长塑料闪烁体核子料位计的研制

干小宇，宓逸舟，冯婷婷，梁 城

(合肥工业大学 电子科学与应用物理学院，安徽 合肥 230009)

核子料位计是利用放射源射线与物料的相互作用，探测衰减后的γ 射线强度，依据衰减遵循指数规律来测量料位的一种仪器。其采用非接触的测量方式，具有反应速度快，稳定性高等优点，特别在高温、高压、强腐蚀等恶劣环境下，具有广阔的应用前景。本文研制的核子料位计在闪烁探测器上进行了改进，采用长塑料闪烁体。塑料闪烁体制作简便可加工成各种模型，发光衰减时间短，光传输性好，同时具有耐辐照，性能稳定，耐潮湿、震动、冲击，在8 ～10 年内发光效率无明显变化的优点［1］，这些特性相比常用的NaI(TI)闪烁体在核子料位计［2］上应用具有明显优势。方案中设计的核子料位计具有测量精度高、稳定性好等特点，可应用于对测量精度要求高的工业环境。

1 基本原理

典型的闪烁探测器由闪烁体、光导、光电转换器件和电源组成。核子料位计依据γ 射线穿过物料后强度衰减的原理，通过测定射线强度的变化确定料位的高度。衰减服从指数规律，可用如下函数表示［3］

其中，I0和I 是吸收前后的射线强度;ρ 是物料的密度(g/cm3);μ 为物料对γ 射线的吸收系数(cm2/g);d 是被测物料的厚度(cm)。

塑料闪烁体采用直径5 cm，长200 cm 的圆柱体，型号为HND－S2，由聚苯乙烯作基质，C 核和H 核数量比为1∶1.12，密度为1.05 g/cm3，折射系数为1.59，发射的光谱峰值为395 ～425 nm，相对蒽晶体的光输出效率约为50%～60%，该光谱峰值与光电倍增管响应光谱能良好配合。放射源采用Cs137，放射源与物料罐相对位置和放射剂量确定后，射线的衰减符合上述规律。

2 系统实现

放射源发出的γ 射线穿过物料时产生各种效应，对γ 射线来说是一种能量传递和损耗的过程。γ 射线的穿透能力很强，不易被物质完全吸收，对于一定能量的一束γ 射线透过物料后，只有部分γ 射线与物料发生作用。因此，γ 射线的辐射强度随物料的增加而减弱，根据探测到的信号强弱判别γ 射线的衰减层度。典型的核子料位计由3 部分构成:闪烁探测器模块、信号调理电路和MCU 模块。根据放射源透过物料后γ射线的强弱不同来检测物料的高低，确定了一种理想的测量模型，该系统框图如图1 所示。

图1 料位计系统框图

线状放射源发出的γ 射线垂直透过物料后发生衰减并入射到闪烁体中，与长塑料闪烁体作用发出光子，光子在长塑料闪烁体内经历一系列反射、衰减过程，到达两端探测平面并被光电倍增管收集，而光的收集效率与发光点的位置、内部反射率、塑料闪烁体的长度有直接关系［4］。光信号通过光电倍增管、信号调理电路转化为电压脉冲信号，MCU 模块采集电压脉冲信号，建立起料位高度与脉冲频率间关系。

2.1 闪烁探测器模块

闪烁探测器模块由塑料闪烁体、光电倍增管、分压器构成。塑料闪烁体探测到γ 射线发出光子，被光电倍增管转化为电学信号，分压器为光电倍增管提供电子倍增电压。闪烁探测器需两路高压输入，同时输出两路电流脉冲信号。

闪烁体的发光持续时间影响闪光的分辨和光子数目的多少。常用闪烁体可分为有机闪烁体和无机闪烁体两大类，有机闪烁体的发光持续时间为ns 级，而无机闪烁体的发光持续时间为μs 级［5］。为了提高探测灵敏度和分辨率，本方案选择有机闪烁体。

光电倍增管是将极微弱的闪烁脉冲光转化为电信号的器件。γ 射线被长塑料闪烁体吸收产生光子，利用光导和反射层大部分荧光光子被收集到塑料闪烁体两端的光电倍增管光阴极上，并在光电倍增管光阴极发生光电效应，产生光电子。高压输入通过分压器为光电倍增管倍增极极间提供加速电场，电子在加速电场间加速后在倍增极的打拿极上产生二次电子发射，光电子通过电子倍增多级放大，在阳极上形成电流脉冲。

2.2 信号调理电路

光电倍增管输出的脉冲信号无规律，且带负载能力弱。本方案中设计了一个射随器电路和幅值甄别电路，使探测器输出的脉冲信号被MCU 有效检测。如图2所示射随器电路增加了电流脉冲信号的带负载能力，同时滤除微弱的噪声信号。

图2 信号调理电路

在上述射随器电路中，Q2三极管起恒流源的作用为Q1三极管提供稳定的静态工作点，C2电容交流耦合滤去小信号噪声，其与Q1三极管共同构成共集放大电路以增加信号的驱动能力。上述电路对原始信号处理后，输出给阈值甄别电路，阈值甄别电路采用了滞回比较器，以甄别有效电压脉冲信号，并将不规则的脉冲信号整形成TTL 电平的脉冲信号给单片机。

2.3 MCU 模块

本方案的控制核心采用单片机。无规则的电压脉冲信号经过信号调理电路转化成0 ～5 V 的脉冲信号，核脉冲信号接单片机计数器引脚以完成对信号的脉冲计数。单片机对计数信号运算并转换成料位高度信号，通过RS485 连接至上位机，在PC 机上完成对料位高度的远程监控。

3 基于塑料闪烁体的探测器特性分析

3.1 方案设计

模拟现场环境对塑料闪烁体的特性进行研究，并完成算法转换，建立起料位高度与闪烁探测器两端信号间的关系。在塑料闪烁体两端涂上耦合剂“硅油”，以提高与光电倍增管光阴极间的光信号传输效率［6］，同时在闪烁体的外部贴上黑纸并包上黑色胶带以降低由光反射带来的时间弥散［7］。光电倍增管部分、信号调理电路部分、电源部分、主控板部分依此分布在塑料闪烁体两端，并固定于不锈钢套管内以确保系统的稳定性，装配图如图3 所示。主控板完成对核脉冲信号的处理，通过RS485 连接至上位机，实现远程监控和数据采集。

图3 闪烁探测器装置

3.2 塑料闪烁体性能测试和方案分析

高压坪曲线［8］和不同位置的探测效率是塑料闪烁体的重要性能参数，依据该两点完成了性能测试和数据分析，建立起了料位高度与计数信号间的关系。

3.2.1 塑料闪烁体性能测试

探测器的坪特性是探测器的重要参量之一，分析探测器合适的工作电压可提高闪烁探测器的探测效率。甄别阈值固定在0.4 V，改变高压分析两端脉冲计数率随高压的变化曲线。起始电压定为700 V，以50 V 为单位测得塑料闪烁体上下两端的高压坪曲线如图4 所示。

图4 塑料闪烁体的高压坪曲线

高压在800 ～900 V 间计数率变化较小，坪区为800 ～900 V。从高压坪区和计数效率两方面考虑，推荐工作高压在坪区2/3 的高压点处，方案中工作高压定在850 V。

在粒子探测系统中，阈值处理是用来限制有效脉冲的幅度范围，使噪声幅度小于甄别域。完成对高压的确定，需分析塑料闪烁体两端的阈值(0.1 ～0.9 V)甄别曲线，对大于该阈值的脉冲信号计数。由于光电倍增管和塑料闪烁体两端光传导的差异，两端核脉冲信号的幅值存在一定差异，方案中上端阈值推荐0.35 V、下端阈值推荐0.62 V。

探究放射源与探测器的相对位置对探测效率的影响，建立起料位高度测量模型。放射源采用剂量0.8 mci的Cs137，在200 cm 长的塑料闪烁体外部套管上刻度，点状放射源紧贴塑料闪烁体外部套管并垂直入射，测量时长1 h，分析探测器两端信号与放射源相对位置关系如图5 所示。拟合曲线符合理论指数规律

其中，a1=0.014 88，a2=762 10，b1=0.077 33，b2=0.085 8，k 为修正因子，x 为放射源相对位置，y1和y2为闪烁体探测器上下两端的脉冲计数。

图5 探测器两端信号与放射源相对位置关系

当射线的入射点距两端光电倍增管的信号收集点过远时，产生的大部分荧光在塑料闪烁体中的传输过程就被吸收，导致闪烁探测器的探测效率大幅降低［9］。分析探测器两端信号与放射源相对位置的关系，两端信号的计数误差限为250，相对计数信号峰值25 000的相对误差限为1%。依据拟合曲线:当x ＞66.7 cm时，y2＜250;当x ＜125.8 cm 时，y1＜250，即点状放射源位于66.7 ～125.8 cm 间的两端计数无效。

3.2.2 基于塑料闪烁体的核子料位计方案

物料罐视为理想的长方体，探测器接收的γ 射线有直接透过物料罐的，也有与物料作用后的。γ 射线遇到物料产生各种效应，这是一个能量的传递与损耗的过程，不同频率的γ 射线与物料相互作用的效应各不相同［10］。γ 射线垂直入射物料与物料发生作用辐射强度呈指数规律衰减，比较物料罐前后γ 射线辐射的强度发现其衰减了90%以上。为便于模型的建立、分析和运算，模型中忽略了与物料作用后的γ 射线，建立探测系统的理想模型并做以下假设:闪烁体探测器探测到的辐射强度主要受直接透过物料罐上端空罐部分的γ 射线影响。根据图5 中放射源的相对位置与探测效率的关系模拟理想点状放射源单方向垂直入射长塑料闪烁体的脉冲计数。工业现场采用线状放射源以提高探测系统的能量响应，对图5 中点源模型进行积分运算模拟出料位高度与两端信号间的关系如图6 所示。

图6 探测器两端计数与求和计数比较

塑料闪烁体下端对0 ～66.7 cm 料位变化反应灵敏，上端对125.8 ～200 cm 料位变化反应灵敏，两路求和计数的探测效率明显高于单端计数，长圆柱体HND－S2 塑料闪烁体有效探测高度不超过140 m，这样避免了闪烁探测器出现探测盲区。料位高度和探测器两端求和计数关系如下

其中，K 为修正因子，A1=8.9×105，A2=0.19，B1=0.086，B2=0.077，C=2.1×105为正常数，x 为料位高度，Z 为探测器两端求和计数。

4 结束语

系统中塑料闪烁体相比常用的NaI(TI)闪烁体探测效率更高，提高了料位计的探测精度，测量精度能控制到1%以下。采用两路求和计数相比单端采集有效提高了探测效率，是一种高效率可靠的测量方法。光在塑料闪烁体内传导会衰减，靠近PMT 处收集到光子数显著多于远离PMT 处，当离PMT 的距离使直接到达的光子数目很少时，收集的光子数随距离变化的趋势变缓，限制了长塑料闪烁体的探测高度上限，直径5 cm的长圆柱体HND－S2 塑料闪烁体有效探测高度不超过140 cm。

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