BGO探测器在中子活化元素分析仪中的应用

张 伟，肖宪东，龚亚林

（丹东东方测控技术股份有限公司，辽宁 丹东 118000）

0 前 言

核辐射探测器对于在线多元素分析仪产品是非常重要的。其功能是接收放射性射线，将射线的能量信息和剂量信息转换为对应的电信号，通过对电信号的分析处理，形成对应的能谱信息，对能谱进行解谱分析，就可以对物料中的元素成分和含量进行分析。本文介绍一款高性能BGO闪烁体探测器的研发，并取得良好使用效果的情况。[1]

1 BGO闪烁体特点

BGO晶体又叫做锗酸铋，是一种具有立方结构、无色透明的无机氧化物晶体，密度为7.13g/cm3，是探测r射线效率最高的闪烁体。BGO闪烁体具有密度大、化学稳定性好、不潮解、光学透明性好、原子序数大、吸收系数高、光电效应比例大、衰减时间较短、机械加工性能好等优点，但是BGO闪烁体也有分辨率差、发光效率不如NaI闪烁体的缺点。进行BGO探测器设计，必须要充分利用其优点，并解决固有的缺陷问题。[2]

2 探测器硬件组成

2.1 机械结构

对于工业在线多元素分析仪来说，探测器的防护非常重要，只有达到工业环境的要求，探测器才能在恶劣的环境下长期可靠运行。本探测器无论是外壳还是连接器，均是按照IP65标准进行选型设计。

同时，为了使能谱测量与分析也达到非常理想的效果，通过大量实验对比，对探测器的外壳材料进行了特殊设计，利用外壳材料的屏蔽作用，尽可能阻止无用的射线信号进入到探测器中，从而提高探测器接收射线信号的信噪比。实践证明，该探测器的屏蔽材料对提高BGO探测器的分辨率和有效信号计数率非常有效。

另外，为了降低温度变化对探测器使用效果的影响，为探测器设计了专门恒温系统，保证探测器能够工作在恒定的温度下。实际使用效果证明，该恒温系统完全可以满足BGO探测器在工业现场的使用。

2.2 闪烁体

探测器的分辨率和有效计数率是非常重要的指标。闪烁体的材料直接决定了探测器的分辨率，在材料确定的条件下，闪烁体的体积会影响探测器的分辨率。同时，探测器的体积也影响计数率，闪烁体的体积越大，探测面积就越大，探测器的计数率也就越大。但是，闪烁体的体积大了以后，探测器的成本会成倍增加。根据工业在线多元素分析仪对探测器的性能要求，闪烁体选用世界上最著名的闪烁体厂商Saint-Gobain的5×5英寸的BGO闪烁体，以保证探测器的整体性能。[1]

2.3 倍增管

要使探测器满足在线多元素分析仪要求，需充分考虑光电倍增管的非线性、噪声、信噪比等指标，必须选择合适的倍增管。根据探测器性能及闪烁体的尺寸要求，我们选用的是滨松光子的R877型光电倍增管。该倍增管光谱响应范围为300nm～650nm；最大响应波长为400±20ns；10级倍增系统，最大增益可达4.2×105；非常高的脉冲线性特性等特点。

R877型光电倍增管的光电面积大、探测效率高，非常适合大面积的能谱分析应用。通过在多元素分析仪中的应用效果来看，其性能指标可以满足在线多元素分析仪产品的测量、分析要求。[1]

2.4 分压器

为了提高探测器的能量非线性指标，探测器的分压器选用的是三极管构成的电路来驱动打拿级的方案，该电路方案虽然电路复杂、成本高，但是对于提高探测器的能量非线性非常重要，可以大大提高探测器的整体性能。从测试效果来看，对于在线多元素分析仪产品来说，该方案非常理想。[3]

2.5 前置放大器

核辐射探测器，前置放大器是一个非常核心的部件。其作用是对倍增管的输出信号进行放大、整形，使探测器的输出信号满足后续电路的处理需要。通常情况下，前置放大器又称为预放大器，它的电路简单、体积小，绝大数情况下与闪烁体、倍增管设计在同一个结构中。前置放大器直接决定了探测器的输出信号参数、信噪比，直接影响探测器的整体性能指标。如果前置放大器无法满足设计要求，那么后续电路无论如何都将无法达到设计要求。[4]

核辐射探测器的前置放大器可以分为：电荷灵敏前置放大器、电压灵敏前置放大器、电流灵敏前置放大器三类，每种前置放大器都有不同的特点，适用不同的使用需求。根据多元素分析仪产品的要求，本探测器选用的是电压灵敏型前置放大器，图1为电路原理示意图，图2为前置放大器输出信号。通过实际测试，该前置放大器的输出信号，无论是信噪比还是信号质量均非常好，非常适用于多元素分析仪的能谱分析应用，可以满足多元素分析仪的设计要求。[4]

图1 电压型前置放大器简图

图2 前置放大器输出信号

图3 137Cs能谱图

图4 多元素分析仪应用能谱图

2.6 恒温系统

为了保证工业在线多元素分析仪产品的长期、稳定运行，获得最佳测量效果，探测器均要求工作在恒定的温度环境下，以降低温度变化对探测器性能指标的影响，因此，为探测器设计了恒温系统。该恒温系统包括加热、保温、温度采集、温度控制部分。通过恒温系统的温度控制部分，可以根据需要对探测器的工作温度进行设定，温度控制精度可达±1℃。该系统同时具备保护功能，保证探测器的工作温度，不超过温度允许范围，以提高探测器的可靠性。

3 能谱测试

能谱数据对于在线多元素分析仪来说是非常重要的，分析仪的所有分析过程和结果都是通过能谱数据得出的。因此，通过测试探测器的各种能谱数据，可以直接反映探测器的性能指标。通常情况下，都是通过测试探测器的137Cs谱形，来衡量核辐射探测器的分辨率指标；通过测试探测器的活化谱，衡量核辐射探测器的多元素分析性能。图3为该BGO探测器的137Cs谱形，分辨率为11.7%，对于5英寸的BGO闪烁体来说，这样的分辨率已经非常好了。图4为测量物料活化谱的高能谱部分，通过谱形来看，每种元素对应的能量峰非常明显，而且有效面积也很大。通过测试来看，BGO探测器在能谱的高能部分，性能指标优于同尺寸的NaI探测器，非常适用于r能谱分析仪应用。[5]

4 总 结

通过对该BGO探测器各项指标测试，各项指标均优于通用的BGO探测器。特别是在探测器的分辨率和有效计数率方面，在中子活化多元素分析仪产品的应用具有独特的优势。目前，该BGO探测器已成功应用到煤质多元素分析仪、水泥多元素分析仪产品中，使用效果非常理想。为客户提高生产效率、降低成本、增加经济效益，证明该BGO探测器是适用于工业在线分析仪的高性能探测器。

参考文献：

[1]严济军,赵义兵.浅谈水泥厂应用中子活化分析仪的硬件环境[J].新世纪水泥导报，2010 .16 （3）：50-52.

[2]张伟,刘永超等.溴化镧探测器在中子活化多元素分析仪性能改进中的应用[J].现代矿业 2013 Vol. 29 （12）：160－162.

[3]汲长松.核辐射探测器及其实验手册[M].北京:原子能出版社,1990.

[4]王宗仁.核仪器电子技术[M].北京:原子能出版社,1977.

[5]周亦武,孙威娜.放大电路指南[M].福建：福建科学技术出版社，2004.