α/β探測器改進設計

李元東，鄧曉欽，徐斌，王亮，徐僳，周俊宇，曾國強，葛良全，蔣兵

（1.四川省輻射環境管理監測中心站，成都 611139； 2.成都理工大學核技術與自動化工程學院，成都 610059）

引言

α粒子與β粒子是核能與核技術工程研究熱點，具有較強的電離能力，一旦進入體內將導致內照射放射損傷，嚴重威脅著人體健康，已成為輻射環境領域的重點監測對象[1,2]。便攜式α/β表面污染儀是監測環境中α粒子與β粒子的重要設備，其探測器通常采用復合閃爍體與光電倍增管組成，而光電倍增管體積大、工作電壓高、抗干擾性能和抗機械性能弱，導致探頭應用范圍受限[3,4]。可見，傳統α/β探測器已不符合當前技術要求，在加強輻射環境監測的大力推動下，實現對α/β探測器小型化和低電壓的改進是目前亟待解決的問題。

1 復合閃爍體

1.1 α探測器對比

常用的α粒子探測器有硫化鋅（銀）閃爍體、硅擴散結探測器、金-硅面壘探測器、高純鍺半導體探測器以及核乳膠徑跡探測器等。硅擴散結探測器死層厚，探測效率低[5]。金-硅面壘探測器抗干擾性差，不適合移動監測。高純鍺半導體探測器造價高，探測效率低。核乳膠徑跡探測器不可在線獲取數據，且制作工藝繁瑣[6]。

硫化鋅（銀）閃爍體是用銀激活的硫化鋅晶體，呈粉末狀，顆粒度較小，透明度較低，易加工，適合制備薄層，性價比高，相對光輸出較高，閃爍衰減時間平均衰減時間為200 ns，發射光譜峰位于450 nm，與硅光電倍增管光譜匹配度高[7]，且對α粒子的能量損失率大，阻止本領強，探測效率可達100 %，適合作為便攜式α/β表面污染儀的α探測器[8]。

1.2 β探測器對比

常用的β粒子探測器有蓋革管、玻璃閃爍體、液體閃爍體、塑料閃爍體以及塑料閃爍體等。蓋革管工作電壓高，體積較大。液體閃爍體具有一定毒性，移動作業風險大。玻璃閃爍體雖然衰減時間短，但發光效率低，不適合低技術測量[9]。

塑料閃爍體是有機閃爍物質，易于制作成多種形狀，性價比高，透明度高，光傳輸性能好，抗輻照能力、抗潮解能力和抗機械性能強，閃爍衰減時間短，可用于高強度輻射測量[10]。塑料閃爍體穩定性好，無需特殊封裝，發光效率的時間穩定性優異。此外，塑料閃爍體與閃爍體的光譜匹配度高，與基質光譜匹配度低，可避免基質干擾[11]，適合作為便攜式α/β表面污染儀的β探測器。

1.3 復合閃爍體選型

綜上可知，可采用硫化鋅（銀）閃爍體和塑料閃爍體探測α粒子和β粒子。EJ-444復合閃爍體由塑料閃爍體表面敷均勻硫化鋅（銀）晶體組成，且易被加工，對γ射線靈敏度低，適合測量α粒子和β粒子活度。本設計采用EJ-444復合閃爍體，其硫化鋅（銀）晶體可探測全部α粒子，低能量β粒子又可穿過硫化鋅（銀）晶體而被塑料閃爍體探測[12,13]，即實現同時探測α粒子和β粒子。

2 光電轉換器

除閃爍體外，探測器的重要組成部分還有光電倍增器件。常用的光電轉換器有：光電二極管、光電倍增管、硅光電倍增管、雪崩光電二極管。光電倍增管存在抗機械性能差、體積大、電壓高等缺點[14]。光電二極管雖然具備電壓低、響應速度快和體積小等優點，但是自身無增益，因此噪聲大，輸出信號信噪比低。雪崩光電二極管電壓高，倍增系數的溫度穩定性差，因此實際應用范圍受限[15]。

硅光電倍增管是新型光電倍增器件，由并聯的雪崩光電二極管陣列集成于薄單晶硅片而組成，每個雪崩光電二極管工作于蓋革模式[16]。當雪崩光電二極管受射線照射，轉換增益可達106。硅光電倍增管的增益比雪崩光電二極管和光電二極管穩定；單光子分辨率、時間分辨率、增益等參數比光電倍增管佳，且工作電壓較低；電二極管的讀出電路復雜，增加了探頭設計難度。此外，硅光電倍增管的體積小、抗輻照能力強、探測效率高、磁場穩定性強、易于封裝、性價比高[17]。硅光電倍增管在峰值波長（420 nm）處的光子探測效率可達40 %，EJ-444復合閃爍體峰值波長為423 nm，可見硅光電倍增管與EJ-444復合閃爍體的光譜匹配度高，將二者直接耦合組成探測器，可以有效降低熒光虧損。因此，本設計將硅光電倍增管耦合EJ-444復合閃爍體組成新型探測器。

3 α/β探測器改進設計

本設計將硅光電倍增管耦合復合閃爍組成新型α/β探測器，封裝體積為Φ8.0 cm×3.0 cm，見圖1。

γ射線能量高，可穿透薄復合閃爍體；α粒子質量大，穿透能力弱，在硫化鋅（銀）閃爍體中能量可全部損耗；β粒子穿透能力較γ射線弱，但復合閃爍體對β粒子的能量損失率大，阻止本領強，能夠使得β粒子能量完全損耗。因此，新型α/β探測器即可減弱γ射線干擾，又可同時探測α粒子和β粒子。在使用探測器時，為避免進入灰塵和碰撞損壞，本設計在探測器前端增加保護鋁殼。在實際應用中，為減小系統誤差，準確測量α粒子和β粒子，首先安裝保護鋁殼，保護鋁殼可阻止α粒子和β粒子進入探測器，但無法阻止γ射線，因此可通過核信號處理系統測量γ射線干擾值，再將該干擾值作為環境本底，必要時可采取多次測量取平均值的方式記錄在核儀器中，如此可有效減弱γ射線對儀器的干擾。

圖1 新型α/β探測器

鋁合金小巧輕便，機械穩定性好，因此本設計探測器采用鋁合金作為支架固定。金屬鋁硬度小，延展性好，易于制成薄鋁膜。而鋁膜的避光性能強，因此本設計在閃爍體上方加薄鋁膜避光。但因光的衍射現象，部分光子依然可以穿過鋁膜的微孔，對α粒子和β粒子的測量造成干擾。因此，為進一步削弱外界光子干擾，本設計采用橫縱交錯的雙重鋁膜進行避光。為實現硅光電倍增管耦合復合閃爍體，在鋁支架下方開一小口，保證小口與硅光電倍增管吻合，減少熒光損失率。塑料閃爍體被射線照射后產生分子激發現象，被激發的分子在退激發過程中產生光子而釋放能量。為提高硅光電倍增管光子收集率，本設計在鋁合金支架表面敷一層鍍膜用氧化鎂，用以反射光子，使光子匯于硅光電倍增管處。光子通過硅光電倍增管轉換為電信號，最終被核信號處理系統獲取。本設計中硅光電倍增管由SensL公司生產，型號為MicroFC-10010-SMT，工作電壓范圍為23～26 V，針對探測器發出的熒光，靈敏度較高，信號輸出量較大。

4 結論

開展了對傳統便攜式α/β表面污染儀探測器的改進工作，采用復合閃爍體探測α粒子和β粒子，采用硅光電倍增管作為光電轉換器，采用鋁合金設計架構，最終滿足了探測器體積小、電壓低、便攜度高和機械性能強的設計要求，有望被廣泛應用。