CN113433581B - 一种低本底的α、β射线探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低本底的α、β射线探测装置，涉及探测装置技术领域，包括第一射线探测器和第二射线探测器，第一射线探测器的入射窗口上用于放置样品，且第一射线探测器能够探测到样品中的α射线和β射线的径迹，第一射线探测器与第二射线探测器在竖直方向上堆叠设置，且第一射线探测器与样品在竖直方向上堆叠设置。该低本底的α、β射线探测装置能够将样品的α、β射线与环境放射性以及宇宙线本底进行区分，同时实现设备轻量化。
Description
技术领域
本发明涉及探测装置技术领域，具体是涉及一种低本底的α、β射线探测装置。
背景技术
在核能应用、医疗防控、环境保护及食品安全检测等多个领域，α、β射线的放射性测量都有着广泛的应用需求。多数应用场合中，需要测量的都是具有弱放射性的样品，为了提高测量的灵敏度，此类仪器的核心诉求就是要实现对α、β射线的低本底测量。为此不仅要求仪器自身的材料具有很低的放射性水平，还要求尽可能排除周围环境的放射性和宇宙射线本底的影响；与此同时，也希望仪器能够很好地实现α、β信号的区分，尽量减少二者计数道的相互干扰。
根据所用的核心探测器的类型来分，目前成熟的α、β射线的低本底测量仪主要有正比计数器、闪烁体型和半导体型三类。然而这三类仪器的共同特点就是仅仅依赖于单路或少量的几路主探测器信号的幅度(电荷)来实现粒子的沉积能量的测量，所能获得的物理信息有限，不仅无法实现目标信号与环境放射性本底(包括宇宙射线)的区分，也容易导致α、β射线计数道的干扰。因此需要设计额外的反符合探测器来排除宇宙线本底，并采用大量的低放射性铅作为屏蔽材料来实现对环境本底的屏蔽，不仅使仪器变得更复杂，也极大增加了其体积和重量，同时因为低放射性铅的稀缺性和昂贵的价格，制约了仪器的大规模制造和应用。
目前学术界也探索了采用其它类型的具有α、β射线测量能力的探测器。主要包括：采用气体电子倍增器(GEM)探测器来实现位置灵敏的α射线表面污染测量；或是采用气体时间投影室(TPC)探测器来实现α射线、β射线的能量和三维径迹探测。这些方法虽然能够实现很好的α、β射线的区分，但在排除环境放射性和宇宙线本底方面，并没有提出好的解决方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种低本底的α、β射线探测装置，以解决上述现有技术存在的问题，能够将样品的α、β射线与环境放射性以及宇宙线本底进行区分，同时实现设备轻量化。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种低本底的α、β射线探测装置，包括第一射线探测器和第二射线探测器，所述第一射线探测器的入射窗口上用于放置样品，且所述第一射线探测器能够探测到样品中的α射线和β射线的径迹，所述第一射线探测器与所述第二射线探测器在竖直方向上堆叠设置，且所述第一射线探测器与样品在竖直方向上堆叠设置。
优选地，所述第一射线探测器和所述第二射线探测器的结构相同，且均包括外壳、电场产生元件、多个光电探测器和位置灵敏探测器；所述外壳的上端面开设有所述入射窗口，且所述入射窗口用于支撑样品，并供样品中的α射线和β射线穿过，所述外壳内形成测试腔体，所述电场产生元件位于所述测试腔体内，且所述电场产生元件内部与所述测试腔体连通，所述电场产生元件内用于形成均匀漂移电场；各所述光电探测器分别固定在所述外壳的内侧壁上，且所述光电探测器位于所述电场产生元件的外侧壁与所述外壳的内侧壁之间，样品在所述测试腔体内产生的荧光能够穿过所述电场产生元件的镂空部分并被所述光电探测器探测，所述光电探测器用于测量样品中粒子入射的时间零点；所述位置灵敏探测器位于所述外壳上的内底面上，且与所述入射窗口相对，所述位置灵敏探测器用于测量样品中粒子电离信号到达所述位置灵敏探测器平面的时间、位置和幅度。
优选地，所述第二射线探测器位于所述第一射线探测器上方，所述第一射线探测器的所述入射窗口靠近所述第二射线探测器的入射窗口设置，且所述第一射线探测器的所述入射窗口与所述第二射线探测器的所述入射窗口之间用于放置样品。
优选地，所述外壳为封闭式壳体。
优选地，所述外壳的侧壁上开设有通孔，所述通孔能够连通所述外壳内腔与外界，并用于气体流通。
优选地，所述位置灵敏探测器包括信号读出板、基板、阻性电极和放大器，所述信号读出板包括金属读出电极和基底薄膜，所述金属读出电极固定在所述基底薄膜表面，且所述金属读出电极上远离所述基底薄膜的一侧包覆有绝缘层，所述基底薄膜与所述基板之间粘接固定，所述绝缘层上远离所述金属读出电极的一端与所述阻性电极固定连接，且所述阻性电极用于电连接阳极电位，所述放大器固定在所述阻性电极上远离所述绝缘层的一端，并与所述金属读出电极电连接，所述放大器用于放大电离信号，所述金属读出电极用于读出放大后的电离信号。
优选地，所述外壳为金属材料制成，且所述外壳的壁厚为1～10cm。
优选地，所述外壳在对应所述入射窗口的位置开设有安装口，所述入射窗口包括依次叠放且固定连接的支撑网、有机薄膜和阴极薄膜，且所述阴极薄膜靠近所述位置灵敏探测器设置，所述支撑网的外周固定在所述安装口的内壁上，且所述支撑网用于支撑样品，所述有机薄膜用于对所述外壳密封，且所述有机薄膜能够使得α射线和β射线穿过，所述阴极薄膜用于作为所述位置灵敏探测器的阴极。
优选地，所述有机薄膜厚度为2～10微米，且所述有机薄膜为聚酯薄膜或聚酰亚胺材料制成，所述阴极薄膜为铝制镀层，厚度小于500纳米。
优选地，所述电场产生元件为镂空印制线路板或串联有加分压电阻的导电线圈，所述光电探测器为硅光电倍增管或雪崩光电二极管。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供的低本底的α、β射线探测装置，第一射线探测器的入射窗口上用于放置样品，且第一射线探测器能够探测到样品中的α射线和β射线，且第一射线探测器的入射窗口处即为样品中α、β射线的起点，结合样品中α射线、β射线的入射方向和第一射线探测器和第二射线探测器的相对位置，使得样品中的α射线和β射线仅能通过第一射线探测器的入射窗口进入第一射线探测器内部，且无法穿过第一射线探测器的其他侧壁；第一射线探测器与第二射线探测器沿竖直方向堆叠设置，且第一射线探测器与样品在竖直方向上堆叠设置，进而使得宇宙线本底既能够穿入第一射线探测器，又能穿入第二射线探测器，第一射线探测器和第二射线探测器内均能够探测到宇宙线本底，因此第一射线探测器内既有样品中α、β射线，也有宇宙线本底，而第二射线探测器内只有宇宙线本底，通过对比第一射线探测器、第二射线探测器内的射线径迹，从而将样品中α、β射线和宇宙线本底进行有效区分，通过比对第一射线探测器和第二射线探测器，在不需要对环境本底进行屏蔽的情况下即可对宇宙线本底和样品中的α射线和β射线进行很好的区分，进而得到样品中α、β射线，可以在极大程度上减少(或避免)使用成本高昂的低放射性铅屏蔽材料，也避免采用额外的宇宙线反符合探测器，降低成本、减小体积和重量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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是本发明提供的低本底的α、β射线探测装置中第一射线探测器(或第二射线探测器)的结构示意图；
图2是实施例一提供的低本底的α、β射线探测装置使用过程中的示意图；
图3是实施例二提供的低本底的α、β射线探测装置使用过程中的示意图；
图中：100-低本底的α、β射线探测装置，10-第一射线探测器，20-第二射线探测器，30-样品，40-β本底，50-宇宙线本底，60-样品中的α射线，70-样品中的β射线，1-外壳，2-入射窗口，21-支撑网，3-电场产生元件，4-光电探测器，5-位置灵敏探测器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种低本底的α、β射线探测装置，以解决现有低本底的α、β射线探测装置体积大、重量大，且无法对环境本底和样品射线进行有效区分的技术问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1-图2所示，本实施例提供一种低本底的α、β射线探测装置100，包括第一射线探测器10和第二射线探测器20，第一射线探测器10的入射窗口2上用于放置样品30，从而便于样品中的α射线60和样品中的β射线70能够进入第一射线探测器10内，并被第一射线探测器10探测，且第一射线探测器10的入射窗口2处即为样品中的α射线60和样品中的β射线70的起点，结合样品中筛网α射线60和样品中的β射线70的入射方向和第一射线探测器10和第二射线探测器20的相对位置，使得样品中的α射线60和样品中的β射线仅能通过第一射线探测器10的入射窗口2进入第一射线探测器10内部，且无法穿过第一射线探测器10的其他侧壁，因此无法到达第二射线探测器20内，同时第一射线探测器10和第二射线探测器20内均能够探测到宇宙线本底50和环境本底中的β本底40，第一射线探测器10与第二射线探测器20沿竖直方向并排设置，且第一射线探测器10和第二射线探测器20的排列方向与第一射线探测器10与样品30的排列方向相同，进而使得宇宙线本底50和β本底40既能够穿入第一射线探测器10，又能穿入第二射线探测器20，因此第一射线探测器10内既有样品中的α射线60和样品中的β射线70，而第二射线探测器20内只有宇宙线本底50，从而将样品中的α射线60、样品中的β射线70和宇宙线本底50进行有效区分，通过比对第一射线探测器10和第二射线探测器20内的射线径迹，在不需要对环境本底进行屏蔽的情况下即可对宇宙线本底50和样品中的α射线60和样品中的β射线70进行很好的区分，进而得到样品中的α射线60和样品中的β射线70，且能够实现对样品中的α射线60和样品中的β射线70出射点的定位，从而可以获知样品30上的α、β放射性污染的二维分布图像，最终得到样品30的污染区域，可以在极大程度上减少(或避免)使用成本高昂的低放射性铅屏蔽材料，也避免采用额外的宇宙线反符合探测器，降低成本、减小体积和重量。
具体地，第一射线探测器10和第二射线探测器20的结构相同，均为气体时间投影室，利用粒子径迹产生电离电子的漂移时间和漂移方向的投影位置确定径迹三维坐标，且均包括外壳1、电场产生元件3、多个光电探测器4和位置灵敏探测器5；外壳1的上端面开设有入射窗口2，且入射窗口2用于支撑样品30，既防止样品30压坏外壳1，又能够保证样品中的α射线60和样品中的β射线70能够穿过入射窗口2并到达外壳1内，外壳1内形成测试腔体，供样品30中的粒子电离，电场产生元件3位于测试腔体内，且电场产生元件3内部与测试腔体连通，电场产生元件3内用于形成均匀漂移电场，以保证对样品30中粒子的电离，以对其进行探测；各光电探测器4分别固定在外壳1的内侧壁上，且光电探测器4位于电场产生元件3的外侧壁与外壳1的内侧壁之间，样品30在测试腔体内激发工作气体产生的荧光能够穿过电场产生元件3的镂空部分并被光电探测器4探测，光电探测器4用于测量样品30中粒子入射的时间零点，并结合给定的径迹漂移速度读出电离电子的到达时间和两维位置，更优的，光电探测器4还可配合光学聚焦镜，以提高光收集能力；位置灵敏探测器5位于外壳1上的内底面上，且与入射窗口2相对，位置灵敏探测器5作为读出平面，用于测量样品30中粒子电离信号到达位置灵敏探测器5平面的时间、位置和幅度，然后结合时间零点测量，实现径迹测量和能量测量，确定粒子绝对径迹信息，排除非样品30方向的放射性本底，以获得绝对的三维径迹以及带电粒子在单位路径的能量损失(dE/dx)信息。
第二射线探测器20位于第一射线探测器10上方，第一射线探测器10的入射窗口2靠近第二射线探测器20的入射窗口2设置，且第一射线探测器10的入射窗口2与第二射线探测器20的入射窗口2之间用于放置样品30，从而使得宇宙线本底50经第二射线探测器20上靠近位置灵敏探测器5的一端进入第二射线探测器20的测试腔体内，并依次经第二射线探测器20的入射窗口2、第一射线探测器10的入射窗口2进入第一射线探测器10的测试腔体内，而样品30中的α、β射线通过第一射线探测器的入射窗口2投入至第一射线探测器的测试腔体内，通过观察各射线的初始位置，即可判断是环境本底还是样品30中的射线，并且不同电荷粒子(如α粒子带两个正电荷、β粒子带一个正电荷)dE/dx、总能量沉积大小(通过位置灵敏探测器5测得)及起始位置(通过光电探测器4测得初始位置，结合电离产生的电子的漂移速度得到)等差别显著，因此可以借助不同电荷粒子的dE/dx、总能量沉积大小和起始位置轻易区分α、β粒子，排除环境γ本底，同时由于α射线和β射线的径迹粗细以及疏密程度不一致，可直接区分出α射线和β射线，实现4π立体角全覆盖自屏蔽效果，从而对样品30进行污染检测，并能够给出污染区域精确分布及能谱等信息。
外壳1为封闭式壳体，从而便于根据实际需要开展闭气工作模式。
外壳1的侧壁上开设有通孔，通孔能够连通外壳1内腔与外界，并用于气体流通，从而便于根据实际需要开展流气工作模式。
位置灵敏探测器5包括信号读出板、基板、阻性电极和放大器，信号读出板包括金属读出电极和基底薄膜，金属读出电极固定在基底薄膜表面，且金属读出电极上远离基底薄膜的一侧包覆有绝缘层，绝缘层为低放射性的本底材料，用于隔离金属读出电极与阻性电极，避免读出电路受到影响，基底薄膜与基板之间固定一胶涂层，胶涂层用于将基底薄膜固定在基板上，更优的，胶涂层为薄层环氧树脂胶，且经过放射性本底筛选，利用平板压机对基底和信号读出板压合，能够确保尽可能低的胶量，避免影响测量，胶涂层固化后，利用高目数砂纸研磨信号读出板表面，通过表面研磨抛光，降低因读出电路缝隙造成的表面高度差，表面粗糙度降到0.5微米以下，绝缘层上远离金属读出电极的一端与阻性电极固定连接，且阻性电极用于电连接阳极电位，从而能够对样品30粒子进行电离，放大器固定在阻性电极上远离绝缘层的一端，并与金属读出电极电连接，放大器用于放大电离信号，金属读出电极用于读出放大后的电离信号，以避免信号太弱，影响探测。
外壳1为金属材料制成，更优的，外壳1为低放射性的高纯金属材料(如无氧铜)或经过提纯的有机材料等支撑，且外壳1的壁厚为1～10cm。
外壳1在对应入射窗口2的位置开设有安装口，入射窗口2包括依次叠放且固定连接的支撑网21、有机薄膜和阴极薄膜，且阴极薄膜靠近位置灵敏探测器5设置，支撑网21的外周固定在安装口的内壁上，且支撑网21用于支撑样品30，更优的，支撑网21为具有一定张力的网格型支撑结构，其光学透过率不低于60％，有机薄膜用于对外壳1密封，且有机薄膜能够使得α射线和β射线穿过，阴极薄膜为用于作为位置灵敏探测器5的阴极。
有机薄膜厚度为2～10微米，且有机薄膜为聚酯薄膜或聚酰亚胺材料制成，阴极薄膜为铝制镀层，厚度小于500纳米，但本实施例提供的低本底的α、β射线探测装置100中阴极薄膜的材质不限于铝，只要是原子序数较低材料的金属薄膜或导电化合物，能够作为位置灵敏探测器5的漂移阴极即可。
电场产生元件3为场笼，且为镂空印制线路板制成，更优的，电场产生元件3也可采用导电线圈加分压电阻串联等方式，以在入射窗口2到位置灵敏探测器5之间形成均匀漂移电场，电场产生元件3的镂空部分可让待测粒子在漂移区能损过程中产生的荧光透过，光电探测器4为硅光电倍增管，光电探测器4还可采用硅光电倍增管(SiPM)、雪崩光电二极管(APD)或光电倍增管探测器(PMT)等，还可为其配上光学聚焦镜(如菲涅尔透镜、树脂凸透镜、反射透镜等)以提高光收集能力，更优的，位置灵敏探测器5还可选用微网格气体探测器(Micromegas)，气体电子倍增器(GEM)、厚型气体电子倍增探测器(THGEM)等，采用低放射性本底、高位置分辨位置作为粒子电离信号收集和倍增探测器。
实施例二
本实施例与实施例一的区别在于：如图3所示，第一射线探测器10也可位于第二射线探测器20上方，且第一射线探测器10的入射窗口2朝上，第二射线探测器20的入射窗口2朝下，即第一射线探测器10的位置灵敏传感器和第二射线探测器20的位置灵敏传感器相互靠近，环境本底依次穿过第一射线探测器10和第二射线探测器20，样品中的α射线60和样品中的β射线70无法到达第二射线探测器20，因此也实现了对环境本底和样品中的α射线60和样品中的β射线70的区分。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种低本底的α、β射线探测装置，其特征在于：包括第一射线探测器和第二射线探测器，所述第一射线探测器的入射窗口上用于放置样品，且所述第一射线探测器能够探测到样品中的α射线和β射线的径迹，所述第一射线探测器与所述第二射线探测器在竖直方向上堆叠设置，且所述第一射线探测器与样品在竖直方向上堆叠设置；
所述第一射线探测器和所述第二射线探测器的结构相同，且均包括外壳、电场产生元件、多个光电探测器和位置灵敏探测器；所述外壳的上端面开设有所述入射窗口，且所述入射窗口用于支撑样品，并供样品中的α射线和β射线穿过，所述外壳内形成测试腔体，所述电场产生元件位于所述测试腔体内，且所述电场产生元件内部与所述测试腔体连通，所述电场产生元件内用于形成均匀漂移电场；各所述光电探测器分别固定在所述外壳的内侧壁上，且所述光电探测器位于所述电场产生元件的外侧壁与所述外壳的内侧壁之间，样品在所述测试腔体内产生的荧光能够穿过所述电场产生元件的镂空部分并被所述光电探测器探测，所述光电探测器用于测量样品中粒子入射的时间零点；所述位置灵敏探测器位于所述外壳上的内底面上，且与所述入射窗口相对，所述位置灵敏探测器用于测量样品中粒子电离信号到达所述位置灵敏探测器平面的时间、位置和幅度。
2.根据权利要求1所述的低本底的α、β射线探测装置，其特征在于：所述第二射线探测器位于所述第一射线探测器上方，所述第一射线探测器的所述入射窗口靠近所述第二射线探测器的入射窗口设置，且所述第一射线探测器的所述入射窗口与所述第二射线探测器的所述入射窗口之间用于放置样品。
3.根据权利要求1所述的低本底的α、β射线探测装置，其特征在于：所述外壳为封闭式壳体。
4.根据权利要求1所述的低本底的α、β射线探测装置，其特征在于：所述外壳的侧壁上开设有通孔，所述通孔能够连通所述外壳内腔与外界，并用于气体流通。
5.根据权利要求1所述的低本底的α、β射线探测装置，其特征在于：所述位置灵敏探测器包括信号读出板、基板、阻性电极和放大器，所述信号读出板包括金属读出电极和基底薄膜，所述金属读出电极固定在所述基底薄膜表面，且所述金属读出电极上远离所述基底薄膜的一侧包覆有绝缘层，所述基底薄膜与所述基板之间粘接固定，所述绝缘层上远离所述金属读出电极的一端与所述阻性电极固定连接，且所述阻性电极用于电连接阳极电位，所述放大器固定在所述阻性电极上远离所述绝缘层的一端，并与所述金属读出电极电连接，所述放大器用于放大电离信号，所述金属读出电极用于读出放大后的电离信号。
6.根据权利要求1所述的低本底的α、β射线探测装置，其特征在于：所述外壳为金属材料制成，且所述外壳的壁厚为1～10cm。
7.根据权利要求1所述的低本底的α、β射线探测装置，其特征在于：所述外壳在对应所述入射窗口的位置开设有安装口，所述入射窗口包括依次叠放且固定连接的支撑网、有机薄膜和阴极薄膜，且所述阴极薄膜靠近所述位置灵敏探测器设置，所述支撑网的外周固定在所述安装口的内壁上，且所述支撑网用于支撑样品，所述有机薄膜用于对所述外壳密封，且所述有机薄膜能够使得α射线和β射线穿过，所述阴极薄膜用于作为所述位置灵敏探测器的阴极。
8.根据权利要求7所述的低本底的α、β射线探测装置，其特征在于：所述有机薄膜厚度为2～10微米，所述有机薄膜为聚酯薄膜或聚酰亚胺材料制成，所述阴极薄膜为铝制镀层，厚度小于500纳米。
9.根据权利要求1所述的低本底的α、β射线探测装置，其特征在于：所述电场产生元件为镂空印制线路板或串联有分压电阻的导电线圈，所述光电探测器为硅光电倍增管或雪崩光电二极管。
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