CN112180419A - 一种空气氚的探测单元、探测部件和探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空气氚的探测单元，特点是包括具有多个平面的透明导光材料体，透明导光材料体的至少一个平面上设有GAGG:Ce闪烁体；透明导光材料体至少一个平面抵接有至少一个光电转换器；光电转换器焊接在电路板上，电路板上设有信号引出体；优点是：该探测器可高效率测量空气中氚放出的低能β粒子并能甄别掉被测气体中其他核素产生的高能β、高能γ及氡和氡子体产生的α粒子所产生的信号。

Description

一种空气氚的探测单元、探测部件和探测器

技术领域

本发明涉及辐射探测领，具体涉及一种空气氚的探测单元、探测部件和探测器。

背景技术

空气中氚的监测现有的探测器有流气电离室、正比计数器、闪烁体、液闪等。

流气电离室又有单电离室、差分式γ补偿电离室、补正电极式丝壁电离室、选择性同轴电离室。这些电离室有这么多变种的目的是要解决探测器外γ干扰、电离室内壁氚污染、对气体中其他核素放出的高能β的去干扰等问题。因电离室本身是工作在饱和吸收状态，没有信号倍增，所以测量的信号微弱，所采取的差分、补正极、同轴都是在电离室技术条件下为了克服γ干扰、内壁氚污染、其他核素放出的高能β等问题的补救措施，受限于电离室的工作原理上的小电流、大体积的弱点，这些措施都只能有限的解决这些问题。

正比计数器也是氚测量的一种方法，因其相对于电离室来说，能对氚放出的β粒子在工作气体中产生的带电粒子有物理放大作用，这种方法可以把氚测量的探测下限相对于电离室来说，进一步降低。但正比计数器测量时，需要工作气体，要把被测的气体混到工作气体中，才可以正常测量。也就意味着正比计数器工作的时候，需要常备工作气体，这限制了正比计数器方法的现场使用。虽然也有直接把被测气体干燥之后流入正比计数器的方法，但又额外增加了干燥等设备，引入了不安全因素。

闪烁体测量法，使用塑料闪烁体或者NaI(Tl)等闪烁探测器直接测量氚，特别是对于含有氚化水蒸气HTO的气体。闪烁体测量法主要问题是污染即记忆效应问题。污染可能产生于氚同有机闪烁体材料中的氢交换，或氚化水蒸气被吸湿晶体如NaI(Tl)的吸收等。这种方法的另外一个不可克服的问题是，闪烁体产生的荧光要被光电倍增管测量，而光电倍增管的体积大，又有600V以上的直流高压，这些不利条件限制了对闪烁体法采取进一步措施来克服γ干扰、内壁氚污染等不利因素。

液闪测量法，是一种高灵敏的测量空气中氚的方案。氚在空气中可以元素氚的形态(HT、DT、T₂)或以水蒸气的形态(HTO、DTO、T₂0)存在，对气态氚通过高温加热与空气中的氧反应转换成HTO、DTO、T₂0，通过鼓泡法取样等把氚富集变成氚化水，再用液闪测量富集的氚化水来完成对空气中的氚的活度浓度测量。整个过程时间周期长、费用高、不适用在线测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种空气氚的探测单元、探测部件和探测器，其可高效率测量空气中氚放出的低能β。

有鉴于此，本发明提出一种空气氚的探测单元，包括：具有多个平面的透明导光材料体，所述透明导光材料体的至少一个面上设有GAGG:Ce闪烁体(发明中，GAGG:Ce闪烁体为Ce:GAGG闪烁晶体)；所述透明导光材料体至少一个面设有光电转换器；所述光电转换器焊接在电路板上，所述电路板上设有信号引出体。

进一步地，空气氚的探测单元上设有固定机构配合体。

进一步地，所述GAGG:Ce闪烁体的厚度大于0.05，且小于1mm。

所述GAGG:Ce闪烁体与所述透明导光材料体之间紧密接触，可选择光学胶将二者黏贴。

进一步地，所述高透明导光材料体为石英玻璃体，不含氢的高平均原子序数的石英玻璃体作为闪烁体的载体来测量氚，避免了用塑料闪烁体时氚置换塑料闪烁体中的氢，从而大大降低了氚对探测器的污染。

进一步地，所述石英玻璃体的形貌为直六面体。

进一步地，所述光电转换器为硅光电倍增管、光电二极管或雪崩光电二极管。

一种包含上述探测单元的探测部件，包括：第一壳体、探测单元和适配电路，所述第一壳体上设有开口的腔体，所述腔体的内壁上设有电连接体和固定机构，所述电连接体与所述探测单元电连接，所述固定机构用于将所述探测单元固定于所述腔体中以在所述探测单元的GAGG:Ce闪烁体面上与腔体形成开口的间隙，该间隙为空气容置腔，所述空气容置腔用于容置被检测的气体。所述第一壳体上设有所述适配电路，所述适配电路与所述探测单元电连接。所述适配电路用于放大和处理所述探测单元导出的电信号。

进一步地，所述腔体的内壁为抛光面。

进一步地，所述腔体为具有两个开口，所述腔体的形貌可选择为长方体或正六棱柱等。

进一步地，所述空气容置腔在垂直于所述GAGG:Ce闪烁体大的测量面的方向上厚度大于0.5，且小于5mm。

进一步优化所述探测部件，所述第一壳体使用不锈钢或其他钨合金等可以支撑并由一定屏蔽γ射线的作用。

一种包含上述探测部件的空气氚的探测器，包括：第二壳体和探测部件，所述第二壳体包括：进气口、出气口和探测部件容置腔，所述进气口与所述出气口均与所述探测部件容置腔连通，所述第二壳体上设有信号输出端，所述探测部件容置腔内设有至少一个所述探测部件，所述信号输出端与每个所述探测部件电连接，具体地，所述信号输出端与每个所述探测部件的适配电路电连接，所述信号输出端用于将所述探测部件的信号导出。

与现有技术相比，本发明的优点：

1.空气氚的探测器中，使用不含氢的高平均原子序数的无机晶体避免了氚置换塑料闪烁体中的氢，从而大大降低了氚对探测器的污染。小于1mm厚的GAGG:Ce闪烁晶体，降低了闪烁晶体对γ的响应，有利于降低被测气体中其他核素产生的γ射线以及探测器外来的γ射线对闪烁晶体测量低能β时的干。GAGG:Ce闪烁体在一定能量范围内对γ射线和α、β粒子有较好的能量响应线性，可以通过幅度甄别的办法把被测气体中其他核素产生的高能β、高能γ及氡和氡子体产生的α粒子所产生的信号甄别掉。因此，该空气氚的探测器可高效率测量空气中氚放出的低能β粒子。

2.探测器部件的GAGG：Ce闪烁晶体表面可贴钛膜，贴了钛膜的探测器部件只测相同环境下的γ；而探测器部件表面不贴钛膜的探测器，同时测γ和β，以此，通过差分的办法，去掉气体中其他核素放出的γ干扰，其可高效率测量空气中氚放出的低能β。

3.探测器外部采用铅、钨合金等材料来屏蔽来自探测器外的γ射线，进一步降低氚的探测下限。因硅光电倍增管使得探测部件远小于电离室、正比计数器及光电倍增管的体积，可以有效降低探测部件外的屏蔽材料的重量，解决了探测器外部γ屏蔽的问题。

4.硅光电倍增管使用的高压只有30V左右，远低于光电倍增管的600V以上的高压，鉴于氚本身是易燃易爆气体，整个探测装置的防爆性能更好。

5.此探测方法不用取样、富集氚，体积小，探测下限低，可以实现在线氚的监测。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：

图1是实施例一中探测单元的结构示意图；

图2是实施例一中探测单元的分解结构示意图；

图3是实施例二中探测部件的结构示意图；

图4是实施例二中探测部件的分解结构示意图；

图5是实施例三中探测器的结构示意图；

图6是实施例三中探测器的分解结构示意图；

图7是实施例三中探测部件容置腔和安装腔的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详述，使本发明技术方案更易于理解和掌握。

本发明中，石英玻璃体的长、宽和高中，长和宽的长度均不低于高的长度。优选的，石英玻璃体的长、宽和高中，长：高大于10，宽：高大于6，长大于等于宽，本说明书中，探测单元的厚度包括石英玻璃体的高和两片闪烁体31的厚度。

【实施例一】

如图1和2所示，空气氚的探测单元包括：两片尺寸相同的闪烁体31，两片闪烁体31粘接在尺寸与闪烁体31相同的石英玻璃体3的一组对立面上，该对立面为长和宽所在的对立面，石英玻璃体3具有直平行六面体形貌，石英玻璃体3长40mm、宽30mm和高4mm。闪烁体31为0.1mm厚的GAGG:Ce闪烁体，尺寸40mm×30mm。在石英玻璃体3的30mm×4mm的一种对立面上均设有4个硅光电倍增管2。4个同侧的硅光电倍增管2的另一面均焊接在一30mm×4.9mm的电路板1上，电路板1的另一面上设有信号引出体11，信号引出体11为两条镀金的焊盘，焊盘与电路板1电连接，焊盘用于将电路板1的信号引出。电路板1还设有固定机构配合体12，本实施例中，固定机构配合体12为金属片，金属片粘结固定于电路板1上。

本实施例中，硅光电倍增管2的使用电压小于等于30V。

上述实施例中，石英玻璃体3的尺寸可根据实际需要进行选择。闪烁体31的厚度可在0.05～1mm之间进行选择，优选地尺寸为0.2mm；硅光电倍增管2的使用电压在小于等于30V，硅光电倍增管2的数量可根据实际需要进行选择，固定机构配合体12还可以为电路板1上的凹槽。

【实施例二】

如图3和图4所示，一种空气氚的探测部件，包括：实施例一的空气氚的探测单元和适配电路；

第一壳体5，第一壳体5设有一个两端均开口的腔体55，第一壳体5为直平行六面体形貌，长70mm、宽50mm和高15mm；腔体55为直平行六面体形貌，长43mm、宽33mm和高8mm。探测单元设置在腔体55中，在腔体中的两侧壁上固定设有电连接体51，电连接体51与适配电路电连接，电连接体51的位置和数量与探测单元上的信号引出体11相对应，以实现探测单元与适配电路的电连接，本实施例中，电连接体51为凸起的弹簧接触片，弹簧接触片与焊盘的弹性接触还起到了固定探测单元的作用。腔体55内，在探测单元设有GAGG:Ce闪烁体的面的外侧与腔体55之间形成了两个空气容置腔57，本实施例中，两个空气容置腔57均为3mm高度，长43mm，宽33mm。

第一壳体5由上下两部分组成，包括：上第一壳体58和下第一壳体59，第一壳体58为直平行六面体形貌，下第一壳体59的顶部设有一凹槽，凹槽的槽壁与部分上第一壳体58的底面形成腔体55。凹槽的侧壁上还设有用于固定探测单元的固定机构52，固定机构52的位置与数量与固定机构配合体12相对应，固定机构52与固定机构配合体12相互配合用于固定探测部件，本实施例中，固定机构52同样为凸起的弹簧接触片，固定机构配合体12可选为金属片，靠金属片与弹簧接触的弹力将探测部件固定，还可以将固定机构配合体12选为凹槽，凹槽与凸起的弹簧接触片之间不仅可以弹性抵触，还可以在凸起的弹簧接触片的侧边与凹槽的侧壁形成抵触支撑，该抵触支撑可固定探测部件。

本实施例中，第一壳体5材质可为不锈钢、铁、铝或钨合金等，腔体55的内壁均为抛光的镜面。

适配电路，适配电路用于放大和处理探测单元的电信号。

除上述实施例，可调节空气容置腔57的数量为一个：将探测部件固定于腔体55的顶面或底面上，还可调节两个节空气容置腔57的厚度和两个节空气容置腔57的形状，值得注意地，空气容置腔57厚度的最大值为5mm。

【实施例三】

如图5、图6和图7所示，一种设有至少一个实施例二中的探测部件的空气氚的探测器，包括：第二壳体8和探测部件，第二壳体8包括：进气口81、出气口82和探测部件容置腔85，探测部件容置腔85内设有四个探测部件。进气口81与出气口82均与探测部件容置腔85连通，该连通用于将检测的空气导入和导出探测部件中。四个的探测部件安装在第二壳体8的探测部件容置腔85中，从上而下并列分布。第二壳体8还包括安装腔84，安装腔84内设置探测器电路板86，探测器电路板86与每个探测部件电连接，具体地，探测器电路板86与每个探测部件中的适配电路电连接。在安装腔84的腔壁上设有与探测器电路板86电连接的信号输出口83。如图7所示，为了便于探测器电路板86和信号输出口83的安装，安装腔84的一侧腔壁设有开口841，开口841用螺栓固定。

探测部件的屏蔽材料的不同，导致探测部件测量的目标和目标的灵敏度会有差异，两个具备该差异的探测部件的结合可使空气氚的探测器的探测更准确。

在附图中没有示例γ屏蔽体，为了进一步降低对空气中氚测量的探测下限，在整个探测器外，依照探测器外形加铅或钨合金等重金属组成的屏蔽层，用于屏蔽探测器外的γ。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种空气氚的探测单元，其特征在于：包括：具有多个平面的透明导光材料体(3)，所述透明导光材料体(3)的至少一个平面上设有GAGG:Ce闪烁体(31)；所述透明导光材料体(3)至少一个平面抵接有至少一个光电转换器(2)；所述光电转换器(2)焊接在电路板(1)上，所述电路板(1)上设有信号引出体(11)。

2.根据权利要求1所述的空气氚的探测单元，其特征在于：所述GAGG:Ce闪烁体的厚度大于0.05mm，且小于1mm。

3.根据权利要求1所述的空气氚的探测单元，其特征在于：所述高透明导光材料体为石英玻璃体。

4.根据权利要求3所述的空气氚的探测单元，其特征在于：所述石英玻璃体的形貌为直六面体。

5.根据权利要求1所述的空气氚的探测单元，其特征在于：所述光电转换器为硅光电倍增管、光电二极管或雪崩光电二极管。

6.一种包含权利要求1-5任一项所述的探测单元的探测部件，其特征在于：包括：第一壳体(5)、探测单元和适配电路，所述第一壳体(5)上设有开口的腔体(55)，所述腔体的内壁上设有电连接体(51)和固定机构(52)，所述电连接体(51)与所述探测单元电连接，所述固定机构(52)用于将所述探测单元固定于所述腔体(55)中，且所述的探测单元与所述的腔体(55)之间具有间隙以形成开口的空气容置腔(57)，所述空气容置腔(57)用于容置被检测的气体，所述适配电路与所述探测单元电连接，所述适配电路用于放大和处理所述探测单元导出的电信号。

7.根据权利要求6所述的探测部件，其特征在于：所述腔体(55)的内壁为抛光面。

8.根据权利要求6所述的探测部件，其特征在于：所述空气容置腔(57)的厚度大于0.5mm，且小于5mm。

9.一种包含权利要求6所述的探测部件的空气氚的探测器，其特征在于：包括：第二壳体(8)和至少一个所述的探测部件，所述第二壳体(8)包括：进气口(81)、出气口(82)和探测部件容置腔(85)，所述进气口(81)与所述出气口(82)均与所述探测部件容置腔(85)连通，所述第二壳体(8)上设有信号输出端(83)，所有的探测部件设置在所述探测部件容置腔(85)内，所述信号输出端(83)与所有的探测部件电连接，所述信号输出端(83)用于将所述探测部件的信号导出。

10.根据权利要求9所述的探测部件，其特征在于：所述第二壳体(5)外设有γ屏蔽材料。

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