一种层叠探测器及其检测辐射射线的方法与流程

本发明属于辐射检测，涉及一种层叠探测器及其检测辐射射线的方法。

背景技术：

1、随着核科学技术的发展，放射性核元素及相关射线装置在工业、军事、医疗、科研和教学等领域的应用也越来越广泛，随之而来的核泄漏风险也越来越高，基于核泄漏造成的巨大危害，人们对核安全也有了迫切的需求；而核安全的前提是能够准确探测出各类辐射射线，以便于做出预警及处理，这就需要设计辐射探测器，基于探测的要求，响应快、使用方便、稳定性好等特性是这一类探测器的一致追求，同时能够一次性检测多类射线的探测有助于检测效率的提高，也是不断改进的方向。

2、目前，在核设备相关场所中，常见的射线中主要有α、β、γ以及n等，多种射线可能形成混合辐射场，需要分别测量混合场中不同射线的信息，其难点就在于不同射线的甄别，且通常探测器只能探测一种射线，这就需要多个探测设备才能甄别出来混合辐射场中的射线，造成探测成本较高，操作繁杂；且由于射线粒子的灵敏性，探测器难以只对单一射线有响应，从而造成检测精确性不足，难以准确甄别出不同的射线。

3、目前使用的辐射探测器通常可对一种或两种射线进行探测与甄别，种类再多就难以一次性完成。cn 107300712a公开了一种可同时测量β、γ能谱的层叠型闪烁体探测器，所述探测器具有一端开口的外壳及密封所述开口的铝化聚酯膜，所述聚酯膜内具有三层闪烁晶体结构及光电倍增模块，所述光电倍增模块收集三层闪烁晶体结构产生的闪烁光子并生成信号；通过分析光电倍增模块中光电倍增管的阳极输出脉冲的形状，对前述情形进行识别，取其特征量，判断脉冲中是否含有特定晶体产生的波形，最终实现对粒子类型的甄别。但该探测器仍是只采用脉冲形状法甄别不同的射线，只能检测β、γ射线，难以同时检测更多种类的射线，且脉冲法探测β、γ射线准确性有限。

4、cn 113204046a公开了一种用于水体总α、总β在线测量的方法及叠层探测器，该叠层探测器包括探测器主体、光导和光电倍增管，所述光导一端连接探测器主体，另一端连接光电倍增管，探测器主体包括三层闪烁体，第一层为用于测量γ射线的第一塑料闪烁体，第二层为用于测量β射线的第二塑料闪烁体，第三层为用于测量α粒子的csi(tl)闪烁体，第一层叠加在第二层上，第三层耦合在第二层的底面；该方法中第一塑料闪烁体主要是为了减少γ射线对β射线的干扰，但却并未对γ射线进行测量，可测量射线种类有限，且该探测器主要是用于水体中射线检测，与气体中的辐射探测有所不同。

5、综上所述，对于辐射中的多种射线，例如α、β、γ、n射线，为实现其一次性探测与甄别，还需要设计合适的探测器结构，使其能够响应不同的射线，且通过光电器件的设置，能够进行更多的数据处理，便于射线种类的甄别，提高射线的检测效率。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种层叠探测器及其检测辐射射线的方法，所述层叠探测器通过多层结构层的设置，尤其是有机晶体层和无机晶体层之间反光层以及不只一个光电探测器的设置，可以将不同射线产生的光信号传递到不同的光电探测器，便于进行更多的数据处理，从而能够甄别出更多种类的射线，一次性完成多种射线离子的甄别，检测效率高，成本较低。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、一方面，本发明提供了一种层叠探测器，所述层叠探测器包括层叠设置的多层结构层，自上而下依次包括第一反光层、掺银硫化锌层(zns(ag)层)、有机晶体层、第二反光层、无机晶体层和第一光电探测器，所述有机晶体层的外侧还设有第二光电探测器。

4、本发明中，基于辐射射线探测时层叠探测器的作用，通过不同材质的结构层的设置，使之能够与不同种类的射线离子发生作用，最上层的第一反光层有效隔绝可见光，尽可能保证只有射线粒子穿过各结构层，之后的掺银硫化锌层用于α射线的检测，有机晶体层主要用于β射线的检测，无机晶体层可检测γ射线和n射线，而在有机晶体层和无机晶体层之间设置第二反光层，将掺银硫化锌层和有机晶体层产生的光信号与无机晶体层产生的光信号有不同的光电探测器吸收，避免因多种信号的混杂而导致射线难以区分，通过多个光电探测器的使用，将不同的光信号分开收集，也能够进行更多的数据处理，从而甄别出更多的粒子种类，一次性完成多种射线离子的甄别，提高检测效率高；所述层叠探测器结构设计简单精巧，可有效减少探测器的数量，降低设备及操作成本，适用范围广。

5、以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。

6、作为本发明优选的技术方案，所述层叠探测器整体呈柱形结构，层叠设置的各结构层截面形状和大小相同。

7、优选地，所述层叠探测器的结构层分为三类，分别是反光层、闪烁晶体层和光电探测器，所述闪烁晶体层包括掺银硫化锌层、有机晶体层和无机晶体层。

8、作为本发明优选的技术方案，所述反光层的材质包括铝、氧化钛或镀铝聚酯薄膜中任意一种；所述镀铝聚酯薄膜属于表面镀铝的有机结构层。

9、优选地，所述第一反光层的厚度为1～15μm，例如1μm、1.5μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、8μm、10μm、12μm或15μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

10、优选地，所述第二反光层的厚度不小于5μm，例如5μm、6μm、8μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm或50μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为10～50μm。

11、本发明中，所述第一反光层位于最上层，主要用于隔绝可见光，第二反光层则用于隔绝掺银硫化锌层和有机晶体层产生的光信号被第一光电探测器吸收。

12、作为本发明优选的技术方案，所述掺银硫化锌层的厚度为1～30μm，例如1μm、3μm、5μm、8μm、10μm、12μm、15μm、20μm、25μm或30μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

13、本发明中，所述zns(ag)层的厚度一般较薄，此时只与α粒子相互作用而产生光信号。

14、优选地，所述有机晶体层的材质包括蒽晶体、芪晶体、萘晶体或对联三苯晶体中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：蒽晶体和芪晶体的组合，芪晶体和萘晶体的组合，蒽晶体、芪晶体和对联三苯晶体的组合等。

15、优选地，所述有机晶体层的厚度不小于3mm，例如3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm或10mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为3～8mm。

16、本发明中，所述有机晶体层的厚度一般大于β射线粒子所携带能量的最大射程，例如eβmax为2mev时的最大射程，以保证β粒子能够完全沉积在有机晶体层中，其好处在于可以避免β粒子穿过有机晶体层，在无机晶体层中产生光信号，便于实现β、γ射线的甄别。

17、优选地，所述无机晶体层的材质包括掺铊碘化钠(nai(tl))晶体、掺锂碘化钠(nai(li))晶体、掺钠碘化铯(csi(na))晶体、掺铊碘化铯(csi(tl))晶体、氟化钡晶体、cs2lilabr6(cllb)晶体或cs2liycl6(clyc)晶体中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：掺铊碘化钠晶体和掺钠碘化铯晶体的组合，掺钠碘化铯晶体和掺铊碘化铯晶体的组合，掺铊碘化钠晶体和氟化钡晶体的组合，cllb晶体和clyc晶体的组合，掺铊碘化钠晶体、掺钠碘化铯晶体和cllb晶体的组合等。

18、优选地，所述无机晶体层的厚度为5～30mm，例如5mm、8mm、10mm、12mm、15mm、18mm、20mm、25mm或30mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

19、本发明中，所述无机晶体层的选择主要是为了沉积γ射线和n射线，除了传统的nai(tl)、csi(na)或csi(tl)等无机晶体，还可选择新型的伽马中子复合闪烁晶体，如cllb晶体、clyc晶体等。

20、作为本发明优选的技术方案，所述第一光电探测器包括光电倍增管(pmt)或硅光电倍增管(sipm)，所述硅光电倍增管可选择硅光电倍增管阵列的形式。

21、优选地，所述第二光电探测器包括硅光电倍增管或钙钛矿光电探测器，其中，硅光电倍增管和钙钛矿光电探测器均可以阵列的方式使用。

22、优选地，所述第二光电探测器的宽度不大于有机晶体层的厚度。

23、本发明中，使用两个光电探测器，可以将不同射线粒子产生的光信号收集到不同的光电探测器中，便于电信号的甄别，同时也可使用时间符合方法，判断出是否是同一粒子产生的光电信号，例如γ射线可以在有机晶体和无机晶体中产生光电信号。

24、优选地，所述第二光电探测器的数量至少为两个，例如两个、三个、四个或五个等，环绕有机晶体层的侧面均匀布置，其余有机晶体层的侧边部分采用反光材料包覆。

25、本发明中，在有机晶体层的外壁面上设置多个第二光电探测器，其数量的选择与需要的灵敏度有关，能够更高效率的收集zns(ag)层和有机晶体层的光信号；所述有机晶体层外侧的反光材料既可选择完全由反光材料构成的膜层，也可选择包含反光面的有机基板，例如具有镀银反光面的fpc基板。

26、另一方面，本发明提供了一种采用上述层叠探测器检测辐射射线的方法，所述方法包括以下步骤：

27、(1)待检测射线自上而下穿过层叠探测器，不同射线的粒子在不同的结构层中沉积，并将产生的光信号传递给光电探测器，其中，掺银硫化锌层和有机晶体层中的光信号传递给第二光电探测器，无机晶体层中的光信号传递给第一光电探测器；

28、(2)步骤(1)所述光电探测器接收光信号后转化为电信号，利用不同射线粒子电信号的差异，采用不同的方法甄别出不同的射线种类。

29、作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述待检测射线的种类包括α射线、β射线、γ射线或n射线中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：α射线和β射线的组合，β射线和γ射线的组合，γ射线和n射线的组合，α射线、β射线和γ射线的组合，β射线、γ射线和n射线的组合，α射线、β射线、γ射线和n射线的组合等。

30、优选地，所述射线自层叠探测器最上方的第一反光层射入。

31、作为本发明优选的技术方案，所述α射线的粒子穿过第一反光层，在掺银硫化锌层中沉积。

32、优选地，所述α射线的粒子与掺银硫化锌相互作用，产生光信号，由第二光电探测器收集。

33、优选地，所述β射线的粒子穿过第一反光层、掺银硫化锌层，在有机晶体层沉积。

34、优选地，所述β射线的粒子与有机晶体层相互作用，产生光信号，同样由第二光电探测器收集。

35、优选地，所述γ射线的粒子穿过第一反光层、掺银硫化锌层、有机晶体层和第二反光层，达到无机晶体层，在有机晶体层和无机晶体层均有沉积。

36、优选地，所述γ射线的粒子造成有机晶体层和无机晶体层均会发光，前者的光信号由第二光电探测器收集，后者的光信号由第一光电探测器收集。

37、优选地，所述n射线的粒子穿过第一反光层、掺银硫化锌层、有机晶体层和第二反光层，达到无机晶体层，在有机晶体层和无机晶体层均有沉积。

38、优选地，所述n射线的粒子造成有机晶体层和无机晶体层均会发光，前者的光信号由第二光电探测器收集，后者的光信号由第一光电探测器收集。

39、作为本发明优选的技术方案，所述第二光电探测器收集来自掺银硫化锌层和有机晶体层的光信号后转化为电信号，采用脉冲法甄别出α射线和β射线。

40、优选地，所述脉冲法包括脉冲幅度法或脉冲宽度法。

41、优选地，所述α射线的脉冲幅度大于β射线的脉冲幅度，所述α射线的脉冲宽度大于β射线的脉冲宽度。

42、本发明中，利用zns(ag)层、有机晶体层和第二光电探测器，可以甄别出α和β射线，其中有机晶体层中也会夹杂少量的γ、n射线，但由于有机晶体密度低，γ、n射线的灵敏度较低；脉冲法分为脉冲幅度甄别和脉冲宽度甄别，α射线的脉冲幅度一般较高，而β射线较低，β射线在有机晶体中的脉冲宽度较窄，而α射线在zns(ag)中的脉冲宽度较宽。

43、作为本发明优选的技术方案，所述第二光电探测器收集有来自β、γ和n射线的光信号，第一光电探测器收集有来自γ和n射线的光信号，采用时间反符合法，甄别出β射线，得到β射线的计数。

44、本发明中，通过有机晶体层，收集在第二光电探测器的信号中，β、γ和n三种粒子的信号混在一起，而通过无机晶体层，收集在第一光电探测器的信号中，只有γ和n粒子的信号，此时可以通过第二光电探测器和第一光电探测器的信号的时间进行符合，因为粒子穿过有机晶体层和无机晶体层的时间非常快，可以在ns级别上符合，而不能符合的则是β粒子，从而获得β粒子的计数。

45、优选地，根据第一光电探测器收集有来自γ和n射线的光信号，转化为电信号输出后，采用波形甄别法(psd)，利用脉冲信号下降时间和脉冲总时间的比值来甄别γ射线和n射线。

46、优选地，所述脉冲信号下降时间和脉冲总时间的比值为fom值，所述n射线的fom值大于γ射线的fom值。

47、本发明中，所述γ和n射线的计数通过无机晶体层和第一光电探测器的信号输出，波形甄别法中，脉冲信号的fom＝t下降/(t上升+t下降)，通过比较两者的fom值，甄别出γ射线和n射线。

48、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

49、(1)本发明所述层叠探测器通过多层结构层的设置，尤其是有机晶体层和无机晶体层之间反光层以及两种光电探测器的设置，可以将不同射线产生的光信号传递到不同的光电探测器，便于进行更多的数据处理，从而能够甄别出更多种类的射线，一次性完成多种射线离子的甄别，检测效率高；

50、(2)本发明所述层叠探测器结构设计简单精巧，可有效减少探测器的数量，降低设备及操作成本，适用范围广。