定位三維空間方向放射源的三晶體耦合γ射線探測器

魏亞龍

摘 要：由于γ放射源的使用廣泛，其體積小、輻射效應(yīng)強(qiáng)，一旦遺失會(huì)造成嚴(yán)重的后果。因此設(shè)計(jì)一種能夠快速、精確定位空間γ放射源的探測器非常重要。

本論文研究了三晶體耦合γ方向探測器的定位原理及探測器的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)原理。

關(guān)鍵詞：三晶體耦合;γ放射源定位;

1.課題背景及意義

隨著我國核工業(yè)的發(fā)展，放射源廣泛應(yīng)用在國防、科研教學(xué)等領(lǐng)域。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國現(xiàn)在大約有放射性同位素與輻射技術(shù)應(yīng)用的各類放射源7-8余萬枚，其中，廢源約有2.5萬枚。在這些放射源中至少有2000枚放射源完全失控、流失于社會(huì)之中，近幾年，因放射源導(dǎo)致的事故頻頻發(fā)生，每年都有將近30起事故或事件發(fā)生。一旦發(fā)現(xiàn)放射源丟失，如何能盡快將其安全找回顯得尤為重要。

2.輻射探測理論基礎(chǔ)

2.1γ射線與物質(zhì)的相互作用

γ射線難用儀器直接測量，通常使用間接法測量。γ射線是一種高頻電磁波，當(dāng)其穿過物質(zhì)時(shí)，一般與以下對象發(fā)生相互作用：自由電子或者束縛電子、原子核、原子核或者電子的庫侖場等。

γ射線一般與物質(zhì)可能發(fā)生12種相互作用，γ射線主要通過光電效應(yīng)、康普頓散射、電子對效應(yīng)三種方式與物質(zhì)發(fā)生作用并產(chǎn)生次級電子，這些次級電子能使介質(zhì)中的原子發(fā)生電離和激發(fā)。通過這種機(jī)制可以探測到γ射線。

2.2探測器相關(guān)理論

γ探測器是核輻射探測器重要的組成部分，常見的γ探測器有：氣體電離探測器、閃爍體探測器。

2.2.1γ探測器介紹

（1）氣體電離探測器

常見的氣體探測器有電離室、正比計(jì)數(shù)管、和蓋革—米勒計(jì)數(shù)管。由于氣體探測器的低探測效率，常用于輻射防護(hù)領(lǐng)域，無法滿足尋源探測器的需求。

（2）閃爍體探測器

閃爍體探測器的優(yōu)點(diǎn)是探測效率高，空間分辨率和時(shí)間分辨率好，時(shí)間和空間分辨分別可達(dá)10-9秒和毫米量級，且能夠分辨入射粒子的種類，還能根據(jù)脈沖幅度確定入射粒子的能量。

2.2.2閃爍體探測器性能

閃爍晶體是閃爍探測器的重要組成部分，它性能的好壞對探測器性能的影響很大。閃爍晶體主要的性能有：光輸出量、能量響應(yīng)、發(fā)射光譜、光衰時(shí)間和探測效率。

閃爍晶體材料因其固有的吸收射線輻射而發(fā)光的特性成為測量射線能量和強(qiáng)度的良好材料。較為理想的閃爍體晶體應(yīng)具備以下性質(zhì)：高閃爍效率、光產(chǎn)額與入射粒子沉積的能量呈正比、自吸收小、光學(xué)性質(zhì)良好、折射率應(yīng)接近玻璃折射率

目前市場上使用的有NaI（Tl），BGO無機(jī)閃爍和液體、塑料閃有機(jī)爍體。每種閃爍晶體對應(yīng)的發(fā)射波長、光產(chǎn)額、衰減時(shí)間、潮解性質(zhì)等也不相同。每種晶體都有自身的優(yōu)缺點(diǎn)，所以在探測器設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮它們的優(yōu)缺點(diǎn)，挑選符合設(shè)計(jì)要求的晶體。

目前使用較多的閃爍晶體是碘化鈉NaI（Tl）晶體，且是所有閃爍體中發(fā)光效率最高的，受溫度影響較小、價(jià)格低，具有良好的能量分辨率，可以較好地識別入射粒子的種類。

CsI（Tl）晶體的發(fā)光主峰波長在550nm，抗熱沖擊能力強(qiáng)，具有一定的可塑性，易于加工成各種形狀。

CsI（Tl）晶體與NaI（Tl）晶體相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：密度高、難潮解、耐輻照、射線阻止本領(lǐng)強(qiáng)、對能量較高的射線探測效率高。

Bi3Ge4O12（BGO）是一種新型的閃爍體材料BGO密度更大，對射線的阻止本領(lǐng)更強(qiáng)，且不潮解，發(fā)光主峰波長為480nm，在射線吸收方面，BGO對X射線的吸收系數(shù)是NaI（Tl）的2.5倍，相同探測效率，整體幾何體積為NaI（Tl）的10%左右。

3.探測器設(shè)計(jì)

三晶體耦合γ射線方向探測器將三個(gè)不同類型的閃爍體晶體，NaI（Tl）晶體、CsI（Tl）晶體、BGO晶體耦合在同一光電倍增管上。對于同一能量的γ光子，不同閃爍晶體的閃爍效率不同，耦合在同一個(gè)光電倍增管上，處理后得到分離的全能峰。據(jù)此，我們可以用兩種或者兩種以上的閃爍體晶體耦合測量得到每個(gè)閃爍晶體全能峰的計(jì)數(shù)。

由于三個(gè)晶體之間以及鉛芯與晶體之間會(huì)形成屏蔽效應(yīng)，故當(dāng)γ射線從不同方向入射時(shí)，三個(gè)晶體中各自的有效γ光子數(shù)不同，這樣三個(gè)晶體輸出的全能峰計(jì)數(shù)不同。我們以NaI晶體為例來說明，當(dāng)γ射線正對NaI晶體入射時(shí)，全能峰計(jì)數(shù)有最大值;當(dāng)γ射線偏離NaI晶體時(shí)，全能峰計(jì)數(shù)下降;當(dāng)γ射線正對鉛芯入射時(shí)，全能峰計(jì)數(shù)有最小值。因此，探測器得到的全能峰計(jì)數(shù)與入射粒子的方向有關(guān)。在定位放射源時(shí)，只要旋轉(zhuǎn)探測器的探頭測量出某一位置的全能峰計(jì)數(shù)，就可以得到放射源的方向，從而定位放射源。

使用單一晶體也能測得放射源的位置，但是在某些特殊角度會(huì)產(chǎn)生較大的偏差。本論文采用三晶體耦合的探測器測得三個(gè)入射角，然后對所測的三個(gè)角度求平均可以大大增加定位的準(zhǔn)確性。

4.探測器結(jié)構(gòu)

三晶體耦合γ射線方向探測器有以下部分組成：用來包裹三個(gè)晶體的金屬鋁制圓筒、金屬鋁制圓筒前端的鋁制前蓋、金屬鋁制圓筒中心的圓柱形鉛芯、鉛芯外表面的三個(gè)閃爍晶體、三個(gè)閃爍晶體外表面的氧化鎂反射層以及金屬鋁制圓筒內(nèi)的光電倍增管。其中閃爍晶體是由三個(gè)形狀相同的晶體構(gòu)成，它們分別是NaI（Tl）晶體、CsI（Tl）晶體和BGO 晶體。三個(gè)晶體都是圓心角為120°的扇狀柱體。

探測器的具體設(shè)計(jì)為：探測器最外部是空心金屬鋁制圓筒，金屬鋁制圓筒的最前端是一個(gè)鋁制前蓋，金屬鋁制圓筒中心是圓柱形金屬鉛芯，圓柱形金屬鉛芯的外表面是無機(jī)閃爍晶體，無機(jī)閃爍晶體外表面是氧化鎂反射層，金屬鋁制圓筒內(nèi)設(shè)置有光電倍增管，無機(jī)閃爍晶體由形狀相同的NaI（Tl）晶體、CsI（Tl）晶體和BGO晶體構(gòu)成，NaI（Tl）晶體、CsI（Tl）晶體和BGO 晶體是圓心角均為120°的扇狀柱體，閃爍晶體內(nèi)徑為30mm，外徑為75mm，高為50mm。鋁制前蓋與金屬鋁制圓筒之間由環(huán)氧樹脂密封，端面的氧化鎂反射層與金屬鋁制前蓋之間設(shè)有海綿墊襯。金屬鋁制圓筒內(nèi)表面涂有光學(xué)耦合劑和膠粘劑。閃爍晶體與圓柱形金屬鉛芯之間設(shè)有氧化鎂反射薄層，NaI（Tl）晶體、CsI（Tl）晶體和BGO 晶體之間也有氧化鎂反射薄層，金屬鋁制圓筒上刻有0°刻度線。各部件的具體尺寸為：金屬鋁制前蓋內(nèi)徑為83mm、外徑為87mm、深為10mm，厚為2mm;氧化鎂反射層厚度為2mm，空心圓柱狀氧化鎂反射層的內(nèi)徑為75mm，外徑為79mm，深為50mm;金屬鋁制圓筒內(nèi)徑為79mm，外徑為83mm;海綿墊襯直徑為79mm，厚為2mm;圓柱狀金屬鉛芯直徑為30mm，高為50mm。

5總結(jié)及后續(xù)工作方向

三晶體耦合γ射線方向探測器是根據(jù)不同閃爍晶體有不同的閃爍效率，通過同一多道分析器后全能峰峰位不同來得到三個(gè)全能峰的計(jì)數(shù)，三個(gè)不同的全能峰計(jì)數(shù)與射線入射角度之間存在函數(shù)關(guān)系，后續(xù)將通過函數(shù)擬合得到全能峰計(jì)數(shù)函數(shù)，再根據(jù)擬合得到的函數(shù)設(shè)計(jì)，四次測量法，進(jìn)行γ放射源定位，能夠更準(zhǔn)確地定位放射源的位置。

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