CN117310781A - 一种适用于β-γ混合场的低背景探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及核科学技术领域,具体涉及一种适用于β‑γ混合场的低背景探测器。所述的低背景探测器包括铝壳和设置在铝壳内的、从上至下依次设置的塑料闪烁晶体、CaF2(Eu)闪烁晶体和LaBr3(Ce)闪烁体晶体;LaBr3(Ce)闪烁体晶体使用石英光导封装;外侧面被BGO闪烁体晶体包裹;外侧和底部设置有SiPM阵列进行光信号收集;其他面均设置有反光层。本发明适用于β‑γ混合场的低背景测量,与半导体‑闪烁体组合探测器相比,具有低电压、体积小、便携性好、供电要求低、对磁场不敏感等优点,更适用于核设施施工场所使用,与多层闪烁体组合相比,其中做得最好的是即实现了β‑γ的初步甄别又实现了对康普顿背景的抑制。
Description
技术领域
本发明涉及核科学技术领域,具体涉及一种适用于β-γ混合场的低背景探测器。
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。
通常放射性核素放出的γ射线能量至多几兆,该能量段的γ光子主要与探测器发生光电效应、康普顿散射与电子对效应,而康普顿散射产生的信号对能谱的测量是有害的,国内外报道了多组康普顿抑制技术的研究,从实现的方法上看,主要有两种方法。一种是在主探测器的外围设置一反符合探测器,符合电路实现对康普顿背景的抑制,这种方法的主探测器一般是半导体探测器,反符合探测器一般采用闪烁体探测器。另一种方法是在闪烁体外围包裹一层闪烁体,通过一个光电倍增管导出整个探测器的信号,最终使用脉冲形状甄别实现康普顿背景的抑制,这种方式主要应用与主探测器与反符合探测都是闪烁体的情况。
法国的IRSN以及北京CTBT国家数据中心等机构在高纯锗探测器外围设置一圈碘化钠探测器阵列,碘化钠探测器产生的信号作为触发信号对进入ADC的高纯锗探测器的信号进行反符合,即半导体探测器+闪烁体探测器组合,但是半导体探测器如高纯锗等探测器昂贵,且需要冷却设备,符合探测器往往不止一个,符合电路较为复杂,并且该类型组合只能测量环境中的γ而不能测量混合场中的其他射线;以及中国科学技术大学在使用室温半导体探测器与闪烁体探测器符合,研发了一款移动便携的反康普顿探测器;美国俄勒冈州立大学研发了一款用于监测空气中氙同位素的探测器,该多层闪烁体排列方式为空心柱状,中央空心部分作为探测器存放样品的气室,最里层为一层薄塑料闪烁体,次外层为碘化钠闪烁体,最外层为BGO闪烁体,采用脉冲形状甄别法实现β-γ的甄别以及康普顿背景的抑制,即多层闪烁体组合,一种是只具有反康普顿功能的γ探测器,不能进行粒子甄别,另一种具有反康普顿功能且具有一定的粒子甄别能力,但是由于做粒子甄别的层数仅有两层,甄别效果相对较差。国内中国辐射防护研究院研发了一种叠层闪烁体反康普顿γ谱仪,该探测器采用了两种闪烁体,采用一个PMT读取信号并采用脉冲形状甄别。但是存在成本高,效率底,耗时间等问题。
针对上述技术问题,本发明采用三层闪烁体对混合场中的粒子进行测量从而保证较好的甄别效果,采用一层外围闪烁体使探测器具备康普顿背景抑制功能,且具有低成本、便携性好等特点。
发明内容
针对上述技术问题,本发明提供了一种适用于β-γ混合场的低背景探测器,所述的低背景探测器包括铝壳和设置在铝壳内的、从上至下依次设置的塑料闪烁晶体、CaF2(Eu)闪烁晶体和LaBr3(Ce)闪烁体晶体;所述的LaBr3(Ce)闪烁体晶体使用石英光导封装;所述的石英光导外侧面被BGO闪烁体晶体包裹;所述的塑料闪烁晶体和CaF2(Eu)闪烁晶体其中一个侧面被SiPM阵列包裹;所述的LaBr3(Ce)闪烁体晶体和BGO闪烁体晶体底面被SiPM阵列包裹;所述的塑料闪烁晶体、CaF2(Eu)闪烁晶体、LaBr3(Ce)闪烁体晶体和BGO闪烁体晶体除了被SiPM阵列包裹的部分,其他部分均被反光层包裹。所述的SiPM阵列可以为市面上购买得到的任意尺寸,可以小尺寸的SiPM阵列拼装。
优选的,所述的塑料闪烁晶体、CaF2(Eu)闪烁晶体和LaBr3(Ce)闪烁体晶体均呈方体状。
优选的,所述的塑料闪烁晶体的尺寸为20mm×20mm×0.5mm;CaF2(Eu)闪烁晶体的尺寸为20mm×20mm×6mm;LaBr3(Ce)闪烁体晶体的尺寸为20mm×20mm×20mm。
优选的,所述的石英光导的厚度为2-20mm。
优选的,所述的石英光导的厚度为2mm。
优选的,所述的BGO闪烁体晶体的厚度为6-20mm。
优选的,所述的BGO闪烁体晶体的厚度为6mm。
优选的,所述的铝壳高度为50mm,外径为30mm。
优选的,所述的塑料闪烁晶体、CaF2(Eu)闪烁晶体、LaBr3(Ce)闪烁体晶体和BGO闪烁体晶体的信号均独立收集并输出。
优选的,所述的反光层是使用铝化聚酯薄膜或镀膜得到。
整个探测器采用高度为50mm,外径30mm的铝壳进行封装,铝壳内部有对应多层闪烁体结构的腔室,其作用是实现隔绝环境中的电子对康普顿背景反符合产生影响以及实现电磁屏蔽;上述的每一层闪烁体的信号均独立收集并输出,用数字电路领域的“1”代表发生了能沉积事件,即粒子在闪烁体种沉积的能量超过了判定能量阈值,“0”没有发生能量沉积事件,即粒子在闪烁体种沉积的能量低于判定阈值,X代表“1”或“0”,即为“1”事件与“0”事件的总和,则β-γ混合场中的三种事件的类型分别是;β事件,具体类型包括100X,110X;γ事件为001X,其中0011为康普顿散射事件,0010为全能峰造成的事件,以及从其他方向逃逸掉康普顿事件。
本发明的有益效果是:本发明适用于β-γ混合场的低背景测量,与半导体-闪烁体组合探测器相比,具有低电压、体积小、便携性好、供电要求低、对磁场不敏感等优点,更适用于核设施施工场所使用,与现有的多层闪烁体组合相比,其中做得最好的是使用两层闪烁体实现了β-γ的初步甄别,外加一层闪烁体实现了对康普顿背景的抑制,而本发明的甄别性能要优于两层闪烁体的甄别性能,并且同样具备反康普顿的功能。所述的适用于β-γ混合场中的低背景探测器,能一次测量得到混合场中的β谱和γ谱,并且同时降低γ谱的康普顿背景,使得低活度的核素的全能峰被探测到,从而使得β-γ混合场能够被精确的测量,兼具β-γ混合场甄别测量与抑制康普顿背景的功能。为实现β-γ混合场中的低背景测量提供技术支撑,也为将来进一步开发β-γ混合场中核素识别功能提供技术支持。
附图说明
图1探测器设计原理图注:1.塑料闪烁晶体;2.CaF2(Eu)闪烁晶体;3.LaBr3(Ce)闪烁体晶体;4.石英光导;5.BGO闪烁体;6.反光层;7.铝壳;8.SIPM阵列;
图2探测器的仿真结果
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。
实施例一、一种适用于β-γ混合场的低背景探测器
本发明提供了一种适用于β-γ混合场的低背景探测器,所述的低背景探测器包括铝壳和设置在铝壳内的塑料闪烁晶体、CaF2(Eu)闪烁晶体和LaBr3(Ce)闪烁体晶体,从上至下依次设置;所述的LaBr3(Ce)闪烁体晶体使用石英光导封装;所述的石英光导外侧面被BGO闪烁体晶体包裹;所述的塑料闪烁晶体和CaF2(Eu)闪烁晶体侧面设置有SiPM阵列进行光信号收集;所述的LaBr3(Ce)闪烁体晶体和BGO闪烁体晶体底面设置有SiPM阵列进行光信号收集;所述的塑料闪烁晶体、CaF2(Eu)闪烁晶体、LaBr3(Ce)闪烁体晶体和BGO闪烁体晶体除了设置有SiPM阵列的一面,其他面均设置有反光层,所述的塑料闪烁晶体、CaF2(Eu)闪烁晶体和LaBr3(Ce)闪烁体晶体均呈方体状,所述的塑料闪烁晶体的尺寸为20mm×20mm×0.5mm;CaF2(Eu)闪烁晶体的尺寸为20mm×20mm×6mm;LaBr3(Ce)闪烁体晶体的尺寸为20mm×20mm×20mm,所述的石英光导的厚度为2mm,所述的BGO闪烁体晶体的厚度为6mm,所述的SiPM阵列包括SiPM阵列A、SiPM阵列B、SiPM阵列C和SiPM阵列D,所述的SiPM阵列的尺寸为6mm×6mm,所述的塑料闪烁晶体的侧面采用1×3SiPM阵列;所述的CaF2(Eu)闪烁晶体侧面采用1×3的SiPM阵列;所述的LaBr3(Ce)闪烁体晶体底面采用4×4的SIPM阵列;所述的BGO闪烁体晶体底面采用1×20的SIPM阵列,所述的铝壳高度为50mm,外径为30mm,所述的塑料闪烁晶体、CaF2(Eu)闪烁晶体、LaBr3(Ce)闪烁体晶体和BGO闪烁体晶体的信号均独立收集并输出;整个探测器采用高度为50mm,外径30mm的铝壳进行封装,铝壳内部有对应多层闪烁体结构的腔室,其作用是实现隔绝环境中的电子对康普顿背景反符合产生影响以及实现电磁屏蔽。
图2是使用蒙特卡洛程序FLUKA对探测器的性能进行仿真测试的结果图,其中放射源是137Cs,通过DETECT CARD实现多层闪烁体之间的符合与反符合,这模拟了实际过程中的甄别逻辑,实现探测器的β-γ甄别以及反康普顿散射等功能。图中的三条曲线beta、gamma与gamma_anticompton分别代表测到的β谱、γ谱与抑制了康普顿背景之后的γ谱。其中β谱的特征符合137Cs的β理论发射谱特征,其右侧的峰是内转换电子峰,137Cs衰变为137Ba之后,137Ba跃迁至其基态有一定的概率通过发射内转换电子来实现。由于γ光子在闪烁体中发生了康普顿散射,沉积了部分能量成为了康普顿散射光子并逃逸,这个散射角度是连续的,因此康普顿散射所形成的坪是连续的,而全能峰是γ光子在闪烁体中完全沉积能量,会在能谱上出现全能峰,图中两条γ谱除了在康普顿坪区的计数有所差别,在全能峰区域的计数是完全重合的。对比beta与gamma两条曲线可以看出本发明可以实现β-γ混合场的甄别测量功能,对比gamma与gamma_anticompton可以看出本发明能够有效降低康普顿散射事件引起的计数。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本申请的保护范围。因此,本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种适用于β-γ混合场的低背景探测器,其特征在于,所述的低背景探测器包括铝壳和设置在铝壳内的、从上至下依次设置的塑料闪烁晶体、CaF2(Eu)闪烁晶体和LaBr3(Ce)闪烁体晶体;所述的LaBr3(Ce)闪烁体晶体使用石英光导封装;所述的石英光导外侧面被BGO闪烁体晶体包裹;所述的塑料闪烁晶体和CaF2(Eu)闪烁晶体其中一个侧面被SiPM阵列包裹;所述的LaBr3(Ce)闪烁体晶体和BGO闪烁体晶体底面被SiPM阵列包裹;所述的塑料闪烁晶体、CaF2(Eu)闪烁晶体、LaBr3(Ce)闪烁体晶体和BGO闪烁体晶体除了被SiPM阵列包裹的部分,其他部分均被反光层包裹。
2.如权利要求1所述的适用于β-γ混合场的低背景探测器,其特征在于,所述的塑料闪烁晶体、CaF2(Eu)闪烁晶体和LaBr3(Ce)闪烁体晶体均呈方体状。
3.如权利要求2所述的适用于β-γ混合场的低背景探测器,其特征在于,所述的塑料闪烁晶体的尺寸为20mm×20mm×0.5mm;CaF2(Eu)闪烁晶体的尺寸为20mm×20mm×6mm;LaBr3(Ce)闪烁体晶体的尺寸为20mm×20mm×20mm。
4.如权利要求1所述的适用于β-γ混合场的低背景探测器,其特征在于,所述的石英光导的厚度为2-20mm。
5.如权利要求1所述的适用于β-γ混合场的低背景探测器,其特征在于,所述的BGO闪烁体晶体的厚度为6-20mm。
6.如权利要求1所述的适用于β-γ混合场的低背景探测器,其特征在于,所述的铝壳高度为50mm,外径为30mm。
7.如权利要求1所述的适用于β-γ混合场的低背景探测器,其特征在于,所述的塑料闪烁晶体、CaF2(Eu)闪烁晶体、LaBr3(Ce)闪烁体晶体和BGO闪烁体晶体的信号均独立收集并输出。
8.如权利要求1所述的适用于β-γ混合场的低背景探测器,其特征在于,所述的反光层是使用铝化聚酯薄膜或镀膜得到。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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