光电倍增管在辐照下的稳定性研究

光电倍增管在辐照下的稳定性研究
张松寿
(防化研究院, 北京1044 信箱200, 102205)
本文简叙了光电倍增管在辐照下的稳定性研究结果, 对几种国产光电倍增管进行了测试比较, 结果表明只有在辐照条件测试选择, 才能保证在辐照下的稳定性。

关键词: 光电倍增管辐照辐射探测闪烁探测器
1
问题的提出
光电倍增管是闪烁探测器的主要组成部分, 虽硅光电二极管等和闪烁体可组成闪烁探测器 1 ～3 , 但在大多数条件下还是采用光电倍增管和闪烁体组成闪烁探测器。

因此, 光电倍增管的性能和水平将直接影响或决定闪烁探测器的性能和水平, 从而影响和决定探测仪器和设备的性能和水平。

因而设计和研究者都十分关注光电倍增管性能和选用。

对于光电倍增管的选用原则和测试方法已比较成熟, 虽无统一的国际或国家标准 4 , 但根据生产厂家的产品标准和实际的使用要求是可以选择到合适的管型的, 并通过监测和挑选确定需要的管子, 一般情况下是能够满足要求的, 这也是闪烁探测器得到广泛使用的基本前提。

对于光电倍增管的电性能指标和使用要求, 生产厂家都有明确的说明 5 。

例如极限参数和推荐工作参数等, 对光电响应和转换性能都一一列出, 但对辐照条件下性能就很难具体列出, 辐射作用于闪烁体产生光被光电倍增管吸收倍增放大产生电信号输出。

因此在光电倍增管的性能指标和测试中未能实际体现这一性能, 只有在同辐照的联合试验中才能验证这一性能。

在我们的研究中发现某些型号的光电倍增管在辐照中产生了不稳定现象, 我们研究的试验条件下所使用的几种光电倍增管(GDB 15、GDB 20、GDB 23 和G DB 52 等) , 除一种(GDB 52) 有较好的稳定性外, 其他几种管子多数出现了在辐照下的不稳定现象, 其表现为正常的预热和工作条件下, 在恒光辐射照射下, 其输出结果连续上升和下降, 变化范围为百分之几到十几, 这就影响了辐射探测中的使用, 特别是在快速的高辐射场中的连续测量, 所以必须研究和克服这一问题, 这正是本研究的缘由。

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测试方案及原理框图
本研究是在一个系统研究所需的闪烁探测器
方案基础上进行的, 由于遇到了在辐照下出现的
不稳定性, 才进行了本研究, 所以选择原测试方
案, 在同样测试条件下(辐照强度、测试范围、闪烁
体等) , 对同种光电倍增管进行辐照测试, 比较选
图1 测试原理方框图
择, 优选出符合要求的管子。

对不同型号的光电倍增管亦配适当的闪烁体在辐照条件下进行测试、比较和选取。

测试原理方框图如图1 所示。

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本测试方案采用电流运用方案, 即受辐照后经闪烁体光电倍增管输出正比于辐照强度的弱电流, 经I- F 变换器变为大的脉冲信号, 尔后被定标测试系统采集处理。

测试结果
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依据系统测试研究的需要, 先后对G DB 15、GDB 23、GDB 52 等光电倍增管进行测试比较。

此处仅给出GDB 15 和GDB 23 的主要测试结果, 测试结果分三种类型, 即光电性能测试( 由生产厂家提供)、辐照下的稳定性测试和耐辐照测试, 其结果见表1～5。

表1G D B15 光电性能测试结果
管号 3 4 5 6 7 8
阴极光照灵敏度ƒΛA ·l m - 1阴极蓝光灵敏度ƒΛA ·l m - 1
72
12
72
9. 6
130
19
72
12
70
12
50
10 表2 G D B15 在500cGyƒh 辐照下稳定性测试结果
管号 1 2 3 4 5 6 7 8
测试值ƒs- 1
辐照5nm in 后测试值ƒs- 1测试值相对变化ƒ% 109661 110868 111322 111823 117130 116450 102651 127813 110698 111838 108970 107448 123241 110353 110287 160362 0. 95 0. 87 - 2. 11 - 3. 91 5. 21 - 5. 24 7. 44 25. 47
表3G D B23 光电性能测试结果
管号 1 2 3 4 5 6 7 8
阴极光照灵敏度ƒΛA ·l m - 1阴极蓝光灵敏度ƒΛA ·l m - 146 60 60 62 37 58 54 56 9 10 10 12 13 10 11 10
阳极光照灵敏度(200A ƒl m )电压ƒV
暗电流ƒnA
1150 970 950 960 860 1020 910 980
1. 2 5 12 0. 5
2. 3 1 2. 0
3. 5
幅度分辨率137C s N a I(T l)ƒ% 噪声能当量ƒk e V
输出2V 时电压ƒV
10 9. 5 10. 5 9. 5 9. 0 9. 0 9. 0 2. 2 2. 0 2. 1 2. 2 0. 8 1. 8 2. 1 790 720 700 700 660 680 720
表4 G D B23 在500cGyƒh 辐照下稳定性测试结果
管号 1 2 3 4 5 6 7 8
测试值ƒs- 1
辐照5nm in 后测试值ƒs- 1测试值相对变化ƒ% 108712 110282 119758 108033 114352 127184 111782 109876 109282 111224 121933 106265 117354 135961 117774 118810 0. 54 0. 85 1. 82 - 1. 64 2. 63 6. 90 5. 36 8. 13
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阳极光照灵敏度(200A ƒl m )电压ƒV 735 766 840 740 1070 770暗电流ƒnA 0. 1 0. 1 4 0. 1 0. 2
表5 耐辐照疲劳效应测试结果
时间ƒm in 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
测试值ƒs- 1
测试值相对变化ƒ% 133918 133645 134792 134082 134431 134821 135226 135628 137098 136559 137049 137649 138149
0 - 0. 20 0. 65 0. 12 0. 38 0. 67 0. 98 1. 28 1. 63 1. 97 2. 34 2. 79 3. 16
注: 表中结果是在选出辐照稳定性好的GDB 23 在9000cGyƒh 源强连续照射下的测试结果, 选出辐照稳定性好的GDB 15 也有类似的结果。

讨论
1) 测试结果仅给出了2 种型号的光电倍增管的主要测试结果( 且为测试管子的一部分) , 其他几种亦有类似的测试结果, 此处从略。

从这些结果中亦能说明问题。

2) 从两种光电倍增管的光电性能测试结果可看出, 性能比较一致, 大多在典型数据的变化范围内, 由于生产批次不同, 也有一定差异。

3) 在辐照下测试结果, 亦出现了不同的测量结果, 主要表现在辐照下稳定性有较大的差异。

实验是在5000cGyƒh 连续辐照下进行的, 这主要考虑这两种光电倍增管是用于高辐射强度的探测, 取较高的辐射强度进行辐照。

实际上从几到几百cGyƒh 就可明显出现辐照下的不稳定性问题。

耐辐照试验更是取可测上限或按过载要求来考验 6 。

4) 在辐照条件下, 测试选出的光电倍增管( 其稳定性在2% 以内) , 可满足辐照条件下的稳定性要求, 经更高辐射强度辐照, 仍然满足要求。

5) 从测试结果中可看出, 光电性能测试结果一致的管, 在辐照下测试的确不一致。

如表1中所示GDB 15 的3 和6 号管子的光电测试结果几乎完全一致, 而表2 中所列6 号管是3 号管在辐照下稳定性变化的2. 48 倍; 又如表3 中所示GDB 23 的2 和3 号管的光电测试结果也几乎完全一致, 而表4 中所列3 号管是2 号管在辐照下稳定性变化的2. 14 倍。

这说明依靠光电参数选择光电倍增管保证在辐照下的稳定性是困难的, 为了保证测量的必要, 特别是在较高辐射强度下工作的光电倍增管, 必须进行辐照条件下的稳定性测试, 才能保证稳定可靠的工作。

6) 从研究的几种光电倍增管来看, 它们的阴极材料均为双碱, 倍增极材料均为锑铯, 仅倍增极的结构不同, GDB 15 为直线聚焦, GDB 20 和GDB 23 为盒式, 而GDB 15 为百叶窗, 当然它们的大小和倍增极的级数也不相同。

在辐照稳定性试验中, 其结果也不相同, 比如GDB 52 一般讲辐照稳定性较好, 不需进行特殊的辐照稳定性测试和选择, 而其他几种必须进行辐照稳定性测试和选择, 因此更难从光电倍增管构成的材料上找原因。

当然, 受辐照的强弱不同会有一定的影响, 但相对而言不是主要的。

从同类管子来看结构和材料亦完全相同, 产生辐照稳定性不同的原因只能取决于制造工艺和材料的纯度及含杂质情况, 测试中还发现同批次的管子辐照稳定性的相接近的概率偏大, 这也可从一侧面表明辐照稳定性与工艺有关, 准确的原因有待从工艺和材料组成等方面研究探讨, 从使用方面而言, 通过辐照稳定性测试是可行的办法。

表5 表明经辐照选择的管子完全可以满足强辐射的要求。

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结论
用于闪烁探测器的光电倍增管必须满足辐照下的稳定性要求, 如发现在辐照下的不稳定现象, 特别是在高辐射强度探测中更应重视, 可通过辐照条件下的稳定性测试, 优选稳定性好的光电倍增管, 满足辐射探测的需要, 在采用已有的光电倍增管的条件下是有效措施。

(下转第448 页, co n t i n ued o n p a ge 448) 470
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KD - 418 XV I M ic r o c om p u te r N u c lea r W e i gh t 2Sca le
fo r S t ap le Com p o u n d in g sy s t em
W an g Y a n t i n g Zh a n g Yo n g m i n g L i u M ao z ho u
(D ep t o f M o d e r n P h y s ic s , U n ive r s ity o f Sc i en ce an d T ech n o lo g y o f C h in a, H efe i , 230027)
A b stra c t
KD - 418 XV I M ic ro com p u te r N uc lea r W e igh t 2Sca le fo r stap le com p o un d in g sy stem is a k in d o f f l o w 2 co n t r o llin g sy stem . It s m a ste r is an in du st ry co n t ro l PC 386 com p u te r . It can m ea su re o r co n t ro l 16 sca l e s a t th e sam e t i m e . In th is p a p e r , th e p r i n c i p le an d fun c t i o n o f th is sy stem a re de sc r ibed . H a rdw a re st r uc t u re and so f t w a r e de s ign a r e a lso g i v en .
(Key W o rd s : M ic r o c om p u te r n uc l ea r w e i gh t 2sca l e S t ap le com po u n d i n g sy s tem )
【作者简介】
王延廷页, 男, 25 岁, 博士生; 张永明, 男, 39 岁, 副教授, 硕士; 刘懋洲, 男, 30 岁, 工程师, 硕士。

(上接第 470 页, co n t i n ued f r om p a ge 470)
参 考 文 献
1 Ko il G . Χ ray sp e c t r om e t r y w ith a sc i n t i lla t o r p h o t o d i o de com b in a t i o n . N uc l In st r u m M e t ho d s , 1969. 66: 167.
B e t em an J E . A so lid sta t e sc i n t i lla t i o n de t ec t o r fo r h igh - en e r gy ch a r ged p a r e ic l e s . N uc l In st r u m M e t h 2 2 o d s , 1969. 71: 261.
张松寿. 硅光电二极管闪烁探测器. 核电子学与探测技术, 1992. 12 (6) : 321.
陈成杰, 徐正卜. 光电倍增管. 北京: 原子能出版社, 1988. 8. 北京核仪器厂. 光电倍增管产品手册. 1994. 张松寿. G M 计数管型辐射监测仪器过载性能研究. 核电子学与探测技术, 1995. 15 (3) : 167.
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S t ab ility R e s e a rch o f P ho tom u lt ip lie r in Ir r ad ia t io n
Zh a n g So n g s ho u
(R e s ea r ch In st i tu te o f C h e m ica l D efen ce , P . O . Bo x 10442200, B e i jin g , 102205)
A b stra c t
T h e p h o t om u lt i p ie r is th e m o in dev i ce o f sc i n t i lla t i o n de t ec t o r, w h ich is m o st com m o n in u se . T h is p a p e r in t r o d uce s th e c i rcu m stan ce o f stab ility re s ea r ch o f p h o t om u lt i p lie r in ir r ad i a t i o n . T h e tex t reco u n t s th e exp e r 2 i m en ta l sch e m e an d list s th e te s t da t a . In f l uen c i n g fac t o r s a r e an a l y s ed an d u sefu l co n c l u si o n s a r e g i ven .
(Key W o rd s : P h o t om u lt i p lie r Ir r ad i a t i o n R ad ia t i o n de t ec t i o n Sc i n t i lla t i o n de t ec t o r )
【作者简介】
张松寿, 男, 58 岁, 副研; 熊建平, 男, 36 岁, 高工。