α/β探测器改进设计

李元东，邓晓钦，徐斌，王亮，徐僳，周俊宇，曾国强，葛良全，蒋兵

（1.四川省辐射环境管理监测中心站，成都 611139； 2.成都理工大学核技术与自动化工程学院，成都 610059）

引言

α粒子与β粒子是核能与核技术工程研究热点，具有较强的电离能力，一旦进入体内将导致内照射放射损伤，严重威胁着人体健康，已成为辐射环境领域的重点监测对象[1,2]。便携式α/β表面污染仪是监测环境中α粒子与β粒子的重要设备，其探测器通常采用复合闪烁体与光电倍增管组成，而光电倍增管体积大、工作电压高、抗干扰性能和抗机械性能弱，导致探头应用范围受限[3,4]。可见，传统α/β探测器已不符合当前技术要求，在加强辐射环境监测的大力推动下，实现对α/β探测器小型化和低电压的改进是目前亟待解决的问题。

1 复合闪烁体

1.1 α探测器对比

常用的α粒子探测器有硫化锌（银）闪烁体、硅扩散结探测器、金-硅面垒探测器、高纯锗半导体探测器以及核乳胶径迹探测器等。硅扩散结探测器死层厚，探测效率低[5]。金-硅面垒探测器抗干扰性差，不适合移动监测。高纯锗半导体探测器造价高，探测效率低。核乳胶径迹探测器不可在线获取数据，且制作工艺繁琐[6]。

硫化锌（银）闪烁体是用银激活的硫化锌晶体，呈粉末状，颗粒度较小，透明度较低，易加工，适合制备薄层，性价比高，相对光输出较高，闪烁衰减时间平均衰减时间为200 ns，发射光谱峰位于450 nm，与硅光电倍增管光谱匹配度高[7]，且对α粒子的能量损失率大，阻止本领强，探测效率可达100 %，适合作为便携式α/β表面污染仪的α探测器[8]。

1.2 β探测器对比

常用的β粒子探测器有盖革管、玻璃闪烁体、液体闪烁体、塑料闪烁体以及塑料闪烁体等。盖革管工作电压高，体积较大。液体闪烁体具有一定毒性，移动作业风险大。玻璃闪烁体虽然衰减时间短，但发光效率低，不适合低技术测量[9]。

塑料闪烁体是有机闪烁物质，易于制作成多种形状，性价比高，透明度高，光传输性能好，抗辐照能力、抗潮解能力和抗机械性能强，闪烁衰减时间短，可用于高强度辐射测量[10]。塑料闪烁体稳定性好，无需特殊封装，发光效率的时间稳定性优异。此外，塑料闪烁体与闪烁体的光谱匹配度高，与基质光谱匹配度低，可避免基质干扰[11]，适合作为便携式α/β表面污染仪的β探测器。

1.3 复合闪烁体选型

综上可知，可采用硫化锌（银）闪烁体和塑料闪烁体探测α粒子和β粒子。EJ-444复合闪烁体由塑料闪烁体表面敷均匀硫化锌（银）晶体组成，且易被加工，对γ射线灵敏度低，适合测量α粒子和β粒子活度。本设计采用EJ-444复合闪烁体，其硫化锌（银）晶体可探测全部α粒子，低能量β粒子又可穿过硫化锌（银）晶体而被塑料闪烁体探测[12,13]，即实现同时探测α粒子和β粒子。

2 光电转换器

除闪烁体外，探测器的重要组成部分还有光电倍增器件。常用的光电转换器有：光电二极管、光电倍增管、硅光电倍增管、雪崩光电二极管。光电倍增管存在抗机械性能差、体积大、电压高等缺点[14]。光电二极管虽然具备电压低、响应速度快和体积小等优点，但是自身无增益，因此噪声大，输出信号信噪比低。雪崩光电二极管电压高，倍增系数的温度稳定性差，因此实际应用范围受限[15]。

硅光电倍增管是新型光电倍增器件，由并联的雪崩光电二极管阵列集成于薄单晶硅片而组成，每个雪崩光电二极管工作于盖革模式[16]。当雪崩光电二极管受射线照射，转换增益可达106。硅光电倍增管的增益比雪崩光电二极管和光电二极管稳定；单光子分辨率、时间分辨率、增益等参数比光电倍增管佳，且工作电压较低；电二极管的读出电路复杂，增加了探头设计难度。此外，硅光电倍增管的体积小、抗辐照能力强、探测效率高、磁场稳定性强、易于封装、性价比高[17]。硅光电倍增管在峰值波长（420 nm）处的光子探测效率可达40 %，EJ-444复合闪烁体峰值波长为423 nm，可见硅光电倍增管与EJ-444复合闪烁体的光谱匹配度高，将二者直接耦合组成探测器，可以有效降低荧光亏损。因此，本设计将硅光电倍增管耦合EJ-444复合闪烁体组成新型探测器。

3 α/β探测器改进设计

本设计将硅光电倍增管耦合复合闪烁组成新型α/β探测器，封装体积为Φ8.0 cm×3.0 cm，见图1。

γ射线能量高，可穿透薄复合闪烁体；α粒子质量大，穿透能力弱，在硫化锌（银）闪烁体中能量可全部损耗；β粒子穿透能力较γ射线弱，但复合闪烁体对β粒子的能量损失率大，阻止本领强，能够使得β粒子能量完全损耗。因此，新型α/β探测器即可减弱γ射线干扰，又可同时探测α粒子和β粒子。在使用探测器时，为避免进入灰尘和碰撞损坏，本设计在探测器前端增加保护铝壳。在实际应用中，为减小系统误差，准确测量α粒子和β粒子，首先安装保护铝壳，保护铝壳可阻止α粒子和β粒子进入探测器，但无法阻止γ射线，因此可通过核信号处理系统测量γ射线干扰值，再将该干扰值作为环境本底，必要时可采取多次测量取平均值的方式记录在核仪器中，如此可有效减弱γ射线对仪器的干扰。

图1 新型α/β探测器

铝合金小巧轻便，机械稳定性好，因此本设计探测器采用铝合金作为支架固定。金属铝硬度小，延展性好，易于制成薄铝膜。而铝膜的避光性能强，因此本设计在闪烁体上方加薄铝膜避光。但因光的衍射现象，部分光子依然可以穿过铝膜的微孔，对α粒子和β粒子的测量造成干扰。因此，为进一步削弱外界光子干扰，本设计采用横纵交错的双重铝膜进行避光。为实现硅光电倍增管耦合复合闪烁体，在铝支架下方开一小口，保证小口与硅光电倍增管吻合，减少荧光损失率。塑料闪烁体被射线照射后产生分子激发现象，被激发的分子在退激发过程中产生光子而释放能量。为提高硅光电倍增管光子收集率，本设计在铝合金支架表面敷一层镀膜用氧化镁，用以反射光子，使光子汇于硅光电倍增管处。光子通过硅光电倍增管转换为电信号，最终被核信号处理系统获取。本设计中硅光电倍增管由SensL公司生产，型号为MicroFC-10010-SMT，工作电压范围为23～26 V，针对探测器发出的荧光，灵敏度较高，信号输出量较大。

4 结论

开展了对传统便携式α/β表面污染仪探测器的改进工作，采用复合闪烁体探测α粒子和β粒子，采用硅光电倍增管作为光电转换器，采用铝合金设计架构，最终满足了探测器体积小、电压低、便携度高和机械性能强的设计要求，有望被广泛应用。