CN108572383A - 一种测量*′(0.07)的闪烁探头及包括其的探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于辐射探测技术领域，涉及一种测量的闪烁探头及包括其的探测器。所述的闪烁探头包括依次连接排列的入射窗、塑料闪烁体、反散射体、光电倍增管和电荷灵敏前置放大器，入射窗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对闪烁光子的收集效率；反散射体用于防止β射线的反散射作用，将塑料闪烁体产生的荧光很好的传输到光电倍增管的光阴极之上；光电倍增管和电荷灵敏前置放大器用于测量和输出辐射粒子在塑料闪烁体中产生的信号。包括本发明的闪烁探头的本发明的闪烁探测器可解决目前国际市场上仍少见满足监测要求的探测器及其闪烁探头的技术问题。
Description
技术领域
本发明属于辐射探测技术领域，涉及一种测量的闪烁探头及包括其的探测器。
背景技术
国际辐射单位与测量委员会(ICRU)对定向剂量当量率的定义为：辐射场某点的定向剂量当量H'(0.07,Ω)是相应的扩展场在ICRU球体指定方向Ω的半径上深度d处产生的剂量当量。ICRU对弱贯穿辐射建议d＝0.07mm，记为 H'(0.07)。
对于β射线剂量(率)测量，其难点在于β射线辐射场本身的不均匀性，及β射线在剂量仪灵敏体积当中能量沉积的极其不均匀。因为对于任何一个以能量沉积的方法测量电离辐射剂量的仪器(这里指的是由沉积的总能量来测量剂量的仪器，而不包括利用能谱等信息的测量仪器)都是蕴含着一个假设：辐射场在仪器灵敏体积内是均匀的，或者更严格地说辐射在仪器灵敏体积中的能量沉积是均匀的。对于强贯穿辐射来说，这个条件是比较容易满足的；而对于β射线来说其本身在仪器灵敏体积中的衰减比较严重，进而会导致其在仪器灵敏体积当中的能量沉积不均匀，因此实际所测量到的量(β射线在整个灵敏体积中沉积的能量)与想要测量的量(对于弱贯穿辐射Hp(0.07) 或H'(0.07))有较大的偏离。
对场所弱贯穿辐射的定向剂量当量(率)监测，德国、美国、英国等都按照ISO要求建立了测定的标准方法。2012年，我国修订了用于定向剂量当量率性能测试的标准(GB/T4835.1-2012[1])。1992年ICRU 47号报告出版后，许多国家开始了定向剂量当量监测仪的研究工作，大多采用薄窗平板型小灵敏体积的电离室。但目前国际市场上仍少见满足监测要求的监测仪，针对监测仪(探测器)设计比较困难。
发明内容
本发明的首要目的是提供一种测量的闪烁探头，以解决目前国际市场上仍少见满足监测要求的探测器及其闪烁探头的技术问题。
为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种测量的闪烁探头，所述的闪烁探头包括依次连接排列的入射窗、塑料闪烁体、反散射体、光电倍增管和电荷灵敏前置放大器，
所述的入射窗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和电荷灵敏前置放大器对闪烁光子的收集效率；
所述的塑料闪烁体用于射线进入后与之发生相互作用(如果进入的是γ射线，将在某一地点产生次级电子)，吸收带电粒子的能量，从而发生闪烁体原子、分子的电离、激发，受激原子、分子退激发时发射荧光光子；
所述的反散射体用于防止β射线的反散射作用，将所述的塑料闪烁体产生的荧光很好的传输到光电倍增管的光阴极之上；
所述的光电倍增管和电荷灵敏前置放大器用于测量和输出辐射粒子在所述的塑料闪烁体中产生的信号。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种测量的闪烁探头，其中所述的闪烁探头还包括外壳，所述的塑料闪烁体、反散射体、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，本发明提供一种测量的闪烁探头，其中所述的外壳为铝壳，厚度大于2mm。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种测量的闪烁探头，其中所述的入射窗的材质为镀铝聚酯薄膜。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种测量的闪烁探头，其中所述的入射窗密度为0.8-1.2g/cm3，质量厚度为3.2-4.8mg/cm2。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种测量的闪烁探头，其中所述的塑料闪烁体的材质为苯乙烯加发光物质，其发射光谱主峰位在4230 埃，相对蒽晶体发光效率为40％，发光自吸收系数为0.04/cm，发光衰减时间为(2-3)ns。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种测量的闪烁探头，其中所述的塑料闪烁体的密度为0.8-1.2g/cm3，质量厚度为4.8-7.2mg/cm2。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种测量的闪烁探头，其中所述的入射窗的质量厚度加所述的塑料闪烁体的质量厚度的一半为 5.6-8.4mg/cm2。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种测量的闪烁探头，其中所述的反散射体的材质为有机玻璃。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种测量的闪烁探头，其中所述的反散射体的材质为镀铝聚酯薄膜。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种测量的闪烁探头，其中所述的反散射体密度为1.0-1.4g/cm3，厚度为4-10mm。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种测量的闪烁探头，其中所述的塑料闪烁体与所述的反散射体之间涂有硅油。
本发明的第二个目的是提供一种测量的闪烁探测器，以解决目前国际市场上仍少见满足监测要求的探测器及其闪烁探头的技术问题。
为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种测量的闪烁探测器,其包括前述的闪烁探头。
本发明的有益效果在于，包括本发明的闪烁探头的本发明的闪烁探测器可用于的准确测量，解决目前国际市场上仍少见满足监测要求的探测器及其闪烁探头的技术问题。本发明设计的闪烁探头及闪烁探测器主要应用于场所的监测，可用于场所弱贯穿辐射调查，根据测量结果数据，为辐射评价及防护工作提供数据支持。
附图说明
图1为示例性的本发明的测量的闪烁探头的结构图。
图2为β射线在本发明的测量的闪烁探测器中的作用原理示意图。
图3为塑料闪烁体质量厚度为5mg/cm2时不同厚度入射窗对探测器能量响应的影响图。
图4为塑料闪烁体质量厚度为20mg/cm2时不同厚度入射窗对探测器能量响应的影响图。
图5为入射窗质量厚度为1mg/cm2时不同厚度的塑料闪烁体对探测器能量响应的影响图。
图6为入射窗质量厚度为4mg/cm2时不同厚度的塑料闪烁体对探测器能量响应的影响图。
图7为入射窗质量厚度为4mg/cm2时较厚塑料闪烁体对探测器能量响应的影响图。
图8为不同厚度反散射体对探测器能量响应的影响图。
图9为加与不加反散射体对探测器能量响应的影响图。
图10为入射窗加与不加铝层对探测器能量响应的影响图。
图11为探测器探头外壳对探测器能量响应的影响图。
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
示例性的本发明的测量的闪烁探测器包括如图1所示结构的闪烁探头(结合MC模拟计算结果设计)，该闪烁探头包括依次连接排列的入射窗 1，塑料闪烁体2，反散射体3(PMMA)，光电倍增管(PMT)和电荷灵敏前置放大器4，密封封装塑料闪烁体2、反散射体3(PMMA)、光电倍增管(PMT) 和电荷灵敏前置放大器4的铝外壳5，探头前窗保护盖6。
对于监测，由于β辐射的特殊性，容易与物质发生反散射，因此在计算β剂量的时候一定要考虑反散射的影响。β射线与人体皮肤层作用时，人体组织对β射线有着显著地反散射作用，因此在设计测量的闪烁探测器的探头时，就需要加入反散射体，这是非常关键的一步。
入射窗1的材质为镀铝聚酯薄膜，密度为1g/cm3，总质量厚度为4mg/cm2。入射窗1用于避光并反射塑料闪烁体2产生的闪烁光子，增加光电倍增管和电荷灵敏前置放大器4对闪烁光子的收集效率。
由于入射窗1比较薄，容易因被外物戳到而破损，所以入射窗1设计为可从前端更换的结构。为了方便更换入射窗1，镀铝聚酯薄膜贴在了一个厚 0.2mm的铝环上。安装时入射窗1后面紧贴塑料闪烁体2，前面被一厚1mm 的铝质的环状盖子固定，盖子通过螺纹与探头的铝外壳5固定在一起。为了防止外面光线从探头前窗缝隙进入，在入射窗和铝盖之间加了一层0.5mm厚的黑色橡胶垫圈。搬运期间为防止不小心划破入射窗1，在入射窗1前面加了探头前窗保护盖6，其材质为厚度大于0.5mm的铝，测量时需要从入射窗1 前面摘下探头前窗保护盖6。
塑料闪烁体2的材质为，密度为1.03g/cm3，质量厚度为6mg/cm2(厚度为0.06mm)，用于射线进入后与之发生相互作用(如果进入的是γ射线，将在某一地点产生次级电子)，吸收带电粒子的能量，从而发生闪烁体原子、分子的电离、激发，受激原子、分子退激发时发射荧光光子。塑料闪烁体2前面紧贴入射窗1，后面紧贴PMMA。
入射窗1的质量厚度加塑料闪烁体2质量厚度的一半恰好等于7mg/cm2。
PMMA的材质为有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯)，密度为1.2g/cm3，厚度为5mm。由于有机玻璃PMMA具有良好的组织等效性，良好的透光度，所以它用于防止β射线的反散射作用，将塑料闪烁体2产生的荧光很好的传输到PMT的光阴极之上。PMMA前面与塑料闪烁体2相连，两者之间涂有硅油， PMMA后面紧贴PMT。
光电倍增管和电荷灵敏前置放大器4用于测量和输出辐射粒子在塑料闪烁体2中产生的信号。光电倍增管和电荷灵敏前置放大器4的最后端连接电源接头和信号输出接口。
铝外壳5为2mm厚，主要起保护内部材料和避光的作用。
二、本发明的测量的闪烁探测器的设计原理
本发明的测量的闪烁探测器的设计原理如下。
根据β射线与物质的相互作用，β射线在本发明的测量的闪烁探测器中的作用原理如图2所示。
图2中Ei为入射电子的能量，Eo为出射电子的能量，入射窗1的厚度加上塑料闪烁体2厚度的一半约为人体皮肤表层和基底层厚度(7mg/cm2)，电子入射到探测器上时，如图2所示会出现三种不同的情形：
第一种是低能量的电子无法穿透入射窗1，电子完全被阻止在入射窗1里面，无法到达塑料闪烁体2，当然也就没有信号产生，这部分电子对皮肤剂量是没有贡献的，在实际场合是不可能穿透人体皮肤死皮层的，不会造成伤害。
第二种为能量足够穿透入射窗1但不能穿过塑料闪烁体2。这部分粒子就相当于穿透了人体皮肤的死皮层，到达了人体皮肤的基底层层，会对皮肤造成伤害，这部分所受到的剂量其实是一个平均剂量的概念，指的是人体皮肤某一区域的平均剂量，在探测器上体现为在整个塑料闪烁体2上产生信号的平均值。由于这个原因，在计算皮肤剂量的时候就产生了一个问题，就是对于穿透入射窗1而未穿透塑料闪烁体2的电子来说，计算平均剂量的时候，就有一部分塑料闪烁体2是没有与电子相互作用的，这部分没有作用的塑料闪烁体2也一起平均了电子在塑料闪烁体2上产生的信号，就相当于没有剂量贡献的部分均摊了产生的整个剂量，这势必会使平均剂量的计算值有所低估。根据ICRU57号报告所推荐的数值，人体皮肤剂量当量指的是在0.07mm 深度处产生的剂量，质量厚度约为7mg/cm2，图2中显示的7mg/cm2为入射窗1的质量厚度加上塑料闪烁体2的一半质量厚度，根据上述理论，未能穿透这部分的电子所产生的剂量会存在低估。
第三种为电子的能量足够大，能够穿透塑料闪烁体2，到达反散射体3，也就是能够穿透人体皮肤的真皮层，到达深层组织。这部分电子与整个塑料闪烁体2相互作用，在整个塑料闪烁体2上产生信号。在计算定向剂量当量的时候，平均剂量的概念对这部分电子的影响不大，因为这部分不存在未作用而被均摊的塑料闪烁体2，所以在这部分电子的皮肤剂量的计算结果跟ICRU57号报告的推荐值一致。但需要注意的是，β粒子与物质相互作用时反散射的影响还是很大的，实际对不加反散射体3和加反散射体3分别进行了模拟计算，结果差别明显。
根据图2设计原理建立模型，使用MC模拟了不同探测器结构下的探测器对β射线的能量响应特性，具体如下：
1)入射窗1厚度对能量响应的影响
入射窗1选用的是镀铝聚酯薄膜，其厚度会对探测器能量响应产生影响，图3给出了塑料闪烁体2质量厚度为5mg/cm2时不同厚度入射窗1的模拟计算结果。从图3的曲线趋势可以看出，不管入射窗1厚度增加与否，当电子能量为0.1MeV＜E＜2MeV时，探测器对电子的能量响应，随电子能量的降低而逐渐变小。当E＜0.1MeV及入射窗1厚度为1mg/cm2和4mg/cm2时，探测器对电子的能量响应，随电子能量的降低迅速增加；当E＜0.1MeV及入射窗1厚度为7mg/cm2时，探测器对电子的能量响应，随电子能量的降低迅速减少。对于E＞2MeV的电子，入射窗1的厚度对探测器能量响应影响较小。
当塑料闪烁体较厚时，入射窗1厚度对探测器能量响应的影响如图4所示。由图4可知，当塑料闪烁体2厚度达到20mg/cm2时，入射窗1厚度在1 mg/cm2～7mg/cm2范围内，对于能量小于200keV的电子响应都明显偏低。
根据图3和图4模拟结果可知，入射窗1的厚度对低能电子的影响很大，随着入射窗1厚度的增加，低能电子的能量响应逐渐变小。对于高能电子来说，入射窗1厚度的变化对能量响应的影响基本不大。入射窗1越厚，被挡在入射窗1外无法进入塑料闪烁体2的电子就越多。由于在实际测量中，β谱为连续谱，这样就使得低能部分的电子无法进入到塑料闪烁体2，从而导致低能部分能量响应变差。但是并不是入射窗1厚度越薄越好，首先是因为入射窗1的避光性，太薄的铝化聚酯膜无法做到良好的避光性；更为重要的是测量的量是定向剂量当量H'(0.07)，这个量定义的是人体皮肤的弱贯穿辐射剂量，人体皮肤的死皮层有一定的厚度，能量太低的电子(约70keV以下)是无法穿透这层死皮层的，它们对皮肤剂量自然也就没有贡献，对它们的防护也就没有意义了，这是从实际出发的考虑。在模拟计算的结果中看到了对于1 mg/cm2质量厚度的入射窗1，电子低能部分的能量响应是偏高的，因为在推荐的定向剂量当量的参考值中，这部分电子的剂量贡献是没有考虑的，所以导致结果偏高。总之，入射窗1的厚度应该合理选择，不能太厚也不能太薄，从模拟计算的结果来看，3.2-4.8mg/cm2质量厚度的入射窗1比较适合此次设计的探测器测量。
2)塑料闪烁体2厚度对探测器能量响应的影响
入射窗1质量厚度分别为1mg/cm2和4mg/cm2时，不同厚度的塑料闪烁体2对探测器能量响应的影响分别如图5、图6和图7所示。从图中可以看出塑料闪烁体2越厚，低能部分的响应越差。塑料闪烁体2厚度增加对低能β射线所产生的闪烁光子是没有贡献的，而对高能β射线产生的闪烁光子却在增加，这就相对使低能电子的响应变差。
根据图5、图6和图7中模拟结果，塑料闪烁体2厚度对低能电子的影响很大，塑料闪烁体2越厚，低能部分电子的能量响应越差。低能电子无法穿透塑料闪烁体2，在塑料闪烁体2中沉积的能量也是不均匀的，或者只与一部分塑料闪烁体2发生相互作用，而对于定向剂量当量测量中使用的“平均剂量”这一概念来说，就会发生低估。所以塑料闪烁体2厚度越薄，低能电子的能量响应越好。从上述计算结果可以看出，接近4-6mg/cm2质量厚度的塑料闪烁体2是最理想的。
3)探测器反散射体3厚度对探测器能量响应的影响
不同厚度反散射体3(PMMA)对探测器能量响应的影响模拟结果如图8 和图9所示。由两图可以明显的看出，由于β粒子的反散射作用，加反散射体对探测器能量响应的影响很大，如果不加反散射体，能量较高的β射线就直接穿过闪烁体而无法探测。模拟结果显示反散射体3厚度为5mm或1cm 对探测器能量响应影响不大，实际反散射体3厚度5mm已足够。
反散射体3厚度约为现场可能存在的最高能量β粒子(3MeV)在有机玻璃中射程的一半，这样就会使得发生反射的β粒子在有机玻璃中来回路程为β粒子在有机玻璃中的最大射程，对于低于3MeV的β粒子，5mm厚度的有机玻璃反散射体3足够了。
4)探测器入射窗1镀铝薄膜铝层厚度对探测器能量响应的影响
探测器入射窗1使用镀铝聚酯薄膜这种材料具有良好的避光性和组织等效性，实际模拟计算了入射窗1铝层对探测器能量响应的影响，模拟计算结果如图10所示。由图10可知，铝层对探测器能量响应几乎没有影响，原因是因为镀铝膜铝层厚度十分薄，在纳米级别，这样厚度的铝层对β射线的影响较小。
5)探测器外壳厚度及材质对能量响应的影响
探测器的外壳也是设计的一部分，对于β射线来说，外壳的影响必须。一方面是β射线进入探测器后，可能与外壳内部发生反射与散射，另一方面是因为外界噪声，电磁干扰等对信号电流影响比较大，所以在这里考虑设计外壳的厚度及材质，不同厚度材质外壳对探测器能量响应影响模拟结果如图11所示。从图11可以看出，2mm厚度的铝外壳的能量响应最理想。
探测器外壳及反散射体3对于探测器的影响还是比较大的。这都是因为β粒子的反散射作用引起的，β粒子进入探测器后，会与反散射体3以及探测器外壳发生反散射。由于这个原因，选择5mm厚度的反散射体3以及2mm厚度的铝制外壳。
综上，经过MC模拟计算，可以得出探头最优化的组合结构为：入射窗1 镀铝聚酯薄膜的厚度为4mg/cm2，塑料闪烁体2的厚度为5mg/cm2，探测器反散射体3厚度为5mm有机玻璃，探测器铝外壳5厚度为2mm。
前述示例性的本发明的测量的闪烁探测器具体测量的实例与测量结果如下：
某核电站大修期间，使用前述监测仪，对蒸汽发生器堵板表面的进行了测量。直接测量时定向剂量当量率仪读数为23.3mSv/h。结合蒸汽发生器表面擦拭样的γ测量谱可知，蒸发器堵板表面主要有活化产物95Nb、60Co、54Mn、110mAg、58Co、59Fe、95Zr、51Cr等放射性核素。通过查资料可得出，这些放射性核素发射的β射线最大能量都不超过530keV，与校准定向剂量当量率仪使用的标准源85Kr发射的β能量分布范围相一致。根据定向剂量当量率仪在85Krβ辐射场中校准因子N为1.02，则现场直接测量值23.3mSv/h乘以校准因子1.02，得出测量点β射线贡献的最终结果为23.8mSv/h。
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)
1.一种测量的闪烁探头，其特征在于，所述的闪烁探头包括依次连接排列的入射窗、塑料闪烁体、反散射体、光电倍增管和电荷灵敏前置放大器，
所述的入射窗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和电荷灵敏前置放大器对闪烁光子的收集效率；
所述的反散射体用于防止β射线的反散射作用，将所述的塑料闪烁体产生的荧光很好的传输到光电倍增管的光阴极之上；
所述的光电倍增管和电荷灵敏前置放大器用于测量和输出辐射粒子在所述的塑料闪烁体中产生的信号。
2.根据权利要求1所述的闪烁探头，其特征在于：所述的闪烁探头还包括外壳，所述的塑料闪烁体、反散射体、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1所述的闪烁探头，其特征在于：所述的外壳为铝壳，厚度大于2mm。
4.根据权利要求1所述的闪烁探头，其特征在于：所述的入射窗的材质为镀铝聚酯薄膜。
5.根据权利要求4所述的闪烁探头，其特征在于：所述的入射窗密度为0.8-1.2g/cm3，质量厚度为3.2-4.8mg/cm2。
6.根据权利要求1所述的闪烁探头，其特征在于：所述的塑料闪烁体的材质为苯乙烯加发光物质。
7.根据权利要求6所述的闪烁探头，其特征在于：所述的塑料闪烁体的密度为0.8-1.2g/cm3，质量厚度为4.8-7.2mg/cm2。
8.根据权利要求1所述的闪烁探头，其特征在于：所述的反散射体的材质为有机玻璃，密度为1.0-1.4g/cm3，厚度为4-10mm。
9.根据权利要求1所述的闪烁探头，其特征在于：所述的塑料闪烁体与所述的反散射体之间涂有硅油。
10.一种测量的闪烁探测器，其包括权利要求1-9任意一项所述的闪烁探头。
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| CN116285985A (zh) * | 2023-03-21 | 2023-06-23 | 浙江祺跃科技有限公司 | 一种二次电子探测器闪烁体及其制备方法和应用 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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