CN107505647A - 一种中子活化环境下闪烁探测器的改进结构 - Google Patents

一种中子活化环境下闪烁探测器的改进结构 Download PDF

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许旭
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Abstract

本发明公开了适用于高能γ射线测量的一种中子活化环境下闪烁探测器的改进结构。该探测器原理是,中子活化产生的γ射线能量一般在1‑10MeV，当射线进入晶体(5)后发生电子对效应和康普顿反应产生光电子，高能电子和光子容易逃逸到闪烁体外。逃逸出的光子经过反射层(3)反射回到晶体(5)中，螺线管(2)提供的磁场将逃逸的高能电子通过洛伦兹力的作用束缚回晶体(5)将能量沉积在晶体中，增加光子的产额。改进型闪烁探测器测量的能谱分辨率高，探测效率高，在中子活化元素分析等高精度核谱学测量中有很高的实用价值。

Description

一种中子活化环境下闪烁探测器的改进结构
技术领域
本发明属于核辐射探测器领域，一种中子活化环境下闪烁探测器的改进结构应用于中子活化环境下产生的较高能量γ射线进行能谱测量，在中子活化环境下能够获得更好分辨率、更高探测效率的γ能谱，在中子活化元素分析等高精度核谱学测量中有很高的实用价值。
背景技术
闪烁体探测器是由闪烁体、光电倍增管和相应的电子学系统三个主要部分组成的。在射线进入闪烁体后，在闪烁晶体内部产生次级电子使闪烁体分子电离和激发，退激时发出大量光子。光电倍增管是由光阴极，若干打拿极和一个阳极组成，闪烁光子入射到光阴极时发生光电效应产生光电子，这些光电子经过多个打拿极间的电场进行加速和聚焦，并在打拿极材料上产生更多电子，最后在阳极上接收到104—106个电子生成一个电流脉冲或电压脉冲的电信号。电信号通过起阻抗匹配作用的射极跟随器后将信号输入到电子学系统中。经过电子学系统的收集处理，从而得到被测射线的能谱信息。在核辐射探测时，要提探测效率和分辨率就需要使闪烁体发光效率越高越好，这时不仅输出的脉冲幅度大，而且由于光子较多，因而统计涨落小，相对误差就小，能量分辨率也更好。
在中子活化环境下，中子与被测样品发生非弹性散射、俘获效应等作用后，使原本不具有放射性的被测样品活化，产生了放射性，且一般被活化的物质放出的γ射线具有较高能量，一般在1-10MeV。当射线进入晶体时，在晶体入射端表面附近主要发生电子对效应和少量的康普顿反应产生光电子，电子对效应产生的电子能量在511keV以上，表面产生的大量高能电子会逃逸到闪烁体外，沉积在晶体内的能量就会减少很多，导致最终产生的光子数降低，所以探测器的分辨率和探测效率等性能就会降低。如何减少电子损失，增加闪烁体光子产额是提高测量高能γ射线的分辨率、探测效率等性能的有效方法。
发明内容
本发明的目的是在通用闪烁探测器的基础上对探测器的结构进行改进使其能够适用于中子活化环境下对于高能γ射线的测量。在中子活化后的样品放出的高能γ射线入射到晶体内部产生的较高能量的光电子，这些高能的光电子大部分是在晶体入射端表面产生，其能量较高很容易发生光电子逃逸，晶体内的沉积能量降低，影响探测器的分辨率和探测效率。通过本发明可以提高光电子的产额和输出从而提高分辨率、探测效率。
本发明使用如下技术可达到上述的发明目的：一种中子活化环境下闪烁探测器的改进结构，圆柱体晶体(5)除去出射端，其它表面用反射层(3)包裹。反射层(3)内测有两个突起圆环(7)使反射层与晶体之间有空气间隙，射线从入射端进入主晶体发生反应产生光电子，并电离激发晶体分子，晶体分子退激产生光子，晶体(5)表面产生的光子在进入空气层时发生全反射一部分光子反射回晶体内部，出射的光子经过反射层(3)反射回到晶体(5)，通过增透膜(6)，石英玻璃窗(9)和光导管(10)打在晶体的电子学系统(19)的光阴极(11)上产生光电子，并在晶体的电子学系统(19)的阳极(13)形成一个脉冲信号。螺线管(2)可以给晶体(5)提供一个稳定的磁场，从晶体(5)逃逸出的电子在洛伦兹力的作用下回到晶体(5)将能量沉积在晶体中，增加光子的产额，产生的光子经过反射通过增透膜(6)和光导管(10)打在晶体的电子学系统(19)的光阴极(11)上产生光电子，并在晶体的电子学系统(19)的阳极(13)形成一个脉冲信号。LaBr3(Ce)晶体(5)(折射率是1.9)在出射端进入石英玻璃窗(9)之间有空气(折射率1)会发生全反射，增大了晶体内部闪烁光子内陷的几率。因此在晶体(5)与石英玻璃窗(9)之间做一个增透膜(6)，将折射率逐渐减小过渡到石英玻璃窗(9)(折射率是1.45)，降低晶体内部闪烁光子的内陷几率，使更多的光子能够通过石英玻璃窗(9)打在晶体的电子学系统(19)的光阴极(11)上产生电子，并在阳极(13)形成一个脉冲信号。这些脉冲信号进入多道分析系统(18)形成一个能量计数被记录在能谱上。整个探测器套在圆柱形金属套筒(1)里，前端有薄金属壳(4)后端有金属后盖(14)，金属后盖(14)中有接线孔(15)用以外接多道分析系统(18)和电源。在石英玻璃窗(9)中间加一个光导管(10)用以连接晶体与光电倍增管，减少折射和反射，使光子能够顺利输运，通过光导管也可以有效的减弱螺线管(2)产生的磁场对光电倍增管(16)的影响。
所述的晶体(5)是直径3英寸，高3英寸圆柱体溴化镧晶体含Ce3％，溴化镧晶体对137Cs能量667keV的全能峰的分辨率在3％左右，高于碘化钠晶体的7％左右。
所述的反射层(3)是直径7.8cm，高7.6cm的聚四氟乙稀做的圆筒前端是有盖封闭的后端无盖，内侧有两个凸起的圆环(7)，整个聚四氟乙稀内侧喷涂一层硫酸钡，有涂层的聚四氟乙稀作为晶体(5)外侧的反射层(3)。
所述的螺线管(2)是内径7.9cm外侧缠漆包铜线的螺线管，螺线管(2)上留有两个接线端为其接入合适工作电压使螺线管提供足够大的磁场，可以把逃逸出的电子在洛伦兹力作用下偏转回晶体里。根据γ射线与物质相互作用的衰减规律可知反应主要发生在在晶体(5)左端因此螺线管在左侧缠的密集向右逐渐递减，这样既能提供合适的磁场又能减弱对后边电子学系统的影响。
所述的光导管(10)是聚四氟乙稀做的直径7.6cm，高度是5cm的圆筒(无盖)内侧涂有硫酸钡粉。其左侧与石英玻璃窗(9)之间用光学耦合剂(8)硅油相连，右侧与光电倍增管的石英玻璃窗(9)连接。
所述的增透膜(6)是蒸镀的一层氧化铪膜，其折射率为1.7，介于晶体(5)和硅油之间，降低晶体内部闪烁光子的内陷几率，使更多的光子通过石英玻璃窗(9)打在晶体的电子学系统(19)的光阴极(9)。
所述的电子学系统(19)是由光电倍增管(16)，前置放大器(17)和多道分析系统(18)组成。
所述薄金属壳(4)、圆柱体金属套筒(1)、金属后盖(14)材质为铝，薄金属壳(4)厚度低于1mm，尽可能减少对入射射线的阻挡。
本发明是为了提高在中子活化环境下对高能γ射线测量能谱的分辨率和探测效率。在晶体外侧留有空气层是让逃逸的光子发生全反射，增大晶体侧面逃逸电子的内陷几率，使更多的光子从合适方向出射。荧光反射层用涂有硫酸钡的聚四氟乙稀构成，可以使逃逸出的光子在硫酸钡涂层和聚四氟乙烯分别反射回到晶体内，提高晶体光子的收集能力。螺线管在加合适的高压为晶体提供足够大的磁场，可以是逃逸出的高能电子束缚回晶体内部，再次作用产生光电子提高晶体的光产额。以上三种措施提高了进入光阴极的光子数，提高全能峰的有效计数，降低康普顿台计数，有效的提高探测器的分辨率和探测效率。所以改进后的闪烁探测器在核衰变测量，高能γ谱测量，中子活化元素分析等高精度核谱学测量中有很高的实用价值。
附图说明
图1为本发明侧视图，图2为晶体探头的正视图，图3是电子学系统示意图。
1-圆柱形金属套筒，2-螺线管，3-反射层，4-薄金属壳，5-晶体，6-增透膜，7-突起圆环，8-光学耦合剂，9-石英玻璃窗，10-光导管，11-光阴极，12-打拿极，13-阳极，14-金属后盖，15-接线孔，16-光电倍增管，17-前置放大器，18-多道分析器系统，19-电子学系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明
实施例1
一种中子活化环境下闪烁探测器的改进结构如图1，图2所示。晶体(5)为圆柱体侧面用反射层(3)包裹，反射层(3)是聚四氟乙烯内侧涂有硫酸钡。反射层(3)内测有两个突起圆环(7)使反射层与晶体之间有空气层，反射层(3)外面用螺线管(2)环绕。探测器前端有薄金属壳(4)作为前盖保护内部结构，主晶体通过增透膜(6)、光学耦合剂(8)、石英玻璃窗(9)、光导管(10)和晶体的电子学系统(19)连接。整个系统放在圆柱形金属套筒(1)内，探测器后端有金属后盖(14)，金属后盖(14)中间有接线孔(15)将电子学系统的电源线和信号线分别与高压电源和多道分析系统(18)连接。
当高能γ射线穿过薄金属壳(4)进入晶体(5)后主要发生光电效应和少量的康普顿散射，将溴化镧分子电离、激发，分子退激产生4π立体角的荧光光子，向晶体侧壁发射的光子被反射层(3)反射回来，最终通过增透膜(6)，光导管(10)和石英玻璃窗(9)进入晶体的电子学系统(19)。与此同时，高能γ射线在晶体入射端表面发生电子对效应产生的电子能量在511keV以上，表面产生的大量高能电子会逃逸到闪烁体外，外围的螺线管(2)提供的磁场将逃逸的电子束缚回晶体(5)内再次作用将能量沉积在晶体中，增加光子的产额，产生的光子通过光导管(10)和石英玻璃窗(9)进入晶体的电子学系统(19)。进入晶体的电子学系统(19)的光子先打到光阴极(11)上产生电子，这些电子经过打拿极(12)间的电场进行加速和聚焦，并在打拿极(12)材料上产生更多电子，最后在阳极(14)上接收到大量电子生成一个电流脉冲或电压脉冲的电信号。电信号经过前置放大器(17)降噪处理后输入到多道分析系统(18)进行数据处理得出能谱图。
晶体(5)是直径3英寸，高3英寸圆柱体溴化镧晶体含Ce3％，溴化镧晶体对137Cs能量667keV的全能峰的分辨率在3％左右，高于碘化钠晶体7％左右。
反射层(3)是直径7.8cm，高7.6cm的聚四氟乙稀做的圆筒前端是有盖封闭的后端无盖，内侧有两个凸起的圆环，整个聚四氟乙稀内侧喷涂一层硫酸钡粉末，将逃逸出的光子反射回晶体(5)。
螺线管(2)是内径7.9cm外侧缠漆包铜线的螺线管，螺线管(2)上留有两个接线端为其接入合适工作电压使螺线管提供足够大的磁场，可以把逃逸出的电子束缚回晶体(5)。
光导管(10)是聚四氟乙稀做的直径7.6cm，厚度是5cm的圆筒(无盖)内侧涂有硫酸钡粉。其前端与晶体的石英玻璃窗(9)之间用光学耦合剂(8)硅油相连，右侧与光电倍增管的石英玻璃窗(9)连接。
增透膜(6)是蒸镀的一层氧化铪膜，其折射率为1.7，介于晶体(5)和硅油之间，与光学耦合剂(8)，石英玻璃窗(9)一起做光子从晶体(5)进入电子学系统的耦合介质，降低晶体内部闪烁光子的内陷几率。
薄金属壳(4)、圆柱体金属套筒(1)、金属后盖(14)材质为铝，薄金属壳(4)厚度低于1mm，尽可能减少对入射射线的阻挡。

Claims (6)

1.一种中子活化环境下闪烁探测器的改进结构其特征在于，晶体(5)为圆柱体侧面用反射层(3)包裹,反射层(3)内侧有两个突起圆环(7)使反射层与晶体之间有空气层，反射层(3)外面用螺线管(2)环绕，晶体(5)与石英玻璃窗(9)之间有增透膜(6)，石英玻璃窗(9)中间有光导管(10)。
2.根据权利要求1所述一种中子活化环境下闪烁探测器的改进结构，其特征在于所述晶体(5)为直径3英寸，高3英寸圆柱体溴化镧晶体，外围用直径7.8cm，高7.6cm的聚四氟乙烯内测涂硫酸钡的反射层(3)包裹。
3.根据权利要求1所述一种中子活化环境下闪烁探测器的改进结构，其特征在于所述反射层(3)内侧有两个凸起圆环(7)，使得反射层(3)与晶体(5)之间有空气层。
4.根据权利要求1所述一种中子活化环境下闪烁探测器的改进结构，其特征在于所述反射层(3)外围有一内径为7.9cm的螺线管(2)环绕，且螺线管(2)缠绕的铜丝匝数从前往后逐级递减。
5.根据权利要求1所述一种中子活化环境下闪烁探测器的改进结构，其特征在于所述晶体(5)出射端镀一增透膜(6)，材质为氧化铪，其折射系数为1.7介于晶体(5)和石英玻璃窗(9)之间。
6.根据权利要求1所述一种中子活化环境下闪烁探测器的改进结构，其特征在于所述光导管(10)是聚四氟乙稀做的直径7.6cm，厚度是5cm的圆筒(无盖)内侧涂有硫酸钡。
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