CN108535758A - 一种可测量β能谱和定向剂量当量率的叠层闪烁探测器 - Google Patents

Abstract

本发明属于辐射探测技术领域，涉及一种可测量β能谱和定向剂量当量率的叠层闪烁探测器。所述的叠层闪烁探测器包括探头，所述的探头包括依次紧密连接的入射窗、第一层塑料闪烁体、第二层塑料闪烁体、光电倍增管和电荷灵敏前置放大器，入射窗分多层交错排列，用于避光并反射塑料闪烁体产生的闪烁光子，增加光电倍增管对闪烁光子的收集效率；光电倍增管用于将辐射粒子在塑料闪烁体中产生的闪烁光子信号转化为电信号；电荷灵敏前置放大器用于输出光电倍增管中的电信号，并增加信号的信噪比。本发明的叠层闪烁探测器能工作在两种模式下，即可以实现降低γ干扰，测量β能谱，又可以用于测量定向剂量当量率。

Description

一种可测量β能谱和定向剂量当量率的叠层闪烁探测器

技术领域

本发明属于辐射探测技术领域，涉及一种可测量β能谱和定向剂量当量率的叠层闪烁探测器。

背景技术

β和γ都是常见的两种放射性粒子，核设施周围的辐射场多为β-γ混合场。在辐射探测工作中，两种粒子的能谱和剂量测量都非常重要。

两种粒子能谱的测量对核素识别和了解辐射场的细节信息都有重要意义。γ能谱测量方法比较成熟，而β能谱测量则存在γ干扰问题。一般用于测量β的晶体也能对γ产生响应，因此测量β能谱时，必须考虑的问题是排除γ射线的干扰。

另一方面，国际辐射单位与测量委员会(ICRU)提出了使用定向剂量当量H'(0.07)来监测辐射场中的弱贯穿辐射。H'(0.07)定义为：辐射场中一点的定向剂量当量H'(0.07,Ω)是相应的扩展场中ICRU球规定方向Ω的半径上深度0.07mm处产生的剂量当量。H'(0.07)给出皮肤剂量的估计值，由定义可知H'(0.07)与辐射粒子类型无关，即β和γ射线都可能对皮肤等浅表组织产生损失，两种射线都可能对H'(0.07)产生贡献。

传统的方法中，为了测量β-γ混合场中的β能谱，需要一台专门的β谱仪，且要考虑如何屏蔽γ射线的干扰；而为了测量定向剂量当量率又需要一台专门的定向剂量当量率仪。因此，为了测量β能谱和定向剂量当量率，所用的设备数量多，成本高，而且往往不能很好地解决β能谱测量时γ的干扰问题。

发明内容

本发明的首要目的是提供一种可测量β能谱和定向剂量当量率的叠层闪烁探测器，以即可以实现降低γ干扰，测量β能谱，又可以用于测量定向剂量当量率。

为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种可测量β能谱和定向剂量当量率的叠层闪烁探测器，所述的叠层闪烁探测器包括探头，所述的探头包括依次紧密连接的入射窗、第一层塑料闪烁体、第二层塑料闪烁体、光电倍增管和电荷灵敏前置放大器，

所述的入射窗分多层交错排列，用于避光并反射所述的塑料闪烁体产生的闪烁光子，增加所述的光电倍增管对闪烁光子的收集效率；

所述的第一层塑料闪烁体用于测量和β能谱；

所述的第二层塑料闪烁体一方面用于充当测量时的反散射体，另一方面用于测量β能谱；

所述的光电倍增管用于将辐射粒子在塑料闪烁体中产生的闪烁光子信号转化为电信号；

所述的电荷灵敏前置放大器用于输出光电倍增管中的电信号，并增加信号的信噪比。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种可测量β能谱和定向剂量当量率的叠层闪烁探测器，其中所述的探头还包括外壳，所述的两层塑料闪烁体、光电倍增管和电荷灵敏前置放大器密封封装在所述的外壳内。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种可测量β能谱和定向剂量当量率的叠层闪烁探测器，其中所述的外壳为铝壳。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种可测量β能谱和定向剂量当量率的叠层闪烁探测器，其中所述的外壳的厚度大于4mm。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种可测量β能谱和定向剂量当量率的叠层闪烁探测器，其中第一层塑料闪烁体为发光衰减时间常数不超过10ns的塑料闪烁体，第一层塑料闪烁体的材质可选Eljen公司的EJ212或者圣戈班公司的BC400(它们的发光衰减时间常数都为2.4ns)。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种可测量β能谱和定向剂量当量率的叠层闪烁探测器，其中第一层塑料闪烁体的质量厚度为8～12mg/cm²。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种可测量β能谱和定向剂量当量率的叠层闪烁探测器，其中第二层塑料闪烁体的发光衰减时间常数大于200ns，与第一层塑料闪烁体的发光衰减时间常数存在显著差异，第二层塑料闪烁体的材质可选Eljen公司的EJ240或者圣戈班公司的BC444(它们的发光衰减时间常数都为280ns)。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种可测量β能谱和定向剂量当量率的叠层闪烁探测器，其中第二层塑料闪烁体的厚度为8～12mm。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种可测量β能谱和定向剂量当量率的叠层闪烁探测器，其中所述的入射窗材质为铝化聚酯膜材料，层数为3～9层，总质量厚度为1～3mg/cm²。

本发明的第二个目的是提供一种利用前述叠层闪烁探测器进行脉冲形状甄别的算法，以降低γ干扰，有效进行脉冲形状甄别。

为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种利用前述叠层闪烁探测器进行脉冲形状甄别的算法，其基于判断粒子是否在第一层塑料闪烁体中发生了能量沉积，包括如下步骤：

A)提取脉冲触发后第20ns时的幅度，记为A；

B)提取脉冲的最大幅度，记为P；

C)按式(1)计算比例系数；

D)通过实验确定比例系数r的阈值r_T；

E)对任意一个脉冲，若r>r_T，则判断粒子在第一层塑料闪烁体中发生了能量沉积，保留该次脉冲，

否则，则认为粒子没有在第一层塑料闪烁体中发生能量沉积，舍弃该脉冲。

本发明的有益效果在于，利用本发明的叠层闪烁探测器及基于其的脉冲形状甄别算法，可使叠层闪烁探测器能工作在两种模式下，即可以实现降低γ干扰，测量β能谱，又可以用于测量定向剂量当量率。由于核设施周围场所中常见β源核素最大能量为2.28MeV(⁹⁰Sr/⁹⁰Yβ源的最大能量)，因此本发明对β射线的能量测量上限为2.3MeV。

附图说明

图1为示例性的本发明的可测量β能谱和定向剂量当量率的叠层闪烁探测器的结构图。

图2为示例性的本发明的可测量β能谱和定向剂量当量率的叠层闪烁探测器输出脉冲的示意图。

图3为本发明的可测量β能谱和定向剂量当量率的叠层闪烁探测器的两种工作模式的原理框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

一、探头结构

示例性的本发明的可测量β能谱和定向剂量当量率的叠层闪烁探测器包括探头，该探头的结构如图1所示，包括依次紧密连接的入射窗4、第一层塑料闪烁体1(PS1)、第二层塑料闪烁体2(PS2)、光电倍增管和电荷灵敏前置放大器3，以及密封封装PS1、PS2、光电倍增管和电荷灵敏前置放大器3的铝壳5。

PS1为发光衰减时间常数极短(小于10ns)的塑料闪烁体，质量厚度为10mg/cm²，可选择Eljen公司的EJ212或者圣戈班公司的BC400(它们的发光衰减时间常数为2.4ns)，用于测量和β能谱。

PS2必须选择发光衰减时间常数极大(大于200ns)的塑料闪烁体，可选择的为Eljen公司的EJ240或者圣戈班公司的BC444(它们的发光衰减时间常数为280ns)。PS2厚度为11mm。PS2一方面用于充当测量时的反散射体，另一方面用于测量β能谱。PS2后排列光电倍增管和电荷灵敏前置放大器3。

光电倍增管和电荷灵敏前置放大器3用于将辐射粒子在塑料闪烁体中产生的闪烁光子信号转化为电信号，并用于输出电信号，增加信号的信噪比，其连接电源接头6，信号输出接口7。

入射窗4分多层交错排列在PS1的前面，用于避光并反射塑料闪烁体产生的闪烁光子，增加光电倍增管和电荷灵敏前置放大器3对闪烁光子的收集效率。入射窗4的材质为铝化聚酯膜材料，层数为6层，总质量厚度为2mg/cm²。

PS1、PS2、光电倍增管和电荷灵敏前置放大器3密封封装在铝壳5内。铝壳5的厚度为5mm，保证2.3MeV以下的β粒子不能穿透。

二、脉冲形状甄别算法

利用前述示例性的本发明的可测量β能谱和定向剂量当量率的叠层闪烁探测器进行脉冲形状甄别的算法包括如下步骤，其中涉及的叠层闪烁探测器输出的脉冲如图2所示：

A)提取脉冲触发后第20ns时的幅度，记为A。

B)提取脉冲的最大幅度，记为P。

C)按式(1)计算比例系数，

由于PS1的发光衰减时间常数极短，因此它的贡献全部位于脉冲的前20ns中。如果粒子在PS1中沉积了能量，此时A较大，比例系数r也较大；反之若粒子只在PS2中沉积能量，则r较小。于是可以通过实验确定比例系数r的阈值r_T。

D)通过实验确定比例系数r的阈值r_T。

E)对任意一个脉冲，若r>r_T，则判断粒子在所述的塑料闪烁体中的第一层发生了能量沉积，保留该次脉冲；否则，则认为粒子没有在所述的塑料闪烁体中的第一层发生了能量沉积，舍弃该脉冲。

三、β能谱测量模式

本发明的叠层闪烁探测器在β能谱测量模式下的工作原理如下：

1)粒子类型判断的原理：

β能谱工作模式下主要考虑探测器对γ的抑制能力，即减少探测器对γ的响应。从入射窗进入闪烁体中的γ射线是否发生能量沉积是概率事件，由于PS2厚度远大于PS1，因此γ射线在PS1中发生能量沉积的概率远小于它能在PS2中沉积能量的概率。另一方面，β射线是连续沉积能量，因此穿过入射窗的β粒子几乎一定会在PS1中沉积能量，而剩余部分能量将在PS2中沉积。本发明正是利用β和γ在第一层塑料闪烁体PS1中发生能量沉积概率的差异，来实现探测器对γ响应的抑制，即只有入射粒子在PS1中沉积能量时，才将它记录。

2)β粒子能谱的获取：

首先根据脉冲形状甄别算法，判断粒子类型：若粒子在PS1中沉积了能量，则判断为β粒子；否则判断为γ粒子并舍弃掉。

然后计算β粒子的能量。当入射粒子确定为β后，对低能β，若粒子只在PS1中沉积能量，则A正比于粒子在PS1中沉积的能量。用低能β源(如⁶³Ni和¹⁴C)对PS1的能量刻度系数进行校准，

E₁＝k₁*A+E₀₁ (2)

当粒子在两层闪烁体中都有能量沉积时，显然PS1产生的信号完全表现在脉冲幅度A中，但A中也可能包含了部分PS2产生的信号，由PS2的发光衰减时间常数(280ns)估计，PS2产生的脉冲对A的贡献相当于它对(P-A)贡献的0.077倍。因此，粒子在PS1中沉积的能正比于为A-0.077*(P-A)，则

E₁＝k₁*(A-0.077*(P-A))+E₀₁ (3)

若粒子只在PS1中沉积能量，则必有P-A＝0，故此时式(3)和式(2)表达的意思一致。所以式(2)对粒子在(或者不在)PS2中沉积能量都是通用的。

对第二层闪烁体，(P-A)正比于粒子在PS2中沉积的能量。用低能γ源的全能峰(如²⁴¹Am，59.5keV全能峰)以及中能γ源的康普顿沿(如¹³⁷Cs)对PS2的能量刻度系数进行校准。假设实验得到的两种塑料闪烁体的能量刻度系数分别为：

E₂＝k₂*(P-A)+E₀₂； (4)

β能量等于它在两层闪烁体中沉积能量之和，即：

E＝E₁+E₂＝k₁*(A-0.077*(P-A))+k₂*(P-A)+E₀ (5)

其中E₀＝E₀₁+E₀₂。

由此，本发明的叠层闪烁探测器实现了降低γ的干扰并测量β能谱的功能。由于闪烁体的总质量厚度约为1.11g/cm²，其β能量测量上限为2.3MeV。

四、定向剂量当量率测量模式

本发明的叠层闪烁探测器在定向剂量当量率测量模式下的工作原理及测量实施方法如下。

1)工作原理

在本发明对各部件尺寸的巧妙设置下，入射窗厚度加上PS1厚度的1/2恰好等于7mg/cm²，因此粒子在PS1中沉积的能量正比于定向剂量当量。这种模式下，由于PS2的成分和密度都接近ICRU组织等效材料，因此它充当了定向剂量当量率测量中反散射体的作用。定向剂量当量率测量模式下，需要提取PS1中产生的脉冲信号，首先要判断粒子是否在PS1中产生信号，然后计算粒子在PS1中沉积的能量。

2)定向剂量当量率测量实施

首先根据脉冲形状甄别算法，判断粒子是否在PS1中沉积了能量。若没有则舍弃该次脉冲，若粒子在PS1中沉积了能量，则计算该能量。粒子在PS1中沉积的能量正比于A-0.077*(P-A))；

测量一段时间(如1秒)内粒子在PS1中产生的多个脉冲幅度之和，记为

h＝∑(A-0.077(P-A)) (6)

则可以拟合求出定向剂量当量率：

其中k和k₀为刻度系数，可将仪器置于标准辐射场中校准求出。

五、工作模式总结

在探测器制作完毕，并且已经完成能量刻度后，两种工作模式的具体实施方式可总结为图3所示。

a)使用脉冲形状甄别算法判断是否记录被测脉冲；

b)若在能谱测量模式下，则计算β粒子能量并更新β能谱

c)若在定向剂量当量率测量模式下，则求一段时间内的粒子在PS1中产生的脉冲幅度之和，由此计算定量剂量当量率。

可见，本发明设计的叠层闪烁探测器既可用于排除γ射线的干扰，测量β能谱，又可以用于测量定向剂量当量率。而且探测器既可以单独工作在其中任意一种模式下，也可以同时工作在两种模式下，一台仪器可以同时解决两种测量任务。

六、本发明的叠层闪烁探测器的具体制作和测量

1.按照图1制作本发明的叠层闪烁探测器，其中入射窗质量厚度为2mg/cm²，PS1的质量厚度为10mg/cm²，PS2厚度为11mm。

2.使用模数转换器ADC(采样频率大于50MSPS)读取叠层闪烁探测器输出的电压信号.

3.提取脉冲触发后第20ns时的幅度A和最大幅度P。按式(1)计算比例系数r，并由实验确定r的阈值r_T。若r>r_T，则保留该次脉冲；否则舍弃该脉冲。

4.能量刻度：使用标准按照式(2)～式(4)提及的方法对两层闪烁体进行能量刻度；

5.剂量率校准：将仪器置于标准辐射场中，按照式(6)测量指定时间内粒子在PS1中产生的脉冲幅度之和，求出式(7)中的两个校准系数。

6.若需进行能谱测量，然后按照式(5)计算β粒子能量，并更新β能谱。

7.若需要进行定向剂量当量率测量，按照式(6)测量指定时间内粒子在PS1中产生的脉冲幅度之和，然后按式(7)求出定量剂量当量率。

8.若需要同时测能谱和定量剂量当量率，则同时进行第6)和第7)步。

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。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种可测量β能谱和定向剂量当量率的叠层闪烁探测器，其特征在于，所述的叠层闪烁探测器包括探头，所述的探头包括依次紧密连接的入射窗、第一层塑料闪烁体、第二层塑料闪烁体、光电倍增管和电荷灵敏前置放大器，

所述的入射窗分多层交错排列，用于避光并反射所述的塑料闪烁体产生的闪烁光子，增加所述的光电倍增管对闪烁光子的收集效率；

所述的第一层塑料闪烁体用于测量和β能谱；

所述的第二层塑料闪烁体一方面用于充当测量时的反散射体，另一方面用于测量β能谱；

所述的光电倍增管用于将辐射粒子在塑料闪烁体中产生的闪烁光子信号转化为电信号；

所述的电荷灵敏前置放大器用于输出光电倍增管中的电信号，并增加信号的信噪比。

2.根据权利要求1所述的叠层闪烁探测器，其特征在于：所述的探头还包括外壳，所述的两层塑料闪烁体、光电倍增管和电荷灵敏前置放大器密封封装在所述的外壳内。

3.根据权利要求2所述的叠层闪烁探测器，其特征在于：所述的外壳为铝壳。

4.根据权利要求2所述的叠层闪烁探测器，其特征在于：所述的外壳的厚度大于4mm。

5.根据权利要求1所述的叠层闪烁探测器，其特征在于：第一层塑料闪烁体为发光衰减时间常数不超过10ns的塑料闪烁体。

6.根据权利要求1所述的叠层闪烁探测器，其特征在于：第一层塑料闪烁体的质量厚度为8～12mg/cm²，第一层塑料闪烁体的材质为Eljen公司的EJ212或者圣戈班公司的BC400。

7.根据权利要求1所述的叠层闪烁探测器，其特征在于：第二层塑料闪烁体为发光衰减时间常数大于200ns的塑料闪烁体，第二层塑料闪烁体的材质为Eljen公司的EJ240或者圣戈班公司的BC444。

8.根据权利要求1所述的叠层闪烁探测器，其特征在于：第二层塑料闪烁体的厚度为10～12mm。

9.根据权利要求1所述的叠层闪烁探测器，其特征在于：所述的入射窗材质为铝化聚酯膜材料，层数为3～9层，总质量厚度为1～3mg/cm²。

10.一种利用权利要求1-9任意一项的叠层闪烁探测器进行脉冲形状甄别的算法，其基于判断粒子是否在第一层塑料闪烁体中发生了能量沉积，包括如下步骤：

A)提取脉冲触发后第20ns时的幅度，记为A；

B)提取脉冲的最大幅度，记为P；

C)按式(1)计算比例系数；

D)通过实验确定比例系数r的阈值r_T；

E)对任意一个脉冲，若r>r_T，则判断粒子在第一层塑料闪烁体中发生了能量沉积，保留该次脉冲，

否则，则认为粒子没有在第一层塑料闪烁体中发生能量沉积，舍弃该脉冲。