α/β探測(cè)器改進(jìn)設(shè)計(jì)

李元東，鄧曉欽，徐斌，王亮，徐僳，周俊宇，曾國(guó)強(qiáng)，葛良全，蔣兵

（1.四川省輻射環(huán)境管理監(jiān)測(cè)中心站，成都 611139； 2.成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院，成都 610059）

引言

α粒子與β粒子是核能與核技術(shù)工程研究熱點(diǎn)，具有較強(qiáng)的電離能力，一旦進(jìn)入體內(nèi)將導(dǎo)致內(nèi)照射放射損傷，嚴(yán)重威脅著人體健康，已成為輻射環(huán)境領(lǐng)域的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象[1,2]。便攜式α/β表面污染儀是監(jiān)測(cè)環(huán)境中α粒子與β粒子的重要設(shè)備，其探測(cè)器通常采用復(fù)合閃爍體與光電倍增管組成，而光電倍增管體積大、工作電壓高、抗干擾性能和抗機(jī)械性能弱，導(dǎo)致探頭應(yīng)用范圍受限[3,4]?？梢?jiàn)，傳統(tǒng)α/β探測(cè)器已不符合當(dāng)前技術(shù)要求，在加強(qiáng)輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)的大力推動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)對(duì)α/β探測(cè)器小型化和低電壓的改進(jìn)是目前亟待解決的問(wèn)題。

1 復(fù)合閃爍體

1.1 α探測(cè)器對(duì)比

常用的α粒子探測(cè)器有硫化鋅（銀）閃爍體、硅擴(kuò)散結(jié)探測(cè)器、金-硅面壘探測(cè)器、高純鍺半導(dǎo)體探測(cè)器以及核乳膠徑跡探測(cè)器等。硅擴(kuò)散結(jié)探測(cè)器死層厚，探測(cè)效率低[5]。金-硅面壘探測(cè)器抗干擾性差，不適合移動(dòng)監(jiān)測(cè)。高純鍺半導(dǎo)體探測(cè)器造價(jià)高，探測(cè)效率低。核乳膠徑跡探測(cè)器不可在線獲取數(shù)據(jù)，且制作工藝繁瑣[6]。

硫化鋅（銀）閃爍體是用銀激活的硫化鋅晶體，呈粉末狀，顆粒度較小，透明度較低，易加工，適合制備薄層，性價(jià)比高，相對(duì)光輸出較高，閃爍衰減時(shí)間平均衰減時(shí)間為200 ns，發(fā)射光譜峰位于450 nm，與硅光電倍增管光譜匹配度高[7]，且對(duì)α粒子的能量損失率大，阻止本領(lǐng)強(qiáng)，探測(cè)效率可達(dá)100 %，適合作為便攜式α/β表面污染儀的α探測(cè)器[8]。

1.2 β探測(cè)器對(duì)比

常用的β粒子探測(cè)器有蓋革管、玻璃閃爍體、液體閃爍體、塑料閃爍體以及塑料閃爍體等。蓋革管工作電壓高，體積較大。液體閃爍體具有一定毒性，移動(dòng)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大。玻璃閃爍體雖然衰減時(shí)間短，但發(fā)光效率低，不適合低技術(shù)測(cè)量[9]。

塑料閃爍體是有機(jī)閃爍物質(zhì)，易于制作成多種形狀，性價(jià)比高，透明度高，光傳輸性能好，抗輻照能力、抗潮解能力和抗機(jī)械性能強(qiáng)，閃爍衰減時(shí)間短，可用于高強(qiáng)度輻射測(cè)量[10]。塑料閃爍體穩(wěn)定性好，無(wú)需特殊封裝，發(fā)光效率的時(shí)間穩(wěn)定性優(yōu)異。此外，塑料閃爍體與閃爍體的光譜匹配度高，與基質(zhì)光譜匹配度低，可避免基質(zhì)干擾[11]，適合作為便攜式α/β表面污染儀的β探測(cè)器。

1.3 復(fù)合閃爍體選型

綜上可知，可采用硫化鋅（銀）閃爍體和塑料閃爍體探測(cè)α粒子和β粒子。EJ-444復(fù)合閃爍體由塑料閃爍體表面敷均勻硫化鋅（銀）晶體組成，且易被加工，對(duì)γ射線靈敏度低，適合測(cè)量α粒子和β粒子活度。本設(shè)計(jì)采用EJ-444復(fù)合閃爍體，其硫化鋅（銀）晶體可探測(cè)全部α粒子，低能量β粒子又可穿過(guò)硫化鋅（銀）晶體而被塑料閃爍體探測(cè)[12,13]，即實(shí)現(xiàn)同時(shí)探測(cè)α粒子和β粒子。

2 光電轉(zhuǎn)換器

除閃爍體外，探測(cè)器的重要組成部分還有光電倍增器件。常用的光電轉(zhuǎn)換器有：光電二極管、光電倍增管、硅光電倍增管、雪崩光電二極管。光電倍增管存在抗機(jī)械性能差、體積大、電壓高等缺點(diǎn)[14]。光電二極管雖然具備電壓低、響應(yīng)速度快和體積小等優(yōu)點(diǎn)，但是自身無(wú)增益，因此噪聲大，輸出信號(hào)信噪比低。雪崩光電二極管電壓高，倍增系數(shù)的溫度穩(wěn)定性差，因此實(shí)際應(yīng)用范圍受限[15]。

硅光電倍增管是新型光電倍增器件，由并聯(lián)的雪崩光電二極管陣列集成于薄單晶硅片而組成，每個(gè)雪崩光電二極管工作于蓋革模式[16]。當(dāng)雪崩光電二極管受射線照射，轉(zhuǎn)換增益可達(dá)106。硅光電倍增管的增益比雪崩光電二極管和光電二極管穩(wěn)定；單光子分辨率、時(shí)間分辨率、增益等參數(shù)比光電倍增管佳，且工作電壓較低；電二極管的讀出電路復(fù)雜，增加了探頭設(shè)計(jì)難度。此外，硅光電倍增管的體積小、抗輻照能力強(qiáng)、探測(cè)效率高、磁場(chǎng)穩(wěn)定性強(qiáng)、易于封裝、性價(jià)比高[17]。硅光電倍增管在峰值波長(zhǎng)（420 nm）處的光子探測(cè)效率可達(dá)40 %，EJ-444復(fù)合閃爍體峰值波長(zhǎng)為423 nm，可見(jiàn)硅光電倍增管與EJ-444復(fù)合閃爍體的光譜匹配度高，將二者直接耦合組成探測(cè)器，可以有效降低熒光虧損。因此，本設(shè)計(jì)將硅光電倍增管耦合EJ-444復(fù)合閃爍體組成新型探測(cè)器。

3 α/β探測(cè)器改進(jìn)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)將硅光電倍增管耦合復(fù)合閃爍組成新型α/β探測(cè)器，封裝體積為Φ8.0 cm×3.0 cm，見(jiàn)圖1。

γ射線能量高，可穿透薄復(fù)合閃爍體；α粒子質(zhì)量大，穿透能力弱，在硫化鋅（銀）閃爍體中能量可全部損耗；β粒子穿透能力較γ射線弱，但復(fù)合閃爍體對(duì)β粒子的能量損失率大，阻止本領(lǐng)強(qiáng)，能夠使得β粒子能量完全損耗。因此，新型α/β探測(cè)器即可減弱γ射線干擾，又可同時(shí)探測(cè)α粒子和β粒子。在使用探測(cè)器時(shí)，為避免進(jìn)入灰塵和碰撞損壞，本設(shè)計(jì)在探測(cè)器前端增加保護(hù)鋁殼。在實(shí)際應(yīng)用中，為減小系統(tǒng)誤差，準(zhǔn)確測(cè)量α粒子和β粒子，首先安裝保護(hù)鋁殼，保護(hù)鋁殼可阻止α粒子和β粒子進(jìn)入探測(cè)器，但無(wú)法阻止γ射線，因此可通過(guò)核信號(hào)處理系統(tǒng)測(cè)量γ射線干擾值，再將該干擾值作為環(huán)境本底，必要時(shí)可采取多次測(cè)量取平均值的方式記錄在核儀器中，如此可有效減弱γ射線對(duì)儀器的干擾。

圖1 新型α/β探測(cè)器

鋁合金小巧輕便，機(jī)械穩(wěn)定性好，因此本設(shè)計(jì)探測(cè)器采用鋁合金作為支架固定。金屬鋁硬度小，延展性好，易于制成薄鋁膜。而鋁膜的避光性能強(qiáng)，因此本設(shè)計(jì)在閃爍體上方加薄鋁膜避光。但因光的衍射現(xiàn)象，部分光子依然可以穿過(guò)鋁膜的微孔，對(duì)α粒子和β粒子的測(cè)量造成干擾。因此，為進(jìn)一步削弱外界光子干擾，本設(shè)計(jì)采用橫縱交錯(cuò)的雙重鋁膜進(jìn)行避光。為實(shí)現(xiàn)硅光電倍增管耦合復(fù)合閃爍體，在鋁支架下方開(kāi)一小口，保證小口與硅光電倍增管吻合，減少熒光損失率。塑料閃爍體被射線照射后產(chǎn)生分子激發(fā)現(xiàn)象，被激發(fā)的分子在退激發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生光子而釋放能量。為提高硅光電倍增管光子收集率，本設(shè)計(jì)在鋁合金支架表面敷一層鍍膜用氧化鎂，用以反射光子，使光子匯于硅光電倍增管處。光子通過(guò)硅光電倍增管轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，最終被核信號(hào)處理系統(tǒng)獲取。本設(shè)計(jì)中硅光電倍增管由SensL公司生產(chǎn)，型號(hào)為MicroFC-10010-SMT，工作電壓范圍為23～26 V，針對(duì)探測(cè)器發(fā)出的熒光，靈敏度較高，信號(hào)輸出量較大。

4 結(jié)論

開(kāi)展了對(duì)傳統(tǒng)便攜式α/β表面污染儀探測(cè)器的改進(jìn)工作，采用復(fù)合閃爍體探測(cè)α粒子和β粒子，采用硅光電倍增管作為光電轉(zhuǎn)換器，采用鋁合金設(shè)計(jì)架構(gòu)，最終滿足了探測(cè)器體積小、電壓低、便攜度高和機(jī)械性能強(qiáng)的設(shè)計(jì)要求，有望被廣泛應(yīng)用。