CN113204046B - 用于水体总α、总β在线测量的方法及叠层探测器 - Google Patents

Abstract

用于水体总α、总β在线测量的方法及叠层探测器，涉及水体放射性检测技术领域。其中，前述叠层探测器包括探测器主体、光导和光电倍增管，探测器主体包括三层闪烁体，第一层为用于测量γ射线的第一塑料闪烁体，第二层为用于测量β射线的第二塑料闪烁体，第三层为用于测量α粒子的CsI(Tl)闪烁体，第一层叠加在第二层上，第三层耦合在第二层的底面。上述叠层探测器不但实现了水体总α、总β在线测量，而且具有以下优点：探测器的探测窗可以设计得较大，不同的探测层用于不同目标粒子的测量，既易于分辨α、β两种粒子的脉冲信号，又可提高探测效率、减少探测时间，同时可利用第一层的γ射线信号计数率来衡量第二层的β信号里的γ射线干扰信号数量。

Description

用于水体总α、总β在线测量的方法及叠层探测器

技术领域

本发明涉及水体放射性检测技术领域，尤其指一种用于水体总α、总β在线测量的方法及叠层探测器。

背景技术

目前，环境水体总α、总β放射性活度测量主要采用的还是取样法，每半年测量一次，仍未实现在线测量，导致效率较低，对于检测水中的放射性水平的变化情况存在滞后性，影响对核事故的快速应急处置。而导致总α、总β无法实现在线测量的原因主要在于：水中放射性水平太低、α粒子在水中射程太短、β信号易被γ信号干扰、探测器本底辐射干扰太大、探测器可测量面积小等原因。

其中，CsI(Tl)对α粒子的探测效率可以达到100%，且不易潮解。而塑料闪烁体应用广泛，几乎所有放射性射线都可以用塑料闪烁体测量，其最主要的优点是易加工成任何不同规格的、想要的形状，但是其在实际应用中，仍存在一些问题，比如，虽然环境中的γ射线采用了铅屏蔽，但是待测水样在发射出α、β射线的同时，会发射出大量的γ射线，而γ射线能量仍会沉积在塑料闪烁体上，这会导致无法区分γ射线和低能β射线。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种用于水体总α、总β在线测量的叠层探测器，来实现水体总α、总β的在线测量。

为达上述目的，本发明采用如下技术方案：用于水体总α、总β在线测量的叠层探测器，包括探测器主体、光导和光电倍增管，所述光导的一端连接探测器主体，另一端连接光电倍增管，所述探测器主体包括三层闪烁体，第一层为用于测量γ射线的第一塑料闪烁体，第二层为用于测量β射线的第二塑料闪烁体，第三层为用于测量α粒子的CsI(Tl)闪烁体，所述第一塑料闪烁体叠加在第二塑料闪烁体的顶面，所述CsI(Tl)闪烁体直接耦合在第二塑料闪烁体的底面。

进一步地，所述第一塑料闪烁体和第二塑料闪烁体均为正棱柱形，在所述第一塑料闪烁体相对的两个尖角端各设置一个光导，在所述第二塑料闪烁体相对的两个尖角端各设置一个光导。

更进一步地，所述正棱柱形的底面边数为大于三的偶数。

更进一步地，所述光导为V型结构，其内侧端与第一塑料闪烁体、第二塑料闪烁体的相对的两个尖角端部匹配并粘接，其外侧端与光电倍增管耦合。

更进一步地，在所述第一塑料闪烁体和第二塑料闪烁体中，除了前述两者与光导接触的侧面部分和第二塑料闪烁体的底面，其他侧面部分和第一塑料闪烁体的顶面都设置有防止闪烁光泄露的反光层。

更进一步地，所述光导由有机玻璃制作而成。

本发明的另一目的在于提供一种用于水体总α、总β在线测量的方法。

为达上述目的，本发明采用如下技术方案：用于水体总α、总β在线测量的方法，采用上述用于水体总α、总β在线测量的叠层探测器对待测水体进行检测，第一塑料闪烁体只测量γ射线，第二塑料闪烁体测量β射线，CsI(Tl)闪烁体测量α粒子，利用只有γ射线信号的第一塑料闪烁体计数率来衡量第二塑料闪烁体上记录的γ射线数量，降低本底的γ射线干扰，根据CsI(Tl)闪烁体和第二塑料闪烁体的闪烁光衰减时间差异并结合波形鉴别方法来区分α、β粒子的脉冲信号，实现对待测水体中总α、总β的同时测量。

本发明采用CsI(Tl)闪烁体来克服水体放射性低以及α粒子在水中射程短导致计数率低的问题，采用双层塑料闪烁体来克服塑料闪烁体能量分辨率低导致的β信号易被γ信号干扰的问题，从而实现了水体总α、总β在线测量。此外，本发明提供的叠层探测器还具有以下优点：例如探测器的探测窗可以设计得较大，不同的探测层用于不同目标粒子的测量，易于分辨α、β两种粒子的脉冲信号，还能提高探测效率、减少探测时间，并且还可以利用只有γ射线信号的第一塑料闪烁体的计数率来衡量第二塑料闪烁体上记录的γ射线数量，降低本底的γ射线干扰。

附图说明

图1是实施例中用于水体总α、总β在线测量的叠层探测器的结构示意图；

图2是图1中A部位的局部放大图；

图3是光导的结构示意图。

图中:

1——第一塑料闪烁体 2——第二塑料闪烁体

3——CsI(Tl)闪烁体 4——光导

5——光电倍增管。

具体实施方式

以下将对本发明的具体实施方式进行详细描述。以下实施例中所用的近似性语言可用于定量表述，表明在不改变基本功能的情况下可允许一定数量的变动。除有定义外，以下实施例中所用的术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。

如图1-3所示，用于水体总α、总β在线测量的叠层探测器，包括探测器主体、光导4和光电倍增管5，光导4的一端连接探测器主体，另一端连接光电倍增管5，探测器主体包括三层闪烁体，第一层为第一塑料闪烁体1，第二层为第二塑料闪烁体2，第三层为CsI(Tl)闪烁体3。第一塑料闪烁体1作为γ路塑料闪烁体，用于γ干扰射线的测量，第二塑料闪烁体2作为α/β路塑料闪烁体，用于总β射线的测量，CsI(Tl)闪烁体3作为α/β路CsI(Tl)闪烁体，用于总α粒子的测量，其中，α/β路用来测量α和β信号，γ路用来测量γ信号。另外，第一塑料闪烁体1和第二塑料闪烁体2可以是正棱柱形，其正棱柱形的底面边数为大于三的偶数。

在本实施例中，第一塑料闪烁体1叠加在第二塑料闪烁体2的顶面，CsI(Tl)闪烁体3可采用粒子溅射镀膜方法，直接镀在第二塑料闪烁体2底面上，实现耦合，使CsI(Tl)闪烁体3均匀附在第二塑料闪烁体2上。其中，第一塑料闪烁体1和第二塑料闪烁体2可以加工成较大面积，使得探测器的探测窗可以被设计得较大，从而增加可测量面积。

在本实施例中，每层塑料闪烁体的两端可以各设置一个光电倍增管5，利用光电倍增管5将光信号转换为电信号，有利于后续对脉冲信号的处理，其每层塑料闪烁体的两侧各设置一个光电倍增管5，可以对测量到的信号进行叠加处理，从而提高测量效率。由于塑料闪烁体和光电倍增管5的尺寸差距较大，为了能够更好地实现闪烁光的收集，故需要选用光导4来实现两者的耦合，可在每层塑料闪烁体的相对的两个尖角端各设置一个光导4，光导4可以是V型结构，其内侧端与塑料闪烁体相对的两个尖角端部匹配，并利用光学胶与塑料闪烁体粘接在一起，不仅能够保证两者的连接紧密性，还可以增加两者的接触面积，有利于粒子的传递，光导4的外侧端则采用光学硅油与光电倍增管5耦合。通过在塑料闪烁体的相对的两个尖角端设置光导4，能够提高塑料闪烁体两端的闪烁光收集概率，提高探测效率，并且有利于第一塑料闪烁体1的正常工作。其中，光导材料选用和塑料闪烁体基底材料反射系数相近的折射率材料，可增强光收集效率，在本实施例中选用了和塑料闪烁体折射率接近的有机玻璃制作的光导材料，降低塑料闪烁体和光导4接触面的光折射。

在探测器主体上，除了用于接收待测水体的粒子的端面部分以及与光导4连接的部分，其余暴露的部分均可以设置反光层，用于防止内部的闪烁光外泄，提高闪烁光收集效率。在本实施例中，在第一塑料闪烁体1和第二塑料闪烁体2中，除了前述两者与光导4接触的侧面部分和第二塑料闪烁体2的底面，其他侧面部分和第一塑料闪烁体1的顶面都设置有防止闪烁光泄露的反光层。

在本实施例中，通过CsI(Tl)闪烁体3与第二塑料闪烁体2的耦合，实现了总α、总β的同时测量，并且可根据CsI(Tl)闪烁体3和第二塑料闪烁体2的闪烁光衰减时间差异来区分α、β粒子的脉冲信号，其中第二塑料闪烁体2可对CsI(Tl)闪烁体3起到支撑作用，且CsI(Tl)闪烁体3的闪烁光可以通过第二塑料闪烁体2传播至光导4上，而双层塑料闪烁体中通过一层塑料闪烁体同时测量β、γ射线，一层塑料闪烁体只测量γ射线，利用只有γ射线信号的γ路塑料闪烁体计数率来衡量同时测量β、γ射线的α/β路塑料闪烁体上记录的γ射线数量，降低了本底的γ射线干扰，即利用第一塑料闪烁体1衡量第二塑料闪烁体2的γ计数干扰。

其中，由于CsI(Tl)闪烁体3和第二塑料闪烁体2的闪烁光衰减时间差异较大，可达到数百倍的差异，因此利用这个特性，可易于分辨α、β两种粒子的脉冲信号。将α/β路的CsI(Tl)闪烁体3和第二塑料闪烁体2直接耦合，使得α、β信号脉冲都可以经过第二塑料闪烁体2传递至光导4，根据CsI(Tl)闪烁体3和第二塑料闪烁体2的闪烁光衰减时间差异并结合波形鉴别方法便可区分α、β脉冲的信号，而γ路塑料闪烁体测量得到γ射线计数率，用以衡量α/β路塑料闪烁体测量到的γ射线干扰。

需要强调的是，在本实施例中，针对水体放射性低以及α粒子在水中射程短导致计数率低的问题，采用了大面积CsI(Tl)闪烁体3；针对塑料闪烁体能量分辨率低，导致的β信号易被γ信号干扰的问题，采用了双层塑料闪烁体。其中一路用来测量β信号，另一路用来测量γ信号计数以衡量β信号路中的γ计数率，拟采用铅屏蔽的方式降低环境γ射线干扰；另利用CsI(Tl)闪烁体3和第二塑料闪烁体2的材料特性差异，即CsI(Tl) 闪烁体3上闪烁光的衰减时间是第二塑料闪烁体2的数百倍，来实现根据脉冲宽度鉴别信号种类。

通过上述分析可知，本实施例中的用于水体总α、总β在线测量的叠层探测器至少具有以下优点：例如探测器的探测窗可以设计得较大，不同探测层用于不同目标粒子的测量，不但易于分辨α、β两种粒子的脉冲信号，而且能提高探测效率、减少探测时间，同时还可以利用只有γ射线信号的第一塑料闪烁体1的计数率来衡量第二塑料闪烁体2上记录的γ射线数量，降低本底的γ射线干扰。

此外，第二塑料闪烁体2的厚度可达到完全吸收β射线的厚度；CsI(Tl)闪烁体3和第二塑料闪烁体2耦合的方式包括但不限于粒子溅射镀膜方法；光导4的制作材料还可以是高透明PMMA材料，透光率达到97%。另外，在本实施例中，三层闪烁体的边长尺寸可以是200mm×200mm，三者的厚度可以是：第一塑料闪烁体1厚度为2cm，第二塑料闪烁体2厚度为1cm，CsI(Tl)闪烁体3厚度为0.035mm。

本实施例还提供了用于水体总α、总β在线测量的方法，采用上述用于水体总α、总β在线测量的叠层探测器对待测水体进行检测，第一塑料闪烁体1只测量γ射线，第二塑料闪烁体2测量β射线，CsI(Tl)闪烁体3测量α粒子，利用只有γ射线信号的第一塑料闪烁体1计数率来衡量第二塑料闪烁体2上记录的γ射线数量，降低本底的γ射线干扰，根据CsI(Tl)闪烁体3和第二塑料闪烁体2的闪烁光衰减时间差异并结合波形鉴别方法来区分α、β粒子的脉冲信号，实现对待测水体中总α、总β的同时测量。

上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

最后，应该强调的是，为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它元素，本领域技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。

Claims (7)

1.用于水体总α、总β在线测量的叠层探测器，其特征在于：包括探测器主体、光导（4）和光电倍增管（5），所述光导（4）的一端连接探测器主体，另一端连接光电倍增管（5），所述探测器主体包括三层闪烁体，第一层为用于测量γ射线的第一塑料闪烁体（1），第二层为用于测量β射线的第二塑料闪烁体（2），第三层为用于测量α粒子的CsI(Tl)闪烁体（3），所述第一塑料闪烁体（1）叠加在第二塑料闪烁体（2）的顶面，所述CsI(Tl)闪烁体（3）直接耦合在第二塑料闪烁体（2）的底面，所述第一塑料闪烁体（1）厚度为2cm，所述第二塑料闪烁体（2）厚度为1cm，所述CsI(Tl)闪烁体（3）厚度为0.035mm。

2.根据权利要求1所述的用于水体总α、总β在线测量的叠层探测器，其特征在于：所述第一塑料闪烁体（1）和第二塑料闪烁体（2）均为正棱柱形，在所述第一塑料闪烁体（1）相对的两个尖角端各设置一个光导（4），在所述第二塑料闪烁体（2）相对的两个尖角端各设置一个光导（4）。

3.根据权利要求2所述的用于水体总α、总β在线测量的叠层探测器，其特征在于：所述正棱柱形的底面边数为大于三的偶数。

4.根据权利要求2所述的用于水体总α、总β在线测量的叠层探测器，其特征在于：所述光导（4）为V型结构，其内侧端与第一塑料闪烁体（1）、第二塑料闪烁体（2）的相对的两个尖角端部匹配并粘接，其外侧端与光电倍增管（5）耦合。

5.根据权利要求1所述的用于水体总α、总β在线测量的叠层探测器，其特征在于：在所述第一塑料闪烁体（1）和第二塑料闪烁体（2）中，除了前述两者与光导（4）接触的侧面部分和第二塑料闪烁体（2）的底面，其他侧面部分和第一塑料闪烁体（1）的顶面都设置有防止闪烁光泄露的反光层。

6.根据权利要求2-5任意一项所述的用于水体总α、总β在线测量的叠层探测器，其特征在于：所述光导（4）由有机玻璃制作而成。

7.用于水体总α、总β在线测量的方法，其特征在于：采用如权利要求1-6任意一项所述的用于水体总α、总β在线测量的叠层探测器对待测水体进行检测，第一塑料闪烁体（1）只测量γ射线，第二塑料闪烁体（2）测量β射线，CsI(Tl)闪烁体（3）测量α粒子，利用只有γ射线信号的第一塑料闪烁体（1）计数率来衡量第二塑料闪烁体（2）上记录的γ射线数量，降低本底的γ射线干扰，根据CsI(Tl)闪烁体（3）和第二塑料闪烁体（2）的闪烁光衰减时间差异并结合波形鉴别方法来区分α、β粒子的脉冲信号，实现对待测水体中总α、总β的同时测量。

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