塑料闪烁光纤阵列探测器研制及验证

马 鹏，孙宏清，党云博，宋志君，张生栋，舒复君

(中国原子能科学研究院，北京 102413)

90Sr是环境放射性污染监测的主要核素之一，其在土壤中的含量水平是环境监测的重要数据，特别是含量在豁免水平1 Bq/g[1]以上的土壤需准确测量。土壤中90Sr分析通常采用核行业标准分析方法[2]或优化流程的放化法[3-6]，利用化学方法分离出土壤中的90Sr或其衰变子体90Y后测量β放射性，换算后得到90Sr比活度。常规方法耗时、费力，分析准确度与流程的严格控制和实验人员精细操作有关，测量结果离散性较大[7]，不适合核设施退役、环境监测等过程中大规模土壤样品90Sr的快速测量。测量从土壤表面发射的90Sr-90Y的β射线或其与土壤介质作用产生的次级射线，可实现土壤中90Sr的直接测量。切伦科夫测量[8-9]、韧致辐射测量[10-13]、层叠式闪烁测量[14-18]等是主要的直接测量方法，其中以塑料闪烁光纤(SciFi)组建的层叠式(阵列式)结构的探测器在探测效率、探测限、测量灵敏度等方面优势明显。文献[19]开展了SciFi阵列探测器的结构设计，表明4层SciFi和1层吸收体结构能实现污染土壤中90S-90Y β衰变信号的甄别。本文依据该结构研制SciFi阵列探测器(以下简称探测器)，测试探测器90Sr面源探测效率、土壤90Sr探测效率、最小可探测活度、甄别因子等技术指标，测量真实污染土壤并对90Sr测量结果进行验证。

1 探测器

1.1 探测器结构

图1 探测器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of detector structure

探测器灵敏区域由SciFi阵列和吸收体组成，SciFi组成4层闪烁体，第1层SciFi面向被测土壤，第3层与第4层之间为有机玻璃(PMMA)吸收体，每层SciFi两端成束后连接光电倍增管(PMT)，探测器结构如图1所示。放射性污染土壤中的低能β射线被前两层闪烁体阻挡，无法到达第3层，90Sr的衰变子体90Y发射的高能β射线(2.28 MeV)可穿过前两层闪烁体到达第3层并终止于吸收体，并在前3层闪烁体中形成同时性闪烁荧光信号。γ射线在闪烁体中的探测效率低，在前3层闪烁体中同时损失能量的概率更低，将前3层闪烁体信号执行逻辑符合，实现高能β射线信号与低能β射线、γ射线信号的区分。宇宙射线中的高能带电粒子能在4层闪烁体中产生同时性信号，将第4层信号执行逻辑反符合，即可区分信号中宇宙射线的贡献部分。

1.2 探测器搭建

每层100根1 mm×1 mm方形SciFi(SCSF-78，Kuraray)紧密排列，形成灵敏探测面积100 mm×200 mm的SciFi阵列。4层SciFi粘贴在工字型吸收体(厚10 mm)的两面，层间用超薄胶膜粘接以减少β射线能量损失。每层SciFi两端捆扎成束，用透明环氧树脂固化后打磨抛光，光纤束端面涂抹光学硅脂后与PMT(CR332，滨松)稳固连接，阵列两端共输出8路PMT信号。4层SciFi阵列与吸收体组成整体，安装在铝合金壳体内。PMT高压由NIM插件(1470，CAEN)提供，调节高压大小至前置放大器(前放)输出信号幅度一致。PMT输出信号接自电荷灵敏前放，信号幅度约50 mV，前放输出信号进入恒比定时器(CFD，N405，CAEN)，每层SciFi两端CFD输出信号进入符合逻辑单元(N455，CANE)转换为一路信号，此时，4层SciFi形成4路信号，并接入符合逻辑单元(N405，CAEN)，前3层信号逻辑符合及全部4层信号逻辑符合输出接入计数器(N1145，CAEN)，记为count1和count2，其差值即为90Sr-90Y β射线计数。探测器信号处理流程如图2所示。

1.3 探测窗覆膜材质

SciFi发射荧光波长在可见光波段，需避光使用。铝合金壳体开窗，用避光膜覆盖，以阻挡环境光进入探测器。在避光前提下，要求覆膜材质对90Sr-90Y β射线吸收尽量小。探测器预期用于野外环境，覆膜材质应具备一定的强度，避免意外损坏。比较了复合镀铝膜、黑色塑料膜、碳纤维膜、金属膜等膜材料，经抗拉、耐磨实验测定，金属钛膜强度高、厚度薄，是探测器探测窗覆膜的理想材料，因此选择10 μm厚度的金属钛膜为探测窗覆膜材料，覆膜外侧安装透过率85%的不锈钢网保护金属钛膜。

图2 闪烁光纤阵列探测器信号处理流程图Fig.2 Signal processing flow chart of scintillation fiber array detector

2 探测器性能测试

2.1 90Sr面源探测效率

源斑直径5 cm的90Sr面源(活度48 227 Bq)放置在探测窗下方中心位置，测量8路PMT输出信号及符合信号强度，修正不锈钢网的遮挡后计算各路信号的探测效率，结果列于表1。2.2 土壤90Sr探测效率

1) 参考土壤样品制备

采集北京市郊的农田土壤，放置自然阴干。筛除石块、草根等杂物，置于烘箱中，在110 ℃下烘烤24 h，烘干后的土壤经粉碎研磨过100目筛，取筛后土壤150 g装入聚乙烯瓶中，密封暂存。90Sr指示剂稀释后装入样品瓶中，取1 mL在液闪谱仪标定90Sr溶液比活度。90Sr溶液称重后定量滴加在聚乙烯瓶中土壤表层中央区域，防止液体沾污或渗透至瓶壁，等待加入液体自然阴干至土壤重量150 g左右，转移至100目筛，小心压碎土壤结块并过筛，仔细清扫样品筛，将所有土壤转移至聚乙烯瓶，摇动土壤至90Sr混合均匀。混合均匀的土壤转移至200 mm×100 mm的样品盘中平铺，厚度约4 mm，用1层PE保鲜膜覆盖样品盒以防止土壤洒落，共制备6个不同90Sr比活度的参考土壤，比活度范围为0.09～4.81 Bq/g。

表1 90Sr面源探测效率Table 1 Detection efficiency of 90Sr plane resource

2) 探测效率测量

参考土壤样品放置在探测窗下方，土壤表面距探测窗6 mm，测量时间为30 min。参考土壤90Sr测量结果列于表2。90Sr比活度(y)与测量净计数率(x)呈线性关系，拟合线性函数关系为y=0.573 5x-0.238 6，拟合优度为0.999，由线性函数可得探测器对土壤90Sr的探测效率为1.4%。

表2 参考土壤90Sr测量结果Table 2 90Sr detection result of reference soil sample

2.3 最小可探测活度

空白土壤本底计数率为1.98 s-1，探测效率为1.4%，根据最小可探测活度计算公式(式(1))，5 min测量时间，探测器对土壤中90Sr的最小可探测活度MDA为0.18 Bq/g。

(1)

其中：nb为空白土壤本底计数率；t为测量时间；ε为探测效率；m为样品质量，m=150 g。

2.4 甄别因子

污染土壤中的放射性核素除90Sr外，还有其他人工放射性核素和天然放射性核素，其衰变发射的β、γ射线会在探测器中产生计数，为评估其对90Sr测量的影响，引入甄别因子D：

(2)

其中：εSr为90Sr的探测效率；εβγ为其他核素的探测效率。

D越大，说明该干扰核素对测量的影响越小；反之，D越小，该干扰核素对测量的影响越大。按照参考土壤制备方法，制备了90Sr、137Cs、154Eu等人工放射性核素的参考土壤样品及天然放射性核素的参考土壤样品(表3)。U-Ra系参考样用238U-226Ra平衡体的矿物质粉末与模拟土壤混合研磨制成；Th系参考样用232Th平衡体的矿物质粉末与模拟土壤混合研磨制成；40K参考样用分析纯的氯化钾与模拟土壤混合研磨制成，40K活度用γ能谱法标定。

表3 甄别因子测量结果Table 3 D measurement result

由表3可知，除了152Eu和154Eu，其他人工放射性核素的甄别因子较大。乏燃料卸出冷却后，152Eu和154Eu的比活度较90Sr小2～3个量级，它们对90Sr测量的影响可忽略。U-Ra系、Th系和90Sr相当，甄别因子接近1，其活度和90Sr接近时，对测量的影响较大。我国土壤中238U、226Ra、232Th和40K 4个主要天然放射性核素的平均比活度分别为39.5、36.5、49.4和580.0 Bq/kg[20]，相比90Sr比活度在豁免水平以上的土壤，其在测量计数中的总贡献小于5%。通过测量相同环境无90Sr污染的土壤得到该环境中天然放射性的计数比例，在测量90Sr污染土壤时予以扣除。

3 污染土壤90Sr测量及验证

3.1 污染土壤90Sr测量

某核设施极低放土壤经初步筛选后存储于废物桶，从其中一个废物桶分装6份土壤，每份约1 kg，干燥后过100目筛，取筛后土壤制备6个340 g土壤装入γ测量样品盒，通过高纯锗探测器分析γ核素活度，测量结束后转出150 g平铺在200 mm×100 mm样品盘中测量90Sr，测量结果列于表4。6个样品取自同一个废物桶，放射性差别预计较小，实际测量结果与预计符合。

表4 污染土壤放射性核素比活度测量Table 4 Specific activity detection of radioactivity nuclide in contaminated soil

3.2 90Sr测量结果验证

土壤90Sr放化分析的误差通常较大，不适于探测器测量结果的比对验证，因此选择自验证的方式进行验证。表4中1#样品中加入已知比活度的90Sr参考溶液，干燥、混匀后再次测量，比对加入值与前后两次测量值之差的偏离程度，以此验证探测器测量值的准确性。测量结果(表5)显示，两者在误差范围内一致，表明探测器测量土壤90Sr准确度较高。

表5 污染土壤90Sr测量结果验证Table 5 Verification of 90Sr measurement result of contaminated soil

4 结论

针对污染土壤90Sr的直接测量，研制了SciFi阵列探测器样机，并对样机进行了测试，得到如下结论：1) 探测器最小可探测活度为0.18 Bq/g(5 min)，适用于90Sr比活度在豁免值以上的污染土壤测量；2) 土壤中人工放射性核素对90Sr测量的影响可忽略，天然放射性核素的影响较小且可通过本底扣除；3) 探测器对土壤中90Sr测量速度快、准确度高，可用于核设施退役、环境普查等大规模土壤样品90Sr快速、直接测定。下一步工作将开展集成化的电子学信号获取软硬件系统研发，形成外形小、重量轻、可方便携带的探测器。