定位三維空間方向放射源的三晶體耦合γ射線探測器

魏亞龍

摘 要：由于γ放射源的使用廣泛，其體積小、輻射效應強，一旦遺失會造成嚴重的后果。因此設計一種能夠快速、精確定位空間γ放射源的探測器非常重要。

本論文研究了三晶體耦合γ方向探測器的定位原理及探測器的設計和結構原理。

關鍵詞：三晶體耦合;γ放射源定位;

1.課題背景及意義

隨著我國核工業的發展，放射源廣泛應用在國防、科研教學等領域。據不完全統計，我國現在大約有放射性同位素與輻射技術應用的各類放射源7-8余萬枚，其中，廢源約有2.5萬枚。在這些放射源中至少有2000枚放射源完全失控、流失于社會之中，近幾年，因放射源導致的事故頻頻發生，每年都有將近30起事故或事件發生。一旦發現放射源丟失，如何能盡快將其安全找回顯得尤為重要。

2.輻射探測理論基礎

2.1γ射線與物質的相互作用

γ射線難用儀器直接測量，通常使用間接法測量。γ射線是一種高頻電磁波，當其穿過物質時，一般與以下對象發生相互作用：自由電子或者束縛電子、原子核、原子核或者電子的庫侖場等。

γ射線一般與物質可能發生12種相互作用，γ射線主要通過光電效應、康普頓散射、電子對效應三種方式與物質發生作用并產生次級電子，這些次級電子能使介質中的原子發生電離和激發。通過這種機制可以探測到γ射線。

2.2探測器相關理論

γ探測器是核輻射探測器重要的組成部分，常見的γ探測器有：氣體電離探測器、閃爍體探測器。

2.2.1γ探測器介紹

（1）氣體電離探測器

常見的氣體探測器有電離室、正比計數管、和蓋革—米勒計數管。由于氣體探測器的低探測效率，常用于輻射防護領域，無法滿足尋源探測器的需求。

（2）閃爍體探測器

閃爍體探測器的優點是探測效率高，空間分辨率和時間分辨率好，時間和空間分辨分別可達10-9秒和毫米量級，且能夠分辨入射粒子的種類，還能根據脈沖幅度確定入射粒子的能量。

2.2.2閃爍體探測器性能

閃爍晶體是閃爍探測器的重要組成部分，它性能的好壞對探測器性能的影響很大。閃爍晶體主要的性能有：光輸出量、能量響應、發射光譜、光衰時間和探測效率。

閃爍晶體材料因其固有的吸收射線輻射而發光的特性成為測量射線能量和強度的良好材料。較為理想的閃爍體晶體應具備以下性質：高閃爍效率、光產額與入射粒子沉積的能量呈正比、自吸收小、光學性質良好、折射率應接近玻璃折射率

目前市場上使用的有NaI（Tl），BGO無機閃爍和液體、塑料閃有機爍體。每種閃爍晶體對應的發射波長、光產額、衰減時間、潮解性質等也不相同。每種晶體都有自身的優缺點，所以在探測器設計時要綜合考慮它們的優缺點，挑選符合設計要求的晶體。

目前使用較多的閃爍晶體是碘化鈉NaI（Tl）晶體，且是所有閃爍體中發光效率最高的，受溫度影響較小、價格低，具有良好的能量分辨率，可以較好地識別入射粒子的種類。

CsI（Tl）晶體的發光主峰波長在550nm，抗熱沖擊能力強，具有一定的可塑性，易于加工成各種形狀。

CsI（Tl）晶體與NaI（Tl）晶體相比，有以下優點：密度高、難潮解、耐輻照、射線阻止本領強、對能量較高的射線探測效率高。

Bi3Ge4O12（BGO）是一種新型的閃爍體材料BGO密度更大，對射線的阻止本領更強，且不潮解，發光主峰波長為480nm，在射線吸收方面，BGO對X射線的吸收系數是NaI（Tl）的2.5倍，相同探測效率，整體幾何體積為NaI（Tl）的10%左右。

3.探測器設計

三晶體耦合γ射線方向探測器將三個不同類型的閃爍體晶體，NaI（Tl）晶體、CsI（Tl）晶體、BGO晶體耦合在同一光電倍增管上。對于同一能量的γ光子，不同閃爍晶體的閃爍效率不同，耦合在同一個光電倍增管上，處理后得到分離的全能峰。據此，我們可以用兩種或者兩種以上的閃爍體晶體耦合測量得到每個閃爍晶體全能峰的計數。

由于三個晶體之間以及鉛芯與晶體之間會形成屏蔽效應，故當γ射線從不同方向入射時，三個晶體中各自的有效γ光子數不同，這樣三個晶體輸出的全能峰計數不同。我們以NaI晶體為例來說明，當γ射線正對NaI晶體入射時，全能峰計數有最大值;當γ射線偏離NaI晶體時，全能峰計數下降;當γ射線正對鉛芯入射時，全能峰計數有最小值。因此，探測器得到的全能峰計數與入射粒子的方向有關。在定位放射源時，只要旋轉探測器的探頭測量出某一位置的全能峰計數，就可以得到放射源的方向，從而定位放射源。

使用單一晶體也能測得放射源的位置，但是在某些特殊角度會產生較大的偏差。本論文采用三晶體耦合的探測器測得三個入射角，然后對所測的三個角度求平均可以大大增加定位的準確性。

4.探測器結構

三晶體耦合γ射線方向探測器有以下部分組成：用來包裹三個晶體的金屬鋁制圓筒、金屬鋁制圓筒前端的鋁制前蓋、金屬鋁制圓筒中心的圓柱形鉛芯、鉛芯外表面的三個閃爍晶體、三個閃爍晶體外表面的氧化鎂反射層以及金屬鋁制圓筒內的光電倍增管。其中閃爍晶體是由三個形狀相同的晶體構成，它們分別是NaI（Tl）晶體、CsI（Tl）晶體和BGO 晶體。三個晶體都是圓心角為120°的扇狀柱體。

探測器的具體設計為：探測器最外部是空心金屬鋁制圓筒，金屬鋁制圓筒的最前端是一個鋁制前蓋，金屬鋁制圓筒中心是圓柱形金屬鉛芯，圓柱形金屬鉛芯的外表面是無機閃爍晶體，無機閃爍晶體外表面是氧化鎂反射層，金屬鋁制圓筒內設置有光電倍增管，無機閃爍晶體由形狀相同的NaI（Tl）晶體、CsI（Tl）晶體和BGO晶體構成，NaI（Tl）晶體、CsI（Tl）晶體和BGO 晶體是圓心角均為120°的扇狀柱體，閃爍晶體內徑為30mm，外徑為75mm，高為50mm。鋁制前蓋與金屬鋁制圓筒之間由環氧樹脂密封，端面的氧化鎂反射層與金屬鋁制前蓋之間設有海綿墊襯。金屬鋁制圓筒內表面涂有光學耦合劑和膠粘劑。閃爍晶體與圓柱形金屬鉛芯之間設有氧化鎂反射薄層，NaI（Tl）晶體、CsI（Tl）晶體和BGO 晶體之間也有氧化鎂反射薄層，金屬鋁制圓筒上刻有0°刻度線。各部件的具體尺寸為：金屬鋁制前蓋內徑為83mm、外徑為87mm、深為10mm，厚為2mm;氧化鎂反射層厚度為2mm，空心圓柱狀氧化鎂反射層的內徑為75mm，外徑為79mm，深為50mm;金屬鋁制圓筒內徑為79mm，外徑為83mm;海綿墊襯直徑為79mm，厚為2mm;圓柱狀金屬鉛芯直徑為30mm，高為50mm。

5總結及后續工作方向

三晶體耦合γ射線方向探測器是根據不同閃爍晶體有不同的閃爍效率，通過同一多道分析器后全能峰峰位不同來得到三個全能峰的計數，三個不同的全能峰計數與射線入射角度之間存在函數關系，后續將通過函數擬合得到全能峰計數函數，再根據擬合得到的函數設計，四次測量法，進行γ放射源定位，能夠更準確地定位放射源的位置。

參考文獻：

[1]劉新華，李冰，吳德強. 位置未知廢放射源的搜尋[J].輻射防護通訊， 2002， 22（5）：11-16.

[2]張華， 霍建文， 張靜，等. 三維空間中的放射源交叉定位方法及系統， CN104460671A[P]. 2015.

[3]方杰， 王明謙. 輻射防護導論.北京：核工業部教育司， 1988.50～55

[4]葉宗海. 空間輻射物理學. 北京：原子能出版社， 1981.50～50