大面积塑料闪烁探测器剂量线性测量及修正

大面积塑料闪烁探测器剂量线性测量及修正作者：黄秋方方丁卫撑杨勇张从华

来源：《中国测试》2015年第06期

摘要：针对γ射线剂量增大时，大面积塑料闪烁探测器剂量线性会变差这一问题，采用能谱测量方式对塑料闪烁探测器的剂量线性进行修正。首先在单能辐射场中，探测器通过能谱测量电路在上位机形成辐射场能谱，然后按照能量线性规律算出每道址的权重因子，以标准剂量仪所测剂量率为参考值得到修正公式，接下来对待测辐射场进行能谱采样，根据每道计数和修正公式，得到修正后的总计数率和剂量率，从而对塑料闪烁探测器的剂量线性进行修正。结果表明：经过修正以后，在137Cs辐射场中剂量测量最大相对误差由-24.32%变为-6.90%，在

60Co辐射场中最大相对误差由-72.22%变为-27.78%。可以看出，经过修正的探测器剂量线性得到很大改善，可为辐射场中γ射线剂量的准确测量提供技术参考。

关键词：塑料闪烁探测器；剂量线性；能谱测量；修正

文献标志码：A

文章编号：1674-5124（2015）06-0030-04

0 引言

塑料闪烁体是一种用途较为广泛的有机闪烁体，具有发光时间短、光传输性好、稳定、形状及尺寸不受限制、容易制造、成本低、耐辐射性好等特点。通常采用塑料闪烁体、光电倍增管、分压器配合使用测量γ射线，大面积塑料闪烁探测器可用于大面积γ射线检测装置，核电站、核设施等场所车辆、人员及衣物的γ射线侦检装置，大型工具污染测量、反恐放射性测量及放射性材料探测装置等。标准IAEA-1312和GB/T 24246——2009《放射性物质与特殊核材料监测系统》都用到了大面积塑料闪烁探测器。在对大面积塑料闪烁探测器进行测量时，随着所受辐射剂量的变大，其剂量线性会变差。这不仅会限制探测器的应用范围，也会影响测量结果，因此有必要对其剂量线性进行修正。然而，国内外对大面积塑料闪烁探测器剂量线性的研究较少，如文献[3]研究了塑料闪烁探测器对中子和γ射线信号脉冲形状的辨别力，文献[4]对光电倍增管坪曲线、探测器效率、电源模块直流输出等进行了测试，但都没提到大面积塑料闪烁探测器的剂量线性问题。为此，本文对大面积塑料闪烁探测器剂量线性进行了测量并修正。

1 剂量线性测量

塑料闪烁体是快闪烁体，适于做快符合和高计数率测量。在大面积塑料闪烁探测器测量γ射线应用中，由于塑料闪烁体面积较大，产生的计数率与小面积相比较多。在137Cs辐射场中，用尺寸为5cmx10cmx100cm的塑料闪烁探测器进行实验，如图1所示。可以看出，随着γ射线剂量的增大，塑料闪烁探测器计数率越来越偏离直线A，呈现出剂量非线性。

这种剂量非线性是由于探测器输出脉冲堆积造成的。探测器输出脉冲如图2所示，在未受辐射情况下，探测器输出脉冲之间可以分开，这时不会有脉冲计数丢失。然而当辐射场的剂量越来越大，脉冲计数丢失得就会越多，即漏计数增大，会造成塑料闪烁探测器计数率的剂量非线性。并且，由于塑料闪烁探测器对不同能量核素产生信号大小不一样，当辐射场的剂量变大时，脉冲计数丢失的程度也不一样，表现出不同的剂量线性。使用同一个探测器，在60Co辐射场中，同样测出剂量-计数率曲线，与图1结合，得到大面积塑料闪烁探测器对137CS、60Co 不同的剂量线性，如图3所示。

2 剂量线性修正

为了改善大面积塑料闪烁探测器的剂量线性，对探测器信号采用能谱测量方式。能谱测量电路由塑料探测器、前置放大器、主放大器和多道脉冲幅度分析器组成，如图4所示。在γ射线照射下，探测器产生信号经前置放大器后形成不同幅度电压脉冲，主放大器将这些脉冲放大成形后送入多道脉冲幅度分析器，多道分析器对脉冲进行分析，计算出最高能量。经过多道分析器的数字信号以脉冲高度为道址，在上位机形成辐射场能谱。

在理想情况下，信号脉冲未产生堆积，信号脉冲高度与能量成线性关系。而在相同能量下，信号脉冲计数也与剂量成线性关系。又因为每个道址代表了脉冲高度即能量，所以每个道址计数的权重因子应与道址成线性关系，可表示为

由式（2）可知，将测出能谱每道址计数乘以该道的权重因子，再求和就得到修正后的总计数率。使用转换因子可以将探测器修正后的总计数率转换为剂量率。

剂量线性修正流程如图5所示，通过在各个单能参考辐射场中实验，测出在该能量辐射下塑料闪烁探测器的能谱，按照能量线性规律逐次逼近常数a、b值，算出每道址的权重因子，以标准剂量仪所测剂量率为参考值进行修正，如果按照公式算出的剂量率与参考剂量率相差在允许范围内，则认为两者近似相等，从而得到式（1）中的常数a、b。之后对待测辐射进行能谱采样，根据每道计数和已经得到的常数a、b值，按照式（1）和式（2），得到修正后的总计数率和剂量率，从而对塑料闪烁探测器的剂量线性进行了修正。3辐射场实验

同样使用尺寸为5 cmx10 cmx100 cm的塑料闪烁探测器进行实验，分别在137Cs、60Co辐射场中测得数据，通过以上方法对剂量线性进行修正，可以很好地改善探测器随剂量增大，计数率呈非线性的现象，如图6所示。

与图3相比，修正后的探测器计数率与辐射场剂量大小基本呈线性关系，并且修正后还极大地改善了探测器在137Cs、60Co辐射场中不同的剂量线性。将探测器剂量线性修正后的计数率乘以转换因子k，得到修正后的剂量率，与剂量线性修正前比较，如表1所示。

从实验数据可以看出：大面积塑料闪烁探测器剂量线性修正前，在137Cs辐射场中相对误差最大为-24.32%，在60Co辐射场中相对误差最大为-72.22%。而经过剂量线性修正以后，在

137Cs辐射场中相对误差最大为-6.90%，在60Co辐射场中相对误差最大为-27.78%。大面积塑料闪烁探测器的剂量线性在很大程度上得到改善。

4 结束语

本文对大面积塑料闪烁探测器的剂量线性进行了研究。在放射性测量应用中，随着γ射线照射剂量的增大，塑料闪烁探测器输出脉冲计数率会呈现出非线性。并且，在137Cs辐射场和60Co辐射场中测出的剂量一计数率曲线也不同。为了改善大面积塑料闪烁探测器的剂量线性，对探测器信号采用能谱测量方式，通过在各个单能参考辐射场中实验，对塑料闪烁探测器的剂量线性进行修正。从图6和表1的实验数据可以看出，经过修正以后大面积塑料闪烁探测器的剂量线性得到了很大改善，为辐射场中γ射线剂量的准确测量提供了技术参考。

参考文献

[3]Natalia Z，Benjamin L，Rupert I P.Plastic scintillators with efficient neutronm/gamma pulse shape discrimination[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research，2012（668）：88-93.

[4] 孟丹，邓长明，程昶，等.大面积塑料闪烁体探测模块的性能测试[J]核电子学与探测技术，2007，27（4）：752-755.