基于復(fù)合閃爍體實(shí)現(xiàn)α、β射線(xiàn)的高效探測(cè)

馮延強(qiáng)，徐 健，王 瑋

(核工業(yè)北京地質(zhì)研究院， 北京 100029)

?

基于復(fù)合閃爍體實(shí)現(xiàn)α、β射線(xiàn)的高效探測(cè)

馮延強(qiáng)，徐 健，王 瑋

(核工業(yè)北京地質(zhì)研究院， 北京 100029)

基于ZnS(Ag)和塑料閃爍體組成的復(fù)合閃爍體，利用α、β射線(xiàn)在儀器中產(chǎn)生的脈沖波形特征，設(shè)計(jì)了α、β脈沖甄別電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，α射線(xiàn)對(duì)β道串道比在5%以?xún)?nèi)時(shí)，β射線(xiàn)的探測(cè)效率約為50%；β射線(xiàn)對(duì)α道串道比為1%時(shí)，α射線(xiàn)的探測(cè)效率約為35% ，實(shí)現(xiàn)了在較低串道比條件下對(duì)α、β射線(xiàn)的高效探測(cè)。

復(fù)合閃爍體；脈沖甄別電路；α、β射線(xiàn)高效探測(cè)

核輻射主要包括α射線(xiàn)、β射線(xiàn)和γ射線(xiàn) 3種，其中α、β射線(xiàn)的穿透能力差，需要避免接觸式進(jìn)入體內(nèi)的電離危害，即進(jìn)行表面污染檢測(cè)防護(hù)[1]。在α、β表面污染檢測(cè)時(shí)，一般采用將ZnS(Ag)涂在塑料閃爍體上組成的閃爍體(簡(jiǎn)稱(chēng)復(fù)合閃爍體)[2-3]。參考劉明健等人[4]對(duì)復(fù)合閃爍體厚度與探測(cè)效率的研究，選擇了合適的復(fù)合閃爍體，與此同時(shí)分析了α、β串道比較高的影響因素，并針對(duì)α、β射線(xiàn)經(jīng)復(fù)合閃爍體產(chǎn)生的脈沖波形特征，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的脈沖甄別電路，實(shí)現(xiàn)了在較低串道比條件下的α、β射線(xiàn)高效探測(cè)。

1 利用復(fù)合閃爍體探測(cè)α、β射線(xiàn)

探測(cè)α射線(xiàn)一般采用ZnS(Ag)無(wú)機(jī)閃爍體，探測(cè)β射線(xiàn)大多選用塑料閃爍體或有機(jī)液體閃爍體，同時(shí)檢測(cè)α、β射線(xiàn)可通過(guò)復(fù)合閃爍體來(lái)實(shí)現(xiàn)。ZnS(Ag)發(fā)光光譜為400～600 nm，只對(duì)α粒子發(fā)光效率高，而對(duì)β、γ粒子及中子等不靈敏。而薄層的塑料閃爍體能夠完全吸收β粒子充當(dāng)ZnS(Ag)的光導(dǎo)，并使高能的γ射線(xiàn)穿透，這樣就保證了在探測(cè)β射線(xiàn)的同時(shí)也能檢測(cè)到α射線(xiàn)。因此利用復(fù)合閃爍體吸收α、β射線(xiàn)，產(chǎn)生的熒光光子通過(guò)光電倍增管放大、收集后產(chǎn)生相應(yīng)的α、β電脈沖。然后采用合適的脈沖幅度甄別電路區(qū)分出α、β射線(xiàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)其探測(cè)。其整體設(shè)計(jì)框架見(jiàn)圖1。

該設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中，為了消除環(huán)境中γ射線(xiàn)產(chǎn)生的干擾采取兩方面措施：(1)探測(cè)器采用薄層塑料閃爍體，保障了探測(cè)β射線(xiàn)的同時(shí)也能使高能的γ射線(xiàn)穿透，從而避免高能γ射線(xiàn)的干擾；(2)探頭設(shè)計(jì)了前端保護(hù)鋁殼，在實(shí)際測(cè)量時(shí)，先不打開(kāi)前端鋁殼，這樣探測(cè)不到α、β射線(xiàn)，但能接收到環(huán)境中存在的干擾γ射線(xiàn)，將此干擾作為本底存儲(chǔ)在設(shè)備中。這樣在同一環(huán)境中正常測(cè)量α、β

圖1 基于復(fù)合閃爍體探測(cè)α、β射線(xiàn)的整體設(shè)計(jì)框架Fig.1 Design framework of detecting α,β rays based on composite scintillator

射線(xiàn)時(shí)，通過(guò)扣除本底的方式也可消除部分γ射線(xiàn)干擾[5]。以上兩項(xiàng)措施，基本可以消除環(huán)境中γ射線(xiàn)的干擾。

2 α、β射線(xiàn)探測(cè)時(shí)串道現(xiàn)象分析

串道是儀器測(cè)量單一α或β參考源時(shí)，在β道或α道產(chǎn)生計(jì)數(shù)的現(xiàn)象。即α射線(xiàn)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)幅度較低時(shí)會(huì)進(jìn)入β道，被當(dāng)做β射線(xiàn)計(jì)數(shù)；或者β射線(xiàn)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)幅度較高會(huì)進(jìn)入α道，被當(dāng)做α射線(xiàn)計(jì)數(shù)。并且通過(guò)設(shè)置α道和β道的閾值，串道現(xiàn)象是不能直接被消除的。

實(shí)驗(yàn)中對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了相應(yīng)的測(cè)量和分析，認(rèn)為串道現(xiàn)象的存在是由于以下兩個(gè)因素導(dǎo)致:(1)復(fù)合閃爍體不具備能量區(qū)分能力。雖然α射線(xiàn)能量大多在4～9 MeV范圍內(nèi)，是重帶電粒子，并且其能譜具有分立、不連續(xù)的特征。β粒子即電子，能量大多在幾十keV至幾MeV，且與α射線(xiàn)的分立能譜不同的是β射線(xiàn)的能譜是連續(xù)分布的。但是探測(cè)α射線(xiàn)與β射線(xiàn)是ZnS(Ag)和塑料閃爍體獨(dú)立發(fā)光產(chǎn)生脈沖幅度信號(hào)的。這樣反映在儀器中的脈沖信號(hào)上α射線(xiàn)產(chǎn)生的信號(hào)幅度較β射線(xiàn)產(chǎn)生的信號(hào)幅度一般要大很多。但由于復(fù)合閃爍體不能進(jìn)行能量區(qū)分，所以會(huì)出現(xiàn)α脈沖幅度譜分布與β脈沖幅度譜交互重疊的現(xiàn)象，表現(xiàn)在測(cè)量結(jié)果上即出現(xiàn)串道現(xiàn)象(圖2)。(2)α能譜存在拖尾現(xiàn)象。由于α射線(xiàn)入射閃爍體時(shí)的角度不同，產(chǎn)生的光脈沖信號(hào)強(qiáng)弱就不同，反映在儀器中即α射線(xiàn)產(chǎn)生的信號(hào)脈沖幅度不同，這種α能譜分析存在拖尾現(xiàn)象已被大家所認(rèn)同。α能譜存在的拖尾現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致低能區(qū)的α射線(xiàn)進(jìn)入β道，必然造成串道現(xiàn)象的發(fā)生。

圖2 實(shí)測(cè)α、β能譜交互現(xiàn)象Fig.2 Phenomenon of α , β spectrum overlap

3 預(yù)處理積分電路設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)α、β射線(xiàn)探測(cè)時(shí)串道現(xiàn)象的分析，結(jié)合復(fù)合閃爍體不具備能量區(qū)分的性質(zhì)，為了將α、β射線(xiàn)區(qū)分開(kāi)，設(shè)計(jì)了基于α、β射線(xiàn)脈沖信號(hào)波形特征的預(yù)處理電路[4]。

一般情況下，復(fù)合閃爍體和光電倍增管輸出的信號(hào)中，α脈沖信號(hào)幅度較β脈沖信號(hào)幅度大很多，但由于α粒子的能量分布存在拖尾現(xiàn)象等原因，會(huì)導(dǎo)致少數(shù)情況下α、β脈沖信號(hào)幅度較為接近的情況(圖3)。這種情況下如果直接利用幅度進(jìn)行α、β射線(xiàn)區(qū)分，必

圖3 α、β信號(hào)脈沖幅度較為接近的波形特征圖Fig.3 Characteristic waveform of similar α, β signal

然會(huì)導(dǎo)致串道比增大，對(duì)應(yīng)的探測(cè)效率降低。但是即使α、β脈沖信號(hào)幅度接近時(shí)，α脈沖信號(hào)的寬度較β脈沖信號(hào)寬度也會(huì)大很多。利用這一信號(hào)脈沖的波形特征，結(jié)合積分電路(圖4)的特性便可實(shí)現(xiàn)將α、β射線(xiàn)較好地區(qū)分開(kāi)。

根據(jù)積分電路原理可知，輸出電壓VO與輸入電壓VI的積分成正比[2]：

(1)

式中：R—積分電阻值；C—積分電容值；積分時(shí)間常數(shù)τ=RC與信號(hào)脈沖前沿時(shí)間t的關(guān)系直接決定了積分結(jié)果。

假設(shè)積分電路輸入的α、β信號(hào)是幅度均為VI、信號(hào)寬度分別為tα和tβ的矩形脈沖(圖5a)，則積分電路的積分時(shí)間常數(shù)τ與α、β信號(hào)寬度有以下3種情況：(1)τ?tα?tβ，此時(shí)α、β信號(hào)輸出電壓Vα和Vβ均能達(dá)到輸入電壓幅度VI(圖5b)；(2)tβ?τ?tα，此時(shí)β信號(hào)輸出電壓Vβ還沒(méi)達(dá)到輸入電壓幅度VI時(shí)，積分時(shí)間已到，所以Vβ

圖4 積分電路原理圖Fig.4 Schematic integrating circuit VI—積分輸入電壓；R—積分電阻；C—積分電容；i—積分電流；VO—積分輸出電壓。

(3)tβ?tα?τ，此時(shí)α、β信號(hào)輸出電壓Vα和Vβ均沒(méi)達(dá)到輸入電壓幅度VI時(shí)，積分時(shí)間已到，所以Vα

根據(jù)以上3種情況，為了區(qū)分脈沖幅度較為接近、寬度相差較大的α、β信號(hào)，應(yīng)該選擇tβ<τ≤tα(圖5c)的積分電路時(shí)間常數(shù)，這樣積分結(jié)果會(huì)保持α信號(hào)的幅度不變，同時(shí)降低β信號(hào)的輸出幅度。圖6為經(jīng)過(guò)積分后的信號(hào)脈沖?？梢?jiàn)經(jīng)過(guò)積分電路預(yù)處理后，α信號(hào)輸出幅度與輸入信號(hào)幅度一致(圖6a)，β信號(hào)輸出幅度約為輸入幅度的2/3(圖6b)，實(shí)現(xiàn)了積分電路的設(shè)計(jì)目的。

圖5 積分電路輸入、輸出波形Fig.5 Waveform of input and output integrator circuita—輸入的α、β射線(xiàn)矩形脈沖信號(hào)；b—積分時(shí)間常數(shù)均小于α、β射線(xiàn)信號(hào)寬度；c—積分時(shí)間常數(shù)大于β射線(xiàn)信號(hào)寬度而小于α信號(hào)射線(xiàn)寬度；d—積分時(shí)間常數(shù)均大于α、β射線(xiàn)信號(hào)寬度。VI—積分輸入電壓；Vα—α射線(xiàn)矩形脈沖信號(hào)積分輸出電壓；Vβ—β射線(xiàn)矩形脈沖信號(hào)積分輸出電壓；τ—積分時(shí)間常數(shù)；tα—α脈沖信號(hào)寬度；tβ—β脈沖信號(hào)寬度。

圖6 α、β脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)積分電路處理前后對(duì)比圖Fig.6 α, β pulse signals before and after integrating a—α脈沖信號(hào)積分前、后對(duì)比；b—β脈沖信號(hào)積分前、后對(duì)比。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

利用239Pu(α標(biāo)準(zhǔn)源)和90Sr-90Y(β標(biāo)準(zhǔn)源)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表1。其中串道和探測(cè)效率計(jì)算方法如下[6-7]：

(1)α射線(xiàn)對(duì)β道串道比ηαβ計(jì)算方法：

(2)

(2)β射線(xiàn)對(duì)α道串道比ηαβ計(jì)算方法：

(3)

(3)探測(cè)效率計(jì)算方法：

(4)

從表1可知：α道對(duì)β道串道比在5%以?xún)?nèi)時(shí)，探測(cè)效率為50%，β道對(duì)α道串道比為1%時(shí)，探測(cè)效率為35%。

表1 α、β標(biāo)準(zhǔn)源實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

利用國(guó)內(nèi)其它表面污染檢測(cè)設(shè)備測(cè)量同一239Pu放射源(α標(biāo)準(zhǔn)源)和90Sr-90Y放射源(β標(biāo)準(zhǔn)源)，并與表1實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表2，可見(jiàn)增加基于α、β脈沖波形特征的積分預(yù)處理電路后，在國(guó)內(nèi)同類(lèi)儀器中實(shí)現(xiàn)了較低串道比，并使探測(cè)α、β的效率有一定提高。

表2 不同設(shè)備測(cè)量結(jié)果對(duì)比數(shù)據(jù)表

5 結(jié)論

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)源實(shí)際測(cè)量可知：基于復(fù)合閃爍體，利用其產(chǎn)生的α、β脈沖波形特征，設(shè)計(jì)的信號(hào)預(yù)處理積分電路以及后續(xù)相應(yīng)電路，可以實(shí)現(xiàn)較低串道比條件下的較高效α、β表面污染探測(cè)。利用239Pu和90Sr標(biāo)準(zhǔn)源試驗(yàn)結(jié)果顯示：α道對(duì)β道串道比在5%以?xún)?nèi)時(shí)，探測(cè)效率約為50%，β道對(duì)α道串道比為1%時(shí)，探測(cè)效率約為35%。

[1]丁洪林.核輻射探測(cè)器[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社, 2009:103-125.

[2]程業(yè)勛，王南萍，侯勝利.核輻射場(chǎng)與放射性勘查[M].北京：地質(zhì)出版社, 2005:22-61.

[3]林炳興，閆世平，林立雄.總α和總β測(cè)定方法研究[J].輻射防護(hù), 2009, 29(1):18-24.

[4]劉明健，姜榮濤，張 燕，等.α、β復(fù)合閃爍體厚度與探測(cè)效率的關(guān)系[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù),2009,29(3):630-632.

[5]姜榮濤，谷鐵男，張 燕，等.用于復(fù)合閃爍體的α、β脈沖甄別電路設(shè)計(jì)[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù),2010,30(7):980-982.

[6]JJG 478-1996，α、β和γ表面污染儀[S].

Efficient α,β Detection Based on Composite Scintillator

FENG Yan-qiang,XU Jian,WANG Wei

(BeijingResearchInstituteofUraniumGeology,Beijing100029,China)

The α,β pulse-discriminating circuit was designed based on α,β pulse waveform characteristics produced from the composite scintillator which made up of ZnS(Ag) and plastic scintillator.Experimental results shew that α ray detection efficiency is about 50% when α ray enter β circuit less than 5%;and the β ray detection efficiency is about 35% when β ray enter α circuit less than 1%. Therefore α, β ray can be efficiently detected when string pass ratio is very low.

composite scintillator; pulse-discriminating circuit; α,β efficient detection

10.3969/j.issn.1000-0658.2015.03.009

2013-06-10 [改回日期]2015-01-06

馮延強(qiáng)(1984—)，男，助理工程師，2012年畢業(yè)于北京化工大學(xué)控制學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)，從事放射性、環(huán)境監(jiān)測(cè)、地質(zhì)勘探儀器研發(fā)。E-mail：fengyanqiang＿2005@163.com

1000-0658(2015)03-0407-06

P631.6+3

A