CN112711060B - 一种多层闪烁体β-γ混合场探测器探头 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多层闪烁体β‑γ混合场探测器探头，以便于提高β‑γ混合场中β射线与γ射线的甄别效果；其结构包括：由依次排列的第一闪烁体、第二闪烁体和第三闪烁体制成的三层闪烁体，第一闪烁体、第二闪烁体和第三闪烁体的一端分别与光电倍增管的一端电连接；光电倍增管的另一端依次与主放、第四延迟模块串联连接后与模数转换器电连接；第一闪烁体的另一端依次与第一光电转换模块和第一延迟模块连接后与模数转换器电连接；第二闪烁体的另一端依次与第二光电转换模块和第二延迟模块连接后与模数转换器电连接；第三闪烁体的另一端依次与第三光电转换模块和第三延迟模块连接后与模数转换器电连接。本发明解决了提高β射线与γ射线甄别精度的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及β和γ辐射探测技术领域，具体涉及一种多层闪烁体β-γ混合场探测器探头。
背景技术
随着我国核能事业的发展，放射性物质的使用越发频繁，高放物质总量也急剧增加。因此，在涉核研究、应用的过程中，放射性物质给操作人员和环境带来的辐射风险也绝不能忽视。其中，β和γ辐射是涉核工作场所中常见的射线，并且β和γ总是同时存在，这种辐射场被称为β-γ混合场。为了保障操作人员、公众和环境的安全，在开发利用核能的同时必须开展β-γ辐射剂量监测与防护工作。目前国内通常采用二次测量法或叠层闪烁体探测器来甄别β射线与γ射线。具体的，采用的二次测量法中：先测总场剂量，再用铝板挡β粒子测γ剂量，两值之差即为β剂量；采用传统叠层闪烁体探测器通常由三层发光衰减时间不同的闪烁体和一个光电倍增管组成，闪烁体探测器直接通过主放连接ADC，使用时根据β和γ在各层中发生能量沉积的概率和比例不同，通过提取输出信号的脉冲形状特征量来实现对β和γ的甄别。上述技术手段存在成本高，效率底，耗时间等类似问题；对于二次测量法：β和γ在前后测量中产生相互干扰的次级粒子，其β剂量测量误差可高达200％；而对于传统的叠层闪烁体探测器，在β和γ甄别过程中，γ的次级产物就是电子(即β粒子)，提取输出脉冲的特征量仍然具有一定的缺陷，因此降低了探测器对β和γ的甄别性能。
现有技术中，国内外研究小组报道了多种用于混和场中(α、β、n和γ)区分测量各类载能粒子的原理，如：脉冲形状甄别法、多探测元件-多PMT法、多探测元件-单一PMT法等。脉冲形状甄别法：使用一个探测元件，利用粒子在探测材料中的电离密度(产生脉冲)差别来甄别不同的粒子，如：上升时间甄别法、常时间甄别法和恒比甄别法。多探测元件-多PMT法：这种方法具有多个探测元件，每一个探测元件的信号都由独立的信号测量单元读出，这种方法主要是利用产生信号的探测元件的不同，将输出的信号进行时间符合与能量加和，以确定粒子的辐照深度(α粒子浅、γ粒子深)，进而对粒子的种类、能量进行甄别、测量。多探测元件-单一PMT法：主要利用多个探测元件依次排列，不同的粒子在各个探测层中发生能量沉积的概率和比例不同。最后，测量各个探测元件中是否有信号输出以及分析信号强度的比例，进而实现粒子的甄别，以及能谱信息的收集。这种粒子甄别的设备即由多个发光衰减时间不同的闪烁体和一个光电倍增管(PMT)光学耦合在一起组成探测器。上述技术手段虽在一定范围内取得了技术上的突破性进展，但对于传统的叠层闪烁体探测器，在β-γ混合场内β射线与γ射线甄别效果这一问题中，其技术性能还有待于进一步的提升。
因此，研发一种多层闪烁体β-γ混合场探测器探头用于解决β-γ混合场中β射线与γ射线难以区分，以及能区分但甄别效果不好的技术问题成为一种必需。
发明内容
本发明目的提供一种多层闪烁体β-γ混合场探测器探头，以便于提高β-γ混合场中β射线与γ射线的甄别效果。
本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：
本发明提供一种多层闪烁体β-γ混合场探测器探头，包括：由依次排列的第一闪烁体、第二闪烁体和第三闪烁体制成的三层闪烁体，所述第一闪烁体、第二闪烁体和第三闪烁体的一端分别与光电倍增管的光阴极端连接；所述光电倍增管的另一端依次与主放、第四延迟模块串联连接后与模数转换器电连接；所述第一闪烁体的另一端依次与第一光电转换模块和第一延迟模块连接后与所述模数转换器电连接；所述第二闪烁体的另一端依次与第二光电转换模块和第二延迟模块连接后与所述模数转换器电连接；所述第三闪烁体的另一端依次与第三光电转换模块和第三延迟模块连接后与所述模数转换器电连接；所述主放用于：进一步放大所述光电倍增管输出的电信号；所述第一延迟模块、第二延迟模块、第三延迟模块、第四延迟模块的作用均为：同步探测信号与甄别信号；所述第一光电转换模块、第二光电转换模块、第三光电转换模块的作用均为：将输入的光信号转换成电信号，从而产生一个门信号；所述模数转换器用于将所述三层闪烁体探测的电信号分类、将输入的电信号耦合，并输出能谱信息。
优选的，所述三层闪烁体中：第一闪烁体、第二闪烁体和第三闪烁体的底面都设置有铝化聚酯薄膜；所述铝化聚酯薄膜的设置用于防止不同闪烁体内产生的闪烁光子混合以及逃逸。
优选的，所述三层闪烁体的底面设置有铝化聚酯薄膜。
优选的，所述铝化聚酯薄膜的厚度为0.0028mm。
优选的，所述第一闪烁体为NE102A；所述第二闪烁体为CaF2(Eu)；所述第三闪烁体为CsI(Na)。
优选的，所述NE102A的厚度为0.15mm；所述CaF2(Eu)的厚度为6mm；所述CsI(Na)的厚度为25.4mm。
优选的，，所述第一闪烁体、第二闪烁体和第三闪烁体均为半径相同厚度彼此不同的圆柱状；所形成的圆柱的半径为25.4mm。
优选的，所述第一闪烁体、第二闪烁体和第三闪烁体的侧面均分别设置有反射层。
优选的，所述反射层为氧化镁反射层。
优选的，所述氧化镁反射层的厚度为0.5mm。
优选的，所述的氧化镁反射层封装在7mm厚的具有一端开口的铝壳内。
本发明的特点及优点是：本发明采用将每一层闪烁体材料输出的闪烁光分为两路，一路携带粒子的能量信息经过光电倍增管(PMT)和主放成为探测信号，一路通过光电转换模块成为甄别信号，最后这两种信号在模数转换器(ADC)中进行耦合，对探测信号进行选择分类，达到准确甄别测量β-γ混合场的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中多层闪烁体β-γ混合场探测器探头的探测原理示意图；
图2为本发明实施例2中多层闪烁体β-γ混合场探测器探头的探测原理示意图；
图3为本发明实施例2中多层闪烁体β-γ混合场探测器探头的误甄别率示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
如图1所示，本发明提供一种多层闪烁体β-γ混合场探测器探头，包括：由依次排列的第一闪烁体110、第二闪烁体120和第三闪烁体130制成的三层闪烁体100，所述第一闪烁体110、第二闪烁体120和第三闪烁体130的一端分别与光电倍增管(PMT)的一端电连接；所述光电倍增管(PMT)的另一端依次与主放200、第四延迟模块340串联连接后与模数转换器(ADC)400电连接；所述第一闪烁体110的另一端依次与第一光电转换模块510和第一延迟模块310连接后与所述模数转换器(ADC)400电连接；所述第二闪烁体120的另一端依次与第二光电转换模块520和第二延迟模块320连接后与所述模数转换器(ADC)400电连接；所述第三闪烁体130的另一端依次与第三光电转换模块530和第三延迟模块330连接后与所述模数转换器(ADC)400电连接；所述主放200用于：进一步放大所述光电倍增管(PMT)输出的电信号；所述第一延迟模块310、第二延迟模块320、第三延迟模块330、第四延迟模块340的作用均为：同步探测信号与甄别信号；所述第一光电转换模块510、第二光电转换模块520、第三光电转换模块530的作用均为：将输入的光信号转换成电信号，从而产生一个门信号；所述模数转换器(ADC)400用于将所述三层闪烁体探测的电信号分类、将输入的电信号耦合，并输出能谱信息。
本发明采用将每一层闪烁体材料输出的闪烁光分为两路，一路携带粒子的能量信息经过光电倍增管(PMT)和主放成为探测信号，一路通过光电转换模块成为甄别信号，最后这两种信号在模数转换器(ADC)中进行耦合，对探测信号进行选择分类，达到准确甄别测量β-γ混合场的目的。
优选的，在本实施例的其中一个优选技术方案中，所述三层闪烁体中：第一闪烁体、第二闪烁体和第三闪烁体的底面都设置有铝化聚酯薄膜；所述铝化聚酯薄膜的设置用于将所述第一闪烁体和第二闪烁体之间，以及第二闪烁体和第三闪烁体之间分隔。防止不同闪烁体内产生的闪烁光子混合以及逃逸。
优选的，在本实施例的其中一个优选技术方案中，所述三层闪烁体的外表面设置有铝化聚酯薄膜。
优选的，在本实施例的其中一个优选技术方案中，所述铝化聚酯薄膜的厚度为0.0028mm。
优选的，在本实施例的其中一个优选技术方案中，所述第一闪烁体为NE102A；所述第二闪烁体为CaF2(Eu)；所述第三闪烁体为CsI(Na)。
优选的，在本实施例的其中一个优选技术方案中，所述NE102A的厚度为0.15mm；所述CaF2(Eu)的厚度为6mm；所述CsI(Na)的厚度为25.4mm。
优选的，在本实施例的其中一个优选技术方案中，，所述第一闪烁体、第二闪烁体和第三闪烁体均为半径相同厚度彼此不同的圆柱状；所形成的圆柱的半径为25.4mm。
优选的，在本实施例的其中一个优选技术方案中，所述第一闪烁体、第二闪烁体和第三闪烁体的侧面均分别设置有反射层。
优选的，在本实施例的其中一个优选技术方案中，所述反射层为氧化镁反射层。
优选的，在本实施例的其中一个优选技术方案中，所述氧化镁反射层的厚度为0.5mm。
需要说明的是由于上述铝化聚酯薄膜的设置目的为遮光，因此，可以理解的是采用其它能达到透光率不透光的材质的薄膜应用在本发明中均能达到同样的使用效果，因此，采用其余能达到不透光效果的薄膜替代铝化聚酯薄膜应用在本发明中也是本申请所要求保护的。
实施例2：
如图2所示，本实施例在实施例1的基础上，提供一种多层闪烁体β-γ混合场探测器探头，主要结构包括：三层依次排列的闪烁体，三层闪烁体的外形均为圆柱状(依次为：厚度0.15mm的NE102A、厚度6mm的CaF2(Eu)和厚度25.4mmCsI(Na)，三个圆柱的半径均为25.4mm)；其中，第一层闪烁体测低能的β以及对探测到的粒子做一个初步的判断，第二层闪烁体沉积完β粒子的剩余能量，第三层闪烁体只测量γ。本实施例在每一层闪烁体的底面都有一层极薄的铝化聚酯薄膜(厚度为0.0028mm)，其作用是将每一层闪烁体的分隔开来。本实施例中三层闪烁体侧面均用一层0.5mm氧化镁作为反射层，其作用是防止光子逃逸；PMT(光电倍增管)将微弱的光信号转换并倍增成电信号；本实施例中主放的功能是对PMT出来的电信号进一步放大；延迟模块的作用是同步探测信号与甄别信号；光电转换模块的作用是将闪烁体中产生的光信息转换成电信号，从而产生的一个门信号；ADC(模数转换器)，其作用是输出能谱信息。
探测原理：当粒子在闪烁体中沉积的能量大于等于17keV时，光电转换模块输出“1”信号，反之为“0”，那么粒子在三层闪烁体中沉积能量的方式就有8种(例如“001”表示粒子只在第3层闪烁体沉积能量而在第1层和第2层没有沉积能量)。每一层闪烁体材料输出的闪烁光分为两路，一路携带粒子的能量信息经过PMT和主放成为探测信号，一路通过光电转换模块成为甄别信号，最后这两种信号在ADC中进行耦合，对探测信号进行选择分类，达到准确甄别测量β-γ混合场的目的。从图3可以看出本发明对0.05～3MeV的β的误甄别率最大不超过0.0019％，对0.05～3.5MeV的γ的误甄别率最大不超过0.2236％。
需要说明的是，三层闪烁体的每一层闪烁体均在圆柱状外形的侧部引出两路光纤，用于输出光信号，位于同层的闪烁体上的两路光纤引出部位位于圆柱侧壁上正对侧设置时能够达到最佳的使用效果，但采用非对称位置光纤引出设置方式应用在本发明中也是本申请所要求保护的。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种多层闪烁体β-γ混合场探测器探头，包括：由依次排列的第一闪烁体、第二闪烁体和第三闪烁体制成的三层闪烁体，其特征在于，所述第一闪烁体、第二闪烁体和第三闪烁体分别与同一光电倍增管的一端电连接；所述光电倍增管的另一端依次与主放、第四延迟模块串联连接后与模数转换器电连接；所述第一闪烁体的另一端依次与第一光电转换模块和第一延迟模块连接后与所述模数转换器电连接；所述第二闪烁体的另一端依次与第二光电转换模块和第二延迟模块连接后与所述模数转换器电连接；所述第三闪烁体的另一端依次与第三光电转换模块和第三延迟模块连接后与所述模数转换器电连接；所述主放用于：进一步放大所述光电倍增管输出的电信号；所述第一延迟模块、第二延迟模块、第三延迟模块、第四延迟模块的作用均为：同步探测信号与甄别信号；所述第一光电转换模块、第二光电转换模块、第三光电转换模块的作用均为：将输入的光信号转换成电信号，从而产生一个门信号；所述模数转换器用于将所述三层闪烁体探测的电信号分类、将输入的电信号耦合，并输出能谱信息。
2.根据权利要求1所述的多层闪烁体β-γ混合场探测器探头，其特征在于，所述三层闪烁体中：第一闪烁体、第二闪烁体和第三闪烁体的底面都设置有铝化聚酯薄膜；所述铝化聚酯薄膜的设置用于将所述第一闪烁体和第二闪烁体，以及第二闪烁体和第三闪烁体中的闪烁光子分隔。
3.根据权利要求2所述的多层闪烁体β-γ混合场探测器探头，其特征在于，所述铝化聚酯薄膜的单层厚度为0.0028mm。
4.根据权利要求1所述的多层闪烁体β-γ混合场探测器探头，其特征在于，所述第一闪烁体为NE102A；所述第二闪烁体为CaF2(Eu)；所述第三闪烁体为CsI(Na)。
5.根据权利要求4所述的多层闪烁体β-γ混合场探测器探头，其特征在于，所述NE102A的厚度为0.15mm；所述CaF2(Eu)的厚度为6mm；所述CsI(Na)的厚度为25.4mm。
6.根据权利要求5所述的多层闪烁体β-γ混合场探测器探头，其特征在于，所述第一闪烁体、第二闪烁体和第三闪烁体均为半径相同厚度彼此不同的圆柱状；所形成的圆柱的半径为25.4mm。
7.根据权利要求1所述的多层闪烁体β-γ混合场探测器探头，其特征在于，所述第一闪烁体、第二闪烁体和第三闪烁体的侧面均分别设置有反射层。
8.根据权利要求7所述的多层闪烁体β-γ混合场探测器探头，其特征在于，所述反射层为氧化镁反射层，所述氧化镁反射层的厚度为0.5mm。
9.根据权利要求8所述的多层闪烁体β-γ混合场探测器探头，其特征在于，所述的氧化镁反射层封装在7mm厚的具有一端开口的铝壳内。
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