基于复合闪烁体实现α、β射线的高效探测

冯延强，徐 健，王 玮

(核工业北京地质研究院， 北京 100029)



基于复合闪烁体实现α、β射线的高效探测

冯延强，徐 健，王 玮

(核工业北京地质研究院， 北京 100029)

基于ZnS(Ag)和塑料闪烁体组成的复合闪烁体，利用α、β射线在仪器中产生的脉冲波形特征，设计了α、β脉冲甄别电路。实验结果表明，α射线对β道串道比在5%以内时，β射线的探测效率约为50%；β射线对α道串道比为1%时，α射线的探测效率约为35% ，实现了在较低串道比条件下对α、β射线的高效探测。

复合闪烁体；脉冲甄别电路；α、β射线高效探测

核辐射主要包括α射线、β射线和γ射线 3种，其中α、β射线的穿透能力差，需要避免接触式进入体内的电离危害，即进行表面污染检测防护[1]。在α、β表面污染检测时，一般采用将ZnS(Ag)涂在塑料闪烁体上组成的闪烁体(简称复合闪烁体)[2-3]。参考刘明健等人[4]对复合闪烁体厚度与探测效率的研究，选择了合适的复合闪烁体，与此同时分析了α、β串道比较高的影响因素，并针对α、β射线经复合闪烁体产生的脉冲波形特征，设计了相应的脉冲甄别电路，实现了在较低串道比条件下的α、β射线高效探测。

1 利用复合闪烁体探测α、β射线

探测α射线一般采用ZnS(Ag)无机闪烁体，探测β射线大多选用塑料闪烁体或有机液体闪烁体，同时检测α、β射线可通过复合闪烁体来实现。ZnS(Ag)发光光谱为400～600 nm，只对α粒子发光效率高，而对β、γ粒子及中子等不灵敏。而薄层的塑料闪烁体能够完全吸收β粒子充当ZnS(Ag)的光导，并使高能的γ射线穿透，这样就保证了在探测β射线的同时也能检测到α射线。因此利用复合闪烁体吸收α、β射线，产生的荧光光子通过光电倍增管放大、收集后产生相应的α、β电脉冲。然后采用合适的脉冲幅度甄别电路区分出α、β射线，进而实现对其探测。其整体设计框架见图1。

该设计在实际应用中，为了消除环境中γ射线产生的干扰采取两方面措施：(1)探测器采用薄层塑料闪烁体，保障了探测β射线的同时也能使高能的γ射线穿透，从而避免高能γ射线的干扰；(2)探头设计了前端保护铝壳，在实际测量时，先不打开前端铝壳，这样探测不到α、β射线，但能接收到环境中存在的干扰γ射线，将此干扰作为本底存储在设备中。这样在同一环境中正常测量α、β

图1 基于复合闪烁体探测α、β射线的整体设计框架Fig.1 Design framework of detecting α,β rays based on composite scintillator

射线时，通过扣除本底的方式也可消除部分γ射线干扰[5]。以上两项措施，基本可以消除环境中γ射线的干扰。

2 α、β射线探测时串道现象分析

串道是仪器测量单一α或β参考源时，在β道或α道产生计数的现象。即α射线产生的脉冲信号幅度较低时会进入β道，被当做β射线计数；或者β射线产生的脉冲信号幅度较高会进入α道，被当做α射线计数。并且通过设置α道和β道的阈值，串道现象是不能直接被消除的。

实验中对该问题进行了相应的测量和分析，认为串道现象的存在是由于以下两个因素导致:(1)复合闪烁体不具备能量区分能力。虽然α射线能量大多在4～9 MeV范围内，是重带电粒子，并且其能谱具有分立、不连续的特征。β粒子即电子，能量大多在几十keV至几MeV，且与α射线的分立能谱不同的是β射线的能谱是连续分布的。但是探测α射线与β射线是ZnS(Ag)和塑料闪烁体独立发光产生脉冲幅度信号的。这样反映在仪器中的脉冲信号上α射线产生的信号幅度较β射线产生的信号幅度一般要大很多。但由于复合闪烁体不能进行能量区分，所以会出现α脉冲幅度谱分布与β脉冲幅度谱交互重叠的现象，表现在测量结果上即出现串道现象(图2)。(2)α能谱存在拖尾现象。由于α射线入射闪烁体时的角度不同，产生的光脉冲信号强弱就不同，反映在仪器中即α射线产生的信号脉冲幅度不同，这种α能谱分析存在拖尾现象已被大家所认同。α能谱存在的拖尾现象，会导致低能区的α射线进入β道，必然造成串道现象的发生。

图2 实测α、β能谱交互现象Fig.2 Phenomenon of α , β spectrum overlap

3 预处理积分电路设计

根据对α、β射线探测时串道现象的分析，结合复合闪烁体不具备能量区分的性质，为了将α、β射线区分开，设计了基于α、β射线脉冲信号波形特征的预处理电路[4]。

一般情况下，复合闪烁体和光电倍增管输出的信号中，α脉冲信号幅度较β脉冲信号幅度大很多，但由于α粒子的能量分布存在拖尾现象等原因，会导致少数情况下α、β脉冲信号幅度较为接近的情况(图3)。这种情况下如果直接利用幅度进行α、β射线区分，必

图3 α、β信号脉冲幅度较为接近的波形特征图Fig.3 Characteristic waveform of similar α, β signal

然会导致串道比增大，对应的探测效率降低。但是即使α、β脉冲信号幅度接近时，α脉冲信号的宽度较β脉冲信号宽度也会大很多。利用这一信号脉冲的波形特征，结合积分电路(图4)的特性便可实现将α、β射线较好地区分开。

根据积分电路原理可知，输出电压VO与输入电压VI的积分成正比[2]：

(1)

式中：R—积分电阻值；C—积分电容值；积分时间常数τ=RC与信号脉冲前沿时间t的关系直接决定了积分结果。

假设积分电路输入的α、β信号是幅度均为VI、信号宽度分别为tα和tβ的矩形脉冲(图5a)，则积分电路的积分时间常数τ与α、β信号宽度有以下3种情况：(1)τ≪tα≪tβ，此时α、β信号输出电压Vα和Vβ均能达到输入电压幅度VI(图5b)；(2)tβ≪τ≪tα，此时β信号输出电压Vβ还没达到输入电压幅度VI时，积分时间已到，所以Vβ

图4 积分电路原理图Fig.4 Schematic integrating circuit VI—积分输入电压；R—积分电阻；C—积分电容；i—积分电流；VO—积分输出电压。

(3)tβ≪tα≪τ，此时α、β信号输出电压Vα和Vβ均没达到输入电压幅度VI时，积分时间已到，所以Vα

根据以上3种情况，为了区分脉冲幅度较为接近、宽度相差较大的α、β信号，应该选择tβ<τ≤tα(图5c)的积分电路时间常数，这样积分结果会保持α信号的幅度不变，同时降低β信号的输出幅度。图6为经过积分后的信号脉冲。可见经过积分电路预处理后，α信号输出幅度与输入信号幅度一致(图6a)，β信号输出幅度约为输入幅度的2/3(图6b)，实现了积分电路的设计目的。

图5 积分电路输入、输出波形Fig.5 Waveform of input and output integrator circuita—输入的α、β射线矩形脉冲信号；b—积分时间常数均小于α、β射线信号宽度；c—积分时间常数大于β射线信号宽度而小于α信号射线宽度；d—积分时间常数均大于α、β射线信号宽度。VI—积分输入电压；Vα—α射线矩形脉冲信号积分输出电压；Vβ—β射线矩形脉冲信号积分输出电压；τ—积分时间常数；tα—α脉冲信号宽度；tβ—β脉冲信号宽度。

图6 α、β脉冲信号经过积分电路处理前后对比图Fig.6 α, β pulse signals before and after integrating a—α脉冲信号积分前、后对比；b—β脉冲信号积分前、后对比。

4 实验测试结果分析

利用239Pu(α标准源)和90Sr-90Y(β标准源)进行了实验测量，结果见表1。其中串道和探测效率计算方法如下[6-7]：

(1)α射线对β道串道比ηαβ计算方法：

(2)

(2)β射线对α道串道比ηαβ计算方法：

(3)

(3)探测效率计算方法：

(4)

从表1可知：α道对β道串道比在5%以内时，探测效率为50%，β道对α道串道比为1%时，探测效率为35%。

表1 α、β标准源实验测试数据

利用国内其它表面污染检测设备测量同一239Pu放射源(α标准源)和90Sr-90Y放射源(β标准源)，并与表1实测结果进行了对比，结果见表2，可见增加基于α、β脉冲波形特征的积分预处理电路后，在国内同类仪器中实现了较低串道比，并使探测α、β的效率有一定提高。

表2 不同设备测量结果对比数据表

5 结论

通过标准源实际测量可知：基于复合闪烁体，利用其产生的α、β脉冲波形特征，设计的信号预处理积分电路以及后续相应电路，可以实现较低串道比条件下的较高效α、β表面污染探测。利用239Pu和90Sr标准源试验结果显示：α道对β道串道比在5%以内时，探测效率约为50%，β道对α道串道比为1%时，探测效率约为35%。

[1]丁洪林.核辐射探测器[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社, 2009:103-125.

[2]程业勋，王南萍，侯胜利.核辐射场与放射性勘查[M].北京：地质出版社, 2005:22-61.

[3]林炳兴，闫世平，林立雄.总α和总β测定方法研究[J].辐射防护, 2009, 29(1):18-24.

[4]刘明健，姜荣涛，张 燕，等.α、β复合闪烁体厚度与探测效率的关系[J].核电子学与探测技术,2009,29(3):630-632.

[5]姜荣涛，谷铁男，张 燕，等.用于复合闪烁体的α、β脉冲甄别电路设计[J].核电子学与探测技术,2010,30(7):980-982.

[6]JJG 478-1996，α、β和γ表面污染仪[S].

Efficient α,β Detection Based on Composite Scintillator

FENG Yan-qiang,XU Jian,WANG Wei

(BeijingResearchInstituteofUraniumGeology,Beijing100029,China)

The α,β pulse-discriminating circuit was designed based on α,β pulse waveform characteristics produced from the composite scintillator which made up of ZnS(Ag) and plastic scintillator.Experimental results shew that α ray detection efficiency is about 50% when α ray enter β circuit less than 5%;and the β ray detection efficiency is about 35% when β ray enter α circuit less than 1%. Therefore α, β ray can be efficiently detected when string pass ratio is very low.

composite scintillator; pulse-discriminating circuit; α,β efficient detection

10.3969/j.issn.1000-0658.2015.03.009

2013-06-10 [改回日期]2015-01-06

冯延强(1984—)，男，助理工程师，2012年毕业于北京化工大学控制学与工程专业，从事放射性、环境监测、地质勘探仪器研发。E-mail：fengyanqiang＿2005@163.com

1000-0658(2015)03-0407-06

P631.6+3

A