CN114488256A - 一种新型多粒子射线辐射探测器 - Google Patents

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王谦
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Abstract

本发明提供了一种新型多粒子射线辐射探测器，适用于探测α粒子、β粒子，包括探测器主体，所述探测器主体材料包括低维类钙钛矿结构卤化物闪烁体，所述探测器主体将入射的高能信号转换为光脉冲信号。本发明具有高集成度、高探测效率、高分辨能力的优点，可用于放射性表面污染仪等粒子甄别应用领域。

Description

一种新型多粒子射线辐射探测器
技术领域
本发明涉及核辐射探测领域，具体地说，涉及一种放射性表面污染测量装置，尤其涉及一种基于低维类钙钛矿闪烁体的多粒子/射线辐射探测器。
背景技术
在辐射防护领域，电离辐射是指在生物物质中产生离子对的辐射。电离辐射根据组成的粒子本质不同，可分为α粒子、β粒子、γ射线、X射线和中子等。在放射性核素的应用与研究场所，存在着放射性污染的可能性，如反应堆、对撞机、加速器、核聚变装置等核反应装置，也可以是用于医学诊断和治疗的X射线机等医用设备。因此，要对潜在的放射性污染区域进行检测，以避免工作人员以及群众受到不必要的辐射伤害。α粒子和β粒子是放射性污染检测中的重要检测对象，它们虽然穿透能力弱，射程短，但是具有较强的电离能力，误入体内时，对人体健康的威胁性极强。
目前，在表面污染检测领域，对α和β两种粒子的测试主要有以下两种方式，第一种是α/β分开测试，第二种是α/β同时测试，其中第二种方式是目前较为优选的方式，此种方式主要是根据α和β分别在不同闪烁体中产生的信号大小不同来辨别α和β，即根据脉冲幅度的不同来区分α和β。目前主要的商用α/β污染仪采用ZnS(Ag)和塑料闪烁体构成的叠层闪烁体探测器与光电倍增管耦合，对α粒子和β粒子进行同时探测。ZnS(Ag)对可以探测α粒子，但对γ射线、β粒子、中子等不敏感，β粒子可穿透ZnS(Ag)镀层到达塑料闪烁体被吸收。复合闪烁体放出的光子被光电倍增管转换为电流脉冲信号，电流信号可被脉冲甄别模块处理，达到同时测量α粒子和β粒子的目的。但是ZnS(Ag)和塑料闪烁体的发光效率均不高，测试需要较长的时间。且ZnS(Ag)闪烁体的能量分辨率较差，进而影响了对辐射的探测效率和能量甄别。为了获得高集成度、高探测效率、高分辨优值和能量甄别能力的α/β甄别探测器，一个途径是使用更高光产额和能量分辨率的闪烁体，利用闪烁体对不同辐射电离的响应不同的特性实现粒子甄别。这就要求闪烁体具有高的发光效率和对不同粒子电离的甄别能力。
然而，大多数高光产额闪烁体在空气中易潮解，需要封装之后才能使用，而α粒子的穿透性较差，封装后的闪烁体难以实现高效的吸收和探测。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种新型多粒子射线辐射探测器，实现了快速、高效率、高粒子分辨能力。
根据本发明，提供了一种新型多粒子射线辐射探测器，适用于探测α粒子、β粒子，包括探测器主体，所述探测器主体材料包括低维类钙钛矿结构卤化物闪烁体，所述探测器主体将入射的高能信号转换为光脉冲信号。
优选的：还包括光电转换模块，所述光电转换模块与所述探测器主体相连，所述探测器主体将转换的光脉冲信号传输至所述光电转换模块，所述光电转换模块将光脉冲信号转换为电子脉冲信号。
优选的：所述光电转换模块与探测器主体之间还设有耦合介质，所述光电转换模块与所述探测器主体通过耦合介质相连。
优选的：所述光电转换模块为硅基探测器。
优选的：还包括脉冲甄别模块，所述脉冲甄别模块与光电转换模块相连，所述光电转换模块将转换的电子脉冲信号传输至所述脉冲甄别模块，所述脉冲甄别模块识别处理所述电子脉冲信号。
优选的：所述探测器主体材料为零维类钙钛矿结构卤化物闪烁体。
优选的：所述探测器主体材料为(A1-xA'x)3B2X5，其中：A选自Na、K、Rb、Cs中的一种或多种的混合，A'选自In和/或Tl，B选自Cu、Ag、Au中的一种或多种的混合，X选自F、Cl、Br、I中的一种或多种的混合，且0≤x≤0.05。
优选的：所述探测器主体材料为(Cs1-xTlx)3Cu2I5。
优选的：用于探测γ射线、X射线、中子。
优选的：用于核素分辨、辐射剂量检测。
本发明的一种新型多粒子射线辐射探测器，实现了快速、高效率、高粒子分辨能力，具有结构简单、低成本、高稳定性等优点，且能进一步扩展到中子、伽马射线等探测和核素分辨，可以应用在疾病控制中心、放射性工作场所、实验室、医院、同位素生产厂房等场合。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1是本发明的实施例新型多粒子射线辐射探测器的结构示意图；
图2是本发明的实施例1新型多粒子射线辐射探测器在α和β粒子辐照下的闪烁脉冲曲线，探测器在不同辐照下的脉冲形状明显不同；
图3是本发明的实施例1新型多粒子射线辐射探测器在α和β粒子辐照下分辨PSD图，在75ns的时间窗口下具有约2.65的分辨优值；
图4是本发明的实施例2新型多粒子射线辐射探测器在α和β粒子辐照下的闪烁脉冲曲线，探测器在不同辐照下的脉冲形状明显不同；
图5是本发明的实施例2新型多粒子射线辐射探测器在α和β粒子辐照下分辨PSD图，在150-300ns的时间窗口下具有约1.65的分辨优值。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式。相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。
如图1中所示，在本发明的实施例中，提供了一种新型多粒子射线辐射探测器，包括外壳5、探测器主体1、反射层2，耦合介质3、光电转换器4、读出电路6、高压模块7、能谱分析模块8以及脉冲形状甄别模块9。
探测器主体1、反射层2，耦合介质3、光电转换器4、读出电路6设于外壳5内。
探测器主体1，可将电离辐射入射形成的高能信号转换为低能的光脉冲信号。探测器主体1与光电转换器4相连，其间用高透过率的导光耦合介质3耦合相连，探测器主体1与外壳5接触区域分布有反光材料形成的反射层2，以更好的识别电离辐射。
光电转换器4，将探测器主体1发出的光脉冲信号转换为电子脉冲信号。
优选地，光电转换器4选用高量子效率的硅基探测器。
读出电路6与光电转换器4相连。
读出电路6同时与高压模块7、能谱分析模块8以及脉冲形状甄别模块9相连。
脉冲甄别模块9，可基于脉冲形状甄别原理，将光电转换器4输出的电脉冲信号进行处理，区分不同种类的入射高能粒子，实现多粒子/射线探测。
此外，还可以根据实际需求可增加相应模块。
如图1中所示，在本发明的实施例中，优选主体材料为零维类钙钛矿结构卤化物闪烁体。并优选中心离子为铜元素，材料通式优选为(A1-xA'x)3B2X5，其中：A选自Na、K、Rb、Cs中的一种或多种的混合，A'选自In和/或Tl，B选自Cu、Ag、Au中的一种或多种的混合，X选自F、Cl、Br、I中的一种或多种的混合，且0≤x≤0.05。
进一步优选的，探测器主体材料为(Cs1-xTlx)3Cu2I5。
并优选主体的闪烁体的形态包括单晶、多晶陶瓷、微晶薄膜、晶体复合材料等，优选为单晶材料。
在本发明的实施例中，优选本发明实施例的一种新型多粒子射线辐射探测器用于探测α粒子、β粒子，用于α/β表面污染仪等放射性表面污染测量装置。进一步的，优选用于X射线、γ射线、中子测试和核素分辨，辐射剂量检测等功能。
本发明通过理论结合不断的试验尝试，金属卤化物钙钛矿结构闪烁材料中的铜基低维钙钛矿，表现出了高光输出、高能量分辨率和空气稳定性，尤其是零维结构铜基卤化物闪烁晶体。这类材料具有非潮解、高探测效率、强粒子甄别能力，且本发明的材料能够同时的有效地甄别alpha和beta粒子或者中子，以及X射线和伽马射线，利用一种材料即可实现多种粒子的有效甄别，提升的效果是集成度更高、探测效率更高。
此外，本发明实施例的一种新型多粒子射线辐射探测器可以是固定的大中型测试装置，也可以是手持式的便携设备。作为小型手持设备时，还包括移动电源、声光报警器、数显模块等结构。
本发明实施例的一种新型多粒子射线辐射探测器，结构简单，低成本，具有优异的化学稳定性，可根据需求制备成不同形状的探头，还具备快速测试和高探测效率的优势。
下面以具体的实施例描述本发明：
实施例1
如图1、2、3中所示，一种新型多粒子射线辐射探测器包括外壳5、探测器主体1、反射层2，耦合介质3、光电转换器4、读出电路6、高压模块7、能谱分析模块8以及脉冲形状甄别模块9。
探测器主体1材料为低维钙钛矿单晶，化学式：(Cs0.99Tl0.01)3Cu2I5，即以(A1-xA'x)3B2X5为通式，其中：A＝Cs、A'＝Tl、B＝Cu、X＝I、且x＝0.01。
使用PMT作为光电转换器4将闪烁脉冲转换为电脉冲。单晶主体与光电转换器4之间用硅油耦合，整体除窗口外被反射层2包覆。
整套测试设备为固定装置，可以单独探测α粒子、β粒子、γ射线、X射线、中子等，并能通过能谱分析获得相应的核素信息；也可以进行粒子甄别测试，输出的信号通过脉冲形状甄别模块进行甄别，通过选择不同时间窗口，得到相应的辐照信息。
实施例2
如图1、4、5中所示，一种新型多粒子射线辐射探测器，为手持式的小型低维钙钛矿用作粒子甄别探测器主体的α/β污染仪，包括外壳5、探测器主体1、反射层2，耦合介质3、光电转换器4、读出电路6、高压模块7、能谱分析模块8以及脉冲形状甄别模块9，可以固定或者移动使用并直接或间接检测表面α/β污染(擦拭测试样品)。
探测器主体1材料为低维钙钛矿单晶，化学式：(Cs0.99Tl0.01)3Cu2I5，即以(A1-xA'x)3B2X5为通式，其中：A＝Cs、A'＝Tl、B＝Cu、X＝I、且x＝0.01。
使用光电转换器4将闪烁脉冲转换为电脉冲。
单晶主体与光电转换器4之间用导光介质耦合，以上的整体(除窗口外)与外壳之间用反射涂层覆盖。
输出的信号通过脉冲甄别电路进行识别。
除以上基础架构外，作为手持式的α/β污染仪，还应包含移动电源、声光报警器、数显模块、信息存储模块等部件。
实施例3
如图1中所示，一种新型多粒子射线辐射探测器，为手持式的小型低维钙钛矿用作粒子甄别探测器主体的α/β污染仪，包括外壳5、探测器主体1、反射层2，耦合介质3、光电转换器4、读出电路6、高压模块7、能谱分析模块8以及脉冲形状甄别模块9，可以固定或者移动使用并直接或间接检测表面α/β污染(擦拭测试样品)。
探测器主体1材料为低维钙钛矿单晶，具有化学式：Cs3Cu2I5，即以(A1-xA'x)3B2X5为通式，其中：A＝Cs、B＝Cu、X＝I、且x＝0。
使用光电转换器4将闪烁脉冲转换为电脉冲。
单晶主体与光电转换器4之间用导光胶耦合，以上的整体(除窗口外)与外壳之间用反射涂层覆盖。
输出的信号通过脉冲甄别电路进行识别。
除以上基础架构外，作为手持式的α/β污染仪，还应包含移动电源、声光报警器、数显模块、信息存储模块等部件。
综上，本发明的实施例的新型多粒子射线辐射探测器，结构简单，低成本，具有优异的化学稳定性。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种新型多粒子射线辐射探测器，其特征在于，适用于探测α粒子、β粒子，包括探测器主体，所述探测器主体材料包括低维类钙钛矿结构卤化物闪烁体，所述探测器主体将入射的高能信号转换为光脉冲信号。
2.根据权利要求1所述的新型多粒子射线辐射探测器，其特征在于：还包括光电转换模块，所述光电转换模块与所述探测器主体相连，所述探测器主体将转换的光脉冲信号传输至所述光电转换模块，所述光电转换模块将光脉冲信号转换为电子脉冲信号。
3.根据权利要求2所述的新型多粒子射线辐射探测器，其特征在于：所述光电转换模块与探测器主体之间还设有耦合介质，所述光电转换模块与所述探测器主体通过耦合介质相连。
4.根据权利要求2所述的新型多粒子射线辐射探测器，其特征在于：所述光电转换模块为硅基探测器。
5.根据权利要求2所述的新型多粒子射线辐射探测器，其特征在于：还包括脉冲甄别模块，所述脉冲甄别模块与光电转换模块相连，所述光电转换模块将转换的电子脉冲信号传输至所述脉冲甄别模块，所述脉冲甄别模块识别处理所述电子脉冲信号。
6.根据权利要求1所述的新型多粒子射线辐射探测器，其特征在于：所述探测器主体材料为零维类钙钛矿结构卤化物闪烁体。
7.根据权利要求6所述的新型多粒子射线辐射探测器，其特征在于：所述探测器主体材料为(A1-xA'x)3B2X5，其中：A选自Na、K、Rb、Cs中的一种或多种的混合，A'选自In和/或Tl，B选自Cu、Ag、Au中的一种或多种的混合，X选自F、Cl、Br、I中的一种或多种的混合，且0≤x≤0.05。
8.根据权利要求7所述的新型多粒子射线辐射探测器，其特征在于：所述探测器主体材料为(Cs1-xTlx)3Cu2I5。
9.根据权利要求1所述的新型多粒子射线辐射探测器，其特征在于：用于探测γ射线、X射线、中子。
10.根据权利要求1所述的新型多粒子射线辐射探测器，其特征在于：用于核素分辨、辐射剂量检测。
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