闪烁体_光纤组合式辐射探测器_相对灵敏度研究

闪烁体_光纤组合式辐射探测器_相对灵敏度研究 第 32 卷 第 11 期 核技术Vol. 32, No.11 2009 年 11 月NUCLEAR TECHNIQUES November 2009 闪烁体-光纤组合式辐射探测器 γ 相对灵敏度研究 张 美 彭博栋 盛 亮 杜宏亮 魏福利 王培伟 李 阳 袁 媛 赵吉祯 黎春华 (西北核技术研究所 西安 710024) 摘要 根据光纤光导的耦合理论，推导了闪烁体-光纤组合式探测器 γ 灵敏度理论公式，计算了 LSO、 ST401 60两种闪烁体-光纤探测器的相对灵敏度，在平均能量为 1.25 MeV 的 Co 射线源上测得 10 mm 厚 LSO 闪烁体- 光纤组合式探测器的灵敏度是相同厚度 ST401 的 19 倍，理论计算和实验结果在不确定度范围内一致。 关键 词 闪烁体-光纤辐射探测器，γ 灵敏度，耦合效率 +中图分类号 O411.3, TL812.1 [7] 光，荧光的强度与电子在闪烁体内总的损失能量光纤探测技术广泛应用于高能物理、等离子体 或沉积能量成正比，则闪烁体单位面积上发射波长 聚变物理诊断和核医学诊断中。在辐射场多通道测 [7]试技术中，光纤探测技术具有抗干扰能力强、响应 为 λ 的荧光功率为: 频带宽、设备轻便，可用于多点和远距离测量等优 (λ) = k IηηS(λ)(1) P sγ D s s[1-3]点，是重要的诊断技术之一。 ?13 式中，k = 1.602 ×10 J/MeV，I为入射的γ射线能 γ 闪烁体-光纤组合式辐射探测技术集辐射、光、 ?2 ?1 量注量率(MeV?cm ?s ),η为闪烁体中波长为 λ 的 s 电于一体，在满足时间分辨和传输距离的条件下， 荧光光子的绝对发光效率;S(λ)为闪烁体的归一化 s采用大芯径低损耗石英光纤、高转换效率的闪烁体 发光光谱;η为闪烁体对γ射线的能量吸收份额， [4,5]D 和高增益光电倍增管以提高系统的灵敏度。探测 [7] 其定义为 :器的灵敏度与系统中闪烁体对射线的能量沉积效 (2) η= 1?exp(?μl) D 率、自身的发光效率、光纤的耦合效率、各器件的 ?1光谱匹配和光电倍增管的增益特性有关，系统 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 式中，μ 为闪烁体对 γ 射线的线吸收系数(cm)，l时需综合考虑上述各因素。本文推导了闪烁体-光纤 为闪烁体厚度。 组合式探测器的灵敏度理论公式，研究了两种组合 1.2 荧光信号的耦合 式探测器的 γ 灵敏度，为该类探测系统用于百 ns 脉冲 γ 射线测量提供一定的技术基础。受射线作用产生荧光的闪烁体属体发射，光子 可在闪烁体内部任意地方随机产生并向各个方向发 1 γ 灵敏度计算物理模型 [6]射(通常视为是各向同性)。荧光信号耦合模型的推 导，基于如下假设:(1)闪烁晶体的折射率分布均匀， 脉冲辐射场测量中，探测器的 γ 灵敏度由电流 [6] 闪烁晶体的外表面裸露于空气中，闪烁体和光纤表面积分灵敏度的定义 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 给出，即系统输出电流与 均严格抛光;(2)光纤内的漏泄模式光线可忽略，仅 测点处射线注量率的比值。脉冲射线信号经光纤探 考虑数值孔径内的束缚光线;(3)闪烁体和光纤的折 测系统转换为电流信号，需经过一系列转换、耦合 射率随传输荧光光子波长的变化较小，对耦合和传 和传输过程。因此，输出的电流信号与射线在闪烁 输效率引入的影响可忽略;(4)单能的入射 γ 射线; 体中的能量沉积、荧光光子发射、荧光光子在闪烁 (5)闪烁体的厚度和半径满足 l / R<<1/tgθ，l 为闪 smax体和光纤中输运、耦合，以及光子与光电倍增管光 烁体厚度，R为闪烁体半径，θ为光纤的最大接 s max 阴极作用、电子倍增等事件有关。 收角。 1.1 射线-荧光转换过程 脉冲 γ 闪烁探测器常用无机闪烁体的尺寸都在 5 cm 之内，闪烁体对自身荧光衰减可忽略。由文献入射到闪烁体的 γ 射线和闪烁体作用产生的次 [6] [7,8]可得耦合进入光纤内波长为 λ 的光功率为:级电子在输运过程中损失能量，激发原子产生荧 —————————————— 第一作者:张 美，男，1979 年出生，2008 年于西北核技术研究所获硕士学位，助研，研究方向:脉冲辐射探测技术收稿日期:2009-05-21，修回日期:2009-10-15 1.5 γ 灵敏度计算 [6]脉冲辐射场测量中探测器的电流灵敏度为 S= I/I (6) γ γ (3) 代入(1)、(3)、(4)和(5)式得: 式中，τ为折射率不匹配引入的端面反射损耗系数; 1 n为闪烁体的折射率;n为光纤轴线处的折射率; s 1 S= πkGττηMM γ 12co01(7) n为光纤包层的折射率;r为光线在光纤端面上入 2 o 射点到轴线的距离;g 为光纤芯部折射率的分布参 其中，η 为闪烁体与光纤的耦合系数: co 数，阶跃光纤 g=?;常用的梯度折射率光纤 g=2;a 为光纤的纤芯半径。 (8) 1.3 光纤中荧光信号的传输 =ηη为闪烁体对 γ 射线的光转换效率， MM 0Ds 1 为由于光谱衰减和谱响应引入的谱衰减修正因子。光纤芯区材料的吸收、散射、辐射及辐照引入的 [8,9]损耗使光信号在传播过程中产生衰减。在我们测量 能量注量率范围内(总剂量<100 rad)，光纤受照长度 由式(7)可知，探测器的灵敏度与闪烁体对射线 ,3 m，对于耐辐照的石英光纤，辐照损耗和辐照发 的光转换能力、光纤的耦合效率、光纤的光谱衰减 [10]光引入的影响可忽略。因此，主要考虑芯区材料的 和光电倍增管的光谱响应和增益有关。对于同一个 吸收和散射损耗，并与波长有关，通常用光纤的总损 光电倍增管，增益 G 是一个不变量，系统的灵敏度 耗系数 α(λ)来表征(dB/km)。则经长度为 L 光纤传输 a主要取决于 M、M和 η。利用式(7)对两种常用于 [9]01 co后的信号光功率为: 脉冲 γ 射线探测的 LSO、ST401 闪烁体-光纤组合探 –α(λ)La P(λ) = P(λ)e (4) oLo 测器进行灵敏度对比分析，并通过实验对其结果进 1.4 光-电信号转换 行验证。 经光纤终端输出的光子与光电倍增管的光阴极 2 理论分析相对灵敏度作用，打出光电子，经打拿极倍增放大，转换成电 流信号输出。光电倍增管阳极输出的电流为: 为与实验条件一致，理论分析中入射 γ 射线的 λ 2能量取 1.25 MeV，选用的 LSO、ST401 闪烁体的厚 I = Gτ P(λ )S(λ )dλ(5) 度为 10 mm，光纤的数值孔径为 0.2，其他参数见 2 0 L pmt ? λ 1表 1。 式中，G 为光电倍增管的增益，τ为光纤与光电倍由上述公式计算得到各参数及系统 γ 相对灵敏 2 增管两端面间的反射损耗，S度见表 2，光纤 1 长度为 67.5 m，芯部材料为纯石 (λ)为光电倍增管光 pmt 谱响应函数，闪烁体光谱区波长为 λ?λ。 英。 12 表 1 闪烁体和光纤的尺寸及折射率 Table1 Dimension and refractive index of scintillator and fiber. 参数闪烁体 Scintillator 阶跃石英光纤 Step-index fiber 梯度石英光纤 Graded-index fiber Parameter 芯区 Core 包层 Cladding 芯区 Core 包层 Cladding LSO ST401 折射率 Refractive index 1.82 1.59 1.457 1.442 1.46 1.446 直径 Diameter(mm) ? ? 100 100 0.2 0.6 表 2 LSO、ST401 闪烁体–光纤探测系统各参数理论相对值 Table 2 Relative theoretic value of parameter in LSO and ST401 fiber detector system. 探测器 Detector 相对灵敏度 Relative sensitivity MMη 01co LSO 闪烁体+光纤 1 LSO-Scintillator + Fiber 1 32 0.85 0.64 21 ST401 闪烁体+光纤 1 ST401-Scintillator + Fiber 1 1 1 1 1 第 11 期 张 美等:闪烁体-光纤组合式辐射探测器 γ 相对灵敏度研究 869 用 MCNP 算得入射能量为 1.25 MeV γ 射线在 效率越高。由表 1 可知，LSO 闪烁体的折射率大， 10 mm 厚的 LSO 闪烁体的能量沉积份额是 ST401 小。由 与光纤折射率相差也较大，其耦合效率 ηco [11]的 8 倍，发光效率约为 ST401 的 4 倍，发光强度 表 2 结果可知，在由光谱引入的谱衰减修正因子 是 ST401 的 32 倍(即 M为 32 倍)，与文献[11]的实 M和耦合效率 η近似相等情况下，系统的灵敏度 0 1 co 验结果相近。光纤对长波长光子的衰减系数小，从 主要取决于闪烁体的转换效率。 两闪烁体的发射光谱得知，ST401 发射光谱中长波 表 3 是理论计算的同一块 LSO 闪烁体与不同光 长光子占的份额要多于 LSO 闪烁体，故谱衰减修正 纤组合探测器的相对灵敏度，光纤 2 和光纤 3 的长 因子 M较大。光纤与闪烁体的耦合效率取决于两 度都为 20 m，光纤 2 为纯石英阶跃折射率光纤，光 1 者间的折射率，折射率相差越小，匹配越好，耦合 纤 3 为掺锗石英梯度折射率光纤。 表 3 LSO 闪烁体-光纤探测器各参数理论相对值 Table 3 Relative theoretic value of parameter LSO with different fiber system. 探测器 Detector 相对灵敏度 Relative sensitivity MMη 01co LSO 闪烁体+阶跃光纤 2 LSO-Scintillator+Step-indexFiber 2 1 1 1 1 LSO 闪烁体+梯度光纤 3 LSO-Scintillator+Graded-indexFi ber 3 1 0.88 4.5 4 对于同一块闪烁体，对 γ 射线的光转换效率 M 0 相同，探测器的灵敏度取决于谱衰减修正因子和光 耦合效率。谱衰减修正因子取决于光纤材料的吸收 和散射损耗。纯石英材料比掺锗的石英材料谱损耗 [7,8] 小，因此阶跃光纤系统的谱衰减修正因子 M 较1 大。光耦合效率取决于折射率的分布和光纤的芯区 半径，由表 1 可知，梯度光纤半径是阶跃光纤半径 的 3 倍，而在相同半径的情况下，梯度折射率光纤 [8] 的耦合效率是阶跃的 0.5 倍，理论预测梯度光纤 的 η相对值是 4.5，与计算结果相同。 co 图 1 高灵敏光纤探测系统实物图 Fig.1 Picture of scintillator-fiber detector. 根据式(8)和两种探测器分析结果得出:提高系 统灵敏度必须选择发光光谱与光纤谱损耗、高增益 3.1 实验原理与安排 光电倍增管的光谱灵敏度响应曲线相匹配的高发光 60 Co该组合式探测器的灵敏度在源上标定，效率的闪烁体;选择大芯径低损耗光纤，光纤的折 60 Co 的 γ 光子的平均能量为 1.25 MeV，射线经 Φ40射率与闪烁体折射率匹配良好。 mm 准直器入射到光纤无源探测器的探头上，光纤 由地下廊道引出到测量间，探头固定在光学调节架 3 实验测量 上，调节探头与源区的距离可获得不同测点处剂量 两种组合式光纤探测器的相对灵敏度需通过实率和输出的电流值，以计算探测器灵敏度。测点剂 验比对测量进行验证。 我们为此研制的组合式探 PWT-UNIDOS 剂 量仪给出， 输出信号由 量用 测器样机见图 1。闪 Keithley-6517A 小电流计测量。在标定探测器灵敏 烁体表面和光纤端面均经严格抛光，光纤的插针体 度前，先测量背景光、光电倍增管暗电流和光纤受 与闪烁体端面通过插针板紧密接触、严格定位，光 辐照发光引入的本底电流。标定装置的布局如图 2 纤与光电倍增管通过光纤转接器连接。从光纤出射 所示。 光束的远场分布是一个扩散的光斑，为取得最大灵 由式(6)，探测器灵敏度的数学模型为 S = I/I ， γ γ 敏度，须保证所有出射光束都照射在光阴极上，因 I 为探测器的净电流(A)，即提源后的输出信号电流 此光纤与光阴极的距离不能过大，经实验测量，在 I 减去前端无闪烁体时测得的本底电流 I 。用剂量 1 2 光纤端面距光电倍增管光阴极表面 2 cm 内，系统的 仪测得的 γ 剂量率为 D(Gy/s)，或照射量率为 X(R/s)， 灵敏度相对减少在 6%以内。 11 [12] 则 I 根据 I =1.84×10D 算得。γ γ 由表 4，10 mm 厚 LSO 闪烁体-石英阶跃光纤 组合探测器的灵敏度是同样厚度 ST401 的 19 倍， 理论计算的结果是 21 倍，相同的数值孔径，由 Φ0.6 mm 的梯度光纤组成探测器的灵敏度是 Φ0.2 mm 阶 跃折射率光纤的 3.2 倍，与理论计算结果(4 倍)基本 相符。式(8)没有考虑耦合进光纤内漏泄模式光线的 贡献，理论计算相对灵敏度值偏大。由仪器的鉴定 图 2 标定装置布局原理图 证 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 可知，小电流计的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 不确定度为 1.0%，剂量 Fig.2 Sketch of calibration experiment. [13]仪标准不确定度为 2.5%，源测量标准不确定度为 3.2 测量结果与分析 8%，由于位置和机械误差引入的不确定度为 6%， [14]根据式(10)和不确定度传递规律，可得实验数据 表 4 为 LSO 和 ST401 闪烁体和光纤的组合探测 的相对不确定度~10.4%。 器的电流灵敏度，闪烁体和光纤的具体结构参数与 理论分析参数见表 1，后端用 EMI9815B 光电倍增管 进行光电转换，其偏压为?1800 V。 表 4 不同闪烁晶体与光纤组合的探测器的γ灵敏度 Table 4 γ sensitivity of different scintillator-fiber detector. 探测器类型测点注量率净电流(I) 灵敏度信号电流(I)本底电流(I) 12 Signal current Net current Dose rate Sensitivity Background Detector ?2?1?2?1 current /nA /MeV?cm?s /μA /μA /C?cm?MeV 9?16LSO+阶跃光纤 1 LSO+ Fiber 1 1.4 × 10 3.030 3.2 3.027 2.16 ×10 ?179ST401+阶跃光纤 1 ST401+Fiber1 0.166 1.5 0.165 1.4 × 10 1.17 ×10 9?16LSO+阶跃光纤 2 LSO+ Fiber 2 0.3 × 10 0.17 5.5 0.165 5.50 × 10 9?15LSO+梯度光纤 3 0.3 × 10 1.75 × 10 LSO+ Fiber 3 0.54 15.0 0.525 4 结论刘庆兆. 脉冲辐射场诊断技术. 北京:科学出版社, 6 1994. 103–130 用光纤耦合理论推导了闪烁体-光纤探测器 γ LIU Qingzhao. Diagnositic technology of pulsed radiation 灵敏度公式，分析了常用于脉冲射线测量的两种闪field. Beijing: Science Press,1994. 103–130 烁体-光纤探测器的 γ 灵敏度，并进行了实验验证。 吕 敏, 王奎禄. 核试验脉冲射线测量技术. 北京: 国 7 结果表明:10 mm 厚 LSO 闪烁体-阶跃光纤探测器 防工业出版社, 2006 的 γ 灵敏度是同厚度 ST401 的 19 倍;对同一块 LSO LV Min,WANG Kuilu. Pulse-ray measurement techniques 闪烁体，由 Φ0.6 mm 梯度光纤组合的探测器是相同 in nuclear test. BeiJing: National Defence Industrial Press, 长度的 Φ0.2 mm 阶跃光纤的 3.2 倍;两者得到的结 2006 果在不确定度范围内与理论估计值基本一致。 Gerd Keiser, 著. 李玉权, 崔 敏, 译. 光纤通信(第三 8 版). 北京: 电子工业出版社, 2002: 38–39 参考文献 Gerd Keiser, LI Yuquan, CUI Min.(Translate), Optical 1 Lyons P B, Golob J E. Fiber optic utillization at the fiber communications(3rd ed.). Beijing: Publishing Nevada test, LA-7029 House of Electronics Industry, 2002: 38–39 Lyons P B, Ogle J W, Nelson M A. Applications of optical 2 Snyder A W, Mitchell D J, 著. 光波导理论. 周幼威, 张 9 fibers in nuclear diagnostics, LA-UR-80-1107 一龙, 等译. 北京:人民邮电出版社, 1991. 602–623 3 黄裕年, 刘雅君. 应用光学, 1999, 20(2): 24–27 Snyder A W, Love J D (write), ZHOU Youwei, ZHANG HUANG Yunian, LIUYajun. 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Guide of evaluation and 2003, 26(1): 92–96 中国科学院工程力学研究所, 编. γ射线屏蔽参数手册. expression of measurement uncertainty. Beijing: Chinese 12 北京: 原子能出版社, 1977. 7–9 Dosage Press, 2000 Study on relative gamma sensitivity of scintillator-fiber detector ZHANG Mei PENG Bodong SHENG Liang DU Hongliang WEI Fuli WANG Peiwei LI Yang YUAN Yuan ZHAO Jizhen LI Chunhua (Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi’an 710024, China) Abstract This work is aimed at developing the technique of multi-channel scintillator-fiber detector. In this paper, theoretical gamma sensitivity of a fiber detector was formulated for calculating the relative sensitivity of LSO and 60ST401 scintillator-fiber detectors. Outcomes of the calculation were validated by experiment with a Co source. The results show that sensitivity of an LSO scintillator-fiber detector of 10-mm thicknesd is about 19 times higher than the system using ST401 with the same size of LSO detector. The theoretical results agree with the experimental data. Keyword Scintillator-fiber detector, Gamma sensitivity, Coupling efficiency +CLC O411.3, TL812.1