CN112946721B - 一种能够同时鉴别α、β和γ射线的探测器及探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能够同时鉴别α、β和γ射线的探测器及探测方法，属于辐射监测、粒子甄别技术领域。由反光板分为上、下两部分探测器，通过反射起到防止上、下两部分探测器闪烁体产生的闪烁光发生串扰影响射线甄别的作用，并能够防止能量过高的β进入下层探测器对γ探测造成误识别。该探测器无需气体供给，也不用切换探头，节省测量时间，探测效率高，且无需进行脉冲波形采集分析，通过简单的电路设计，只需要对被测表面一次测量即可获得α、β、γ射线的信息，提高测量效率，能够实现“一机多能、一步测量”。
Description
技术领域
本发明属于辐射监测、粒子甄别技术领域，具体涉及一种能够同时鉴别α、β和γ射线的探测器及探测方法。
背景技术
表面放射性沾染危害主要来自于α、β、γ射线，表面污染监测仪是评价工作人员在核电站、核设施、放射性实验室等工作场所受到个人表面污染的重要方式，对防止环境污染、减少人员受到内/外照射伤害非常重要。
目前，国内外大多数表面污染测量仪所使用的辐射探测器多采用正比计数器或者G-M探测器，需要气体供给，灵敏面积较小，导致探测效率低、测量不准确，无法满足大面积表面污染监测。市面上常见的能够测量α、β、γ的大面积表面污染测试设备一般需要多个探头(α/β、γ分别测量)，此类设备集成度不高，需要进行插拔更换，并且对于同一表面需要进行重复测量，这给工作带来不便，且前端电子学部分与探头必须结合在一起，对于便携式仪器来说增加无效体积和重量，在某些强磁场场合应用受限。
想要分别获取混合场中的α、β和γ的计数，关键点和难点都是实现α、β、γ粒子的鉴别，目前对于α、β、γ鉴别采取的方法多为脉冲波形鉴别法，利用不同入射粒子的脉冲波形不同，常见的脉冲波形鉴别法主要有：幅度鉴别、上升时间法、过零时间法、向量投影法、电荷比较法等。此类方法需要通过采集信号脉冲波形，提取脉冲形状的特征量，需要较长的计算时间，且有的对硬件要求比较高。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种能够同时鉴别α、β和γ射线的探测器及探测方法，只需要对被测表面一次测量即可获得α、β、γ射线的信息，提高测量效率。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开的一种能够同时鉴别α、β和γ射线的探测器，包括一端开窗的壳体，在壳体开窗一侧设有保护格栅，在壳体内部设有反光板，反光板将壳体分隔为壳体上部和壳体下部，在壳体上部设有用于探测α射线和β射线的上层探测器，在壳体下部设有用于探测γ射线的下层探测器；
所述上层探测器，由叠层闪烁体、光纤和光电倍增管组成；所述下层探测器，由闪烁体、光纤和光电倍增管组成；叠层闪烁体和闪烁体外部均包覆有薄层反射膜；
叠层闪烁体或闪烁体产生的闪烁光子通过光纤收集并传输至位于光纤末端的光电倍增管经转换成电信号进行射线探测。
优选地，所述光纤包括设置在壳体内的收集光纤和设置在壳体外部的传输光纤，收集光纤和传输光纤通过光纤接续子连接。
优选地，所述叠层闪烁体是由第一层闪烁体和第二层闪烁体叠加构成；所述闪烁体为厚度大于第一层闪烁体和第二层闪烁体的第三层闪烁体。
进一步地优选地，第一层闪烁体的厚度要足够薄，一般在微米量级，第二层闪烁体厚度一般在毫米量级，第三层闪烁体厚度在毫米～厘米量级。
进一步地优选地，所述第一层闪烁体、第二层闪烁体和第三层闪烁体的外表面均包裹薄层反射膜。
优选地，所述叠层闪烁体选用两个发光衰减时间常数具有显著差异的闪烁体。
进一步优选地，发光衰减时间常数较大的闪烁体选择ZnS(Ag)、NaI(Tl)、CdWO4、CsI(Tl)、CsI(Na)、BGO、CaF2(Eu)或LaBr3(Ce)；发光衰减时间常数较小的闪烁体选择BaF2，塑蒽、茋或萘。
优选地，所述收集光纤为波长转换光纤，所述传输光纤为塑料传输光纤；所述壳体采用非透明材料制成。
本发明还公开了一种能够同时鉴别α、β和γ射线的探测方法，包括：
当α/β/γ射线入射至上述的探测器后，与叠层闪烁体或闪烁体发生相互作用产生闪烁光，经光纤传输至光电倍增管生成脉冲信号；
上层探测器的光电倍增管输出的脉冲信号通过甄别电路设置的高阈值Vth2、低阈值Vth1及与门符合后输出α计数Cα或修正后的β计数Cβ；下层探测器的光电倍增管输出的脉冲信号通过甄别电路设置的阈值，输出修正后的γ计数Cγ；
通过得到的α计数Cα、β计数Cβ和γ计数Cγ即获得入射射线的种类，实现同时对α、β和γ射线的探测。
优选地，当下层探测器的光电倍增管输出的脉冲信号Vi2大于过阈甄别器设定的阈值Vth时，电路输出方波信号Sγ，并产生γ计数Cγ下；
由于γ几乎很少在上层探测器的叠层闪烁体中沉积能量，其在上层探测器产生的计数可以根据其衰减规律进行修正，即Cγ＝Cγ下+Cγ上，d1为叠层闪烁体的厚度，d2为闪烁体的厚度；λ1为叠层闪烁体的衰减长度，λ2为闪烁体的衰减长度，则有：
优选地，若上层探测器输出的脉冲信号Vi1前沿超过设定的低阈值Vth1时，触发脉冲前沿甄别器，电路输出一定宽度的方波信号Sl，当脉冲信号后沿低于后沿甄别器，触发脉冲后沿甄别器并输出与Sl相同宽度的方波信号Sf；
设计符合电路与门1，通过调节信号Sl、Sf脉冲宽度，β信号衰减时间较短，Sl与Sf脉冲部分重叠，输出方波信号Sβ，并产生计数C′β；
极少数γ在上层探测器输出的信号时间上的与β类似，被误识别为β，修正后的β计数Cβ＝C′β-Cγ上；α信号衰减时间较长，Sl、Sf脉冲没有重叠，在符合电路与门1没有输出。
优选地，部分低能β输出信号在时间上与α类似，但是低能β的信号幅度小于α，通过设置高阈值Vth2来区分α与低能β：若Sl、Sf没有重叠，且当脉冲信号Vi1大于高阈甄别器设定的高阈值Vth2时，输出宽度与Sf相同的延时信号Shd，设计符合电路与门2，通过调节信号延时时间，Shd与Sf脉冲部分重叠，输出信号Sα，并产生计数Cα；而通过高阈值Vth2的β衰减时间较短，Shd与Sf没有重叠，在与门2没有输出
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种大面积、高灵敏、高效率、一体化的可同时测量α、β、γ计数的探测器，由发光板分为上、下两部分探测器，通过反射起到防止上、下两部分探测器闪烁体产生的闪烁光发生串扰影响粒子甄别的作用，并能够防止多余β进入下层探测器对γ探测造成误识别。该探测器无需气体供给，也不用切换通探头，节省测量时间，探测效率高，且无需进行脉冲波形采集分析。
本发明公开的基于上述探测器的探测方法，通过设置脉冲前后沿甄别器，输出合适宽度的方波信号，通过与门电路即可甄别，比传统脉冲形状甄别电路简单，效率高。说明该方法通过简单的电路设计，只需要对被测表面一次测量即可获得α、β、γ射线的信息，提高测量效率，能够实现“一机多能、一步测量”。辐射传感器与信号处理器分离，利用光纤将辐射传感器的光信号导出，减少无效体积，更加便携。
附图说明
图1为本发明的可同时测量α、β、γ的表面污染测试仪截面图。
图2为本发明的可同时测量α、β、γ的表面污染测试仪立体图。
图3为本发明的α、β、γ甄别电路示意图；
图4为本发明的α、β符合电路示意图。
其中，1为保护格栅；2为壳体；3为薄层反射膜；4为第一层闪烁体；5为第二层闪烁体；6为收集光纤；7为反光板；8为第三层闪烁体；9为光电倍增管；10为传输光纤。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1和图2所示，本发明公开的能够同时鉴别α、β和γ射线的探测器，包括一端开窗的壳体2，开窗处设有保护格栅1；壳体2内部由反光板7分为上、下两部分，在壳体上部设有用于探测α射线和β射线的上层探测器，在壳体下部设有用于探测γ射线的下层探测器；
上层探测器，由叠层闪烁体、收集光纤6、传输光纤10和光电倍增管9组成；叠层闪烁体由第一层闪烁体4和第二层闪烁体5叠层排列而成；
下层探测器，由单独一层的闪烁体、收集光纤6、传输光纤10和光电倍增管9组成；上、下两部分闪烁体产生的闪烁光，分别通过光纤6收集并传输到各自的光电倍增管9。单独一层的闪烁体为第三层闪烁体8。为了保证避光性以及增加对闪烁光的利用率，叠层闪烁体和单层闪烁体外部均包覆有薄层反射膜3。
上层探测器用于测量入射的α、β射线，其中第一层闪烁体4用于测量α，并沉积α射线全部能量，第二层闪烁体5用于测量β射线，并沉积β部分或全部能量；反光板7用来反射上、下两部分探测器闪烁体产生的闪烁光，防止发生串扰影响粒子鉴别，同时吸收多余β进入下层探测器，防止造成γ探测的误识别；下层探测器只用来测量入射的γ射线。
本发明以如下具体实施例为例，设计的探测器所使用的晶体及发光衰减时间如表1所示：
表1选用的各晶体材料的发光衰减时间
| 闪烁体 | 第一层闪烁体 | 第二层闪烁体 | 第三层闪烁体 |
| 材料名称 | ZnS(Ag) | EJ-212(片) | EJ-212(体) |
| 厚度(mm) | 0.01 | 1 | 100 |
| 发光衰减时间(ns) | 200 | 2.4 | 2.4 |
其中，第一层的ZnS(Ag)闪烁体对α射线的探测效率可达100％，能吸收入射的全部α射线，且其对β、γ射线不敏感，薄塑料闪烁体EJ212，原子序数低、密度约为1g/cm3，适宜用于测量β射线，选用表面镀铝的亚克力反光板可以吸收多余的β能量。选用薄层铝箔作为反射膜，厚度约为2μm。
其中，α、β、γ射线的鉴别原理如下：
如图1、图3、图4所示，当入射射线为α时，其能量全部沉积在ZnS里，当入射射线为β时，由于ZnS对其不敏感，且厚度只有10μm，β很少在ZnS沉积能量，大部分沉积在薄塑闪里，其剩余部分由反光板吸收，因此上层探测器有信号输出时，判定为α/β，通过后续甄别电路进一步区分α、β；当入射射线为γ时，上层叠层闪烁体厚度极薄，光子在上层晶体上发生作用的概率很低，因此γ入射时绝大部分在下层厚塑料闪烁体内发生能量沉积，即当下层探测器有信号输出时，将入射射线鉴别为γ射线。且上、下层产生的闪烁光子经反射板反射，不会造成串扰造成误识别。
α/β产生脉冲形状不同源于不同闪烁晶体的发光衰减时间不同，如表1所示，α、β脉冲宽度在5ns-200ns之间，例如，EJ212发光衰减时间短，脉冲宽度非常窄，此处设置为10ns；由于ZnS发光衰减时间长，所以它产生脉冲波形必有较长的拖尾。
如图3、图4所示，过阈甄别器是电路设计的一个阈值甄别器，输入信号幅度超过阈值，则输出一个(方波)信号。当下层探测器产生的脉冲信号超过阈值时，输出方波信号Sγ，并产生计数Cγ下，由于γ几乎很少在上层探测器的叠层闪烁体中沉积能量，其在上层产生的计数可以根据其衰减规律进行修正，即Cγ＝Cγ下+Cγ上，d1为叠层闪烁体的厚度，d2为单层闪烁体的厚度，λ1为叠层闪烁体的衰减长度，λ2为单层闪烁体的衰减长度，则有：
如图3、图4所示，由于α、β产生的信号在时间上、幅度上都有所差别，设置信号低阈值Vth1，低阈值Vth1可以过滤到信号噪声，上层探测器产生的脉冲信号前沿超过低阈值Vth1时，触发前沿甄别器输出一定宽度的信号Sl，脉冲信号后沿阈值低于低阈值Vth1时，触发后沿甄别器，输出与Sl相同宽度的信号Sf。设计符合电路与门1，通过调节S1、Sf脉冲宽度，由于β信号衰减时间比较短，S1与Sf脉冲部分重叠，输出信号Sβ，并产生计数C′β，极少数γ在上层输出的信号时间上的与β类似，被误识别为β，因此修正后的β计数Cβ＝C′β-Cγ上。而α信号衰减时间比较长，S1、Sf脉冲没有重叠，在符合电路与门1没有输出。
部分低能β输出信号在时间上与α类似，但是低能β的信号幅度小于α，通过设置高阈值Vth2来区分α与低能β，通过高阈值Vth2的α信号，其经过信号延迟，输出信号Shd，设计符合电路与门2，通过调节信号延时时间，Shd与Sf脉冲部分重叠，输出信号Sα，并产生计数Cα，而通过阈值Vth2的β衰减时间比较短，Shd与Sf没有重叠，在与门2没有输出。
基于上述探测器和甄别电路设计，本发明能鉴别入射到探测器中的α、β、γ射线，只需要对被测表面一次测量即可获得α、β、γ射线的信息，提高测量效率，能够实现“一机多能、一步测量”。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种能够同时鉴别α、β和γ射线的探测器，其特征在于，包括一端开窗的壳体(2)，在壳体(2)开窗一侧设有保护格栅(1)，在壳体(2)内部设有反光板(7)，反光板(7)将壳体(2)分隔为壳体上部和壳体下部，在壳体上部设有用于探测α射线和β射线的上层探测器，在壳体下部设有用于探测γ射线的下层探测器；
所述上层探测器，由叠层闪烁体、光纤和光电倍增管(9)组成；所述下层探测器，由单层闪烁体、光纤和光电倍增管(9)组成；叠层闪烁体和单层闪烁体外部均包覆有薄层反射膜(3)；
所述叠层闪烁体是由第一层闪烁体(4)和第二层闪烁体(5)叠加构成，所述叠层闪烁体选用两个发光衰减时间常数具有显著差异的闪烁体；
所述单层闪烁体为厚度大于第一层闪烁体(4)和第二层闪烁体(5)的第三层闪烁体(8)；
叠层闪烁体或闪烁体产生的闪烁光子通过光纤收集并传输至位于光纤末端的光电倍增管(9)经转换成电信号进行射线探测。
2.根据权利要求1所述的能够同时鉴别α、β和γ射线的探测器，其特征在于，所述光纤包括设置在壳体(2)内的收集光纤(6)和设置在壳体(2)外部的传输光纤(10)，收集光纤(6)和传输光纤(10)通过光纤接续子连接。
3.根据权利要求2所述的能够同时鉴别α、β和γ射线的探测器，其特征在于，所述收集光纤(6)为波长转换光纤，所述传输光纤(10)为塑料传输光纤；所述壳体(2)采用非透明材料制成。
4.根据权利要求1所述的鉴别α、β、γ射线的探测器，其特征在于，发光衰减时间常数较大的闪烁体选择ZnS(Ag)、NaI(Tl)、CdWO4、CsI(Tl)、CsI(Na)、BGO、CaF2(Eu)或LaBr3(Ce)；发光衰减时间常数较小的闪烁体选择BaF2，塑蒽、茋或萘。
5.一种能够同时鉴别α、β和γ射线的探测方法，其特征在于，包括：
当α/β/γ射线入射权利要求1～4中任意一项所述的探测器后，与叠层闪烁体或闪烁体发生相互作用产生闪烁光，经光纤传输至光电倍增管生成脉冲信号；
上层探测器的光电倍增管输出的脉冲信号通过甄别电路设置的高阈值Vth2、低阈值Vth1及与门符合后输出α计数Cα或修正后的β计数Cβ；下层探测器的光电倍增管输出的脉冲信号通过甄别电路设置的阈值，输出修正后的γ计数Cγ；
通过得到的α计数Cα、β计数Cβ和γ计数Cγ即获得入射射线的种类，实现同时对α、β和γ射线的探测；
当下层探测器的光电倍增管输出的脉冲信号Vi2大于过阈甄别器设定的阈值Vth时，电路输出方波信号Sγ，并产生γ计数Cγ下；
γ在上层探测器产生的计数根据其衰减规律进行修正，即Cγ＝Cγ下+Cγ上，d1为叠层闪烁体的厚度，d2为单层闪烁体的厚度；λ1为叠层闪烁体的衰减长度，λ2为单层闪烁体的衰减长度，则有：
若上层探测器输出的脉冲信号Vi1前沿超过设定的低阈值Vth1时，触发脉冲前沿甄别器，电路输出一定宽度的方波信号Sl，当脉冲信号后沿低于后沿甄别器，触发脉冲后沿甄别器并输出与Sl相同宽度的方波信号Sf；
设计符合电路与门1，通过调节信号Sl、Sf脉冲宽度，β信号衰减时间较短，Sl与Sf脉冲部分重叠，输出方波信号Sβ，并产生计数C′β；
极少数γ在上层探测器输出的信号时间上的与β类似，被误识别为β，修正后的β计数Cβ＝C′β-Cγ上；α信号衰减时间较长，Sl、Sf脉冲没有重叠，在符合电路与门1没有输出；
通过设置高阈值Vth2来区分α与低能β：若Sl、Sf没有重叠，且当脉冲信号Vi1大于高阈甄别器设定的高阈值Vth2时，输出宽度与Sf相同的延时信号Shd，设计符合电路与门2，通过调节信号延时时间，Shd与Sf脉冲部分重叠，输出信号Sα，并产生计数Cα；而通过高阈值Vth2的β衰减时间较短，Shd与Sf没有重叠，在与门2没有输出。
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