本發(fā)明涉及一種可同時(shí)測(cè)量β、γ能譜的層疊型閃爍體探測(cè)器，屬于β能譜測(cè)量、γ能譜測(cè)量、混合輻射場(chǎng)粒子甄別
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：在核設(shè)施場(chǎng)所中，往往同時(shí)存在多種類型的輻射粒子(β、γ、n等)；由于放射性核素發(fā)生β衰變往往會(huì)伴隨發(fā)射出γ射線，因此β、γ混合輻射場(chǎng)是一種很常見的混合場(chǎng)。能量相同的β射線穿透能力遠(yuǎn)不及γ射線，因此需要分別測(cè)量混合場(chǎng)中的β、γ能譜信息，以便采取合理防護(hù)措施。想要分別獲取混合場(chǎng)中的β能譜和γ能譜，關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)都是實(shí)現(xiàn)β、γ粒子的甄別。一方面，β、γ粒子具有類似的輻射靈敏性，用于測(cè)量β粒子的探測(cè)器對(duì)γ粒子也有較大的響應(yīng)；反之，用于測(cè)量γ粒子的探測(cè)器也能對(duì)β粒子產(chǎn)生響應(yīng)。另一方面，β射線的本質(zhì)是電子，而γ光子通過光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子效應(yīng)產(chǎn)生電子，最終也是由電子在探測(cè)器晶體中實(shí)現(xiàn)沉積能量的，而這三種效應(yīng)的時(shí)間極快，因此β、γ射線在探測(cè)器晶體中產(chǎn)生的信號(hào)形狀非常相似，不能用傳統(tǒng)的脈沖形狀甄別方法進(jìn)行甄別。傳統(tǒng)的β、γ粒子甄別方法是兩次測(cè)量法，即首先用探測(cè)器測(cè)量混合場(chǎng)中的β、γ疊加能譜，然后在探頭前方安裝較厚的屏蔽體，阻止β射線進(jìn)入探測(cè)器晶體，測(cè)得γ能譜，最后兩次測(cè)量結(jié)果相減，得到β能譜。兩次測(cè)量法有諸多缺點(diǎn)：測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，工作人員會(huì)受到兩倍劑量；對(duì)輻射場(chǎng)穩(wěn)定性要求高；第 二次測(cè)量時(shí)安裝的屏蔽塊會(huì)改變探測(cè)器對(duì)γ的響應(yīng)，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度低等。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為解決以上問題，本發(fā)明的目的是提供一種可同時(shí)測(cè)量β、γ能譜的層疊型閃爍體探測(cè)器，能實(shí)現(xiàn)對(duì)100kev～3.5mev能量范圍內(nèi)的β、γ粒子類型甄別，只需進(jìn)行一次測(cè)量，可分別獲取混合場(chǎng)中β能譜和γ能譜。具體的，本發(fā)明提供一種可同時(shí)測(cè)量β、γ能譜的層疊型閃爍體探測(cè)器，所述探測(cè)器具有一端開口的外殼及密封所述開口的前窗，所述聚酯膜內(nèi)具有三層閃爍晶體結(jié)構(gòu)及光電倍增模塊，所述光電倍增模塊收集所述三層閃爍晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的閃爍光子并生成信號(hào)，分析所述信號(hào)以實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子類型的甄別。進(jìn)一步，如上所述的可同時(shí)測(cè)量β、γ能譜的層疊型閃爍體探測(cè)器，所述三層閃爍晶體結(jié)構(gòu)包括依次排列的第一層閃爍晶體、第二層閃爍晶體、第三層閃爍晶體，其類型分別是ej212、caf2(eu)、nai(tl)，其厚度分別是0.15mm、6.0mm、25.4mm。進(jìn)一步，如上所述的可同時(shí)測(cè)量β、γ能譜的層疊型閃爍體探測(cè)器，所述三層閃爍晶體結(jié)構(gòu)包括依次排列的第一層閃爍晶體、第二層閃爍晶體、第三層閃爍晶體，其類型分別是ej212、ej240、csi(na)，其厚度分別是0.15mm、18.0mm、25.4mm。進(jìn)一步，如上所述的可同時(shí)測(cè)量β、γ能譜的層疊型閃爍體探測(cè)器，所述光電倍增模塊包括光電倍增管、分壓器和高壓電源。進(jìn)一步，如上所述的可同時(shí)測(cè)量β、γ能譜的層疊型閃爍體探測(cè)器，所 述外殼為鋁殼，厚度為5mm。進(jìn)一步，如上所述的可同時(shí)測(cè)量β、γ能譜的層疊型閃爍體探測(cè)器，所述前窗為三層交錯(cuò)重疊的鋁化聚酯膜，每層厚度為2um。另外，本發(fā)明還提供一種使用如上所述探測(cè)器的可同時(shí)測(cè)量β、γ能譜的方法，所述方法通過分析光電倍增模塊中光電倍增管的陽(yáng)極輸出脈沖的形狀，對(duì)前述七種情形進(jìn)行識(shí)別，取其特征量，判斷脈沖中是否含有特定晶體產(chǎn)生的波形，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子類型的甄別。進(jìn)一步，如上所述的可同時(shí)測(cè)量β、γ能譜的方法，所述脈沖由含有200msps采樣頻率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號(hào)采樣器采集，并包括以下步驟：(1)以觸發(fā)之前連續(xù)100次采樣信號(hào)的平均值b為信號(hào)基線，并對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行去基線處理；(2)尋找觸發(fā)信號(hào)的峰值p和峰位p_pos；(3)尋找峰位p_pos前信號(hào)第一次到達(dá)峰值1/10高度時(shí)的位置b_pos；(4)獲取峰位后第3～9次信號(hào)的平均值為v0；獲取峰位后第10～49次信號(hào)的平均值為v1；獲取峰位后第50～99次信號(hào)的平均值為v2；獲取峰位后第100～149次信號(hào)的平均值為v3；(5)定義并計(jì)算甄別因子step＝p_pos–b_pos；甄別因子f1＝(p-v0)/p；甄別因子f2＝(v1-v2)/v1；甄別因子f3＝(v1-v3)/v1；(6)甄別算法：入射粒子發(fā)生情形(1)條件：f1>0.9，且step<10ns；入射粒子發(fā)生情形(2)條件：f2<0.5且f3<0.7，且step<10ns；入射粒子發(fā)生情形(7)條件：f1<0.9且f2>0.5，且f3>0.7；當(dāng)判斷為情形(1)或(2)時(shí)，入射粒子被甄別為β粒子；當(dāng)判斷為情形(7)時(shí)，入射粒子被甄別為γ粒子；否則，該次入射事件被舍棄。進(jìn)一步，如上所述的可同時(shí)測(cè)量β、γ能譜的方法，當(dāng)入射粒子被甄別為β粒子時(shí)，定義并計(jì)算：sum1＝信號(hào)峰值p與峰位p_pos前后各兩次采樣信號(hào)之和–峰位p_pos后3～6次采樣信號(hào)之和；sum2＝峰位p_pos后3～1000次采樣信號(hào)之和；最終入射β粒子能量為：e＝0.0569*sum1+0.0187*sum2–42。進(jìn)一步，如上所述的可同時(shí)測(cè)量β、γ能譜的方法，當(dāng)入射粒子被甄別為γ粒子時(shí)，定義并計(jì)算：sum3＝從信號(hào)觸發(fā)到峰位p_pos后1000次采樣之間的所有采樣信號(hào)之和；入射γ粒子的能量：e＝0.0126*sum3–4。本發(fā)明設(shè)計(jì)的層疊型閃爍體探測(cè)器，對(duì)混合場(chǎng)中輻射源項(xiàng)識(shí)別和輻射防護(hù)措施設(shè)計(jì)有重要意義。附圖說明圖1為本發(fā)明可同時(shí)測(cè)量β、γ能譜的層疊型閃爍體探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明中β(或γ)粒子入射時(shí)可能發(fā)生的7種能量沉積情形示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。如圖1所示，為本發(fā)明設(shè)計(jì)的探測(cè)器，探頭部分一共使用了三塊層疊排列的閃爍晶體，三塊晶體的直徑相同，但類型和厚度都各不相同。第一層閃爍晶體1前方是一層極薄的鋁化聚酯膜4，作為探頭的入射窗；第三層閃爍晶體3的后方是光電倍增模塊5，所述光電倍增模塊包括光電倍增管、分壓器和高壓電源。三塊晶體共用一個(gè)光電倍增管，即無(wú)論粒子在哪塊晶體發(fā)生沉積，產(chǎn)生的閃爍光子都由同一個(gè)光電倍增管收集并生成信號(hào)7。所述探頭的外殼上還具有外接電源8。由于鋁殼6厚度(5mm)足夠，設(shè)計(jì)能量范圍(100kev～3.5mev)內(nèi)的β粒子不可能通過探頭外殼進(jìn)入閃爍晶體內(nèi)。前兩層閃爍晶體用于測(cè)量入射的β粒子，其中第一層閃爍晶體1主要起甄別β、γ粒子的作用，并沉積β粒子的部分或全部能量，第二層閃爍晶體2用于沉積入射β粒子的剩余全部能量；第三層閃爍晶體3用于測(cè)量入射的γ粒子。本發(fā)明設(shè)計(jì)的兩個(gè)層疊閃爍體探頭(編號(hào)a和b)所使用的晶體如表1所示。表1.兩個(gè)探頭使用的晶體材料及厚度其中ej212和ej240都為塑料閃爍體，原子序數(shù)低、密度約為1g/cm3；caf2(eu)為低原子序數(shù)的無(wú)機(jī)閃爍體；這三種晶體適宜用于測(cè)量β射線。 nai(tl)和csi(na)為高原子序數(shù)、高密度的無(wú)機(jī)閃爍體，適宜用于測(cè)量γ射線。兩個(gè)探頭所用晶體的直徑都為25.4mm，為了保證避光性，前窗使用了三層交錯(cuò)重疊的鋁化聚酯膜(每層厚度約2um)。此外，探頭的鋁殼厚度為5mm。本發(fā)明中β、γ粒子的甄別原理如下：如果一個(gè)輻射粒子(β或γ)從前窗進(jìn)入并在閃爍晶體中發(fā)生能量沉積，根據(jù)能量沉積發(fā)生的位置，可以分為如圖2所示的七種情形。情形1為入射粒子只在第一層晶體中沉積能量，情形2為入射粒子在第一層和第二層晶體中都沉積能量，情形3為入射粒子只在第二層晶體中沉積能量，情形4為入射粒子在第一層和第三層晶體中都沉積能量，情形5為入射粒子在第二層和第三層晶體中都沉積能量，情形6為入射粒子在所有三層晶體中都沉積能量，情形7為入射粒子只在第三層晶體中沉積能量。當(dāng)入射粒子為γ時(shí)，由于第一層閃爍晶體原子序數(shù)低、厚度極薄，光子在第一層晶體上發(fā)生作用的概率非常低，因此γ入射時(shí)發(fā)生情形1、2、4和6的概率非常低。雖然γ入射時(shí)有一定概率發(fā)生情形3和情形5，但考慮到caf2(eu)的能量分辨率遠(yuǎn)次于nai(tl)，因此也舍棄這兩種情形。所以，只有當(dāng)發(fā)生情形7時(shí)，才將入射粒子甄別為γ粒子。當(dāng)入射粒子為β時(shí)，由于電子在物質(zhì)中是連續(xù)沉積能量，因此幾乎不會(huì)發(fā)生情形3、4、5和7；另一方面，由于第二層閃爍晶體的厚度足夠阻擋設(shè)計(jì)能量范圍內(nèi)最高能量的β粒子，因此情形6的發(fā)生概率也很低。所以，只有當(dāng)發(fā)生情形1或2時(shí)，才將入射粒子甄別為β粒子。本發(fā)明通過分析光電倍增管陽(yáng)極輸出脈沖的形狀，對(duì)前述七種情形進(jìn)行識(shí)別，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子類型的甄別。各情形脈沖形狀不同源于各層閃爍晶體 的發(fā)光衰減時(shí)間不同，表2為兩個(gè)探頭用到的各種晶體的發(fā)光衰減時(shí)間。例如ej212發(fā)光衰減時(shí)間短，脈沖寬度非常窄，在產(chǎn)生可見光子數(shù)相同的情況下，產(chǎn)生的脈沖幅度也比表中其他閃爍體要高；由于caf2(eu)發(fā)光衰減時(shí)間長(zhǎng)，所以它產(chǎn)生脈沖波形必有較長(zhǎng)的拖尾；而發(fā)光衰減時(shí)間居中的nai(tl)產(chǎn)生的脈沖長(zhǎng)度介于ej212和caf2(eu)之間。所以可以根據(jù)脈沖形狀，取其特征量，判斷脈沖中是否含有特定晶體產(chǎn)生的波形。表2.選用的各晶體材料的發(fā)光衰減時(shí)間材料名稱ej212caf2(eu)nai(tl)ej240csi(na)發(fā)光衰減時(shí)間(ns)2.4930250280630以下以探頭a(所用晶體材料由表1給出)說明本發(fā)明中脈沖形狀甄別算法和能譜獲取算法的實(shí)現(xiàn)過程，對(duì)探頭b，算法類似，只有各參數(shù)取值微有區(qū)別，故不贅述。信號(hào)脈沖由市售的含有200msps采樣頻率(采樣間隔5ns)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)的某數(shù)字信號(hào)采樣器采集。(1)以觸發(fā)之前連續(xù)100次(500ns)采樣信號(hào)的平均值b為信號(hào)基線，并對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行去基線處理。(2)尋找觸發(fā)信號(hào)的峰值p和峰位p_pos；(3)尋找峰位p_pos前信號(hào)第一次到達(dá)峰值1/10高度時(shí)的位置b_pos；(4)獲取峰位后第3～9次信號(hào)的平均值為v0；獲取峰位后第10～49次信號(hào)的平均值為v1；獲取峰位后第50～99次信號(hào)的平均值為v2；獲取峰位后第100～149次信號(hào)的平均值為v3；(5)定義并計(jì)算甄別因子step＝p_pos–b_pos；甄別因子f1＝(p-v0)/p；甄別因子f2＝(v1-v2)/v1；甄別因子f3＝(v1-v3)/v1；(6)甄別算法：入射粒子發(fā)生情形1條件：f1>0.9且step<10ns入射粒子發(fā)生情形2條件：f2<0.5且f3<0.7且step<10ns入射粒子發(fā)生情形7條件：f1<0.9且f2>0.5且f3>0.7當(dāng)判斷為情形1或2時(shí)，入射粒子被甄別為β粒子；當(dāng)判斷為情形7時(shí)，入射粒子被甄別為γ粒子；否則，該次入射事件被舍棄(這時(shí)可能發(fā)生了情形3、4、5或6)。(7)獲取能譜當(dāng)入射粒子被甄別為β粒子時(shí)，定義并計(jì)算sum1＝信號(hào)峰值p與峰位p_pos前后各兩次采樣信號(hào)之和–峰位p_pos后3～6次采樣信號(hào)之和。sum2＝峰位p_pos后3～1000次采樣信號(hào)之和。其中sum1正比于β粒子在第一層晶體中沉積的能量energy1，用低能β源14c進(jìn)行能量刻度，得到energy1(kev)＝0.0569*sum1。sum2正比于β粒子在第二層晶體中沉積的能量energy2，用β源90sr-90y源和36cl進(jìn)行能量刻度，得到energy2(kev)＝0.0187*sum2–42。最終入射β粒子能量：energy_beta(kev)＝0.0569*sum1+0.0187*sum2–42。當(dāng)入射粒子被甄別為γ粒子時(shí)，定義并計(jì)算sum3＝從信號(hào)觸發(fā)到峰位p_pos后1000次采樣之間的所有采樣信號(hào)之和。同樣，sum3正比于γ粒子在第三層晶體中沉積的能量。利用屏蔽掉β粒子的137cs和60co源進(jìn)行能量刻度。得到入射γ粒子的能量：energy_gamma(kev)＝0.0126*sum3–4?；谏鲜鎏筋^設(shè)計(jì)和算法設(shè)計(jì)，本發(fā)明能甄別入射到探測(cè)器中的β、γ粒子，通過一次測(cè)量，就可分別獲取混合場(chǎng)中β能譜和γ能譜。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若對(duì)本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其同等技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)12