定位三维空间方向放射源的三晶体耦合γ射线探测器

魏亚龙

摘 要：由于γ放射源的使用广泛，其体积小、辐射效应强，一旦遗失会造成严重的后果。因此设计一种能够快速、精确定位空间γ放射源的探测器非常重要。

本论文研究了三晶体耦合γ方向探测器的定位原理及探测器的设计和结构原理。

关键词：三晶体耦合;γ放射源定位;

1.课题背景及意义

随着我国核工业的发展，放射源广泛应用在国防、科研教学等领域。据不完全统计，我国现在大约有放射性同位素与辐射技术应用的各类放射源7-8余万枚，其中，废源约有2.5万枚。在这些放射源中至少有2000枚放射源完全失控、流失于社会之中，近几年，因放射源导致的事故频频发生，每年都有将近30起事故或事件发生。一旦发现放射源丢失，如何能尽快将其安全找回显得尤为重要。

2.辐射探测理论基础

2.1γ射线与物质的相互作用

γ射线难用仪器直接测量，通常使用间接法测量。γ射线是一种高频电磁波，当其穿过物质时，一般与以下对象发生相互作用：自由电子或者束缚电子、原子核、原子核或者电子的库仑场等。

γ射線一般与物质可能发生12种相互作用，γ射线主要通过光电效应、康普顿散射、电子对效应三种方式与物质发生作用并产生次级电子，这些次级电子能使介质中的原子发生电离和激发。通过这种机制可以探测到γ射线。

2.2探测器相关理论

γ探测器是核辐射探测器重要的组成部分，常见的γ探测器有：气体电离探测器、闪烁体探测器。

2.2.1γ探测器介绍

（1）气体电离探测器

常见的气体探测器有电离室、正比计数管、和盖革—米勒计数管。由于气体探测器的低探测效率，常用于辐射防护领域，无法满足寻源探测器的需求。

（2）闪烁体探测器

闪烁体探测器的优点是探测效率高，空间分辨率和时间分辨率好，时间和空间分辨分别可达10-9秒和毫米量级，且能够分辨入射粒子的种类，还能根据脉冲幅度确定入射粒子的能量。

2.2.2闪烁体探测器性能

闪烁晶体是闪烁探测器的重要组成部分，它性能的好坏对探测器性能的影响很大。闪烁晶体主要的性能有：光输出量、能量响应、发射光谱、光衰时间和探测效率。

闪烁晶体材料因其固有的吸收射线辐射而发光的特性成为测量射线能量和强度的良好材料。较为理想的闪烁体晶体应具备以下性质：高闪烁效率、光产额与入射粒子沉积的能量呈正比、自吸收小、光学性质良好、折射率应接近玻璃折射率

目前市场上使用的有NaI（Tl），BGO无机闪烁和液体、塑料闪有机烁体。每种闪烁晶体对应的发射波长、光产额、衰减时间、潮解性质等也不相同。每种晶体都有自身的优缺点，所以在探测器设计时要综合考虑它们的优缺点，挑选符合设计要求的晶体。

目前使用较多的闪烁晶体是碘化钠NaI（Tl）晶体，且是所有闪烁体中发光效率最高的，受温度影响较小、价格低，具有良好的能量分辨率，可以较好地识别入射粒子的种类。

CsI（Tl）晶体的发光主峰波长在550nm，抗热冲击能力强，具有一定的可塑性，易于加工成各种形状。

CsI（Tl）晶体与NaI（Tl）晶体相比，有以下优点：密度高、难潮解、耐辐照、射线阻止本领强、对能量较高的射线探测效率高。

Bi3Ge4O12（BGO）是一种新型的闪烁体材料BGO密度更大，对射线的阻止本领更强，且不潮解，发光主峰波长为480nm，在射线吸收方面，BGO对X射线的吸收系数是NaI（Tl）的2.5倍，相同探测效率，整体几何体积为NaI（Tl）的10%左右。

3.探测器设计

三晶体耦合γ射线方向探测器将三个不同类型的闪烁体晶体，NaI（Tl）晶体、CsI（Tl）晶体、BGO晶体耦合在同一光电倍增管上。对于同一能量的γ光子，不同闪烁晶体的闪烁效率不同，耦合在同一个光电倍增管上，处理后得到分离的全能峰。据此，我们可以用两种或者两种以上的闪烁体晶体耦合测量得到每个闪烁晶体全能峰的计数。

由于三个晶体之间以及铅芯与晶体之间会形成屏蔽效应，故当γ射线从不同方向入射时，三个晶体中各自的有效γ光子数不同，这样三个晶体输出的全能峰计数不同。我们以NaI晶体为例来说明，当γ射线正对NaI晶体入射时，全能峰计数有最大值;当γ射线偏离NaI晶体时，全能峰计数下降;当γ射线正对铅芯入射时，全能峰计数有最小值。因此，探测器得到的全能峰计数与入射粒子的方向有关。在定位放射源时，只要旋转探测器的探头测量出某一位置的全能峰计数，就可以得到放射源的方向，从而定位放射源。

使用单一晶体也能测得放射源的位置，但是在某些特殊角度会产生较大的偏差。本论文采用三晶体耦合的探测器测得三个入射角，然后对所测的三个角度求平均可以大大增加定位的准确性。

4.探测器结构

三晶体耦合γ射线方向探测器有以下部分组成：用来包裹三个晶体的金属铝制圆筒、金属铝制圆筒前端的铝制前盖、金属铝制圆筒中心的圆柱形铅芯、铅芯外表面的三个闪烁晶体、三个闪烁晶体外表面的氧化镁反射层以及金属铝制圆筒内的光电倍增管。其中闪烁晶体是由三个形状相同的晶体构成，它们分别是NaI（Tl）晶体、CsI（Tl）晶体和BGO 晶体。三个晶体都是圆心角为120°的扇状柱体。

探测器的具体设计为：探测器最外部是空心金属铝制圆筒，金属铝制圆筒的最前端是一个铝制前盖，金属铝制圆筒中心是圆柱形金属铅芯，圆柱形金属铅芯的外表面是无机闪烁晶体，无机闪烁晶体外表面是氧化镁反射层，金属铝制圆筒内设置有光电倍增管，无机闪烁晶体由形状相同的NaI（Tl）晶体、CsI（Tl）晶体和BGO晶体构成，NaI（Tl）晶体、CsI（Tl）晶体和BGO 晶体是圆心角均为120°的扇状柱体，闪烁晶体内径为30mm，外径为75mm，高为50mm。铝制前盖与金属铝制圆筒之间由环氧树脂密封，端面的氧化镁反射层与金属铝制前盖之间设有海绵垫衬。金属铝制圆筒内表面涂有光学耦合剂和胶粘剂。闪烁晶体与圆柱形金属铅芯之间设有氧化镁反射薄层，NaI（Tl）晶体、CsI（Tl）晶体和BGO 晶体之间也有氧化镁反射薄层，金属铝制圆筒上刻有0°刻度线。各部件的具体尺寸为：金属铝制前盖内径为83mm、外径为87mm、深为10mm，厚为2mm;氧化镁反射层厚度为2mm，空心圆柱状氧化镁反射层的内径为75mm，外径为79mm，深为50mm;金属铝制圆筒内径为79mm，外径为83mm;海绵垫衬直径为79mm，厚为2mm;圆柱状金属铅芯直径为30mm，高为50mm。

5总结及后续工作方向

三晶体耦合γ射线方向探测器是根据不同闪烁晶体有不同的闪烁效率，通过同一多道分析器后全能峰峰位不同来得到三个全能峰的计数，三个不同的全能峰计数与射线入射角度之间存在函数关系，后续将通过函数拟合得到全能峰计数函数，再根据拟合得到的函数设计，四次测量法，进行γ放射源定位，能够更准确地定位放射源的位置。

参考文献：

[1]刘新华，李冰，吴德强. 位置未知废放射源的搜寻[J].辐射防护通讯， 2002， 22（5）：11-16.

[2]张华， 霍建文， 张静，等. 三维空间中的放射源交叉定位方法及系统， CN104460671A[P]. 2015.

[3]方杰， 王明谦. 辐射防护导论.北京：核工业部教育司， 1988.50～55

[4]叶宗海. 空间辐射物理学. 北京：原子能出版社， 1981.50～50