馮延強，徐 健，王 瑋

(核工業(yè)北京地質(zhì)研究院， 北京 100029)

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基于復合閃爍體實現(xiàn)α、β射線的高效探測

馮延強，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合閃爍體，利用α、β射線在儀器中產(chǎn)生的脈沖波形特征，設計了α、β脈沖甄別電路。實驗結果表明，α射線對β道串道比在5%以內(nèi)時，β射線的探測效率約為50%；β射線對α道串道比為1%時，α射線的探測效率約為35% ，實現(xiàn)了在較低串道比條件下對α、β射線的高效探測。

復合閃爍體；脈沖甄別電路；α、β射線高效探測

核輻射主要包括α射線、β射線和γ射線 3種，其中α、β射線的穿透能力差，需要避免接觸式進入體內(nèi)的電離危害，即進行表面污染檢測防護[1]。在α、β表面污染檢測時，一般采用將ZnS(Ag)涂在塑料閃爍體上組成的閃爍體(簡稱復合閃爍體)[2-3]。參考劉明健等人[4]對復合閃爍體厚度與探測效率的研究，選擇了合適的復合閃爍體，與此同時分析了α、β串道比較高的影響因素，并針對α、β射線經(jīng)復合閃爍體產(chǎn)生的脈沖波形特征，設計了相應的脈沖甄別電路，實現(xiàn)了在較低串道比條件下的α、β射線高效探測。

1 利用復合閃爍體探測α、β射線

探測α射線一般采用ZnS(Ag)無機閃爍體，探測β射線大多選用塑料閃爍體或有機液體閃爍體，同時檢測α、β射線可通過復合閃爍體來實現(xiàn)。ZnS(Ag)發(fā)光光譜為400～600 nm，只對α粒子發(fā)光效率高，而對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ZnS(Ag)的光導，并使高能的γ射線穿透，這樣就保證了在探測β射線的同時也能檢測到α射線。因此利用復合閃爍體吸收α、β射線，產(chǎn)生的熒光光子通過光電倍增管放大、收集后產(chǎn)生相應的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，進而實現(xiàn)對其探測。其整體設計框架見圖1。

該設計在實際應用中，為了消除環(huán)境中γ射線產(chǎn)生的干擾采取兩方面措施：(1)探測器采用薄層塑料閃爍體，保障了探測β射線的同時也能使高能的γ射線穿透，從而避免高能γ射線的干擾；(2)探頭設計了前端保護鋁殼，在實際測量時，先不打開前端鋁殼，這樣探測不到α、β射線，但能接收到環(huán)境中存在的干擾γ射線，將此干擾作為本底存儲在設備中。這樣在同一環(huán)境中正常測量α、β

圖1 基于復合閃爍體探測α、β射線的整體設計框架Fig.1 Design framework of detecting α,β rays based on composite scintillator

射線時，通過扣除本底的方式也可消除部分γ射線干擾[5]。以上兩項措施，基本可以消除環(huán)境中γ射線的干擾。

2 α、β射線探測時串道現(xiàn)象分析

串道是儀器測量單一α或β參考源時，在β道或α道產(chǎn)生計數(shù)的現(xiàn)象。即α射線產(chǎn)生的脈沖信號幅度較低時會進入β道，被當做β射線計數(shù)；或者β射線產(chǎn)生的脈沖信號幅度較高會進入α道，被當做α射線計數(shù)。并且通過設置α道和β道的閾值，串道現(xiàn)象是不能直接被消除的。

實驗中對該問題進行了相應的測量和分析，認為串道現(xiàn)象的存在是由于以下兩個因素導致:(1)復合閃爍體不具備能量區(qū)分能力。雖然α射線能量大多在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射線的分立能譜不同的是β射線的能譜是連續(xù)分布的。但是探測α射線與β射線是ZnS(Ag)和塑料閃爍體獨立發(fā)光產(chǎn)生脈沖幅度信號的。這樣反映在儀器中的脈沖信號上α射線產(chǎn)生的信號幅度較β射線產(chǎn)生的信號幅度一般要大很多。但由于復合閃爍體不能進行能量區(qū)分，所以會出現(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)在測量結果上即出現(xiàn)串道現(xiàn)象(圖2)。(2)α能譜存在拖尾現(xiàn)象。由于α射線入射閃爍體時的角度不同，產(chǎn)生的光脈沖信號強弱就不同，反映在儀器中即α射線產(chǎn)生的信號脈沖幅度不同，這種α能譜分析存在拖尾現(xiàn)象已被大家所認同。α能譜存在的拖尾現(xiàn)象，會導致低能區(qū)的α射線進入β道，必然造成串道現(xiàn)象的發(fā)生。

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

3 預處理積分電路設計

根據(jù)對α、β射線探測時串道現(xiàn)象的分析，結合復合閃爍體不具備能量區(qū)分的性質(zhì)，為了將α、β射線區(qū)分開，設計了基于α、β射線脈沖信號波形特征的預處理電路[4]。

一般情況下，復合閃爍體和光電倍增管輸出的信號中，α脈沖信號幅度較β脈沖信號幅度大很多，但由于α粒子的能量分布存在拖尾現(xiàn)象等原因，會導致少數(shù)情況下α、β脈沖信號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行α、β射線區(qū)分，必

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

然會導致串道比增大，對應的探測效率降低。但是即使α、β脈沖信號幅度接近時，α脈沖信號的寬度較β脈沖信號寬度也會大很多。利用這一信號脈沖的波形特征，結合積分電路(圖4)的特性便可實現(xiàn)將α、β射線較好地區(qū)分開。

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；積分時間常數(shù)τ=RC與信號脈沖前沿時間t的關系直接決定了積分結果。

假設積分電路輸入的α、β信號是幅度均為VI、信號寬度分別為tα和tβ的矩形脈沖(圖5a)，則積分電路的積分時間常數(shù)τ與α、β信號寬度有以下3種情況：(1)τ?tα?tβ，此時α、β信號輸出電壓Vα和Vβ均能達到輸入電壓幅度VI(圖5b)；(2)tβ?τ?tα，此時β信號輸出電壓Vβ還沒達到輸入電壓幅度VI時，積分時間已到，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α、β信號輸出電壓Vα和Vβ均沒達到輸入電壓幅度VI時，積分時間已到，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，應該選擇tβ<τ≤tα(圖5c)的積分電路時間常數(shù)，這樣積分結果會保持α信號的幅度不變，同時降低β信號的輸出幅度。圖6為經(jīng)過積分后的信號脈沖?？梢娊?jīng)過積分電路預處理后，α信號輸出幅度與輸入信號幅度一致(圖6a)，β信號輸出幅度約為輸入幅度的2/3(圖6b)，實現(xiàn)了積分電路的設計目的。

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射線矩形脈沖信號；b—積分時間常數(shù)均小于α、β射線信號寬度；c—積分時間常數(shù)大于β射線信號寬度而小于α信號射線寬度；d—積分時間常數(shù)均大于α、β射線信號寬度。VI—積分輸入電壓；Vα—α射線矩形脈沖信號積分輸出電壓；Vβ—β射線矩形脈沖信號積分輸出電壓；τ—積分時間常數(shù)；tα—α脈沖信號寬度；tβ—β脈沖信號寬度。

圖6 α、β脈沖信號經(jīng)過積分電路處理前后對比圖Fig.6 α, β pulse signals before and after integrating a—α脈沖信號積分前、后對比；b—β脈沖信號積分前、后對比。

4 實驗測試結果分析

利用239Pu(α標準源)和90Sr-90Y(β標準源)進行了實驗測量，結果見表1。其中串道和探測效率計算方法如下[6-7]：

(1)α射線對β道串道比ηαβ計算方法：

(2)

(2)β射線對α道串道比ηαβ計算方法：

(3)

(3)探測效率計算方法：

(4)

從表1可知：α道對β道串道比在5%以內(nèi)時，探測效率為50%，β道對α道串道比為1%時，探測效率為35%。

表1 α、β標準源實驗測試數(shù)據(jù)

利用國內(nèi)其它表面污染檢測設備測量同一239Pu放射源(α標準源)和90Sr-90Y放射源(β標準源)，并與表1實測結果進行了對比，結果見表2，可見增加基于α、β脈沖波形特征的積分預處理電路后，在國內(nèi)同類儀器中實現(xiàn)了較低串道比，并使探測α、β的效率有一定提高。

表2 不同設備測量結果對比數(shù)據(jù)表

5 結論

通過標準源實際測量可知：基于復合閃爍體，利用其產(chǎn)生的α、β脈沖波形特征，設計的信號預處理積分電路以及后續(xù)相應電路，可以實現(xiàn)較低串道比條件下的較高效α、β表面污染探測。利用239Pu和90Sr標準源試驗結果顯示：α道對β道串道比在5%以內(nèi)時，探測效率約為50%，β道對α道串道比為1%時，探測效率約為35%。

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[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(1984—)，男，助理工程師，2012年畢業(yè)于北京化工大學控制學與工程專業(yè)，從事放射性、環(huán)境監(jiān)測、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