一种基于叠层闪烁体的放射性氙β-γ符合探测器的制作方法

本发明涉及环境流出物监测领域，具体涉及一种基于叠层闪烁体的放射性氙β-γ符合探测器。

背景技术：

氙是一种化学性质稳定的惰性气体核素，自然环境中的放射氙主要来自核爆、核医药生产以及核电站运行过程中核材料的裂变反应，是环境流出物监测中极为重要的示踪核素，被广泛用于核爆事件监测，核反应堆运行安全监测以及核事故泄漏水平评价等。目前放射性氙的测量，一般采用高纯锗伽马谱仪和传统的β-γ符合探测器，探头结构复杂，价格昂贵，运行和维护成本较高，同时体积庞大，仅适合安装在固定台站。

传统的β-γ符合探测器采用多个光电倍增管分别读取不同闪烁体的信号，通过人为设定的符合时间窗，实现符合测量，由于每个光电倍增管还需配备相应电子学，固探头结构及数据采集系统均较为复杂，探测器的刻度及调试极为不便。近年来，提出了一种基于csi(t1)的闪烁探测器，通过单个光电倍增管同时读取塑料闪烁体与csi(tl)晶体的信号，并基于脉冲波形分析技术实现放射性氙的β-γ符合测量，大幅度简化了探头结构。但csi(tl)晶体含有微量的¹³⁷cs，不利于极低放射性测量，且输出信号幅度较低，容易导致低能γ信号的丢失。而nai(tl)晶体具有能量分辨好，放射性本底低，信号幅度高等优点，但机械加工难度极大，尚无基于nai(tl)的叠层式β-γ符合探测器成品可供使用。

针对现有放射性氙探测器结构复杂，价格昂贵和体积庞大等缺陷，现亟需研究出一种新的放射性氙β-γ符合探测器。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种结构简单、体积小、成本低且性能优异的基于叠层闪烁体的放射性氙β-γ符合探测器。

为达此目的，本发明采用如下技术方案：一种基于叠层闪烁体的放射性氙β-γ符合探测器，该探测器包括气体管路i、气体管路ii、探测器外壳、无机闪烁体塞块、安瓿型塑料闪烁体、阱型无机闪烁体、光电倍增管，其连接关系是：所述气体管路i与气体管路ii之间设有阀门，阀门和探测器外壳通过紧固套筒连接；安瓿型塑料闪烁体与气体管路ii连接，形成放射性氙样品腔室；无机闪烁体塞块与阱型无机闪烁体围绕于安瓿型塑料闪烁体周围，呈近似全包围探测结构；光电倍增管采用光导耦合至阱型无机闪烁体的端面。

优选的，所述的基于叠层闪烁体的放射性氙β-γ符合探测器还包括电子学模块、高压接口、信号接口，其中，电子学模块设有适配光电倍增管的分压电路。

优选的，安瓿型塑料闪烁体与气体管路ii通过密封垫圈i、密封垫圈ii密封连接。

优选的，所述阱型无机闪烁体外周包有反光层，探测器外壳与反光层之间填充有探测器填充材料。

优选的，密封垫圈i和密封垫圈ii材料为聚四氟乙烯，探测器填充材料材料为环氧树脂，反光层材料为聚四氟乙烯薄膜。

优选的，所述光电倍增管选用r6233-100、r1307、cr160中任一种。

优选的，所述探测器外壳材料为真空电解的纯度大于99.95％的高纯无氧铜；所述的无机闪烁体塞块、无机闪烁体材料均为nai(tl)。

优选的，所述安瓿型塑料闪烁体壁厚为1mm～2mm，底部外径不小于20mm，颈部外径不大于9mm；所述阱型无机闪烁体13外直径不小于70mm；所述探测器外壳厚度为2～5mm。

优选的，所述放射性氙样品腔室容积不小于6ml，阀门和气体管路ii连接处采用结构件填充。

本发明探测器可用于放射性氙气体样品的测量，特别是极低活度放射性氙气体样品的测量，具有符合探测效率高，能量分辨好，本底放射性低等优点，同时探头结构及电子学模块精简，易于运行和维护，特别适合核设施气态流出物中放射性氙的活度测量。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图中，1.气体管路i2.阀门3.紧固套筒4.气体管路ii5.探测器外壳6.密封垫圈i7.密封垫圈ii8.探测器填充材料9.反光层10.无机闪烁体塞块11.放射性氙样品腔室12.安瓿型塑料闪烁13.阱型无机闪烁体14.光导15.光电倍增管16.电子学模块17.高压接口18.信号接口。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于所给实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件并没有详细叙述。

如图1所示。本发明的基于叠层闪烁体的放射性氙β-γ符合探测器，该探测器包括气体管路i1、气体管路ii4、探测器外壳5、无机闪烁体塞块10、安瓿型塑料闪烁体12、阱型无机闪烁体13、光电倍增管15，其连接关系是：所述气体管路i1与气体管路ii4之间设有阀门2，阀门2和探测器外壳5通过紧固套筒3连接；安瓿型塑料闪烁体12与气体管路ii4连接，形成放射性氙样品腔室11；无机闪烁体塞块10与阱型无机闪烁体13围绕于安瓿型塑料闪烁体12周围，呈近似全包围探测结构；光电倍增管15采用光导14耦合至阱型无机闪烁体13的端面。

所述的基于叠层闪烁体的放射性氙β-γ符合探测器还包括电子学模块16、高压接口17、信号接口18，其中，电子学模块16设有适配光电倍增管15的分压电路。

本发明的工作原理为：

将含有压缩泵和放射性氙样品瓶的气路接入本发明所述的气体管路i1，放射性氙样品腔室11抽至一定真空度后，放射性氙气体样品经本发明的气体管路i1、阀门2和气体管路ii4进入放射性氙样品腔室11。放射性氙的几种同位素(¹³³xe、¹³⁵xe、^133mxe和^131mxe)在衰变过程中会发出级联的β射线和γ射线，或者发出级联的内转换电子和x射线。其中β射线和内转换电子由于射程较短，其能量几乎完全沉积在一定厚度的安瓿型塑料闪烁体12中，而大部分的γ射线和x射线将穿透塑料闪烁体，其能量主要沉积在无机闪烁体塞块10和阱型无机闪烁体13中。沉积在塑料闪烁体和无机闪烁体中的能量将转换为具有不同衰减时间常数的闪烁光，闪烁光在晶体中传输，并在发光层9的约束下，通过光导14而被光电倍增管15收集，形成电流信号。电子学模块16含有适配光电倍增管15的分压电路，同时将光电倍增管输出的电流信号转换为具有一定幅度的电压脉冲信号。

当有符合事件发生时，安瓿型塑料闪烁体12的闪烁光和无机闪烁体10、13的闪烁光将同时被光电倍增管15记录，形成含有两种闪烁光时间特性的符合脉冲，通过符合脉冲的甄别和解析，就可实现放射性氙的β-γ符合测量，从而大幅简化了探头结构和电子学模块。此外由于无机闪烁体塞块10与阱型无机闪烁体13围绕于安瓿型塑料闪烁体12周围，形成了全包围的探测结构，因而本发明对放射氙具有很高的探测效率。

本发明探测器可适用于环境流出物监测中极为重要的示踪核素、核爆事件监测、核反应堆运行安全监测以及核事故泄漏水平评价等领域，还可用于医用同位素生产，乏燃料.贮存场所及核材料后处理等过程中泄漏气体的放射性监测。

优选的，安瓿型塑料闪烁体12与气体管路ii4通过密封垫圈i6、密封垫圈ii7密封连接，以保证放射性氙样品腔室11的气密性。

优选的，所述阱型无机闪烁体13外周包有反光层9，探测器外壳5与反光层9之间填充有探测器填充材料8。

优选的，密封垫圈i6和密封垫圈ii7材料为聚四氟乙烯，探测器填充材料8材料为环氧树脂，反光层9材料为聚四氟乙烯薄膜。

优选的，所述光电倍增管15选用r6233-100、r1307、cr160中任一种。

优选的，所述探测器外壳5材料为真空电解的纯度大于99.95％的高纯无氧铜，真空电解得到的高纯无氧铜放射性极低，将其作为本发明探测器外壳替代传统的铝合金，有助于减少放射性本底。所述的无机闪烁体塞块10、无机闪烁体13材料均为nai(tl)。

优选的，所述安瓿型塑料闪烁体12壁厚为1mm～2mm，底部外径不小于20mm，颈部外径不大于9mm，1mm～2mm厚的塑料闪烁体有利于对β粒子进行全吸收，而γ射线几乎可全穿透，底部直径不小于20mm，颈部外径不大于9mm，可形成容积较大的腔室，由于颈部较细利于闪烁晶体的封装，具有极佳的能量分辨率。

所述阱型无机闪烁体13外直径不小于50mm，该晶体尺寸的限制有利于保证对γ射线的探测效率。此外，本专利将探测器外壳厚度设计为2～5mm，经实验验证，该厚度范围的探测器外壳对100kev左右γ射线具有较好屏蔽效果。

优选的，所述放射性氙样品腔室11容积不小于6ml，死体积不大于1ml，与阀门2和气体管路ii4连接处采用结构件填充，如304不锈钢，ti合金等，采用结构件填充有助于减少气体阀门、探测器内部管路及组件结合处的空腔体积。气体样品进入空腔后，放射性将无法被探测到，称之为死体积。

本专利采用单个光电倍增管读取各闪烁体的闪烁光，并基于脉冲波形分析实现β-γ符合测量，实现了对传统β-γ符合探测器结构及配套读出电子学的大幅简化；本专利采用nai(tl)与塑料闪烁体腔室结构设计的探测器，具有以下优点：探测器呈全包围探测结构，各层闪烁体尺寸合适，具有较高的探测效率；安瓿型塑料闪烁体形成的样品腔室容积大，同时采用结构件填充死体积，提高了气体样品的利用率，探测器采用nai(tl)晶体，能量分辨率显著提高，探测器外壳采用一定厚度的高纯无氧铜，进一步降低了放射性本底。

实施例1

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合一个个具体的实施例对本发明作进一步地详细描述。

本实施例子中的：

安瓿型塑料闪烁体12采用圣戈班公司的塑料闪烁体bc404，通过机械加工至壁厚为1.5mm，底部外径为25mm，高度25mm，颈部外径为6mm，高度27mm。

阱型无机闪烁体13采用nai(tl)晶体，外直径为76mm，阱部深度为50mm，内直径为50mm。

nai(tl)闪烁体塞块10采用nai(tl)晶体，外径为50mm，内径为6mm，高度为50mm。

放射性氙样品腔室11容积为8.4ml，与阀门2和气体管路ii4连接处采用不锈钢结构件焊接填充，死体积为0.2ml。

探测器外壳5采用真空电解的纯度为99.97％的高纯无氧铜(ofhc)，厚度为5mm。

光电倍增管15采用滨松公司生产的cr160型光电倍增管。

实施例1的实验结果：本实施例对一种放射性氙的同位素¹³³xe进行探测，探测效率为70％，¹³³xe最小可探测活度为3mbq，662kev处γ能量分辨率为7.0％。