第29卷 第1期 2009年 1月核电子学与探测技术
Nuclear Electronics &Detection Technolo gy
V ol . 29 N o . 1 Jan . 2009
大面积塑料闪烁体γ探测技术研究
曹琳, 亢武, 储诚胜, 韩子杰, 胡永波,
刘晓亚, 郝樊华, 龚 建, 黄瑞良, 向永春, 章剑华
(中国工程物理研究院核物理与化学研究所, 四川绵阳 621900)
使用大面积塑料闪烁体探测器对γ射线进行探测时会出现远离信号采集端的入射粒子探测 摘要:
效率低的现象, 在对大面积塑料闪烁体探测器两端同时进行信号采集的基础上, 使用加和器对两路信号加和的测量方法, 明显提高了探测效率。
关键词:塑料闪烁体; 探测效率; 加和器
中图分类号: T L812 文献标识码: A 文章编号: 0258-0934(2009) 01-0052-03
塑料闪烁体探测器由于其价格低廉, 容易加工成不同的大小和形状, 被广泛用于辐射监控。在核监控中为了提高探测效率, 通常将探
测器尺寸做得很大[1-3], 其长度加工可达1米以上。
当塑料闪烁体较长时, 在离光收集点较远的入射粒子所产生的光子到达光收集点的光程较长, 光信号的衰减很严重, 引起光收集效率降低, 从而导致探测效率降低, 因此如何提高大面积塑料闪烁体的γ探测效率是一个有待解决的
问题。
塑料闪烁体的反射层、闪烁光收集、光电倍增管和电子学的信噪比、计数方法都对γ射线
探测效率的相对高低有影响, 本文着重研究如何提高闪烁光的收集。
1 探测模型
1. 1 单路测量
传统单路信号采集方法如图1
。
图1 传统单路信号采集方法
该方法在探测器面积较大时, 存在当γ射
线入射点在距离信号收集点较远时, γ射线引起的荧光要经较长的距离才能传到光电倍增管, 在传输过程中被吸收的概率较大, 探测效率较低。如图1中γ射线从A 点入射的探测效率低于B 点入射。
收稿日期:2006-12-29
作者简介:曹琳(1982-) , 男, 湖南常德人, 硕士研究生, 从事射线测量工作。
在国内, 梁齐和李玉兰等人分别开展过长方体塑料闪烁体光收集效率的理论和实验研究, 分别指出随着发光点到光采集点距离的增加, 光收集效率明显下降1. 2 两路加和测量
为了提高不同位置的入射射线的探测效率, 避免远距离点探测效率过低的问题, 我们在塑料闪烁体的每端接一个光电倍增管, 进行双路信号采集, 使用加和器对两路信号加和, 得到计数N s 。
[4, 5]
。
此外, 本实验设计如下实验方案检验加和器计数的可靠性。分别单独测量图2中单道1计数N 1和单道2计数N 2, 然后测量两路符合计数N coin (即重复计数部分) 。用两路计数相加再扣除符合计数可得到其真计数N r 。
N r =N 1+N 2-N c oin
把N r 与N s 进行比较, 如果这两个结果能很好的吻合, 则说明使用加和器对两路信号进行采集的方法可行。实验方案如图2
。
7. 36g 的浓缩铀样品和Co -Cs 混合源
。
图3 塑料闪烁体探测器
2. 2 实验方法和数据
为了研究距离对探测效率的影响, 实验测量了沿闪烁体中线, 距闪烁体一端的距离为15cm , 30cm , 50cm , 70cm , 85cm 时分别单独测量两个单道计数、加和器计数以及符合计数。
图2 两路加和测量方案
为了分析闪烁体对不同能量γ射线的响应, 放射性样品选用了7. 36g 的浓缩铀样品和Co -C s 混合源, 实验方案如图2。
为了扣除电子学噪声对实验的影响, 本实验做了甄别阈曲线, 选择甄别阈为0. 3V , 已经充分卡掉了电子学噪声。
单道1计数、单道2计数及符合计数测量结果如表1所示。
2 实验研究
2. 1 实验仪器
塑料闪烁体的几何尺寸为(1000×250×50) m m 3, 见图3。实验中使用的核电子学仪器包括光电倍增管、电源、放大器、单道、门产生器、定标器、符合器以及加和器。放射源样品为
表1 单路及符合对不同位置的放射源样品净计数
位置(cm )
1530507085
单道1
铀样品净计数
[***********][1**********]9
Co -Cs 源净计数
[***********][1**********]9
[***********][1**********]3
单道2
铀样品净计数
C o -Cs 源净计数
[***********][1**********]19
[***********][1**********]0
符合计数
铀样品净计数
Co -Cs 源净计数
[***********][1**********]7
加和器计数如表2所示。
表2 加和器计数
距离(cm )
1530507085
铀样品净计数
[***********][1**********]49
Co -C s 源净计数
[***********][1**********]94
1530
507085
表3 两路相加扣符合结果
距离(cm )
铀样品[1**********]1
[***********]2
C o -Cs 源[***********]. [**************]
2. 3 实验结果及讨论
2. 3. 1两路加和测量与单路测量比较
为了验证两路加和探测效率高于单路探测效率, 对单路计数和加和器计数进行了比较, 如图4、图5。
将单道1和单道2数据进行相加, 减去符合计数, 得到如表3所示数据。
两端的光电倍增管型号不一样有关。2. 3. 2两路加和扣符合计数与加和器计数比较
为了分析加和器计数中重复计数的多少, 把加和器计数和两路计数相加再扣除符合计数进行比较, 其结果如图6
。
图6 两路相加扣符合计数与加和器计数比较-×-Co -Cs 源两路计数相加减符合计数
-△-Co -C s 源加和器计数-□-铀样品两路计数相加减符合计数
-◇-铀样品加和器计数
可以看出, 加和器计数与两路计数相加再扣除符合计数结果吻合得很好, 说明加和器计数中重复计数部分很少。
从图中可以看出,
(1) 单道1和单道2随入射粒子距离的增加, 计数响应明显减小, 减小趋势渐缓, 在15cm 处的计数响应达到85cm 处3倍左右, 其变化规律与参考文献[2]中的理论模拟结果一致, 说明单路测量的探测效率受入射粒子位置的影响比较大。
(2) 两路加和测量计数明显高于任何一路计数, 提高了探测效率, 尤其对两端入射粒子的探测效率很高, 避免了出现探测效率较低的测量点, 探测效率受入射粒子位置的影响比较小。
(3) 两路加和测量计数在15cm 处测得计数要低于85cm 处, 主要是左右端光电倍增管的型号不同, 信号采集效率有些差别引起。
(4) 两路加和测量计数, 两端位置要高于在中间位置, 主要是两信号采集端对中间入射的粒子的探测效率都比较低引起, 为了提高中间位置探测效率有必要增加信号收集点, 或者减小探测器长度。
(5) 比较图4和图5, 可以看出不同能量γ射线探测效率随入射位置变化规律基本一致。但是从图4中可以看出, Co -Cs 混合源加和器计数随距离变化曲线的对称性不好, 这可能与3 结论和讨论
综上所述, 大面积塑料闪烁体探测器, 随入射粒子到信号采集端距离的增加, 计数响应明显下降, 远距离入射粒子探测效率很低, 使用加和器进行双路测量, 不但可以提高探测效率, 而且避免了信号重复采集, 是一种可靠的高效率探测方法。
双路加和测量方法, 可推广到多路加和测量, 为今后提高大面积塑料闪烁体测量效率提供了技术支持。
参考文献:
[1]赵荣生, 张文良, 吕钊等. 人员出入口核材料检测
装置的研制[J ]. 原子能科学技术, 2005, 39(5) :455-458.
[2]樊淋, 李延国, 季建峰. 大面积塑料闪烁体中荧光
光子收集研究[J ]. 核电子学与探测技术, 2003, 23(2) :117-120.
[3]储诚胜. 辐射监控门系统研制[J ]. 中国核科技报
告, 2006(1) :147-154.
[4]梁齐, 高启安, 常勇. 长方塑料闪烁体光收集效率
的研究[J ]. 核技术, 1994, 17(8) :493-498. (下转第80页, Co ntinued on pag e 80)
打下了良好基础。而且只需对该实验板的接口部分做些修改, 就可应用于其他领域。
参考文献:
[1]盛华义. 大亚湾1G Hz 取样设计要点[R ]. 2006年
8月,(内部报告) .
[2]How ard Johnso n , M ar tin G raham . H ig h -Speed
Digital Desig n :A Handboo k of Black M agic , 1993.
[3]王铮等. P M T FEE T echnical Design Repo rt , 2007
年9月,(内部资料) .
[4]A T 84AD001B Da tasheet , A tmel . [5]Virtex -4F PG A datashee t , Xilinx .
The Design of Two -channel 1Gsps Waveform Sampling Circuit
XIANG H ai -sheng
1, 2
, ZHAO Yu -bin , JIANG Xiao -shan , SH ENG H ua -yi , ZHAO Jing -w ei
1111
(1. I nstitute o f High Ene rgy Phy sics , Chinese Academy of Sciences , Beijing , 100049;
2. Gr aduate U niver sity o f Chinese A cademy o f Science , Beijing , 100049)
Abstract :In this paper , the background of using F ADC (Flash ADC ) to make waveform sampling and re -const ruction in elect ronics readout system in Daya Bay React or Neut rino Experiment is mainly int ro -duced . The performance of 1Gsps FADC is discussed . Also the dual -channel waveform sampling circuit design based on FADC is described . The test result of the circuit is show n . Key words :Flash A DC , Daya Bay React or N eutrino Experiment , Waveform Sampling
(上接第54页, Continued fro m pag e 54)
[5]李玉兰, 李元景, 许荔柏等. 狭长闪烁体光传输的
研究[J ]. 核电子学与探测技术, 2003, 23(6) :534-537.
A Study of Large Area Rectangular Plastic Scintillator
for Detecting γWith High Detection Efficiency
CAO Lin , KANG Wu , C H U Cheng -sheng , H AN Zi -jie , H U Yong -bo , LI U Xiao -y a , HAO Fan -hua , GONG Jian , H UANG Rui -liang , XIANG Yong -chun , ZH ANG Jian -hua
(Institute of Nuclear Physics and Chemistry , China Academy of Engineering Phy sics , Mianyang 621900, China )
Abstract :When using a large area rectangular plastic sc intillator to detect γ, the efficiency of detection va -ries with the distance f rom the γinc idence point to t he signal collection point . T he detection efficiency is lower when the distance is longer . For resolving t his problem , a new measurement fo r high detection effi -ciency is st udied in our work . We collect sig nals f rom two different ends of the rect angular plastic scintil -lator at the same time , and use a summato r to add the two signals together . With this method , the detec -tion efficiency is apparent ly enhanced .
Key words :plastic scintillator , detection efficiency , summator
第29卷 第1期 2009年 1月核电子学与探测技术
Nuclear Electronics &Detection Technolo gy
V ol . 29 N o . 1 Jan . 2009
大面积塑料闪烁体γ探测技术研究
曹琳, 亢武, 储诚胜, 韩子杰, 胡永波,
刘晓亚, 郝樊华, 龚 建, 黄瑞良, 向永春, 章剑华
(中国工程物理研究院核物理与化学研究所, 四川绵阳 621900)
使用大面积塑料闪烁体探测器对γ射线进行探测时会出现远离信号采集端的入射粒子探测 摘要:
效率低的现象, 在对大面积塑料闪烁体探测器两端同时进行信号采集的基础上, 使用加和器对两路信号加和的测量方法, 明显提高了探测效率。
关键词:塑料闪烁体; 探测效率; 加和器
中图分类号: T L812 文献标识码: A 文章编号: 0258-0934(2009) 01-0052-03
塑料闪烁体探测器由于其价格低廉, 容易加工成不同的大小和形状, 被广泛用于辐射监控。在核监控中为了提高探测效率, 通常将探
测器尺寸做得很大[1-3], 其长度加工可达1米以上。
当塑料闪烁体较长时, 在离光收集点较远的入射粒子所产生的光子到达光收集点的光程较长, 光信号的衰减很严重, 引起光收集效率降低, 从而导致探测效率降低, 因此如何提高大面积塑料闪烁体的γ探测效率是一个有待解决的
问题。
塑料闪烁体的反射层、闪烁光收集、光电倍增管和电子学的信噪比、计数方法都对γ射线
探测效率的相对高低有影响, 本文着重研究如何提高闪烁光的收集。
1 探测模型
1. 1 单路测量
传统单路信号采集方法如图1
。
图1 传统单路信号采集方法
该方法在探测器面积较大时, 存在当γ射
线入射点在距离信号收集点较远时, γ射线引起的荧光要经较长的距离才能传到光电倍增管, 在传输过程中被吸收的概率较大, 探测效率较低。如图1中γ射线从A 点入射的探测效率低于B 点入射。
收稿日期:2006-12-29
作者简介:曹琳(1982-) , 男, 湖南常德人, 硕士研究生, 从事射线测量工作。
在国内, 梁齐和李玉兰等人分别开展过长方体塑料闪烁体光收集效率的理论和实验研究, 分别指出随着发光点到光采集点距离的增加, 光收集效率明显下降1. 2 两路加和测量
为了提高不同位置的入射射线的探测效率, 避免远距离点探测效率过低的问题, 我们在塑料闪烁体的每端接一个光电倍增管, 进行双路信号采集, 使用加和器对两路信号加和, 得到计数N s 。
[4, 5]
。
此外, 本实验设计如下实验方案检验加和器计数的可靠性。分别单独测量图2中单道1计数N 1和单道2计数N 2, 然后测量两路符合计数N coin (即重复计数部分) 。用两路计数相加再扣除符合计数可得到其真计数N r 。
N r =N 1+N 2-N c oin
把N r 与N s 进行比较, 如果这两个结果能很好的吻合, 则说明使用加和器对两路信号进行采集的方法可行。实验方案如图2
。
7. 36g 的浓缩铀样品和Co -Cs 混合源
。
图3 塑料闪烁体探测器
2. 2 实验方法和数据
为了研究距离对探测效率的影响, 实验测量了沿闪烁体中线, 距闪烁体一端的距离为15cm , 30cm , 50cm , 70cm , 85cm 时分别单独测量两个单道计数、加和器计数以及符合计数。
图2 两路加和测量方案
为了分析闪烁体对不同能量γ射线的响应, 放射性样品选用了7. 36g 的浓缩铀样品和Co -C s 混合源, 实验方案如图2。
为了扣除电子学噪声对实验的影响, 本实验做了甄别阈曲线, 选择甄别阈为0. 3V , 已经充分卡掉了电子学噪声。
单道1计数、单道2计数及符合计数测量结果如表1所示。
2 实验研究
2. 1 实验仪器
塑料闪烁体的几何尺寸为(1000×250×50) m m 3, 见图3。实验中使用的核电子学仪器包括光电倍增管、电源、放大器、单道、门产生器、定标器、符合器以及加和器。放射源样品为
表1 单路及符合对不同位置的放射源样品净计数
位置(cm )
1530507085
单道1
铀样品净计数
[***********][1**********]9
Co -Cs 源净计数
[***********][1**********]9
[***********][1**********]3
单道2
铀样品净计数
C o -Cs 源净计数
[***********][1**********]19
[***********][1**********]0
符合计数
铀样品净计数
Co -Cs 源净计数
[***********][1**********]7
加和器计数如表2所示。
表2 加和器计数
距离(cm )
1530507085
铀样品净计数
[***********][1**********]49
Co -C s 源净计数
[***********][1**********]94
1530
507085
表3 两路相加扣符合结果
距离(cm )
铀样品[1**********]1
[***********]2
C o -Cs 源[***********]. [**************]
2. 3 实验结果及讨论
2. 3. 1两路加和测量与单路测量比较
为了验证两路加和探测效率高于单路探测效率, 对单路计数和加和器计数进行了比较, 如图4、图5。
将单道1和单道2数据进行相加, 减去符合计数, 得到如表3所示数据。
两端的光电倍增管型号不一样有关。2. 3. 2两路加和扣符合计数与加和器计数比较
为了分析加和器计数中重复计数的多少, 把加和器计数和两路计数相加再扣除符合计数进行比较, 其结果如图6
。
图6 两路相加扣符合计数与加和器计数比较-×-Co -Cs 源两路计数相加减符合计数
-△-Co -C s 源加和器计数-□-铀样品两路计数相加减符合计数
-◇-铀样品加和器计数
可以看出, 加和器计数与两路计数相加再扣除符合计数结果吻合得很好, 说明加和器计数中重复计数部分很少。
从图中可以看出,
(1) 单道1和单道2随入射粒子距离的增加, 计数响应明显减小, 减小趋势渐缓, 在15cm 处的计数响应达到85cm 处3倍左右, 其变化规律与参考文献[2]中的理论模拟结果一致, 说明单路测量的探测效率受入射粒子位置的影响比较大。
(2) 两路加和测量计数明显高于任何一路计数, 提高了探测效率, 尤其对两端入射粒子的探测效率很高, 避免了出现探测效率较低的测量点, 探测效率受入射粒子位置的影响比较小。
(3) 两路加和测量计数在15cm 处测得计数要低于85cm 处, 主要是左右端光电倍增管的型号不同, 信号采集效率有些差别引起。
(4) 两路加和测量计数, 两端位置要高于在中间位置, 主要是两信号采集端对中间入射的粒子的探测效率都比较低引起, 为了提高中间位置探测效率有必要增加信号收集点, 或者减小探测器长度。
(5) 比较图4和图5, 可以看出不同能量γ射线探测效率随入射位置变化规律基本一致。但是从图4中可以看出, Co -Cs 混合源加和器计数随距离变化曲线的对称性不好, 这可能与3 结论和讨论
综上所述, 大面积塑料闪烁体探测器, 随入射粒子到信号采集端距离的增加, 计数响应明显下降, 远距离入射粒子探测效率很低, 使用加和器进行双路测量, 不但可以提高探测效率, 而且避免了信号重复采集, 是一种可靠的高效率探测方法。
双路加和测量方法, 可推广到多路加和测量, 为今后提高大面积塑料闪烁体测量效率提供了技术支持。
参考文献:
[1]赵荣生, 张文良, 吕钊等. 人员出入口核材料检测
装置的研制[J ]. 原子能科学技术, 2005, 39(5) :455-458.
[2]樊淋, 李延国, 季建峰. 大面积塑料闪烁体中荧光
光子收集研究[J ]. 核电子学与探测技术, 2003, 23(2) :117-120.
[3]储诚胜. 辐射监控门系统研制[J ]. 中国核科技报
告, 2006(1) :147-154.
[4]梁齐, 高启安, 常勇. 长方塑料闪烁体光收集效率
的研究[J ]. 核技术, 1994, 17(8) :493-498. (下转第80页, Co ntinued on pag e 80)
打下了良好基础。而且只需对该实验板的接口部分做些修改, 就可应用于其他领域。
参考文献:
[1]盛华义. 大亚湾1G Hz 取样设计要点[R ]. 2006年
8月,(内部报告) .
[2]How ard Johnso n , M ar tin G raham . H ig h -Speed
Digital Desig n :A Handboo k of Black M agic , 1993.
[3]王铮等. P M T FEE T echnical Design Repo rt , 2007
年9月,(内部资料) .
[4]A T 84AD001B Da tasheet , A tmel . [5]Virtex -4F PG A datashee t , Xilinx .
The Design of Two -channel 1Gsps Waveform Sampling Circuit
XIANG H ai -sheng
1, 2
, ZHAO Yu -bin , JIANG Xiao -shan , SH ENG H ua -yi , ZHAO Jing -w ei
1111
(1. I nstitute o f High Ene rgy Phy sics , Chinese Academy of Sciences , Beijing , 100049;
2. Gr aduate U niver sity o f Chinese A cademy o f Science , Beijing , 100049)
Abstract :In this paper , the background of using F ADC (Flash ADC ) to make waveform sampling and re -const ruction in elect ronics readout system in Daya Bay React or Neut rino Experiment is mainly int ro -duced . The performance of 1Gsps FADC is discussed . Also the dual -channel waveform sampling circuit design based on FADC is described . The test result of the circuit is show n . Key words :Flash A DC , Daya Bay React or N eutrino Experiment , Waveform Sampling
(上接第54页, Continued fro m pag e 54)
[5]李玉兰, 李元景, 许荔柏等. 狭长闪烁体光传输的
研究[J ]. 核电子学与探测技术, 2003, 23(6) :534-537.
A Study of Large Area Rectangular Plastic Scintillator
for Detecting γWith High Detection Efficiency
CAO Lin , KANG Wu , C H U Cheng -sheng , H AN Zi -jie , H U Yong -bo , LI U Xiao -y a , HAO Fan -hua , GONG Jian , H UANG Rui -liang , XIANG Yong -chun , ZH ANG Jian -hua
(Institute of Nuclear Physics and Chemistry , China Academy of Engineering Phy sics , Mianyang 621900, China )
Abstract :When using a large area rectangular plastic sc intillator to detect γ, the efficiency of detection va -ries with the distance f rom the γinc idence point to t he signal collection point . T he detection efficiency is lower when the distance is longer . For resolving t his problem , a new measurement fo r high detection effi -ciency is st udied in our work . We collect sig nals f rom two different ends of the rect angular plastic scintil -lator at the same time , and use a summato r to add the two signals together . With this method , the detec -tion efficiency is apparent ly enhanced .
Key words :plastic scintillator , detection efficiency , summator