CN111596337B - 一种基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测方法，包括以下步骤：一、搭建基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测平台；二、确定闪烁光纤反光涂层厚度；三、确定闪烁光纤阵列中同层和同列闪烁光纤中相邻的两个闪烁光纤之间的距离；四、高氡环境下待测气体中氚的探测。本发明设计合理，通过确定闪烁光纤反光涂层厚度保证β粒子和α粒子均能进入闪烁光纤且能有效阻隔氚气在闪烁光纤探测器外的附着，通过确定闪烁光纤阵列中同层和同列闪烁光纤中相邻的两个闪烁光纤之间的距离，保证α粒子在两根闪烁光纤中都沉积能量的概率小于1‰，用以防止α粒子的重复计数，以实现高氡环境中氚发射β粒子的准确测量。

Description

一种基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测方法

技术领域

本发明属于气态氚探测技术领域，具体涉及一种基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测方法。

背景技术

在国防与核能领域，氚具有不可替代的重要作用。氚(3₁H)是一种β放射性核素，衰变放出平均能量为5.67keV的β粒子，经吸入、皮肤渗入等途径进入人体造成内照射伤害，严重时会导致死亡。空气中以氚化水蒸汽(HTO)和氚气(HT)的形式存在，在核反应堆等场所中氚体积活度的监测是确保操作人员周边环境安全的重要内容。在天然环境中，氡也是一种广泛存在的放射性气体，衰变放出5.49MeV的α粒子。两者均为气体放射源，在气态氚体积活度监测中氡的存在给氚的监测带来了严重干扰。

在传统的气态氚实时监测装置及方法中，电离室因结构简单、成本较低等优点被广泛应用于氚的实时监测。电离室因使用了静电计而对周边环境变化非常敏感，监测装置周边的人员走动、实验大厅通风装置的开关均会对测量结果造成影响。现有的氡甄别型氚监测仪TAM-V，基于反符合技术扣除电离室中氡衰变α的计数，一方面氡放出的α粒子在电离室中产生电流比氚放出的β粒子高出3个量级，β粒子产生的电流极易被α粒子产生的电流淹没；另一方面氡浓度变化剧烈时反符合算法因响应较慢，无法准确扣除氡α粒子带来的干扰，导致氚监测值的不准确。另外，现有的基于两种类型闪烁光纤进行气态或液态氚样品测量的装置，涂有反光材料的闪烁光纤可记录天然γ射线等在探测器中产生的电流，未涂反光材料的闪烁光纤可记录天然γ射线与氚放出β粒子产生的电流，通过两类光纤产生的电流差来推导氚的浓度。其未考虑气态氚测量时氡气对测量结果的影响，另一方面测量过程需要进行电流刻度，不同能量射线未必在探测器中产生线性的响应，准确刻度的过程复杂繁琐。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测方法，通过确定闪烁光纤反光涂层厚度保证β粒子和α粒子均能进入闪烁光纤且能有效阻隔氚气在闪烁光纤探测器外的附着，通过确定闪烁光纤阵列中同层和同列闪烁光纤中相邻的两个闪烁光纤之间的距离，保证α粒子在两根闪烁光纤中都沉积能量的概率小于1‰，用以防止α粒子的重复计数，以实现高氡环境中氚发射β粒子的准确测量，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、搭建基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测平台，过程如下：

步骤101、沿金属屏蔽外壳长度方向设置闪烁光纤阵列，所述闪烁光纤阵列的两端通过光纤支架支撑；

所述闪烁光纤阵列包括M层N列式排布的闪烁光纤阵列，所述闪烁光纤阵列包括M×N个闪烁光纤探测器，其中，M和N均为不小于2的正整数；

所述闪烁光纤探测器包括闪烁光纤和涂抹在闪烁光纤外的闪烁光纤反光涂层；

步骤102、在金属屏蔽外壳内且位于闪烁光纤探测器的两端分别设置光导层和与所述光导层连接的光电倍增管；

步骤103、在金属屏蔽外壳外设置依次连接的信号放大器、波形甄别器、脉冲幅度多道分析器和计算机，光电倍增管的信号输出端与信号放大器的信号输入端连接；

步骤104、在金属屏蔽外壳上位于所述闪烁光纤阵列的部分安装进气管和出气管，气泵通过气管向进气管输送待测气体，所述待测气体包含氚气和氡气，氚气衰变放出β粒子，氡气衰变放出α粒子；

步骤二、确定闪烁光纤反光涂层厚度：所述闪烁光纤反光涂层为镀铝反光涂层，利用MCNPX蒙特卡罗软件分别建立一层单位厚度的镀铝反光涂层至多层单位厚度的镀铝反光涂层的仿真模型，使β粒子分别垂直入射至一层单位厚度的镀铝反光涂层和多层单位厚度的镀铝反光涂层中，分别记录穿过一层单位厚度的镀铝反光涂层和多层单位厚度的镀铝反光涂层的β粒子计数，并对每次的β粒子计数进行归一化处理，得到β粒子穿过一层单位厚度的镀铝反光涂层和多层单位厚度的镀铝反光涂层的概率，绘制以镀铝反光涂层的厚度为横坐标、β粒子穿过镀铝反光涂层的概率为纵坐标的曲线，设定β粒子穿过镀铝反光涂层的概率阈值，在曲线上查找β粒子穿过镀铝反光涂层的概率大于概率阈值时，对应的镀铝反光涂层的厚度作为闪烁光纤反光涂层的厚度；

步骤三、确定闪烁光纤阵列中同层和同列闪烁光纤中相邻的两个闪烁光纤之间的距离，过程如下：

步骤301、建立二维平面坐标系xoy，所述二维平面坐标系xoy所在平面平行于所述闪烁光纤阵列的横截面所在平面，所述闪烁光纤阵列的横截面位于所述二维平面坐标系xoy的第一象限内，所述二维平面坐标系xoy的x轴方向为所述闪烁光纤阵列的宽度方向，所述二维平面坐标系xoy的y轴方向为所述闪烁光纤阵列的高度方向，所述闪烁光纤阵列中第一列闪烁光纤探测器均与所述二维平面坐标系xoy的y轴相切，所述闪烁光纤阵列中第一层第一列闪烁光纤探测器与所述二维平面坐标系xoy的x轴和y轴均相切；

步骤302、选定闪烁光纤的半径，将所述闪烁光纤阵列中第一层第一列闪烁光纤探测器的外边缘与所述二维平面坐标系xoy的x轴和y轴围成的区域视为选定区域，利用MCNPX蒙特卡罗软件分别建立闪烁光纤阵列中同层和同列闪烁光纤中相邻的两个闪烁光纤之间不同距离的仿真模型，使位于选定区域内α粒子分别垂直入射至同层和同列闪烁光纤中相邻的两个闪烁光纤之间不同距离的闪烁光纤阵列中，分别记录选定区域出射的α粒子到达除所述闪烁光纤阵列中第一层第一列闪烁光纤探测器之外的第二个闪烁光纤内部或第二个闪烁光纤反光涂层外表面的概率；

将选定区域出射的α粒子到达除所述闪烁光纤阵列中第一层第一列闪烁光纤探测器之外的第二个闪烁光纤内部或第二个闪烁光纤反光涂层外表面的概率小于1‰且其相对误差小于0.05时，对应的闪烁光纤阵列中同层和同列闪烁光纤中相邻的两个闪烁光纤之间的距离作为确定的闪烁光纤阵列中同层和同列闪烁光纤中相邻的两个闪烁光纤之间的距离；

步骤四、高氡环境下待测气体中氚的探测：利用气泵向进气管输送待测气体，待测气体完全浸没所述闪烁光纤阵列，待测气体进入金属屏蔽外壳内部后自由扩散，氚衰变放出β粒子、氡衰变放出α粒子，β粒子和α粒子随机运动，β粒子和α粒子穿过闪烁光纤反光涂层，进入闪烁光纤内部，β粒子和α粒子沉积能量，使闪烁光纤内部原子核发生电离和退激，退激过程产生荧光，荧光在闪烁光纤反光涂层内表面多次反射，传输至闪烁光纤两端并进入光导层；光导层耦合闪烁光纤和光电倍增管的光阴极，光电倍增管的光阴极通过光电效应产生电子，电子再通过光电倍增管倍增形成电压输出，光电倍增管输出的电压信号通过信号放大器进行线性放大，再依次输送至波形甄别器和脉冲幅度多道分析器；脉冲幅度多道分析器可将电压信号转化为数字信号发送给计算机处理；计算机以波形甄别器记录的电压下降时间为横坐标、以脉冲幅度多道分析器记录的电压脉冲个数为纵坐标绘制脉冲波形谱；β粒子和α粒子各自形成对应的统计峰，通过划定两峰之间的界线，实现β粒子和α粒子两种辐射粒子的甄别，划分不同粒子界线后，在脉冲波形谱两侧分别计数便可获两类粒子的单独计数；计数结果再通过线性转化为气体辐射源的体积活度，实现两类放射性气体的探测。

上述的一种基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测方法，其特征在于：所述脉冲幅度多道分析器通过信号线与计算机连接，所述信号线为网线或USB信号线。

上述的一种基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测方法，其特征在于：所述光电倍增管、信号放大器、波形甄别器和脉冲幅度多道分析器分别通过同轴电缆连接。

上述的一种基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测方法，其特征在于：所述光导层的数量为多个，所述光电倍增管的数量和光导层的数量相等且一一对应。

上述的一种基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测方法，其特征在于：所述金属屏蔽外壳包括铅屏蔽体，所述铅屏蔽体外包裹有不锈钢保护壳，所述铅屏蔽体的厚度大于5cm。

上述的一种基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测方法，其特征在于：所述镀铝反光涂层的厚度为0.1μm～1μm，所述镀铝反光涂层通过电镀或化学沉降的方式镀在闪烁光纤外表面。

上述的一种基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测方法，其特征在于：所述闪烁光纤的横截面为圆形或正多边形，所述闪烁光纤的外接圆的半径不小于氡衰变产生的α粒子在闪烁光纤中射程的一半。

上述的一种基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测方法，其特征在于：步骤二中，所述β粒子穿过镀铝反光涂层的概率阈值为9％。

上述的一种基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测方法，其特征在于：所述光纤支架与所述闪烁光纤阵列配合位置处开设有通孔，所述光纤支架为绝缘光纤支架。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明闪烁光纤反光涂层为镀铝反光涂层，通过确定闪烁光纤反光涂层厚度保证β粒子和α粒子均能进入闪烁光纤且能有效阻隔氚气在闪烁光纤探测器外的附着，一定厚度的镀铝反光涂层保证了氚放出的低能β粒子能进入闪烁光纤产生信号输出，另一方面铝氧化形成的Al₂O₃薄膜是很好的阻氚材料，能有效减少氚的吸附作用，因氚吸附在探测器表面无法除去，持续衰变产生计数导致的探测器失灵的效应，因此镀铝反光涂层降低了探测器的记忆效应，确保了探测器的长寿命使用。

2、本发明通过确定闪烁光纤阵列中同层和同列闪烁光纤中相邻的两个闪烁光纤之间的距离，保证α粒子在两根闪烁光纤中都沉积能量的概率小于1‰，用以防止α粒子的重复计数，实现β粒子的单次利用，可根据光电倍增管输出的电压脉冲形状直接区分两类辐射粒子，从脉冲波形谱中直接获取氚发出β粒子的准确计数，进而获得的体积活度，克服了背景技术中提到的，两类射线同时产生电流导致的TAM-V型探测器测氚电离室输出受氡干扰的问题，且不需要复杂的电流刻度，直接通过计数值便可获取准确的测量结果，便于推广使用。

3、本发明方法步骤简单，使用的光导层和光电倍增管配合的探测方式对辐射粒子的响应时间在ns量级，通过光电倍增管和信号放大器，可直接获取单粒子的电压脉冲波形，探测灵敏度高，响应时间短，避免了电离室需要累积多个粒子形成平均电流输出的过程，可靠稳定，使用效果好，便于推广使用。

综上所述，本发明设计合理，通过确定闪烁光纤反光涂层厚度保证β粒子和α粒子均能进入闪烁光纤且能有效阻隔氚气在闪烁光纤探测器外的附着，通过确定闪烁光纤阵列中同层和同列闪烁光纤中相邻的两个闪烁光纤之间的距离，保证α粒子在两根闪烁光纤中都沉积能量的概率小于1‰，用以防止α粒子的重复计数，实现β粒子的单次利用，通过光电倍增管依次连接信号放大器、波形甄别器、脉冲幅度多道分析器和计算机，无需进行电流刻度，以实现高氡环境中氚发射β粒子的准确测量，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测平台的结构示意图。

图2为本发明氚探测平台中金属屏蔽外壳、闪烁光纤阵列、进气管和出气管的位置关系示意图。

图3为本发明闪烁光纤探测器的结构示意图。

图4为本发明镀铝反光涂层的厚度和β粒子穿过镀铝反光涂层的概率的曲线示意图。

图5为本发明闪烁光纤阵列与二维平面坐标系xoy的位置关系示意图。

图6为本发明方法流程框图。

附图标记说明:

1—金属屏蔽外壳；2—进气管；3—光导层；

4—光电倍增管；5—气管；6—气泵；

7—同轴电缆；8—光纤支架；9—信号放大器；

10—波形甄别器；11—脉冲幅度多道分析器；

12—计算机；13—出气管；

14—闪烁光纤探测器；14-1—闪烁光纤反光涂层；

14-2—闪烁光纤；15—β粒子；16—α粒子。

具体实施方式

如图1、图2、图3和图6所示，本发明的一种基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测方法，包括以下步骤：

步骤一、搭建基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测平台，过程如下：

步骤101、沿金属屏蔽外壳1长度方向设置闪烁光纤阵列，所述闪烁光纤阵列的两端通过光纤支架8支撑；

本实施例中，所述光纤支架8与所述闪烁光纤阵列配合位置处开设有通孔，所述光纤支架8为绝缘光纤支架。

所述闪烁光纤阵列包括M层N列式排布的闪烁光纤阵列，所述闪烁光纤阵列包括M×N个闪烁光纤探测器14，其中，M和N均为不小于2的正整数；

所述闪烁光纤探测器14包括闪烁光纤14-2和涂抹在闪烁光纤14-2外的闪烁光纤反光涂层14-1；

需要说明的是，优选的闪烁光纤14-2为聚甲苯乙烯塑料闪烁光纤，光纤支架8表面开孔用于穿过闪烁光纤阵列，所述绝缘光纤支架优选的采用聚四氟乙烯绝缘支架。

步骤102、在金属屏蔽外壳1内且位于闪烁光纤探测器14的两端分别设置光导层3和与所述光导层3连接的光电倍增管4；

步骤103、在金属屏蔽外壳1外设置依次连接的信号放大器9、波形甄别器10、脉冲幅度多道分析器11和计算机12，光电倍增管4的信号输出端与信号放大器9的信号输入端连接；

步骤104、在金属屏蔽外壳1上位于所述闪烁光纤阵列的部分安装进气管2和出气管13，气泵6通过气管5向进气管2输送待测气体，所述待测气体包含氚气和氡气，氚气衰变放出β粒子15，氡气衰变放出α粒子16；

本实施例中，所述脉冲幅度多道分析器11通过信号线与计算机12连接，所述信号线为网线或USB信号线。

本实施例中，所述光电倍增管4、信号放大器9、波形甄别器10和脉冲幅度多道分析器11分别通过同轴电缆7连接。

本实施例中，所述光导层3的数量为多个，所述光电倍增管4的数量和光导层3的数量相等且一一对应。

本实施例中，所述金属屏蔽外壳1包括铅屏蔽体，所述铅屏蔽体外包裹有不锈钢保护壳，所述铅屏蔽体的厚度大于5cm。

需要说明的是，铅屏蔽体的厚度大于5cm，用于阻挡天然γ射线对探测系统的干扰，不锈钢层作为屏蔽外壳的支撑结构，金属屏蔽外壳完全密封，防止外界可见光对探测系统产生干扰。

步骤二、确定闪烁光纤反光涂层厚度：所述闪烁光纤反光涂层14-1为镀铝反光涂层，利用MCNPX蒙特卡罗软件分别建立一层单位厚度的镀铝反光涂层至多层单位厚度的镀铝反光涂层的仿真模型，使β粒子15分别垂直入射至一层单位厚度的镀铝反光涂层和多层单位厚度的镀铝反光涂层中，分别记录穿过一层单位厚度的镀铝反光涂层和多层单位厚度的镀铝反光涂层的β粒子计数，并对每次的β粒子计数进行归一化处理，得到β粒子15穿过一层单位厚度的镀铝反光涂层和多层单位厚度的镀铝反光涂层的概率，绘制以镀铝反光涂层的厚度为横坐标、β粒子穿过镀铝反光涂层的概率为纵坐标的曲线，设定β粒子穿过镀铝反光涂层的概率阈值，在曲线上查找β粒子穿过镀铝反光涂层的概率大于概率阈值时，对应的镀铝反光涂层的厚度作为闪烁光纤反光涂层14-1的厚度；

如图3所示，r表示闪烁光纤14-2的半径，可根据市场常规规格进行选取，优选的，闪烁光纤14-2的半径选取100μm，h表示闪烁光纤反光涂层14-1的厚度。

本实施例中，所述镀铝反光涂层的厚度为0.1μm～1μm，所述镀铝反光涂层通过电镀或化学沉降的方式镀在闪烁光纤14-2外表面。

本实施例中，步骤二中，所述β粒子穿过镀铝反光涂层的概率阈值为9％。

需要说明的是，闪烁光纤反光涂层为镀铝反光涂层，通过确定闪烁光纤反光涂层厚度保证β粒子和α粒子均能进入闪烁光纤且能有效阻隔氚气在闪烁光纤探测器外的附着，一定厚度的镀铝反光涂层保证了氚放出的低能β粒子能进入闪烁光纤产生信号输出，另一方面铝氧化形成的Al₂O₃薄膜是很好的阻氚材料，能有效减少氚的吸附作用，因氚吸附在探测器表面无法除去，持续衰变产生计数导致的探测器失灵的效应，因此镀铝反光涂层降低了探测器的记忆效应，确保了探测器的长寿命使用；利用MCNPX蒙特卡罗软件分别建立一层单位厚度的镀铝反光涂层至多层单位厚度的镀铝反光涂层的仿真模型，使β粒子15分别垂直入射至一层单位厚度的镀铝反光涂层和多层单位厚度的镀铝反光涂层中，由于β粒子15分别垂直入射至镀铝反光涂层的路径距离最短，考虑实际真实的场景，β粒子并不是100％的垂直入射，因此，利用MCNPX蒙特卡罗软件确定闪烁光纤反光涂层厚度更加可靠，且实际镀铝反光涂层越薄越好，实际仿真时，单位厚度优选的采用0.1μm，因此获取穿过一层单位厚度的镀铝反光涂层和多层单位厚度的镀铝反光涂层的β粒子计数，并对每次的β粒子计数进行归一化处理，得到β粒子15穿过一层单位厚度的镀铝反光涂层和多层单位厚度的镀铝反光涂层的概率，如表1所示。

表1

对表1中数据绘制以镀铝反光涂层的厚度为横坐标、β粒子穿过镀铝反光涂层的概率为纵坐标的曲线，如图4所示，从表1和图4中可明显的看出，单位厚度层数在10层以内，β粒子15穿过一层单位厚度的镀铝反光涂层和多层单位厚度的镀铝反光涂层的概率大于概率阈值，实际镀铝反光涂层越薄越好，优选的所述镀铝反光涂层的单位厚度层数为一层，其厚度为0.1μm。

步骤三、确定闪烁光纤阵列中同层和同列闪烁光纤中相邻的两个闪烁光纤之间的距离，过程如下：

步骤301、建立二维平面坐标系xoy，所述二维平面坐标系xoy所在平面平行于所述闪烁光纤阵列的横截面所在平面，所述闪烁光纤阵列的横截面位于所述二维平面坐标系xoy的第一象限内，所述二维平面坐标系xoy的x轴方向为所述闪烁光纤阵列的宽度方向，所述二维平面坐标系xoy的y轴方向为所述闪烁光纤阵列的高度方向，所述闪烁光纤阵列中第一列闪烁光纤探测器14均与所述二维平面坐标系xoy的y轴相切，所述闪烁光纤阵列中第一层第一列闪烁光纤探测器14与所述二维平面坐标系xoy的x轴和y轴均相切，如图5所示，d为闪烁光纤阵列中同层和同列闪烁光纤中相邻的两个闪烁光纤之间的距离；

步骤302、选定闪烁光纤14-2的半径，将所述闪烁光纤阵列中第一层第一列闪烁光纤探测器14的外边缘与所述二维平面坐标系xoy的x轴和y轴围成的区域视为选定区域，利用MCNPX蒙特卡罗软件分别建立闪烁光纤阵列中同层和同列闪烁光纤中相邻的两个闪烁光纤之间不同距离的仿真模型，使位于选定区域内α粒子16分别垂直入射至同层和同列闪烁光纤中相邻的两个闪烁光纤之间不同距离的闪烁光纤阵列中，分别记录选定区域出射的α粒子16到达除所述闪烁光纤阵列中第一层第一列闪烁光纤探测器14之外的第二个闪烁光纤14-2内部或第二个闪烁光纤反光涂层14-1外表面的概率；

需要说明的是，α粒子16分别垂直入射至同层和同列闪烁光纤中相邻的两个闪烁光纤之间不同距离的闪烁光纤阵列中，由于5.49MeV的α粒子在闪烁光纤中的射程远小于在空气中的射程，因此最有可能穿过两个闪烁光纤探测器14的α粒子必然是如图5所示原点周边黑色区域中的点，设α粒子出射方向为所述二维平面坐标系xoy的第一象限内，这样，该区域内的点先穿过一定第一厚度的空气，所述第一厚度小于闪烁光纤14-2的半径；再第一次穿透所述闪烁光纤阵列中第一层第一列闪烁光纤探测器14，还具有一定的能量能在空气中继续移动一定的距离，有较高的概率进入第二个闪烁光纤探测器14内部，除了该区域以外的区域，α粒子先穿过第一厚度的空气层的厚度，必定大于该区域内的点，即穿过第一层空气后粒子损失的能量必定大于该区域，因此穿过第一个闪烁光纤探测器14再进入第二个闪烁光纤探测器14的概率更低，考虑实际真实的场景，α粒子并不是100％的垂直入射，粒子出射方向具有更随机的特性，这样求得的α粒子进入两个闪烁光纤探测器14的概率大于斜向入射，另外，α粒子由氡衰变产生，恰好在如图5所示的黑色区域产生的概率小于1。因此，实际的情况中，α粒子进入两个闪烁光纤探测器14的概率必定比本仿真计算的结果还要低，因此，利用MCNPX蒙特卡罗软件确定闪烁光纤阵列中同层和同列闪烁光纤中相邻的两个闪烁光纤之间的距离更加可靠。

将选定区域出射的α粒子16到达除所述闪烁光纤阵列中第一层第一列闪烁光纤探测器14之外的第二个闪烁光纤14-2内部或第二个闪烁光纤反光涂层14-1外表面的概率小于1‰且其相对误差小于0.05时，对应的闪烁光纤阵列中同层和同列闪烁光纤中相邻的两个闪烁光纤之间的距离作为确定的闪烁光纤阵列中同层和同列闪烁光纤中相邻的两个闪烁光纤之间的距离；

本实施例中，所述闪烁光纤14-2的横截面为圆形或正多边形，所述闪烁光纤14-2的外接圆的半径不小于氡衰变产生的α粒子在闪烁光纤中射程的一半。

需要说明的是，通过确定闪烁光纤阵列中同层和同列闪烁光纤中相邻的两个闪烁光纤之间的距离，保证α粒子在两根闪烁光纤中都沉积能量的概率小于1‰，用以防止α粒子的重复计数，实现β粒子的单次利用，可根据光电倍增管输出的电压脉冲形状直接区分两类辐射粒子，从脉冲波形谱中直接获取氚发出β粒子的准确计数，进而获得的体积活度，实际仿真时，确定闪烁光纤阵列中同层和同列闪烁光纤中相邻的两个闪烁光纤之间的距离如表2所示。

表2

从表2中可明显的看出，当闪烁光纤14-2的半径选取100μm时，闪烁光纤阵列中同层和同列闪烁光纤中相邻的两个闪烁光纤之间的距离d不小于1mm，保证α粒子16到达除所述闪烁光纤阵列中第一层第一列闪烁光纤探测器14之外的第二个闪烁光纤14-2内部或第二个闪烁光纤反光涂层14-1外表面的概率小于1‰且其相对误差小于0.05。

步骤四、高氡环境下待测气体中氚的探测：利用气泵6向进气管2输送待测气体，待测气体完全浸没所述闪烁光纤阵列，待测气体进入金属屏蔽外壳1内部后自由扩散，氚衰变放出β粒子15、氡衰变放出α粒子16，β粒子15和α粒子16随机运动，β粒子15和α粒子16穿过闪烁光纤反光涂层14-1，进入闪烁光纤14-2内部，β粒子15和α粒子16沉积能量，使闪烁光纤14-2内部原子核发生电离和退激，退激过程产生荧光，荧光在闪烁光纤反光涂层14-1内表面多次反射，传输至闪烁光纤14-2两端并进入光导层3；光导层3耦合闪烁光纤14-2和光电倍增管4的光阴极，光电倍增管4的光阴极通过光电效应产生电子，电子再通过光电倍增管4倍增形成电压输出，光电倍增管4输出的电压信号通过信号放大器9进行线性放大，再依次输送至波形甄别器10和脉冲幅度多道分析器11；脉冲幅度多道分析器11可将电压信号转化为数字信号发送给计算机12处理；计算机12以波形甄别器10记录的电压下降时间为横坐标、以脉冲幅度多道分析器11记录的电压脉冲个数为纵坐标绘制脉冲波形谱；β粒子15和α粒子16各自形成对应的统计峰，通过划定两峰之间的界线，实现β粒子15和α粒子16两种辐射粒子的甄别，划分不同粒子界线后，在脉冲波形谱两侧分别计数便可获两类粒子的单独计数；计数结果再通过线性转化为气体辐射源的体积活度，实现两类放射性气体的探测。

需要说明的是，使用的光导层和光电倍增管配合的探测方式对辐射粒子的响应时间在ns量级，通过光电倍增管和信号放大器，可直接获取单粒子的电压脉冲波形，探测灵敏度高，响应时间短，避免了电离室需要累积多个粒子形成平均电流输出的过程，氡衰变产生的α粒子、氚衰变产生的β粒子穿过闪烁光纤反光涂层进入闪烁光纤内部沉积能量，闪烁光纤吸收能量发出荧光，经光纤、光导传输至光电倍增管光阴极，荧光在光阴极通过光电效应产生电子，最终经过多级倍增在光电倍增管中形成具有一定波形特征的电压信号，两类粒子与闪烁光纤的作用原理不同，产生的信号波形形状不同，可通过波形甄别器加以区别，信号放大器9优选的采用9305快速前置放大器，波形甄别器10可选Mesytec公司生产的型号为MPD-4的波形甄别器，脉冲幅度多道分析器11可选ORTEC公司生产的型号为EASY-MCA-8K的脉冲幅度多道分析器，信号放大器9可将光电倍增管输出的电压信号线性放大至波形甄别器可处理的范围，并保证两类粒子产生的电压脉冲信号的上升和下降时间不变，即波形不变，波形甄别器可分析电压脉冲形状，获得两类粒子产生的电压脉冲信号后，可分析上升和下降时间并输出一个新的电压信号，信号的幅值高低与光电倍增管输出的电压脉冲下降时间呈正比，脉冲幅度多道分析器11可将电压信号转化为数字信号发送给计算机12处理；计算机12以波形甄别器10记录的电压下降时间为横坐标、以脉冲幅度多道分析器11记录的电压脉冲个数为纵坐标绘制脉冲波形谱；β粒子15和α粒子16各自形成对应的统计峰，通过划定两峰之间的界线，实现β粒子15和α粒子16两种辐射粒子的甄别，划分不同粒子界线后，在脉冲波形谱两侧分别计数便可获两类粒子的单独计数；计数结果再通过线性转化为气体辐射源的体积活度，实现两类放射性气体的探测。

本发明通过确定闪烁光纤反光涂层厚度保证β粒子和α粒子均能进入闪烁光纤且能有效阻隔氚气在闪烁光纤探测器外的附着，通过确定闪烁光纤阵列中同层和同列闪烁光纤中相邻的两个闪烁光纤之间的距离，保证α粒子在两根闪烁光纤中都沉积能量的概率小于1‰，用以防止α粒子的重复计数，实现β粒子的单次利用，通过光电倍增管依次连接信号放大器、波形甄别器、脉冲幅度多道分析器和计算机，无需进行电流刻度，以实现高氡环境中氚发射β粒子的准确测量。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、搭建基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测平台，过程如下：

步骤101、沿金属屏蔽外壳(1)长度方向设置闪烁光纤阵列，所述闪烁光纤阵列的两端通过光纤支架(8)支撑；

所述闪烁光纤阵列包括M层N列式排布的闪烁光纤阵列，所述闪烁光纤阵列包括M×N个闪烁光纤探测器(14)，其中，M和N均为不小于2的正整数；

所述闪烁光纤探测器(14)包括闪烁光纤(14-2)和涂抹在闪烁光纤(14-2)外的闪烁光纤反光涂层(14-1)；

步骤102、在金属屏蔽外壳(1)内且位于闪烁光纤探测器(14)的两端分别设置光导层(3)和与所述光导层(3)连接的光电倍增管(4)；

步骤103、在金属屏蔽外壳(1)外设置依次连接的信号放大器(9)、波形甄别器(10)、脉冲幅度多道分析器(11)和计算机(12)，光电倍增管(4)的信号输出端与信号放大器(9)的信号输入端连接；

步骤104、在金属屏蔽外壳(1)上位于所述闪烁光纤阵列的部分安装进气管(2)和出气管(13)，气泵(6)通过气管(5)向进气管(2)输送待测气体，所述待测气体包含氚气和氡气，氚气衰变放出β粒子(15)，氡气衰变放出α粒子(16)；

步骤二、确定闪烁光纤反光涂层厚度：所述闪烁光纤反光涂层(14-1)为镀铝反光涂层，利用MCNPX蒙特卡罗软件分别建立一层单位厚度的镀铝反光涂层至多层单位厚度的镀铝反光涂层的仿真模型，使β粒子(15)分别垂直入射至一层单位厚度的镀铝反光涂层和多层单位厚度的镀铝反光涂层中，分别记录穿过一层单位厚度的镀铝反光涂层和多层单位厚度的镀铝反光涂层的β粒子计数，并对每次的β粒子计数进行归一化处理，得到β粒子(15)穿过一层单位厚度的镀铝反光涂层和多层单位厚度的镀铝反光涂层的概率，绘制以镀铝反光涂层的厚度为横坐标、β粒子穿过镀铝反光涂层的概率为纵坐标的曲线，设定β粒子穿过镀铝反光涂层的概率阈值，在曲线上查找β粒子穿过镀铝反光涂层的概率大于概率阈值时，对应的镀铝反光涂层的厚度作为闪烁光纤反光涂层(14-1)的厚度；

步骤三、确定闪烁光纤阵列中同层和同列闪烁光纤中相邻的两个闪烁光纤之间的距离，过程如下：

步骤301、建立二维平面坐标系xoy，所述二维平面坐标系xoy所在平面平行于所述闪烁光纤阵列的横截面所在平面，所述闪烁光纤阵列的横截面位于所述二维平面坐标系xoy的第一象限内，所述二维平面坐标系xoy的x轴方向为所述闪烁光纤阵列的宽度方向，所述二维平面坐标系xoy的y轴方向为所述闪烁光纤阵列的高度方向，所述闪烁光纤阵列中第一列闪烁光纤探测器(14)均与所述二维平面坐标系xoy的y轴相切，所述闪烁光纤阵列中第一层第一列闪烁光纤探测器(14)与所述二维平面坐标系xoy的x轴和y轴均相切；

步骤302、选定闪烁光纤(14-2)的半径，将所述闪烁光纤阵列中第一层第一列闪烁光纤探测器(14)的外边缘与所述二维平面坐标系xoy的x轴和y轴围成的区域视为选定区域，利用MCNPX蒙特卡罗软件分别建立闪烁光纤阵列中同层和同列闪烁光纤中相邻的两个闪烁光纤之间不同距离的仿真模型，使位于选定区域内α粒子(16)分别垂直入射至同层和同列闪烁光纤中相邻的两个闪烁光纤之间不同距离的闪烁光纤阵列中，分别记录选定区域出射的α粒子(16)到达除所述闪烁光纤阵列中第一层第一列闪烁光纤探测器(14)之外的第二个闪烁光纤(14-2)内部或第二个闪烁光纤反光涂层(14-1)外表面的概率；

将选定区域出射的α粒子(16)到达除所述闪烁光纤阵列中第一层第一列闪烁光纤探测器(14)之外的第二个闪烁光纤(14-2)内部或第二个闪烁光纤反光涂层(14-1)外表面的概率小于1‰且其相对误差小于0.05时，对应的闪烁光纤阵列中同层和同列闪烁光纤中相邻的两个闪烁光纤之间的距离作为确定的闪烁光纤阵列中同层和同列闪烁光纤中相邻的两个闪烁光纤之间的距离；

步骤四、高氡环境下待测气体中氚的探测：利用气泵(6)向进气管(2)输送待测气体，待测气体完全浸没所述闪烁光纤阵列，待测气体进入金属屏蔽外壳(1)内部后自由扩散，氚衰变放出β粒子(15)、氡衰变放出α粒子(16)，β粒子(15)和α粒子(16)随机运动，β粒子(15)和α粒子(16)穿过闪烁光纤反光涂层(14-1)，进入闪烁光纤(14-2)内部，β粒子(15)和α粒子(16)沉积能量，使闪烁光纤(14-2)内部原子核发生电离和退激，退激过程产生荧光，荧光在闪烁光纤反光涂层(14-1)内表面多次反射，传输至闪烁光纤(14-2)两端并进入光导层(3)；光导层(3)耦合闪烁光纤(14-2)和光电倍增管(4)的光阴极，光电倍增管(4)的光阴极通过光电效应产生电子，电子再通过光电倍增管(4)倍增形成电压输出，光电倍增管(4)输出的电压信号通过信号放大器(9)进行线性放大，再依次输送至波形甄别器(10)和脉冲幅度多道分析器(11)；脉冲幅度多道分析器(11)可将电压信号转化为数字信号发送给计算机(12)处理；计算机(12)以波形甄别器(10)记录的电压下降时间为横坐标、以脉冲幅度多道分析器(11)记录的电压脉冲个数为纵坐标绘制脉冲波形谱；β粒子(15)和α粒子(16)各自形成对应的统计峰，通过划定两峰之间的界线，实现β粒子(15)和α粒子(16)两种辐射粒子的甄别，划分不同粒子界线后，在脉冲波形谱两侧分别计数便可获两类粒子的单独计数；计数结果再通过线性转化为气体辐射源的体积活度，实现两类放射性气体的探测。

2.按照权利要求1所述的一种基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测方法，其特征在于：所述脉冲幅度多道分析器(11)通过信号线与计算机(12)连接，所述信号线为网线或USB信号线。

3.按照权利要求1所述的一种基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测方法，其特征在于：所述光电倍增管(4)、信号放大器(9)、波形甄别器(10)和脉冲幅度多道分析器(11)分别通过同轴电缆(7)连接。

4.按照权利要求1所述的一种基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测方法，其特征在于：所述光导层(3)的数量为多个，所述光电倍增管(4)的数量和光导层(3)的数量相等且一一对应。

5.按照权利要求1所述的一种基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测方法，其特征在于：所述金属屏蔽外壳(1)包括铅屏蔽体，所述铅屏蔽体外包裹有不锈钢保护壳，所述铅屏蔽体的厚度大于5cm。

6.按照权利要求1所述的一种基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测方法，其特征在于：所述镀铝反光涂层的厚度为0.1μm～1μm，所述镀铝反光涂层通过电镀或化学沉降的方式镀在闪烁光纤(14-2)外表面。

7.按照权利要求1所述的一种基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测方法，其特征在于：所述闪烁光纤(14-2)的横截面为圆形或正多边形，所述闪烁光纤(14-2)的外接圆的半径不小于氡衰变产生的α粒子在闪烁光纤中射程的一半。

8.按照权利要求1所述的一种基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测方法，其特征在于：步骤二中，所述β粒子穿过镀铝反光涂层的概率阈值为9％。

9.按照权利要求1所述的一种基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测方法，其特征在于：所述光纤支架(8)与所述闪烁光纤阵列配合位置处开设有通孔，所述光纤支架(8)为绝缘光纤支架。

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