長塑料閃爍體核子料位計的研制

干小宇，宓逸舟，馮婷婷，梁 城

(合肥工業(yè)大學 電子科學與應用物理學院，安徽 合肥 230009)

核子料位計是利用放射源射線與物料的相互作用，探測衰減后的γ 射線強度，依據(jù)衰減遵循指數(shù)規(guī)律來測量料位的一種儀器。其采用非接觸的測量方式，具有反應速度快，穩(wěn)定性高等優(yōu)點，特別在高溫、高壓、強腐蝕等惡劣環(huán)境下，具有廣闊的應用前景。本文研制的核子料位計在閃爍探測器上進行了改進，采用長塑料閃爍體。塑料閃爍體制作簡便可加工成各種模型，發(fā)光衰減時間短，光傳輸性好，同時具有耐輻照，性能穩(wěn)定，耐潮濕、震動、沖擊，在8 ～10 年內(nèi)發(fā)光效率無明顯變化的優(yōu)點［1］，這些特性相比常用的NaI(TI)閃爍體在核子料位計［2］上應用具有明顯優(yōu)勢。方案中設計的核子料位計具有測量精度高、穩(wěn)定性好等特點，可應用于對測量精度要求高的工業(yè)環(huán)境。

1 基本原理

典型的閃爍探測器由閃爍體、光導、光電轉(zhuǎn)換器件和電源組成。核子料位計依據(jù)γ 射線穿過物料后強度衰減的原理，通過測定射線強度的變化確定料位的高度。衰減服從指數(shù)規(guī)律，可用如下函數(shù)表示［3］

其中，I0和I 是吸收前后的射線強度;ρ 是物料的密度(g/cm3);μ 為物料對γ 射線的吸收系數(shù)(cm2/g);d 是被測物料的厚度(cm)。

塑料閃爍體采用直徑5 cm，長200 cm 的圓柱體，型號為HND－S2，由聚苯乙烯作基質(zhì)，C 核和H 核數(shù)量比為1∶1.12，密度為1.05 g/cm3，折射系數(shù)為1.59，發(fā)射的光譜峰值為395 ～425 nm，相對蒽晶體的光輸出效率約為50%～60%，該光譜峰值與光電倍增管響應光譜能良好配合。放射源采用Cs137，放射源與物料罐相對位置和放射劑量確定后，射線的衰減符合上述規(guī)律。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

放射源發(fā)出的γ 射線穿過物料時產(chǎn)生各種效應，對γ 射線來說是一種能量傳遞和損耗的過程。γ 射線的穿透能力很強，不易被物質(zhì)完全吸收，對于一定能量的一束γ 射線透過物料后，只有部分γ 射線與物料發(fā)生作用。因此，γ 射線的輻射強度隨物料的增加而減弱，根據(jù)探測到的信號強弱判別γ 射線的衰減層度。典型的核子料位計由3 部分構成:閃爍探測器模塊、信號調(diào)理電路和MCU 模塊。根據(jù)放射源透過物料后γ射線的強弱不同來檢測物料的高低，確定了一種理想的測量模型，該系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 料位計系統(tǒng)框圖

線狀放射源發(fā)出的γ 射線垂直透過物料后發(fā)生衰減并入射到閃爍體中，與長塑料閃爍體作用發(fā)出光子，光子在長塑料閃爍體內(nèi)經(jīng)歷一系列反射、衰減過程，到達兩端探測平面并被光電倍增管收集，而光的收集效率與發(fā)光點的位置、內(nèi)部反射率、塑料閃爍體的長度有直接關系［4］。光信號通過光電倍增管、信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)化為電壓脈沖信號，MCU 模塊采集電壓脈沖信號，建立起料位高度與脈沖頻率間關系。

2.1 閃爍探測器模塊

閃爍探測器模塊由塑料閃爍體、光電倍增管、分壓器構成。塑料閃爍體探測到γ 射線發(fā)出光子，被光電倍增管轉(zhuǎn)化為電學信號，分壓器為光電倍增管提供電子倍增電壓。閃爍探測器需兩路高壓輸入，同時輸出兩路電流脈沖信號。

閃爍體的發(fā)光持續(xù)時間影響閃光的分辨和光子數(shù)目的多少。常用閃爍體可分為有機閃爍體和無機閃爍體兩大類，有機閃爍體的發(fā)光持續(xù)時間為ns 級，而無機閃爍體的發(fā)光持續(xù)時間為μs 級［5］。為了提高探測靈敏度和分辨率，本方案選擇有機閃爍體。

光電倍增管是將極微弱的閃爍脈沖光轉(zhuǎn)化為電信號的器件。γ 射線被長塑料閃爍體吸收產(chǎn)生光子，利用光導和反射層大部分熒光光子被收集到塑料閃爍體兩端的光電倍增管光陰極上，并在光電倍增管光陰極發(fā)生光電效應，產(chǎn)生光電子。高壓輸入通過分壓器為光電倍增管倍增極極間提供加速電場，電子在加速電場間加速后在倍增極的打拿極上產(chǎn)生二次電子發(fā)射，光電子通過電子倍增多級放大，在陽極上形成電流脈沖。

2.2 信號調(diào)理電路

光電倍增管輸出的脈沖信號無規(guī)律，且?guī)ж撦d能力弱。本方案中設計了一個射隨器電路和幅值甄別電路，使探測器輸出的脈沖信號被MCU 有效檢測。如圖2所示射隨器電路增加了電流脈沖信號的帶負載能力，同時濾除微弱的噪聲信號。

圖2 信號調(diào)理電路

在上述射隨器電路中，Q2三極管起恒流源的作用為Q1三極管提供穩(wěn)定的靜態(tài)工作點，C2電容交流耦合濾去小信號噪聲，其與Q1三極管共同構成共集放大電路以增加信號的驅(qū)動能力。上述電路對原始信號處理后，輸出給閾值甄別電路，閾值甄別電路采用了滯回比較器，以甄別有效電壓脈沖信號，并將不規(guī)則的脈沖信號整形成TTL 電平的脈沖信號給單片機。

2.3 MCU 模塊

本方案的控制核心采用單片機。無規(guī)則的電壓脈沖信號經(jīng)過信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)化成0 ～5 V 的脈沖信號，核脈沖信號接單片機計數(shù)器引腳以完成對信號的脈沖計數(shù)。單片機對計數(shù)信號運算并轉(zhuǎn)換成料位高度信號，通過RS485 連接至上位機，在PC 機上完成對料位高度的遠程監(jiān)控。

3 基于塑料閃爍體的探測器特性分析

3.1 方案設計

模擬現(xiàn)場環(huán)境對塑料閃爍體的特性進行研究，并完成算法轉(zhuǎn)換，建立起料位高度與閃爍探測器兩端信號間的關系。在塑料閃爍體兩端涂上耦合劑“硅油”，以提高與光電倍增管光陰極間的光信號傳輸效率［6］，同時在閃爍體的外部貼上黑紙并包上黑色膠帶以降低由光反射帶來的時間彌散［7］。光電倍增管部分、信號調(diào)理電路部分、電源部分、主控板部分依此分布在塑料閃爍體兩端，并固定于不銹鋼套管內(nèi)以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，裝配圖如圖3 所示。主控板完成對核脈沖信號的處理，通過RS485 連接至上位機，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。

圖3 閃爍探測器裝置

3.2 塑料閃爍體性能測試和方案分析

高壓坪曲線［8］和不同位置的探測效率是塑料閃爍體的重要性能參數(shù)，依據(jù)該兩點完成了性能測試和數(shù)據(jù)分析，建立起了料位高度與計數(shù)信號間的關系。

3.2.1 塑料閃爍體性能測試

探測器的坪特性是探測器的重要參量之一，分析探測器合適的工作電壓可提高閃爍探測器的探測效率。甄別閾值固定在0.4 V，改變高壓分析兩端脈沖計數(shù)率隨高壓的變化曲線。起始電壓定為700 V，以50 V 為單位測得塑料閃爍體上下兩端的高壓坪曲線如圖4 所示。

圖4 塑料閃爍體的高壓坪曲線

高壓在800 ～900 V 間計數(shù)率變化較小，坪區(qū)為800 ～900 V。從高壓坪區(qū)和計數(shù)效率兩方面考慮，推薦工作高壓在坪區(qū)2/3 的高壓點處，方案中工作高壓定在850 V。

在粒子探測系統(tǒng)中，閾值處理是用來限制有效脈沖的幅度范圍，使噪聲幅度小于甄別域。完成對高壓的確定，需分析塑料閃爍體兩端的閾值(0.1 ～0.9 V)甄別曲線，對大于該閾值的脈沖信號計數(shù)。由于光電倍增管和塑料閃爍體兩端光傳導的差異，兩端核脈沖信號的幅值存在一定差異，方案中上端閾值推薦0.35 V、下端閾值推薦0.62 V。

探究放射源與探測器的相對位置對探測效率的影響，建立起料位高度測量模型。放射源采用劑量0.8 mci的Cs137，在200 cm 長的塑料閃爍體外部套管上刻度，點狀放射源緊貼塑料閃爍體外部套管并垂直入射，測量時長1 h，分析探測器兩端信號與放射源相對位置關系如圖5 所示。擬合曲線符合理論指數(shù)規(guī)律

其中，a1=0.014 88，a2=762 10，b1=0.077 33，b2=0.085 8，k 為修正因子，x 為放射源相對位置，y1和y2為閃爍體探測器上下兩端的脈沖計數(shù)。

圖5 探測器兩端信號與放射源相對位置關系

當射線的入射點距兩端光電倍增管的信號收集點過遠時，產(chǎn)生的大部分熒光在塑料閃爍體中的傳輸過程就被吸收，導致閃爍探測器的探測效率大幅降低［9］。分析探測器兩端信號與放射源相對位置的關系，兩端信號的計數(shù)誤差限為250，相對計數(shù)信號峰值25 000的相對誤差限為1%。依據(jù)擬合曲線:當x ＞66.7 cm時，y2＜250;當x ＜125.8 cm 時，y1＜250，即點狀放射源位于66.7 ～125.8 cm 間的兩端計數(shù)無效。

3.2.2 基于塑料閃爍體的核子料位計方案

物料罐視為理想的長方體，探測器接收的γ 射線有直接透過物料罐的，也有與物料作用后的。γ 射線遇到物料產(chǎn)生各種效應，這是一個能量的傳遞與損耗的過程，不同頻率的γ 射線與物料相互作用的效應各不相同［10］。γ 射線垂直入射物料與物料發(fā)生作用輻射強度呈指數(shù)規(guī)律衰減，比較物料罐前后γ 射線輻射的強度發(fā)現(xiàn)其衰減了90%以上。為便于模型的建立、分析和運算，模型中忽略了與物料作用后的γ 射線，建立探測系統(tǒng)的理想模型并做以下假設:閃爍體探測器探測到的輻射強度主要受直接透過物料罐上端空罐部分的γ 射線影響。根據(jù)圖5 中放射源的相對位置與探測效率的關系模擬理想點狀放射源單方向垂直入射長塑料閃爍體的脈沖計數(shù)。工業(yè)現(xiàn)場采用線狀放射源以提高探測系統(tǒng)的能量響應，對圖5 中點源模型進行積分運算模擬出料位高度與兩端信號間的關系如圖6 所示。

圖6 探測器兩端計數(shù)與求和計數(shù)比較

塑料閃爍體下端對0 ～66.7 cm 料位變化反應靈敏，上端對125.8 ～200 cm 料位變化反應靈敏，兩路求和計數(shù)的探測效率明顯高于單端計數(shù)，長圓柱體HND－S2 塑料閃爍體有效探測高度不超過140 m，這樣避免了閃爍探測器出現(xiàn)探測盲區(qū)。料位高度和探測器兩端求和計數(shù)關系如下

其中，K 為修正因子，A1=8.9×105，A2=0.19，B1=0.086，B2=0.077，C=2.1×105為正常數(shù)，x 為料位高度，Z 為探測器兩端求和計數(shù)。

4 結束語

系統(tǒng)中塑料閃爍體相比常用的NaI(TI)閃爍體探測效率更高，提高了料位計的探測精度，測量精度能控制到1%以下。采用兩路求和計數(shù)相比單端采集有效提高了探測效率，是一種高效率可靠的測量方法。光在塑料閃爍體內(nèi)傳導會衰減，靠近PMT 處收集到光子數(shù)顯著多于遠離PMT 處，當離PMT 的距離使直接到達的光子數(shù)目很少時，收集的光子數(shù)隨距離變化的趨勢變緩，限制了長塑料閃爍體的探測高度上限，直徑5 cm的長圓柱體HND－S2 塑料閃爍體有效探測高度不超過140 cm。

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