BGO探測器在中子活化元素分析儀中的應用

張 偉，肖憲東，龔亞林

（丹東東方測控技術股份有限公司，遼寧 丹東 118000）

0 前 言

核輻射探測器對于在線多元素分析儀產品是非常重要的。其功能是接收放射性射線，將射線的能量信息和劑量信息轉換為對應的電信號，通過對電信號的分析處理，形成對應的能譜信息，對能譜進行解譜分析，就可以對物料中的元素成分和含量進行分析。本文介紹一款高性能BGO閃爍體探測器的研發，并取得良好使用效果的情況。[1]

1 BGO閃爍體特點

BGO晶體又叫做鍺酸鉍，是一種具有立方結構、無色透明的無機氧化物晶體，密度為7.13g/cm3，是探測r射線效率最高的閃爍體。BGO閃爍體具有密度大、化學穩定性好、不潮解、光學透明性好、原子序數大、吸收系數高、光電效應比例大、衰減時間較短、機械加工性能好等優點，但是BGO閃爍體也有分辨率差、發光效率不如NaI閃爍體的缺點。進行BGO探測器設計，必須要充分利用其優點，并解決固有的缺陷問題。[2]

2 探測器硬件組成

2.1 機械結構

對于工業在線多元素分析儀來說，探測器的防護非常重要，只有達到工業環境的要求，探測器才能在惡劣的環境下長期可靠運行。本探測器無論是外殼還是連接器，均是按照IP65標準進行選型設計。

同時，為了使能譜測量與分析也達到非常理想的效果，通過大量實驗對比，對探測器的外殼材料進行了特殊設計，利用外殼材料的屏蔽作用，盡可能阻止無用的射線信號進入到探測器中，從而提高探測器接收射線信號的信噪比。實踐證明，該探測器的屏蔽材料對提高BGO探測器的分辨率和有效信號計數率非常有效。

另外，為了降低溫度變化對探測器使用效果的影響，為探測器設計了專門恒溫系統，保證探測器能夠工作在恒定的溫度下。實際使用效果證明，該恒溫系統完全可以滿足BGO探測器在工業現場的使用。

2.2 閃爍體

探測器的分辨率和有效計數率是非常重要的指標。閃爍體的材料直接決定了探測器的分辨率，在材料確定的條件下，閃爍體的體積會影響探測器的分辨率。同時，探測器的體積也影響計數率，閃爍體的體積越大，探測面積就越大，探測器的計數率也就越大。但是，閃爍體的體積大了以后，探測器的成本會成倍增加。根據工業在線多元素分析儀對探測器的性能要求，閃爍體選用世界上最著名的閃爍體廠商Saint-Gobain的5×5英寸的BGO閃爍體，以保證探測器的整體性能。[1]

2.3 倍增管

要使探測器滿足在線多元素分析儀要求，需充分考慮光電倍增管的非線性、噪聲、信噪比等指標，必須選擇合適的倍增管。根據探測器性能及閃爍體的尺寸要求，我們選用的是濱松光子的R877型光電倍增管。該倍增管光譜響應范圍為300nm～650nm；最大響應波長為400±20ns；10級倍增系統，最大增益可達4.2×105；非常高的脈沖線性特性等特點。

R877型光電倍增管的光電面積大、探測效率高，非常適合大面積的能譜分析應用。通過在多元素分析儀中的應用效果來看，其性能指標可以滿足在線多元素分析儀產品的測量、分析要求。[1]

2.4 分壓器

為了提高探測器的能量非線性指標，探測器的分壓器選用的是三極管構成的電路來驅動打拿級的方案，該電路方案雖然電路復雜、成本高，但是對于提高探測器的能量非線性非常重要，可以大大提高探測器的整體性能。從測試效果來看，對于在線多元素分析儀產品來說，該方案非常理想。[3]

2.5 前置放大器

核輻射探測器，前置放大器是一個非常核心的部件。其作用是對倍增管的輸出信號進行放大、整形，使探測器的輸出信號滿足后續電路的處理需要。通常情況下，前置放大器又稱為預放大器，它的電路簡單、體積小，絕大數情況下與閃爍體、倍增管設計在同一個結構中。前置放大器直接決定了探測器的輸出信號參數、信噪比，直接影響探測器的整體性能指標。如果前置放大器無法滿足設計要求，那么后續電路無論如何都將無法達到設計要求。[4]

核輻射探測器的前置放大器可以分為：電荷靈敏前置放大器、電壓靈敏前置放大器、電流靈敏前置放大器三類，每種前置放大器都有不同的特點，適用不同的使用需求。根據多元素分析儀產品的要求，本探測器選用的是電壓靈敏型前置放大器，圖1為電路原理示意圖，圖2為前置放大器輸出信號。通過實際測試，該前置放大器的輸出信號，無論是信噪比還是信號質量均非常好，非常適用于多元素分析儀的能譜分析應用，可以滿足多元素分析儀的設計要求。[4]

圖1 電壓型前置放大器簡圖

圖2 前置放大器輸出信號

圖3 137Cs能譜圖

圖4 多元素分析儀應用能譜圖

2.6 恒溫系統

為了保證工業在線多元素分析儀產品的長期、穩定運行，獲得最佳測量效果，探測器均要求工作在恒定的溫度環境下，以降低溫度變化對探測器性能指標的影響，因此，為探測器設計了恒溫系統。該恒溫系統包括加熱、保溫、溫度采集、溫度控制部分。通過恒溫系統的溫度控制部分，可以根據需要對探測器的工作溫度進行設定，溫度控制精度可達±1℃。該系統同時具備保護功能，保證探測器的工作溫度，不超過溫度允許范圍，以提高探測器的可靠性。

3 能譜測試

能譜數據對于在線多元素分析儀來說是非常重要的，分析儀的所有分析過程和結果都是通過能譜數據得出的。因此，通過測試探測器的各種能譜數據，可以直接反映探測器的性能指標。通常情況下，都是通過測試探測器的137Cs譜形，來衡量核輻射探測器的分辨率指標；通過測試探測器的活化譜，衡量核輻射探測器的多元素分析性能。圖3為該BGO探測器的137Cs譜形，分辨率為11.7%，對于5英寸的BGO閃爍體來說，這樣的分辨率已經非常好了。圖4為測量物料活化譜的高能譜部分，通過譜形來看，每種元素對應的能量峰非常明顯，而且有效面積也很大。通過測試來看，BGO探測器在能譜的高能部分，性能指標優于同尺寸的NaI探測器，非常適用于r能譜分析儀應用。[5]

4 總 結

通過對該BGO探測器各項指標測試，各項指標均優于通用的BGO探測器。特別是在探測器的分辨率和有效計數率方面，在中子活化多元素分析儀產品的應用具有獨特的優勢。目前，該BGO探測器已成功應用到煤質多元素分析儀、水泥多元素分析儀產品中，使用效果非常理想。為客戶提高生產效率、降低成本、增加經濟效益，證明該BGO探測器是適用于工業在線分析儀的高性能探測器。

參考文獻：

[1]嚴濟軍,趙義兵.淺談水泥廠應用中子活化分析儀的硬件環境[J].新世紀水泥導報，2010 .16 （3）：50-52.

[2]張偉,劉永超等.溴化鑭探測器在中子活化多元素分析儀性能改進中的應用[J].現代礦業 2013 Vol. 29 （12）：160－162.

[3]汲長松.核輻射探測器及其實驗手冊[M].北京:原子能出版社,1990.

[4]王宗仁.核儀器電子技術[M].北京:原子能出版社,1977.

[5]周亦武,孫威娜.放大電路指南[M].福建：福建科學技術出版社，2004.