1(keV)＝0.0569*sum1。sum2正比于β粒子在第二层晶体中沉积的能量energy2，用β源90Sr-90Y源和36Cl进行能量刻度，得到energy2(keV)＝0.0187*sum2–42。最终入射β粒子能量：
Eβ＝0.0569*sum1+0.0187*sum2–42；
当入射粒子被甄别为γ粒子时，定义并计算
sum3＝从信号触发到峰位P_pos后1000次采样之间的所有采样信号之和。
同样，sum3正比于γ粒子在第三层晶体中沉积的能量。利用屏蔽掉β粒子的137Cs和60Co源进行能量刻度。得到入射γ粒子的能量：
Eγ＝0.0126*sum3–4。
基于上述探头设计和算法设计，本发明能甄别入射到探测器中的β、γ粒子，通过一次测量，就可分别获取混合场中β能谱和γ能谱。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种可同时测量β、γ能谱的层叠型闪烁体探测器的测量方法，其特征在于：
所述探测器具有一端开口的外壳及密封所述开口的前窗，所述外壳内具有三层闪烁晶体结构及光电倍增模块；
所述方法通过分析所述光电倍增模块中光电倍增管的阳极输出脉冲的形状，并识别入射粒子发生的能量沉积情形，取其特征量，判断脉冲中是否含有特定晶体产生的波形，最终实现对粒子类型的甄别；
所述情形包括：情形1为入射粒子只在第一层晶体中沉积能量，情形2为入射粒子在第一层和第二层晶体中都沉积能量，情形3为入射粒子只在第二层晶体中沉积能量，情形4为入射粒子在第一层和第三层晶体中都沉积能量，情形5为入射粒子在第二层和第三层晶体中都沉积能量，情形6为入射粒子在所有三层晶体中都沉积能量，情形7为入射粒子只在第三层晶体中沉积能量；
所述方法包括以下步骤：
(1)以触发之前连续100次采样信号的平均值B为信号基线，并对采样信号进行去基线处理；
(2)寻找触发信号的峰值P和峰位P_pos；
(3)寻找峰位P_pos前信号第一次到达峰值1/10高度时的位置B_pos；
(4)获取峰位后第3～9次信号的平均值为V0；获取峰位后第10～49次信号的平均值为V1；获取峰位后第50～99次信号的平均值为V2；获取峰位后第100～149次信号的平均值为V3；
(5)定义并计算甄别因子step＝P_pos–B_pos；
甄别因子f1＝(P-V0)/P；
甄别因子f2＝(V1-V2)/V1；
甄别因子f3＝(V1-V3)/V1；
(6)甄别算法：
入射粒子发生情形1条件：f1>0.9，且step<10ns；
入射粒子发生情形2条件：f2<0.5且f3<0.7，且step<10ns；
入射粒子发生情形7条件：f1<0.9且f2>0.5，且f3>0.7；
当判断为情形1或情形2时，入射粒子被甄别为β粒子；当判断为情形7时，入射粒子被甄别为γ粒子；否则，该次入射事件被舍弃；
(7)定义并计算入射β、γ粒子能量
当入射粒子被甄别为β粒子时，定义并计算：
sum1＝信号峰值P与峰位P_pos前后各两次采样信号之和–峰位P_pos后3～6次采样信号之和；
sum2＝峰位P_pos后3～1000次采样信号之和；
最终入射β粒子能量为：Eβ＝0.0569*sum1+0.0187*sum2–42；
当入射粒子被甄别为γ粒子时，定义并计算：
sum3＝从信号触发到峰位P_pos后1000次采样之间的所有采样信号之和；入射γ粒子的能量：Eγ＝0.0126*sum3–4。
2.如权利要求1所述的可同时测量β、γ能谱的层叠型闪烁体探测器的测量方法，其特征在于：所述脉冲由含有200MSPS采样频率的模数转换器的数字信号采样器采集。
3.如权利要求1所述的可同时测量β、γ能谱的层叠型闪烁体探测器的测量方法，其特征在于：所述三层闪烁晶体结构包括依次排列的第一层闪烁晶体、第二层闪烁晶体、第三层闪烁晶体，其类型分别是EJ212、CaF2(Eu)、NaI(Tl)，其厚度分别是0.15mm、6.0mm、25.4mm，所述EJ212为一种快响应塑料闪烁晶体，其衰变时间为2.4ns。
4.如权利要求1所述的可同时测量β、γ能谱的层叠型闪烁体探测器的测量方法，其特征在于：所述三层闪烁晶体结构包括依次排列的第一层闪烁晶体、第二层闪烁晶体、第三层闪烁晶体，其类型分别是EJ212、EJ240、CsI(Na)，其厚度分别是0.15mm、18.0mm、25.4mm，所述EJ240为一种慢响应塑料闪烁晶体，其衰变时间为285ns。
5.如权利要求3或4所述的可同时测量β、γ能谱的层叠型闪烁体探测器的测量方法，其特征在于：所述光电倍增模块包括光电倍增管、分压器和高压电源。
6.如权利要求5所述的可同时测量β、γ能谱的层叠型闪烁体探测器的测量方法，其特征在于：所述外壳为铝壳，厚度为5mm。
7.如权利要求6所述的可同时测量β、γ能谱的层叠型闪烁体探测器的测量方法，其特征在于：所述前窗为三层交错重叠的铝化聚酯膜，每层厚度为2um。
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