本发明涉及一种新型β射线探测装置。
背景技术：
随着我国核电站与核技术的不断发展，大量使用的核素会使其周围环境产生β射线等，如果这些β射线产生泄露会对人的皮肤、器官造成辐射损伤，使组织发生病变。因此，对于核电站、乏燃料处理厂及其它涉核环境中的β射线的实时监测十分重要。
目前，β射线探测器主要包括气体电离室探测器、半导体探测器和闪烁探测器。气体电离室探测器一般是用充气正比计数器，但是相对而言它的灵敏度较低、热稳定性差、体积大。半导体探测器是利用入射电子会在半导体物质中损失能量而产生电子-空穴对，而产生的电子-空穴对的数目正比于电子在该物质中损失的能量，它具有线性范围广、制备工艺简单、体积小、应用方便等优点；但是由于半导体探测器大部分是基于硅或高纯锗，要求在77k时使用，无法在高温或野外恶劣环境中正常使用。相比较而言，闪烁探测器是利用电子在固态物质中次级电子的产生这一基本原理工作的，它具有发光衰减时间短、计数率高等优点，可用于快时间、高计数率的测量。
基于这些辐射探测器的远程监控设备主要通过电导线来传输辐射信息，然而电导线在辐射环境下会产生电子噪声，影响辐射信息的远程传输的准确性；另外它们存在着体积庞大、使用条件苛刻等问题，不适合应用于微小体积或密闭空间的探测。因此，有必要开发一种新型远程监测型β射线探测装置，用于密闭环境或高辐射剂量环境的在线监测。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：提供一种新型β射线探测装置，解决现有技术β射线探测器体积大、使用条件苛刻从而不适用于对微小体积或密闭空间进行探测，β射线探测器探头在辐射环境中收集到的β射线辐射信号变弱从而影响探测精度，以及采用电导线传输辐射信息在辐射环境下会产生电子噪声从而影响辐射信息远程传输的准确性的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种新型β射线探测装置，包括用于将辐射信号转化为光学信号并收集该光学信号后输出的β射线探测探头、输入端与所述β射线探测探头输出端连接用于将β射线探测探头输出的光学信号进行远程传输的抗辐照远程传输光纤、与所述抗辐照远程传输光纤的输出端连接用于将抗辐照远程传输光纤传输过来的光学信号放大并转换为电流脉冲信号输出的光电倍增管、与所述光电倍增管的输出端连接用于将所述光电倍增管输出的电流脉冲信号进行放大整形后输出的前置放大整形电路、以及与所述前置放大整形电路输出端连接用于对前置放大整形电路输出的信号进行存储、分析处理和显示的pc机。
进一步地，所述β射线探测探头包括用于将辐射信号转化为光学信号并收集该光学信号后输出的β射线辐射发光层、以及分别与所述β射线辐射发光层输出端和所述抗辐照远程传输光纤输入端连接的全反射光纤耦合器，所述全反射光纤耦合器将所述β射线辐射发光层输出端的光学信号耦合成平行光输入至所述抗辐照远程传输光纤。
进一步地，所述β射线辐射发光层包括用于将β射线辐射信号转化为光学信号的闪烁体薄膜、覆盖于所述闪烁体薄膜上方由低折射率薄膜构成的反射层、以及覆盖于所述闪烁体薄膜下方由高折射率材料制成的出光层，所述出光层的出光面与所述全反射光纤耦合器连接。
进一步地，所述反射层为低折射率薄膜，所述低折射率薄膜为30nm厚金属铝薄膜或30nm厚金属银薄膜。
进一步地，所述出光层为散射层，所述散射层由高折射率物质以质量分数比为1-10∶100的比例混入硅树脂中制成，所述高折射率物质为直径为0.6mm的zro2小球或直径为6μm的磷光粉。
进一步地，所述出光层为带微透镜阵列的高折射率衬底层，所述高折射率衬底层的出光面设成两个以上半球形微透镜体，并且所有所述微透镜体呈阵列分布，以缩小高折射率衬底层-空气的界面角度，让小于全反射临界角的入射光比例增加，以降低高折射率衬底层到空气的全反射比例，从而提高出光效率。
进一步地，所述光电倍增管为多道光电倍增管，所述β射线探测探头的数量有两个以上并且不多于所述多道光电倍增管的道数，所述抗辐照远程传输光纤的数量与所述β射线探测探头的数量相同并且一一对应，每根所述抗辐照远程传输光纤的输出端分别与所述多道光电倍增管的一道连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明结构简单、设计科学合理，使用方便，探测数据精准可靠，可在密闭环境或高辐射剂量环境中使用，β射线探测探头主要采用无机闪烁体薄膜材料，并在其上进行镀层设计，缩小了探头体积、简化探头的制备工艺，有效地提高了闪烁体材料的光取出效率，在确保闪烁体有效地采集β射线信号的同时能够有效地将辐射信息转换为光学信息。
(2)本发明β射线探测探头主要由三层结构的β射线辐射发光层和全反射光纤耦合器组成，β射线辐射发光层由闪烁体薄膜、反射层和出光层组成，当β射线探测探头置于辐射环境中进行监测时，闪烁体薄膜的原子或分子受激而产生荧光，该荧光经过闪烁体上方反射层的反射和下方出光层散射后出射至全反射光纤耦合器，通过反射层的反射以及出光层的散射出光，并且出光层由高折射率物质以质量分数比为1-10∶100的比例混入硅树脂中制成，该高折射率物质为直径为0.6mm的zro2小球或直径为6μm的磷光粉，相比于现有技术能够更有效地提高光提出效率，从而增强光信号的强度，进而提高本发明监测的精准度，同时本发明利用全反射光纤耦合器将接收到的光信号耦合成平行光输入至抗辐照远程传输光纤，更利于光在抗辐照远程传输光纤中传输。
(3)本发明采用抗辐照远程传输光纤对β射线探测探头将辐射环境中的辐射信号转化成的光信号进行远程传送，从而实现了远程监测的目的，能有效确保相关工作人员的安全，同时采用抗辐照远程传输光纤来传输辐射信号，相比于现有技术采用电导线来传输辐射信号，极大地提高了设备的抗辐照性能和信号传输的稳定性。
(4)本发明采用多道光电倍增管将抗辐照远程传输光纤传输的信号进行放大转换，同时配多个β射线探测探头和多根抗辐照远程传输光纤，可以同时对多个辐射环境或对同一辐射环境的多点进行实时监测，扩大了本发明的适用范围。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明β射线辐射发光层示意图。
图3为本发明β射线探测探头与抗辐照远程传输光纤连接示意图。
图4为本发明多点监测结构示意图。
其中，附图标记对应的名称为：
1-β射线探测探头、2-抗辐照远程传输光纤、3-光电倍增管、4-前置放大整形电路、5-pc机、6-β射线辐射发光层、7-全反射光纤耦合器、8-闪烁体薄膜、9-反射层、10-出光层。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
如图1-4所示，本发明提供的一种新型β射线探测装置，结构简单、设计科学合理，使用方便，探测数据精准可靠，可在密闭环境或高辐射剂量环境中使用，β射线探测探头主要采用无机闪烁体薄膜材料，并在其上进行镀层设计，缩小了探头体积、简化探头的制备工艺，有效地提高了闪烁体材料的光取出效率，在确保闪烁体有效地采集β射线信号的同时能够有效地将辐射信息转换为光学信息。本发明包括β射线探测探头1、抗辐照远程传输光纤2、光电倍增管3、前置放大整形电路4和pc机5。
本发明所述β射线探测探头1用于将β射线辐射信号转化为光学信号并收集该光学信号后输出，包括用于将β射线辐射信号转化为光学信号并收集该光学信号后输出的β射线辐射发光层6、以及分别与所述β射线辐射发光层6输出端和所述抗辐照远程传输光纤2输入端连接的全反射光纤耦合器7，所述全反射光纤耦合器7将所述β射线辐射发光层6输出端的光学信号耦合成平行光输入至所述抗辐照远程传输光纤2。
本发明所述β射线辐射发光层6包括用于将β射线辐射信号转化为光学信号的闪烁体薄膜8、覆盖于所述闪烁体薄膜8上方由低折射率薄膜构成的反射层9、以及覆盖于所述闪烁体薄膜8下方由高折射率材料制成的出光层10，所述出光层10的出光面与所述全反射光纤耦合器7连接，所述低折射率薄膜为30nm厚金属铝薄膜或30nm厚金属银薄膜；所述出光层10为散射层，所述散射层由高折射率物质以质量分数比为1-10∶100的比例混入硅树脂中制成，所述高折射率物质为直径为0.6mm的zro2小球或直径为6μm的磷光粉，如图2中a所示；或者说，所述出光层10为带微透镜阵列的高折射率衬底层，所述高折射率衬底层的出光面设成两个以上半球形微透镜体，并且所有所述微透镜体呈阵列分布，以缩小高折射率衬底层-空气的界面角度，让小于全反射临界角的入射光比例增加，以降低高折射率衬底层到空气的全反射比例，从而提高出光效率，如图2中b所示。
本发明β射线探测探头主要由三层结构的β射线辐射发光层和全反射光纤耦合器组成，β射线辐射发光层由闪烁体薄膜、反射层和出光层组成，当β射线探测探头置于辐射环境中进行监测时，闪烁体薄膜的原子或分子受激而产生荧光，该荧光经过闪烁体上方反射层的反射和下方出光层散射后出射至全反射光纤耦合器，通过反射层的反射以及出光层的散射出光，相比于现有技术能够更有效地提高光提出效率，从而增强光信号的强度，进而提高本发明监测的精准度，同时本发明利用全反射光纤耦合器将接收到的光信号耦合成平行光输入至抗辐照远程传输光纤，更利于光在抗辐照远程传输光纤中传输。
本发明所述抗辐照远程传输光纤2的输入端与所述β射线探测探头1输出端连接，输出端与所述光电倍增管3连接，所述光电倍增管3的输出端与前置放大整形电路4的输入端连接，所述前置放大整形电路4的输出端与pc机5连接，所述抗辐照远程传输光纤2用于将β射线探测探头1输出的光学信号进行远程传输，所述光电倍增管3用于将抗辐照远程传输光纤2传输过来的光学信号放大并转换为电流脉冲信号输出，所述前置放大整形电路4用于将所述光电倍增管3输出的电流脉冲信号进行放大整形后输出至pc机5，所述pc机5用于对前置放大整形电路4输出的信号进行存储、分析处理和显示。
本发明采用抗辐照远程传输光纤对β射线探测探头将辐射环境中的辐射信号转化成的光信号进行远程传送，从而实现了远程监测的目的，能有效确保相关工作人员的安全，同时采用抗辐照远程传输光纤来传输辐射信号，相比于现有技术采用电导线来传输辐射信号，极大地提高了设备的抗辐照性能和信号传输的稳定性。
本发明所述光电倍增管3为多道光电倍增管，所述β射线探测探头1的数量有两个以上并且不多于所述多道光电倍增管的道数，所述抗辐照远程传输光纤2的数量与所述β射线探测探头1的数量相同并且一一对应，每根所述抗辐照远程传输光纤2的输出端分别与所述多道光电倍增管的一道连接。
本发明采用多道光电倍增管将抗辐照远程传输光纤传输的信号进行放大转换，同时配多个β射线探测探头和多根抗辐照远程传输光纤，可以同时对多个辐射环境或对同一辐射环境的多点进行实时监测，图4中示意性的给出了三组β射线探测探头和抗辐照远程传输光纤同时监测三个辐射环境中β射线的实施图，扩大了本发明的适用范围。
如图1所示，本发明的β射线探测探头体积较小，可以解决现有的辐射环境中β射线测量装置存在的复杂度较高、体积较大等问题，可以很好地解决为密闭环境或高辐射剂量环境进行β射线远程在线监测的问题。在监测过程中，辐射环境中的β射线照射闪烁体薄膜时，会使闪烁体薄膜的分子发生电离和激发，由于能量守恒，在退激时会发射出大量的光子。光子在闪烁体中向各个方向发射，一部分光到达闪烁体薄膜上方的反射层，光被反射层反射后又重新进入闪烁体后出射；另一部分光到达闪烁体薄膜下方的衬底，抑或是通过光散射的方式出射，抑或是通过半微透镜阵列化的衬底让小于全反射临界角的入射比例增加，提高出光率。最后出射的光经过全反射光纤耦合器进入抗辐照远程传输光纤，并由抗辐照远程传输光纤传递至外部环境中的光电倍增管。光电倍增管将光学信号放大并转换为电学信号即电流脉冲信号，接着由前置放大整形电路将信号放大整形后输入至pc机，最终由计算机对数据进行分析、记录、处理和显示，以获得辐射环境中的β射线的活度与能谱。本发明所采用的前置放大整形电路为常规电路，具体结构不再赘述。
本发明结构简单、探测数据精准可靠、可在密闭环境或高辐射剂量环境中使用，适于在本技术领域大力推广应用。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。