CN108983281B - 用于测量待测闪烁体电子相对光产额的探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及辐射测量技术领域，针对闪烁体反冲康普顿电子发光响应测量中，使用外部电子源时，电子光产额测量受到表面效应和X射线逃逸影响而无法准确测量的问题，提供一种用于测量待测闪烁体电子相对光产额的探测系统及方法；其中用于测量待测闪烁体电子相对光产额的探测系统包括伽马辐射源、前端铅准直器、前端探测器、后端铅准直器、后端探测器和具有波形符合功能的示波器；前端探测器包括第一光电倍增管；后端探测器包括第二闪烁体和第二光电倍增管；后端铅准直器设置在第二光电倍增管的接收端一侧；第二闪烁体设置在后端铅准直器与第二光电倍增管之间；第一光电倍增管和第二光电倍增管分别与示波器电连接。

Description

用于测量待测闪烁体电子相对光产额的探测系统及方法

技术领域

本发明涉及辐射测量技术领域，具体涉及一种用于测量待测闪烁体电子相对光产额的探测系统及方法。

背景技术

辐射场测量中应用最广的一类系统是由光电倍增管(PMT)配合闪烁体构成的闪烁系统；其主要由闪烁体、光收集部分和光电转换器件组成。它的工作过程是：辐射粒子进入闪烁体，闪烁体中的原子受激产生荧光，利用光收集部分将荧光收集照射到光电倍增管(PMT)光阴极表面，光子在光阴极上打出光反冲康普顿电子，光反冲康普顿电子在各倍增极上倍增，被阳极收集输出电流信号，通过测量分析这些电信号的特征对辐射的类别、强度、能量等参数做出诊断。

各种辐射粒子与闪烁体相互作用的最终方式均是通过反冲康普顿电子沉积能量发光，继而被光电转换器件转换为电信号被探测，因而闪烁体的反冲康普顿电子发光响应特性是研究各种辐射粒子的发光响应的基础，对闪烁系统的辐射响应特性研究有着至关重要的作用。

在闪烁体电子发光响应的实际测量中，一般采用电子加速器等装置产生的准单能电子束直接照射在闪烁体上测量闪烁体的光输出，但是这样做的缺点在于：电子在闪烁体中的射程很短(大约为1mm/MeV)。因此电子在闪烁体中能量大部分沉积在闪烁体表面，而闪烁体的表面效应在于闪烁体表面的光产额比内层的光产额低；而且电子在闪烁体表面与闪烁体相互作用发生韧致辐射产生的X射线的逃逸几率较内层大；这两个因素使电子在闪烁体中的光产额减小，电子光产额无法准确测量。

发明内容

本发明针对现有闪烁体反冲康普顿电子发光响应测量中，使用外部电子源时，电子光产额测量受到表面效应和X射线逃逸影响而无法准确测量的问题，提供一种用于测量待测闪烁体电子相对光产额的探测系统及方法。

本发明提供的技术方案是：一种用于测量待测闪烁体电子相对光产额的探测系统，其特殊之处在于，包括伽马辐射源、前端铅准直器、前端探测器、后端铅准直器、后端探测器和具有波形符合功能的示波器；所述前端探测器包括第一光电倍增管；所述后端探测器包括第二闪烁体和第二光电倍增管；

所述前端铅准直器位于伽马辐射源的光路上，用于对辐射源限束；伽马辐射源经前端铅准直器准直，待测闪烁体的待测位置位于准直后的射线通道上；

所述第一光电倍增管的轴线垂直于射线通道轴线；所述第二光电倍增管对准放置待测闪烁体的位置，其轴线与射线通道轴线相交；所述后端铅准直器设置在第二光电倍增管的接收端一侧，其准直孔轴线与第二光电倍增管的轴线重合，用于屏蔽周围本底辐射以及其他角度散射的伽马光子；所述第二闪烁体设置在后端铅准直器与第二光电倍增管之间，第二光电倍增管的接收端与第二闪烁体表面紧密贴合；用于探测散射伽马光子与第二闪烁体相互作用产生的光信号；所述第一光电倍增管和第二光电倍增管分别与示波器电连接。示波器用于对第一光电倍增管和第二光电倍增管探测的两个不同信道的波形进行甄别，判断其是否为康普顿符合，同时还用于采集、显示第一光电倍增管输出脉冲的电信号峰值。

进一步地，上述伽马辐射源的辐射强度为Ci至mCi数量级之间，出射伽马光子的能量单一。

进一步地，为了使到达前端闪烁体的伽马射线照射闪烁体的区域尽量小，在测量康普顿散射的散射角时的误差尽可能小，上述前端铅准直器的厚度≥20cm，其准直孔直径≤5mm。

进一步地，为使到达后端探测器的散射光子对应的散射角尽可能小，减小散射角的测量误差，上述后端铅准直器的厚度≥10cm，其准直孔直径≤10mm。

进一步地，为了使电时间长度差与散射伽马光子从待测闪烁体飞行到第二闪烁体上的时间相一致，误差不大于1ns；上述第一光电倍增管与示波器电连接的信号电缆长于第二光电倍增管与示波器电连接的信号电缆。

另外，本发明还提供一种用于测量待测闪烁体电子相对光产额的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)搭建如上述的用于测量待测闪烁体电子相对光产额的探测系统，放置待测闪烁体7，使第一光电倍增管的接收端与待测闪烁体表面紧密贴合，用于探测反冲康普顿电子能量在待测闪烁体中完全沉积释放发光的发光响应，使外界光不能照射到第一光电倍增管的光电面上；并使第二光电倍增管的轴线与射线通道轴线相交的交点O位于待测闪烁体远离前端铅准直器一端的端面；

系统上电，使伽马辐射源产生的伽马光子进入待测闪烁体中发生康普顿效应，生成反冲康普顿电子和与之对应的散射伽马光子；

2)绕交点O整体移动后端铅准直器5和后端探测器，调整第二光电倍增管6轴线与射线通道轴线的夹角θ，5°≤θ≤120°；通过公式(1)计算θ

大小，θ＝arctan(R/L)——————(1)

其中：L为后端铅准直器准直孔到闪烁体的轴向距离；

R为后端铅准直器准直孔到闪烁体的径向距离；

3)通过前端探测器探测反冲康普顿电子在待测闪烁体中的发光响应；

与此同时，通过后端探测器在夹角θ下对散射伽马光子与第二闪烁体相互作用产生的光信号进行探测；

4)通过示波器同时接收夹角θ下对应的第一光电倍增管和后端探测器传来的探测信号，分别输出夹角θ相应的两个波形；

5)判断两个波形是否为康普顿符合事件；

若是，则记录波形信息；

若否，则舍弃；

6)根据康普顿符合事件的波形信息，得到第一光电倍增管输出脉冲电信号峰值，即波形峰值；

7)根据第一光电倍增管输出的波形峰值以及待测闪烁体中康普顿电子的能量，计算夹角θ下闪烁体电子相对光产额；其中，康普顿电子的能量由康普顿散射公式计算得到；

8)重复步骤2)至7)，得到不同夹角θ下待测闪烁体电子相对光产额。

进一步地，为提高实验结果的精确度，去除由于宇宙射线等外界辐射环境的干扰而引入的假符合波形；上述步骤4)中，符合事件符合波形的峰值时间≤10ns。

进一步地，为便于前端铅准直器的摆放，上述步骤1)中，待测闪烁体与伽马辐射源之间的距离为0.3m～1m。

进一步地，为便于后端探测器的辐射屏蔽以及后端铅准直器的摆放，上述步骤1)中，后端铅准直器与待测闪烁体之间的距离≥1m。

本发明的工作原理：

伽马光子进入到待测闪烁体中发生康普顿效应，生成一个反冲康普顿电子和一个对应的伽马光子(反冲康普顿电子在大部分闪烁体中的射程小于1mm，因此能量完全沉积在闪烁体中发光；大部分的散射伽马光子不会发生二次康普顿效应而按照一定概率从各个出射角出射)。

第一光电倍增管记录下此刻反冲康普顿电子的发光响应，以电信号的方式输出到示波器。放置在某个角度上的后端探测器探测到此角度下的散射伽马光子与第二闪烁体相互作用产生的光信号，并将其转换为电信号输出到示波器。

示波器接收到两个信道同时到来两个波形，判断为符合事件时，记录下波形信息；根据波形信息即可得到此角度下待测闪烁体电子相对光产额。

改变后端探测器相对于待测闪烁体的方位，重复上述测量，便可得到其他角度下的待测闪烁体电子相对光产额。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明利用新型康普顿符合计数法测量闪烁体的反冲康普顿电子发光响应，使用两个探测器分别测量伽马光子在闪烁体中发生康普顿效应产生的次级伽马光子和反冲康普顿电子产生的信号，并通过示波器进行波形的甄别符合，得到反冲康普顿电子在第一光电倍增管中的信号，提高了探测效率。

2、本发明提供的探测系统结构简单，方法简洁高效，适用于大部分闪烁体的反冲康普顿电子发光响应的精确测量；只使用一种或几种伽马辐射源可以快速准确测量得到数个keV～数百keV能量的反冲康普顿电子在闪烁体中的相对光产额。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图；

图2为康普顿符合波形示意图；

图3是假康普顿符合波示意图。

图中各标号的说明如下：

1—伽马辐射源、2—前端铅准直器、3—示波器、4—第一光电倍增管、5—后端铅准直器、6—第二光电倍增管、7—待测闪烁体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本实施例提供一种用于测量待测闪烁体电子相对光产额的探测系统，包括伽马辐射源1、前端铅准直器2、前端探测器、后端铅准直器5、后端探测器和具有波形符合功能的示波器3；前端探测器包括第一光电倍增管4；后端探测器包括第二闪烁体(图中未示出)和第二光电倍增管6；前端铅准直器2的厚度≥20cm，其准直孔直径≤5mm。后端铅准直器5的厚度≥10cm，其准直孔直径≤10mm。

前端铅准直器2位于伽马辐射源1的光路上，用于对辐射源限束；伽马辐射源1经前端铅准直器准直，待测闪烁体7的待测位置位于准直后的射线通道上；第二光电倍增管6对准放置待测闪烁体7的位置，其轴线与射线通道轴线相交；后端铅准直器5设置在第二光电倍增管6的接收端一侧，其准直孔轴线与第二光电倍增管6的轴线重合，用于屏蔽周围本底辐射以及其他角度散射的伽马光子；第二闪烁体设置在后端铅准直器5与第二光电倍增管6之间，第二光电倍增管6的接收端紧贴第二闪烁体表面，用于探测散射伽马光子与第二闪烁体相互作用产生的光信号。

第一光电倍增管4和第二光电倍增管6分别与示波器3电连接，第一光电倍增管4与示波器电3连接的信号电缆长于第二光电倍增管6与示波器3电连接的信号电缆。示波器3用于对第一光电倍增管4和第二光电倍增管6探测的两个不同信道的波形进行甄别，判断其是否为康普顿符合，同时还用于采集、显示第一光电倍增管输出脉冲的电信号峰值。

基于上述系统，本实施例对溴化镧闪烁体在铯-137源下的反冲康普顿电子能量响应进行测量。闪烁体为圆柱体，其底面直径为d，高为h，尺寸范围为Φ40mm≥d≥Φ5mm，40mm≥h≥5mm。本实施例中溴化镧闪烁体尺寸为Φ38mm×38mm。

测量步骤如下：

1)搭建上述测量系统，放置待测闪烁体7，调整待测闪烁体7与伽马辐射源1之间的距离为0.3m～1m，后端铅准直器5与待测闪烁体7之间的距离≥1m。使第一光电倍增管4的接收端与待测闪烁体7表面紧密贴合；并使第二光电倍增管6的轴线与射线通道轴线相交的交点O位于待测闪烁体7远离前端铅准直器2一端的端面；

开启稳压电源系统，为前端探测器、后端探测器提供工作电压；使伽马辐射源1产生的伽马光子进入待测闪烁体7中发生康普顿效应，生成反冲康普顿电子和与之对应的散射伽马光子；

2)绕交点O整体移动后端铅准直器5和后端探测器，调整第二光电倍增管6轴线与射线通道轴线的夹角θ，5°≤θ≤120°；通过公式(1)计算θ大小，

θ＝arctan(R/L)——————(1)

其中：L为后端铅准直器5准直孔到闪烁体的轴向距离；

R为后端铅准直器5准直孔到闪烁体的径向距离；

3)通过前端探测器2探测反冲康普顿电子在待测闪烁体7中的发光响应；

与此同时，通过后端探测器5在夹角θ下对散射伽马光子与第二闪烁体相互作用产生的光信号进行探测；

前端探测器、后端探测器接收并收集脉冲辐射信号，将脉冲辐射信号转化为脉冲电流信号；

4)通过示波器3同时接收夹角θ下对应的第一光电倍增管4和第二光电倍增管6传来的探测信号，分别输出夹角θ相应的两个波形；

5)判断两个波形是否为康普顿符合事件；

若是，则记录波形信息；

若否，则舍弃；

图2和图3分别是示波器3探测到的两个典型波形，图2是康普顿符合对应的测量波形，图3是假符合事件对应的测量波形，可以看到，发生康普顿符合时前端探测器、后端探测器输出波形的时间几乎同时，而假符合事件输出信号只有部分区域有重合，据此可以剔除掉非康普顿符合事件。

6)根据康普顿符合事件的波形信息，得到第一光电倍增管输出的脉冲电信号峰值，即波形峰值；

根据符合事件的波形信息，通过康普顿散射公式计算，最终得到该角度对应的反冲康普顿电子的能量以及该能量反冲康普顿电子在闪烁体中的相对光产额。

7)根据第一光电倍增管输出的波形峰值以及待测闪烁体中康普顿电子的能量，计算夹角θ下闪烁体电子相对光产额；其中，康普顿电子的能量由康普顿散射公式计算得到；

8)重复步骤2)至7)，得到不同夹角θ下待测闪烁体电子相对光产额，测量结果如表1所示。表1中，峰值能量比即是闪烁体的反冲康普顿电子相对光产额。

表1

Claims (4)

1.一种用于测量待测闪烁体电子相对光产额的探测系统，其特征在于：包括伽马辐射源(1)、前端铅准直器(2)、前端探测器、后端铅准直器(5)、后端探测器和具有波形符合功能的示波器(3)；所述前端探测器包括第一光电倍增管(4)；所述后端探测器包括第二闪烁体和第二光电倍增管(6)；

所述前端铅准直器(2)位于伽马辐射源(1)的光路上；伽马辐射源(1)经前端铅准直器(2)准直，待测闪烁体(7)的待测位置位于准直后的射线通道上；

所述第一光电倍增管(4)的轴线垂直于射线通道轴线；

所述第二光电倍增管(6)对准放置待测闪烁体(7)的位置，其轴线与射线通道轴线相交；

所述后端铅准直器(5)设置在第二光电倍增管(6)的接收端一侧，其准直孔轴线与第二光电倍增管(6)的轴线重合；

所述第二闪烁体设置在后端铅准直器(5)与第二光电倍增管(6)之间，第二光电倍增管(6)的接收端与第二闪烁体表面紧密贴合；

所述第一光电倍增管(4)和第二光电倍增管(6)分别与示波器(3)电连接；

所述第一光电倍增管(4)与示波器(3)电连接的信号电缆长于第二光电倍增管(6)与示波器(3)电连接的信号电缆；

所述前端铅准直器(2)的厚度≥20cm，其准直孔直径≤5mm；

所述后端铅准直器(5)的厚度≥10cm，其准直孔直径≤10mm；

1)搭建用于测量待测闪烁体电子相对光产额的探测系统，放置待测闪烁体(7)，使第一光电倍增管(4)的接收端与待测闪烁体(7)表面紧密贴合，闪烁体为圆柱体，其底面直径为d，高为h，尺寸范围为Φ40mm≥d≥Φ5mm，40mm≥h≥5mm；

并使第二光电倍增管(6)的轴线与射线通道轴线相交的交点O位于待测闪烁体(7)远离前端铅准直器(2)一端的端面；

系统上电，使伽马辐射源(1)产生的伽马光子进入待测闪烁体(7)中发生康普顿效应，生成反冲康普顿电子和与之对应的散射伽马光子；

2)绕交点O整体移动后端铅准直器(5)和后端探测器，调整第二光电倍增管(6)轴线与射线通道轴线的夹角θ，5°≤θ≤120°；通过公式(1)计算θ大小，

θ＝arctan(R/L)——————(1)

其中：L为后端铅准直器(5)准直孔到闪烁体的轴向距离；

R为后端铅准直器(5)准直孔到闪烁体的径向距离；

3)通过前端探测器探测反冲康普顿电子在待测闪烁体(7)中的发光响应；

与此同时，通过后端探测器在夹角θ下对散射伽马光子与第二闪烁体相互作用产生的光信号进行探测；

4)通过示波器(3)同时接收夹角θ下对应的第一光电倍增管(4)和后端探测器传来的探测信号，分别输出夹角θ相应的两个波形；

5)判断两个波形是否为康普顿符合事件；

若是，则记录波形信息；

若否，则舍弃；

6)根据康普顿符合事件的波形信息，得到第一光电倍增管(4)输出的波形峰值；

7)根据第一光电倍增管(4)输出的波形峰值以及待测闪烁体中康普顿电子的能量，计算夹角θ下闪烁体电子相对光产额；其中，康普顿电子的能量由康普顿散射公式计算得到；

8)重复步骤2)至7)，得到不同夹角θ下待测闪烁体(7)电子相对光产额；

所述伽马辐射源(1)的辐射强度为Ci至mCi数量级之间。

2.根据权利要求1所述用于测量待测闪烁体电子相对光产额的探测系统，其特征在于：步骤4)中，康普顿符合事件符合波形的峰值时间≤10ns。

3.根据权利要求2所述用于测量待测闪烁体电子相对光产额的探测系统，其特征在于：步骤1)中，待测闪烁体(7)与伽马辐射源(1)之间的距离为0.3m～1m。

4.根据权利要求3所述用于测量待测闪烁体电子相对光产额的探测系统，其特征在于：步骤1)中，后端铅准直器(5)与待测闪烁体(7)之间的距离≥1m。

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