CN115453608A - 一种嵌入闪烁材料的耦合增强型X/γ射线光纤探测器 - Google Patents
一种嵌入闪烁材料的耦合增强型X/γ射线光纤探测器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种嵌入闪烁材料的耦合增强型X/γ射线光纤探测器，涉及核辐射检测领域，解决了闪烁光耦合进光纤效率低和测量角度依赖性问题。耦合增强型X/γ射线光纤探测器的探头是在聚合物光纤的一端微加工出小孔，先在小孔底面和侧壁上镀一层抗反射介质膜，然后在孔内灌装或填充闪烁材料，最后给光纤的这个端面再镀一层高反射涂层并使用纳米石墨烯掺杂的环氧树脂胶进行隔光封装。本发明设计的光纤探测器中的抗反射介质膜可以显著降低入射面的杂散光，高反射涂层可以高效反射非传导方向的闪烁光，且隔光封装材料可以完全隔绝外界杂散自然光。这都极大的增强了材料闪烁光耦合进光纤的效率，避免了相关干扰因素，提高了X/γ射线探测器的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及X/γ射线探测技术领域，尤其涉及一种嵌入闪烁材料的耦合增强型X/γ射线光纤探测器。
背景技术
随着社会的发展与进步，核能是可利用的最有效率的清洁能源之一，而核设施能否安全运行，关乎国家经济与人民安全。因此，核设施周边环境的射线检测十分重要。对核辐射中X/γ射线的安全检测，不仅可以验证辐射屏蔽的设计是否满足要求，也可以保证仪器设备及人员不受大剂量辐射的影响。
核辐射探测器便是为了这些需求而出现的，它主要包括气体探测器、闪烁探测器和半导体探测器。其中闪烁探测器是利用电离辐射在某些物质中产生的闪烁光来探测电离辐射的，它也是目前应用最多、最广泛的电离辐射探测器之一。在1947年Coltman和Marshall成功使用光电倍增管（PMT）测量了辐射在闪烁体内产生的微弱荧光光子之后，现代闪烁探测器才开始了它的发展。随着光电倍增管等微光探测器件应用技术的进步以及各种层出不穷的新型闪烁材料，闪烁探测器得到了非常迅速的发展。
闪烁探测器主要由闪烁体、光电转换器件及相应的电子学系统组成，较为常见的类型是使用光电倍增管作为光电转换器件，使用普通光导连接闪烁体与光电倍增管的光阴极面。在最新的闪烁探测器研究与设计中，为了应对远距离辐射检测要求，人们提出了闪烁光纤的方案。它们通常都是通过掺杂工艺制作出对电离辐射敏感的光纤，但这种方案设计的探测器受掺杂材料性能影响，大多数探测器的灵敏度低、使用寿命短、存在重复性误差。另外，人们还提出了使用导光光纤搭载高性能闪烁体的方案来设计核辐射探测器，它们设计的这类闪烁探测器仍然使用常见的易潮解无机闪烁体，且在光纤端面微加工的位置没有考虑入射面处杂散光对激发闪烁光耦合效率的影响，并且对于光纤探头的遮光密封没有提出较好的方案，这些因素都严重影响了探测器的效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种嵌入闪烁材料的耦合增强型X/γ射线光纤探测器，以解决现有技术中存在的X/γ射线闪烁探测器不能远距离测量、灵敏度低和外界杂散光干扰的问题。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供的一种嵌入闪烁材料的耦合增强型X/γ射线光纤探测器，包括导光光纤、对X/γ射线敏感的闪烁材料、抗反射介质膜、高反射涂层和黑化遮光膜，所述导光光纤通过光纤连接器与光电倍增管的光阴极面连接，所述光电倍增管的光阴极面与光纤连接器之间使用完全隔光的黑化材料密封。
作为本发明的进一步改进，所述光纤探测器探头的制作过程是先在导光光纤一端微加工出小孔，并将抗反射介质膜镀在小孔底面和侧壁上，然后将闪烁材料填充或灌注在镀膜的孔内，最后使用黑化隔光材料以圆弧面形状包覆这个光纤端面。
作为本发明的进一步改进，所述导光光纤优先选用PMMA材料的阶跃折射率型聚合物光纤，可选用的还有石英光纤或PMMA渐变折射率光纤等，所述导光光纤的直径优选为1mm，可选用的还有0.5 mm或2 mm等。
作为本发明的进一步改进，所述微加工小孔优选形状为直径0.7 mm高度0.6 mm的圆柱体，但不限于该尺寸。
作为本发明的进一步改进，所述X/γ射线敏感的闪烁材料可选用无机闪烁材料、有机闪烁体或量子点发光材料，包括但不限于CsI（Tl）、NaI（Tl）、ZnS（Ag）和Gd2O2S:Tb等无机闪烁材料，ST401或BC422Q等有机闪烁体以及量子尺寸下的ZnS等量子点材料。
作为本发明的进一步改进，所述抗反射介质膜的厚度为闪烁材料典型闪烁光波长的1/4，并且抗反射介质膜的折射率为镀膜处分界面两侧介质折射率的几何平均值。
作为本发明的进一步改进，所述抗反射介质膜可以设置成多层膜来拓宽抗反射的频带宽度，其中优选的是三层膜，分界面上的底层膜厚度为闪烁材料典型闪烁光波长的1/4，中间层的膜厚度为闪烁材料典型闪烁光波长的1/2，最外层的膜厚度为闪烁材料典型闪烁光波长的1/4。
作为本发明的进一步改进，所述高反射涂层可以是原位生长而成的氧化铝薄板，也可以是在分界面上覆盖胶粘剂然后蘸取TiO2颗粒形成的光亮镜面。
作为本发明的进一步改进，所述高反射涂层还可以是较高折射率层与较低折射率层交错而成的分布式Bragg反射器，且每层厚度为闪烁材料典型闪烁光波长的1/4。
作为本发明的进一步改进，所述黑化隔光层的隔光密封过程是先将纳米石墨烯均匀掺杂在环氧树脂胶中，然后将其注入圆弧顶模具中，最后插入光纤对其端面灌封，其中纳米石墨烯与环氧树脂胶的内部悬浮掺杂体积比例为1：5，表面嵌入的面积掺杂比例需大于2：3。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
本发明提供的一种嵌入闪烁材料的耦合增强型X/γ射线光纤探测器，使用高灵敏闪烁材料或量子点荧光材料提高光产额以及减少荧光衰减时间，增加了闪烁探测器的灵敏度；在光纤微加工孔内镀上了抗反射介质膜和高反射涂层，不仅高效的反射了非传导方向的闪烁光，还显著提升了光线耦合进光纤的效率；使用了黑化隔光层封装探头，隔绝了外界自然光的干扰，并且隔光层的材料的设计制作保证了重离子的隔绝和伽马射线的弱阻挡，极大提升了弱源伽马射线剂量测量的能力；圆弧顶面的封装形状贴合光纤端面结构，保证了探测器的紧凑小尺寸特性，降低了探测器的角度依赖性问题。
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，下面将对实施例或现有技术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是耦合增强型X/γ射线光纤探测器的完整系统示意图
图2是探头结构放大示意图
图3是三层抗反射介质膜的探头结构放大示意图
图中1-光纤探头，2-导光光纤，3-光纤连接器，4-密封遮光壳，5-光电倍增管，6-闪烁材料，7-抗反射介质膜，8-高反射涂层，9-黑化隔光层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
实施例一
如图1和图2所示，在本实施例中，嵌入闪烁材料的耦合增强型X/γ射线光纤探测器包括微加工后的光纤探头1、导光光纤2、光纤连接器3、密封遮光壳4和光电倍增管5以及测量电路。光纤探头1为X/γ射线敏感端，在受到X/γ射线电离辐射后会激发闪烁材料6产生闪烁光，在导光光纤2的作用下可将闪烁光传输到光电倍增管5的光阴极面上，导光光纤2与光电倍增管5之间通过光纤连接器3相连。优选的光纤连接器3是ST光纤头，但不限于这种型号，光纤连接器3的母接头内嵌在密封遮光壳4上，公接头与导光光纤2相连。
需要说明的是密封遮光壳4是完全密封包覆在光电倍增管5的光阴极面之上，这是因为完全的遮光处理避免了外界自然光干扰，确保了探测器的精度与可重复性。
进一步的，光纤探头1包括导光光纤2、对X/γ射线敏感的闪烁材料6、抗反射介质膜7、高反射涂层8和黑化隔光层9。光纤探头1的制作过程是先在导光光纤2的一端微加工出小孔，并将抗反射介质膜7镀在小孔底面和侧壁上，然后将闪烁材料6填充或灌注在镀膜的孔内，并使用高反射涂层8覆盖闪烁材料6，最后使用黑化隔光层9封装这个光纤端面。
进一步的，导光光纤2优先选用PMMA材料的阶跃折射率型聚合物光纤，但不限于该种材料和类型，可选用的还有石英光纤或PMMA渐变折射率光纤等，导光光纤2的直径优选为1 mm，可选用的还有0.5 mm或2 mm等。
需要注意的是，选择直径大的PMMA塑料光纤作为导光光纤2将会使微加工和镀膜更为容易，但要考虑到导光光纤2对于闪烁光传导的能力，主要考虑的光纤性能参数包括传输频带以及传输损耗。
进一步的，微加工小孔优选形状为直径0.7 mm高度0.6 mm的圆柱体，但不限于该尺寸。
应当指出，所述小孔尺寸是专门针对芯径为1 mm的阶跃折射率型PMMA光纤，该光纤的纤芯直径为0.9 mm包层直径为1 mm。微加工的小孔相当于是在纤芯中制作了圆柱形小孔，这可以让抗反射介质膜7镀在小孔与纤芯的分界面上，提升闪烁光耦合进纤芯的效率。
所述X/γ射线敏感的闪烁材料6可选用无机闪烁材料、有机闪烁体或量子点发光材料，包括但不限于CsI（Tl）、NaI（Tl）、ZnS（Ag）和Gd2O2S:Tb等无机闪烁材料，ST401或BC422Q等有机闪烁体以及量子尺寸下的ZnS等量子点材料。
应当指出，传统无机闪烁材料大多存在易潮解、对自身闪烁光的透明性差等问题。较新颖的透明陶瓷以及部分有机闪烁体对自身的闪烁光有较好的透明性，并且表现出优异的闪烁性能。较为前沿的量子点材料是具有独特光学和电学性质的纳米尺寸半导体颗粒材料，它的光电性质由纳米尺度上颗粒的尺寸、形状和量子物理决定，相比于其它材料，量子点具有更宽的吸收带、更长的荧光寿命、更好的光稳定性和更好的发光带调制性。
进一步的，抗反射介质膜7的厚度为闪烁材料6典型闪烁光波长的1/4，并且抗反射介质膜7的折射率为镀膜处分界面两侧介质折射率的几何平均值。
进一步的，高反射涂层8可以是原位生长而成的氧化铝薄板，也可以是在分界面上覆盖胶粘剂然后蘸取TiO2颗粒形成的光亮镜面。
进一步的，高反射涂层8还可以是较高折射率层与较低折射率层交错而成的分布式Bragg反射器，且每层厚度为闪烁材料典型闪烁光波长的1/4。
值得一提的是，由于在薄膜两侧电磁波干涉的影响下，膜的透射率会明显高于或低于两介质间单条边界的透射率。所以光纤探头1里的抗反射介质膜7可以显著降低闪烁光耦合入纤芯时的界面反射，而高反射涂层8则可以高效反射非传导方向的闪烁光。
进一步的，黑化隔光层9的隔光封装过程是先将纳米石墨烯均匀掺杂在环氧树脂胶中，然后将其注入圆弧顶模具中，最后插入光纤，灌封其端面，其中纳米石墨烯与环氧树脂胶的内部悬浮掺杂体积比例为1：5，表面嵌入的面积掺杂比例需大于2：3。
需要说明的是，长期以来，光纤搭载闪烁体的辐射探测器存在着自然光干扰和角度依赖性的问题，本发明中探测器探头1最后使用黑化隔光层9以圆弧顶形状覆盖的目的一方面是避免自然光的干扰，另一方面就是保证各个角度入射的射线在端面封装材料中的能量沉积更一致，从而减弱探测器的角度依赖性。此外纳米石墨烯掺杂方案相较于传统铝板封装能极大减弱对弱源辐射的阻挡效果，提高了探测器弱源辐射检测的能力。掺杂方案的决策是来源于纳米石墨烯在树脂胶中光散射分析获得，这种方案可以以最少掺杂获得最高效的自然光隔绝效果。
本发明提供的一种嵌入闪烁材料的耦合增强型X/γ射线光纤探测器，在导光光纤2的一端微加工有圆柱形小孔并填充上高性能有机闪烁材料或者量子点发光材料，保证了光纤探头1的高光产额和低材料阻挡性。光纤探头1上的小孔在填充闪烁材料6的同时被镀上了适宜的抗反射介质膜7和高反射涂层8，增强了闪烁光耦合进光纤的效率，提高了探测器的灵敏度。光纤探头1还使用了黑化隔光层9封装，避免了外界自然光的干扰。
实施例二
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
如图3所示，本实施例中抗反射介质膜7被设置成多层膜，用以拓宽抗反射的频带宽度。其中优选的是三层膜，其中分界面上的底层膜厚度为闪烁材料6典型闪烁光波长的1/4，中间层的膜厚度为闪烁材料典型闪烁光波长的1/2，最外层的膜厚度为闪烁材料典型闪烁光波长的1/4。
值的一提的是，与实施例一中的单层抗反射介质膜相比，三层膜的设置给膜材料的选择带来了灵活性，因为多层膜中每层材料的折射率不再像单层介质膜的要求那样苛刻。它可以灵活的组合不同膜材料实现界面对于特定频段光的低反射率，例如在空气与石英光纤的分界面上，使用CeF3-ZrO2-MgF2三层介质膜可以实现在450nm-650nm波段内低于0.5%的反射率。
需要注意的是，在多层介质膜的材料选择过程中需要考虑到低反射率波段和闪烁材料释放的稳定闪烁光波长之间的匹配问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种嵌入闪烁材料的耦合增强型X/γ射线光纤探测器，其特征在于，包括导光光纤、对X/γ射线敏感的闪烁材料、抗反射介质膜、高反射涂层和黑化隔光层，所述导光光纤通过光纤连接器与光电倍增管的光阴极面连接，所述光电倍增管的光阴极面与光纤连接器之间使用完全隔光的黑化材料密封。
2.根据权利要求1所述的一种嵌入闪烁材料的耦合增强型X/γ射线光纤探测器，其特征在于，所述光纤探测器探头的制作过程是先在导光光纤一端微加工出小孔，并将抗反射介质膜镀在小孔底面和侧壁上，然后将闪烁材料填充或灌注在镀膜的孔内，最后使用黑化隔光材料以圆弧面形状包覆这个光纤端面。
3.根据权利要求1所述的一种嵌入闪烁材料的耦合增强型X/γ射线光纤探测器，其特征在于，所述导光光纤为PMMA材料的阶跃折射率型聚合物光纤、石英光纤或PMMA渐变折射率光纤，所述导光光纤的直径为1mm、0.5mm或2mm。
4.根据权利要求2所述的一种嵌入闪烁材料的耦合增强型X/γ射线光纤探测器，其特征在于，所述微加工小孔优选形状为直径0.7mm高度0.6mm的圆柱体。
5.根据权利要求1所述的一种嵌入闪烁材料的耦合增强型X/γ射线光纤探测器，其特征在于，所述X/γ射线敏感的闪烁材料可选用无机闪烁材料、有机闪烁体或量子点发光材料，无机闪烁材料为CsI（Tl）、NaI（Tl）、ZnS（Ag）或Gd2O2S:Tb，有机闪烁体为ST401或BC422Q，量子点发光材料为量子尺寸下的ZnS量子点材料。
6.根据权利要求2所述的一种嵌入闪烁材料的耦合增强型X/γ射线光纤探测器，其特征在于，所述抗反射介质膜的厚度为闪烁材料典型闪烁光波长的1/4，并且抗反射介质膜的折射率为镀膜处分界面两侧介质折射率的几何平均值。
7.根据权利要求6所述的一种嵌入闪烁材料的耦合增强型X/γ射线光纤探测器，其特征在于，所述抗反射介质膜设置成三层膜来拓宽抗反射的频带宽度，分界面上的底层膜厚度为闪烁材料典型闪烁光波长的1/4，中间层的膜厚度为闪烁材料典型闪烁光波长的1/2，最外层的膜厚度为闪烁材料典型闪烁光波长的1/4。
8.根据权利要求2所述的一种嵌入闪烁材料的耦合增强型X/γ射线光纤探测器，其特征在于，所述高反射涂层是原位生长而成的氧化铝薄板，或者是在分界面上覆盖胶粘剂然后蘸取TiO2颗粒形成的光亮镜面。
9.根据权利要求2所述的一种嵌入闪烁材料的耦合增强型X/γ射线光纤探测器，其特征在于，所述高反射涂层是较高折射率层与较低折射率层交错而成的分布式Bragg反射器，且每层的厚度为闪烁材料典型闪烁光波长的1/4。
10.根据权利要求1所述的一种嵌入闪烁材料的耦合增强型X/γ射线光纤探测器，其特征在于，所述黑化隔光层的隔光密封过程是先将纳米石墨烯均匀掺杂在环氧树脂胶中，然后将其注入圆弧顶模具中，最后插入光纤对其端面灌封，其中纳米石墨烯与环氧树脂胶的内部悬浮掺杂体积比例为1:5，表面嵌入的面积掺杂比例大于2:3。
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