余 強，李元東,，余 鵬，嚴 磊，王 亮

(1.四川省輻射環(huán)境管理監(jiān)測中心站，成都 611139 ；2.成都理工大學核技術與自動化工程學院，成都 610059；3.成都新核泰科科技有限公司，成都 610059)

前 言

2019年國家核安全局明確指出中國將陸續(xù)開工建設核電項目，在核工業(yè)快速發(fā)展的大力推動下，輻射環(huán)境監(jiān)測事業(yè)對環(huán)境γ能譜測量技術提出了更高要求，而車載環(huán)境γ能譜測量系統(tǒng)是環(huán)境γ能譜測量領域重要儀器設備，可完成在復雜條件下的移動式連續(xù)點測工作，具有經(jīng)濟實用、靈活高效等優(yōu)點，目前已成為研究熱點，具有廣闊的應用前景[1-2]。

車載環(huán)境γ能譜測量系統(tǒng)的探測器直接決定了測量系統(tǒng)的精確度，探測器的能量分辨率和核素識別能力是設計的關鍵技術指標，良好的計數(shù)穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性是推廣應用的前提，也是測試研究的難點[3-4]。據(jù)此，本文針對車載環(huán)境γ能譜測量系統(tǒng)設計了大體積雙NaI(Tl)晶體探測器，并測試了重要指標，以滿足巡測工作中快速監(jiān)測的要求，為車載能譜系統(tǒng)設計提供實驗基礎。其中，探測器為SAINT-GOBAIN公司生產(chǎn)的大體積NaI(Tl)閃爍體，型號為4×4H16/3.5-X，單條晶體尺寸為100×100×400mm3；系統(tǒng)配置數(shù)字多道脈沖幅度分析器積分非線性優(yōu)于0.08%，微分非線性優(yōu)于0.50%，最大計數(shù)通過率為400Kcps，直流偏移調(diào)節(jié)范圍為-1.024V至+1.024V。

1 探測器設計

1.1 設計方案

常用的γ探測器有高純鍺(HPGe)探測器、碲鋅鎘(CZT)探測器、溴化鑭(LaBr3)探測器和NaI(Tl)晶體探測器等。其中HPGe探測器能量分辨率好，但探測效率低，大體積HPGe探測器成本昂貴，在實際應用中受到限制[5]。CZT探測器能量分辨率好，穩(wěn)定性強，但因目前生長技術限制，無法實現(xiàn)大體積CZT晶體的制備，導致探測效率較低，故不符合車載能譜測量系統(tǒng)的技術要求。LaBr3探測器時間分辨率和能量分辨率較好，但自身輻射和天然輻射本底較復雜，對測量數(shù)據(jù)干擾較強，探測器探測下限較高，不滿足環(huán)境測量要求。

相對上述探測器，NaI(Tl)晶體探測器兼具探測效率和發(fā)光效率高、溫度效應小、天然輻射本底譜簡單、自吸收現(xiàn)象弱、對X射線和γ射線分辨能力強等優(yōu)勢，且其最大發(fā)射波長為415 nm，可與光電倍增管光陰極良好匹配[6]。因此，采用大體積雙NaI(Tl)晶體既可提高探測效率，節(jié)約應急監(jiān)測時間，又符合車載環(huán)境γ能譜測量系統(tǒng)整體要求。

1.2 探測器封裝及隔熱裝置設計

圖1為探測器封裝圖，雙4L NaI(TI)晶體探測器的外部封裝為噴漆尼龍，內(nèi)部封裝為隔熱泡沫，該封裝可滿足普通巡測車空間要求。

圖1 探測器封裝圖

圖2為探測器隔熱裝置，首先在探測器晶體封裝各表面均勻粘貼厚度為5cm的雙面膠，其次對齊粘貼厚度為2mm耐高溫硅膠墊片，最后用透明膠布裹牢并緊壓外表面。

圖2 晶體探測部分隔熱膜圖

此過程需注意：(1)勿使包裹超出螺紋安裝平面，否則將導致無法安裝蓋板；(2)保證硅膠墊片尺寸大于探測器晶體封裝尺寸，以便硅膠墊片經(jīng)折疊后可覆蓋晶體。

1.3 探測器箱體設計

首先，安裝蓋板并將內(nèi)部隔板置于泡沫底部，采用發(fā)泡劑填充阻燃隔熱硬質(zhì)泡沫縫隙， 此過程如圖3(a)圖所示。其次，在蓋板上安裝光電倍增管箱體，填充泡沫發(fā)泡劑后裝入箱體，注意避免安裝力度過大導致箱體損壞，必要時可適當減少泡沫厚度，此過程如圖3(b)圖所示。最后，放入泡沫并填充發(fā)泡劑，依次安裝蓋板和尼龍底板，旋緊螺絲固定箱體，此過程如圖3(c)圖所示。

圖3 探測器箱體圖

2 性能測試

2.1 能量分辨率

測量探測器對137Cs放射源的662keV γ射線能譜響應。將放射源置于探測器正上方，測量時間為60s，道數(shù)為1 024，測試結果如圖所示，圖4是單晶體譜(a)，圖5是單晶體譜(b)，圖6是單晶體譜(a)和單晶體譜(b)的合成譜。

圖中合成譜峰位和單晶體譜峰位均為239，合成譜能量分辨率為6.73%，與美國RSI公司RS-700型γ能譜測量系統(tǒng)分辨率持平。

圖4 單晶體譜(a)

圖5 單晶體譜(b)

2.2 計數(shù)穩(wěn)定性

測量探測器對天然放射性核素K、U、Th，總道連續(xù)測量時間7h以上，每小時取一組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)取30秒測量數(shù)據(jù)的平均值進行數(shù)據(jù)處理分析，結果如表1。

表1 計數(shù)穩(wěn)定性結果

可見，K計數(shù)穩(wěn)定性優(yōu)于0.842%，U計數(shù)穩(wěn)定性優(yōu)于2.99%，Th計數(shù)穩(wěn)定性優(yōu)于4.2%，計數(shù)穩(wěn)定性好，優(yōu)于德國Target公司移動式環(huán)境輻射監(jiān)測系統(tǒng)。

2.3 實時監(jiān)控

窗口計數(shù)連續(xù)監(jiān)控界面如圖7所示，可以連續(xù)實時顯示238U、232Th 、40K核素的計數(shù)率，測量周期為1s。

圖7 實時監(jiān)控界面

2.4 核素識別

核素識別實驗采用152Eu放射源，152Eu源的γ射線能量多，有121.8keV、244.7keV、344.3keV、778.9keV、964.1keV、1 085.8keV、1 112.1keV、1 408.0keV等8種能量，可用以測試探測器核素識別能力，能譜響應如圖8所示。

可見，探測器可清晰分辨152Eu放射源各能量峰，可實現(xiàn)核素識別功能。

圖8 核素識別響應圖

2.5 溫度穩(wěn)定性

將探測器置于恒溫箱內(nèi)，以20℃下對137Cs源的能量分辨率6.73%為參考，測量探測器在0℃、40℃的能量分辨率的相對變化，分別進行5次實驗，結果如表2所示。

表2 溫度穩(wěn)定性測試結果

可見，探測器能量分辨率的溫度穩(wěn)定性好，最大變化小于2.93%，溫度穩(wěn)定性優(yōu)于核工業(yè)北京地質(zhì)研究院的GP-106型四道車載γ能譜系統(tǒng)，這也驗證了探測器隔熱設計的合理性。

3 結 論

為車載環(huán)境γ能譜測量系統(tǒng)設計了大體積雙NaI(Tl)晶體探測器，概述了設計方案，測試了主要性能指標。該探測器具有能量分辨率好、穩(wěn)定性強、可識別多種核素等優(yōu)點，有望被廣泛應用。