光纤传输表面污染研究
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本文作者：侯 杰、曲延涛、骆志平、马吉增 单位： 中国原子能科学研究院、国际原子能机构
放射性表面污染监测是辐射防护监测的重要内容之一。除核设施正常运行情况下进行的表面污染监测之外，在核设施退役、核与辐射事故应急等方面，放射性表面污染监测也是必不可少的监测内容。目前，表面污染监测仪多采用塑料闪烁体探测器或正比计数器阵列探测器。近年来，富士电机公司研制出了基于阵列式半导体探测器的表面污染监测仪器，可对全身、手脚放射性表面污染进行测量，并具有核素识别能力，所需电压较低，性能优良[1]。但总体来讲，目前表面污染监测用探测器存在灵敏面积较小、需要气体供给、环境适应性差等缺点。为了提高表面污染监测探测器的灵敏面积与便携性，同时简化仪器结构，国外研究人员开发了塑料闪烁体与光纤相结合的新型探测系统。该类探测灵敏面积达1000cm2以上，可实现对大范围表面污染的快速测量[2]。鉴于此，本文开展了光纤传输型大面积表面污染监测仪的研制工作，建立了实验测量装置并进行了初步实验。
1探测器设计
1.1工作原理大面积β表面污染监测仪探头部分采用塑料闪烁体光纤耦合技术。该技术是将波长转换（WLS,WavelengthShifting）光纤嵌入塑料闪烁体，收集入射粒子在闪烁体中发出的荧光。波长转换光纤在高能粒子探测领域应用广泛[3,4]，其特点是：当入射荧光从光纤侧面入射时，被WLS光纤纤芯吸收，同时在光纤内部发出波长大于入射光的光，更多的光可以在光纤纤芯形成全反射并沿轴向传播，到达光纤端面，由此实现对荧光收集的作用。当入射粒子在塑料闪烁体中沉积能量后，闪烁体会按照一定发光光谱发射荧光，荧光被波长转换光纤侧面收集并在光纤内部传播至光纤端面。光纤的使用替代了大面积塑料闪烁体与光电倍增管耦合时所需的光导，从而简化探测器的几何结构和尺寸，提高了便携性。
1.2探测器设计利用蒙特卡洛软件Geant4对探测器的光传输效果做了模拟，对探测器的几何尺寸和光纤布局等因素进行了优化[5]。为了减少探测器对天然本底辐射以及γ射线的响应，使用薄片式大面积塑料闪烁体（厚度为1mm）。由于光纤的直径与塑料闪烁体的厚度相当，无法直接嵌入。为了提高薄片式塑料闪烁体的整体机械性能，同时改善波长转换光纤的光收集效果，探测器设计方案为：以有机玻璃作为薄片式塑料闪烁体的衬底，将波长转换光纤嵌入并排开槽的平板有机玻璃中，并在有机玻璃周围包裹反光材料，从而实现波长转换光纤对塑料闪烁体表面出射荧光的收集。如图2所示。波长转换光纤从塑料闪烁体一侧引出。每根波长转换光纤与一根塑料传输光纤连接，塑料传输光纤汇聚成光缆并与光电倍增管端窗通过硅脂耦合。如图3所示。使用塑料传输光纤主要是考虑到荧光在波长转换光纤中的自吸收比较严重，波长转换光纤越长，光自吸收现象越严重，影响探测效率。而传输光纤自吸收小，可实现荧光的远距离传输，且具有良好的机械性能，易弯曲，易于加工等优点.
2探测装置的建立
大面积表面污染监测仪实验装置由大面积薄片式塑料闪烁体、平板有机玻璃、波长转换光纤、光电倍增管、电子学输出系统等组成。塑料闪烁体尺寸为30cm×40cm，厚1mm，成分为聚甲基苯乙烯。密度为1.05g/m3，碳氢比1∶1.1，软化温度为75℃～80℃，衰减时间2.4ns，衰减长度大于2cm，折射率为1.58。塑料闪烁体发光光谱如图4所示，波长范围380nm～460nm，中心波长为410nm。有机玻璃的几何尺寸与塑料闪烁体相同，均为30cm×40cm，厚度10mm，放置于塑料闪烁体下方起到支撑与导光的作用。有机玻璃外层贴有铝反光胶带，用来提高荧光收集效率。有机玻璃表面并排开槽，外径1mm，间距1cm，凹槽中嵌入波长转换光纤。光收集系统包括波长转换光纤与塑料传输光纤，所有光纤端面均需要经过精细打磨剖光，以减少荧光在光纤连接处损失。每根波长转换光纤一端与塑料传输光纤采用光耦合键连接；波长转换光纤另一盲端利用磁控溅射技术镀铝反射层，厚度100nm，目的是最大程度让荧光从塑料传输光纤传出，所有传输光纤最终汇聚成一根光缆，对接光电倍增管。波长转换光纤嵌入有机玻璃凹槽，上面平铺薄片式塑料闪烁体，塑料闪烁体与有机玻璃之间以硅油作耦合剂，耦合时要尽量减少气泡，以提高光传输效果。整个探测器放入避光盒中，防止可见光进入引起暗计数增加。入射窗面积为30cm×40cm的镀铝有机材料，质量厚度为6～8mg/cm2。需要指出的是该厚度大于通常表面污染监测仪使用的入射窗厚度，这在一定程度上阻止了低能β粒子进入闪烁体。考虑到该实验室测量装置需要经常拆卸和安装，可能会对入射窗造成损坏，所以暂时选用较厚的入射窗材料，以提高机械性能。光电倍增管为北京滨松公司生产的CR110端窗式光电倍增管，光谱响应范围300nm～650nm，最大响应波长420nm，能够与波长转换光纤发光波长相匹配。灵敏面积的直径为φ25mm，大于光缆截面面积。分压器选用计数型分压电路，获得信号脉冲。光电倍增管输出信号进入前置放大器，并通过多道分析器（MCA）得到测量能谱。
3初步实验谱
3.1沉积能谱初步实验用探测器的波长转换光纤数目为10根，按照图3所示均匀并排嵌入有机玻璃。用多道分析器分别测量有β面源和没有β面源照射的能谱，并对二者进行比较，能谱如图5所示。该能谱反映入射β射线在薄片式塑料闪烁体中的沉积能量情况，在50道至150道的计数较为集中。入射β粒子能谱为连续谱，能量最大值为2.23MeV，在此实验中，能量较高的入射粒子会穿过薄片式塑料闪烁体，因此只有部分能量沉积在塑料闪烁体中，导致高能区计数较低。
3.2探测线性实验采用90Sr-90Yβ平面放射源，源强为12530Bq，源面积为12×15cm2。通过改变β源的入射面积来改变照射活度。以厚度为1cm的铝板作为准直板，准直板中心开方孔，方孔边长分别为1cm、2cm、3cm、4cm、5cm，正对放置在塑料闪烁体中心位置照射，测量时间均为300s，结果列于表1。图6给出了净计数率与准直器方孔面积（照射活度）的关系的线性拟合曲线，从图中可以看出：当照射面积大于3cm×3cm，净计数率随着照射面积（照射源强）的增大而成线性增加趋势；此时探测效率约为7%左右。但是当灵敏面积小于4cm2时，净计数率线性不理想，此时的探测效率也比较低，约为2%左右。初步分析造成该现象的原因是探测器响应的空间不均匀性导致的。如前所述，10根波长转换光纤是以一定的空间间隔嵌入有机玻璃（间隔约为2.5cm），这就决定了探测器在该间隔尺寸上具有一定的不均匀性。因为波长转换光纤的荧光收集效率与荧光的产生位置有关。若照射面积小于或仅略大于光纤间隔时，如照射面积1cm×1cm，可能仅有一两根光纤主要参与光收集过程，荧光收集效率较低，这种情况下的探测效率会与较大照射面积的探测效率存在一定差异；而当照射面积更大时，如大于3cm×3cm，因为会有更多的波长转换光纤参与荧光收集过程，探测效率的不均匀性也会越来越小。考虑到3cm×3cm已远小于探测器的总面积1200cm2，故上述数据也从侧面说明当采用10根波长转换光纤时，探测器可以取得较好的空间响应均匀性。事实上，探测器空间响应的不均匀性是与所观察的空间几何尺度有关，空间几何尺度越小，不均匀性会越大，反之不均匀性越小。所以，出于对探测器空间响应均匀性、探测下限等方面的考虑，在日常辐射监测中，表面污染监测仪一般也不用于测量远小于其探测器面积的放射性污染样品.
4小结
本研究基于薄片式大面积塑料闪烁体，建立了光纤传输型大面积塑料闪烁体表面污染监测实验装置。初步实验表明：研制的光纤传输型塑料闪烁体探测器可用于β核素表面污染测量，探测面积可达1200cm2；在10根波长转换光纤作为光收集的条件下，对90Sr-90Yβ面源的探测效率约为7%。从初步实验结果可以看出，该实验装置的探测效率较低，这部分与目前所用的探测器入射窗较厚有关。未来将对波长转换光纤数量、排布方式等因素进行进一步优化，以提高探测效率和信噪比；同时，还将系统开展能量探测下限、能量响应、空间响应均匀性等实验研究。