第27卷 第4期核电子学与探测技术V ol .27 N o .4 2007年 7月Nuclear Electronics &Detection Technolo gyJuly 2007 大面积塑料闪烁体探测模块的性能测试孟 丹,邓长明,程 昶,任 熠,宋称心,刘 芸(中国辐射防护研究院,太原030006) 摘要:介绍了大面积塑料闪烁体探测模块的设计、研制及其组成,重点介绍大面积塑料闪烁体探测模块的性能测试。
关键词:塑料闪烁体;光电倍增管;探测器;辐射探测模块中图分类号: T L812.1 文献标识码: A 文章编号: 0258-0934(2007)04-0752-04收稿日期:2006-11-05作者简介:孟丹(1982—),女,辽宁辽阳人,研究实习员,主要从事核军工、核电站辐射监测系统仪器仪表的开发研制工作 大面积塑料闪烁体探测模块(以下简称:辐射探测模块)采用大面积塑料闪烁体+光电倍增管+电子学电路的设计。
研制出的辐射探测模块经过了严格的光电倍增管坪曲线测试、效率测试、电源模块直流输出测试和辐射探测模块稳定性测试。
同时,对模块工艺装配及性能等方面也做了检查和调试。
该辐射探测模块可用于大面积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侦检装置等。
1 辐射探测模块组成研制的辐射探测模块由探测器模块、电子学模块和电源模块三部分组成,采用大面积塑料闪烁体为探测器,接收到的γ信号进入光电倍增管、前置放大器后,转变成电信号,再经放大、成形、符合,输出标准TT L 电平。
1.1 探测器模块设计采用大面积塑料闪烁体+C R -120型/C R -105型光电倍增管+分压器+前放板的设计,如图1所示,提供一路信号输出和一路高压输入。
探测器模块整体示意图见图2。
图1 光电倍增管组件图2 探测器模块示意图1.2 电子学模块设计采用信号输入、主放、脉冲甄别、脉冲展宽、符合电路及0.1%高压等几部分电路组合设计,主要功能是给光电倍增管提供高压,并对两个探测器的4路电脉冲信号进行放大、甄别,将每个探测器的两路信号符合后输出5V T TL 电平。
电子学模块原理框图见图3。
752图3 电子学模块原理框图1.3 电源模块设计采用一体化不间断稳压电源,它是一种带有备电输入和充电电压的UPS ,它具有开关电源的诸多优点,交直流可实现零秒切换,输入电压AC 220V ,输出三组12V 直流电压,总功率60W 。
UPS 电源模块带有开关,可关断交流输入时的直流输出,蓄电池上的开关可供备电输入时的直流输出。
电源模块示意图如图4所示。
图4 电源模块示意图2 主要技术指标1)探测器模块塑料闪烁体型号:S T -401型,尺寸1000mm ×250mm ×50mm ;探头外壳最大长度:250mm ;光电倍增管型号CR -120型/CR -105型;电压±12V ;高压0～1500V 可调;输出噪声有效值小于100m V ;工作环境:0～50℃。
2)电子学模块电路模块尺寸300mm ×200mm ×40mm ;安装孔长290m m ×宽160mm ;输出电平5V T TL ,脉宽1μs ;符合时间1～3μs ;甄别阈0～11V 可调;输入电压12V ;最大功率6W ;工作环境:0～50℃。
3)UPS 电源外形尺寸:A 型220mm ×120mm ×50m m ;型号4NIC -UPS36+CD13.8;输入AC 50H z 220×(1±0.1)V ,DC 12×(1±0.2)V ;输出12V 5A ,13.8V 1A (充电电压);纹波系数:小于1.0%;功率:60W ;工作环境:0～50℃。
4)蓄电池外形尺寸145mm ×165m m ×175mm ;型号A412/20G5;输出12V ;容量:20A 。
3 辐射探测模块性能测试3.1 光电倍增管坪曲线测试坪曲线是衡量光电倍增管性能的重要标志,在使用光电倍增管之前必须测量它,以鉴定其质量,并确定工作电压[1]。
在本次测试中,分别测得了16个光电倍增管(前9号为C R -120型/其余为CR -105型)的坪曲线,如图5所示,并提供了相应的光电倍增管工作电压,见表1。
在选取工作高压时,根据所得的坪曲线数据,从工作高压坪区和计数效率两方面考虑,工作高压选取坪区2/3的高压点。
测试条件:测量时间10s ;甄别阈-1V。
图5 光电倍增管坪曲线图由表1可看出,CR -120型光电倍增管工作高压在675～870V 之间,CR -105型光电倍增管工作高压在825—1010V 之间,且不同光电倍增753管之间性能差异较大。
表1 光电倍增管推荐工作高压编号0102030405060708推荐高压/V675675675685725675680775编号0910111213141516推荐高压/V8709001010850975920900825 另外,由于塑料闪烁体与光阴极接触的界面中存在着空气,为了尽量减少光线在闪烁体与光阴极窗界面的全反射,在测试过程中,选取15号和16号两个光电倍增管做实验,在光电倍增管光阴极上涂有耦合剂“硅油”,使从塑料闪烁体中发射出的光子有效地传给光电倍增管的光阴极[1]。
测得的坪曲线如图6所示。
测试条件:时间10s;甄别阈-1V。
根据测得的坪曲线,15、16号光电倍增管推荐工作高压分别为875和750V。
与图5对比,涂有硅油的光电倍增管工作高压都有所降低,且在相同电压下,计数值有所增大。
3.2 效率测试将16个光电倍增管组件按对应编号逐一连接到塑料闪烁体的两端,分别测量每组探测器的本底符合计数和带源符合计数,由此得出符合净计数,从而计算出每组探测器的探测效率,见表2。
图6 光电倍增管涂硅油坪曲线图测试条件:测量时间10s;符合时间1μs;甄别阈-1V;放射源137Cs,45kBq表2 辐射探测模块效率测试数据电倍增管编号01、0203、0405、0607、0809、1011、1213、1415、16净计数平均值1619614587.514978.715062.711085.713016.711971.510483.5效率/%7.1986.4836.6576.6954.9275.7855.3214.659 由表2可看出,选用137C s源,45kBq,测试时间选取10s情况下,其辐射探测模块效率在4.659%～7.198%之间。
3.3 电源模块直流输出测试所选两块电源的直流输出为12V,分别对其进行3组的纹波测试,见表3。
表3 电源模块纹波测试数据电源模块编号A200507162116472A200507162116473分组编号第1组第2组第3组第1组第2组第3组输出电压平均值/V12.07312.06912.07212.07112.07112.070纹波电压平均值/mV23.2819.8424.8628.0228.4329.34纹波系数平均值/%0.1950.1650.2080.2340.2370.244 由表3可看出,所选的两块电源模块中,每块三组测试的纹波系数均在0.5%以内。
3.4 辐射探测模块稳定性测试变异系数是对不同组数据进行离散程度的比较,是模块稳定性的基本体现,需多次测量求得,本次计算采用如下公式:V=S/X=1k-1∑ki=1(N-N)2/N 式中:S是k次测量值的标准偏差;N i是第i次测量的净计数;N是k次测量的平均值。
通过测量每组对应编号探测器的符合净计数值,计算出相应的变异系数值,见表4。
测试条件:测量时间:10s;放射源选用137Cs,源强为45kBq。
754表4 辐射探测模块稳定性测试数据光电倍增管编号01、0203、0405、0607、0809、1011、1213、1415、16符合净计数平均值1619614587.514978.715062.711085.713016.711971.510483.5变异系数/%4.83.12.83.74.63.55.22.3 由表4可看出,各组测试的变异系数均小于10%。
此外,对辐射探测模块的长期稳定性也进行了测试。
选取一组模块进行168h符合本底计数的稳定性测试,每24h记录一组数据,变异系数要求小于10%,见表5。
测试条件:实验日期:2005-10-12/18;测量时间:10s。
表5 辐射探测模块长期稳定性测试数据(光电倍增管编号:15号-16号)测量日期10-1210-1310-1410-1510-1610-1710-18总平均值变异系数符合本底计数平均值5074.350495062.55130.45214.250985254.85126.171.55% 表5中显示,计算出的变异系数值为1.55 %,小于10%,符合要求。
4 结论研制的辐射探测模块可达到如下技术指标,探测器模块的工作电压±12V、高压0～1500V可调、输出噪声有效值小于100mV;电子学模块的输出电平5V T TL、脉宽1μs、符合时间1～3μs、甄别阈0～11V可调、输入电压12V、最大功率6W;UPS电源纹波系数小于1.0%、功率60W;该辐射探测模块适于-10～+50℃工作环境。
在塑料闪烁体与光电倍增管的坪曲线测试中,C R-120型光电倍增管工作高压在675～870V之间,C R-105型光电倍增管工作高压在825～1010V之间,且不同光电倍增管之间性能差异较大;在效率测试中,选用137C s作放射源,源强为45kBq,测试时间选取10s,其效率在4.659%～7.198%之间;在电源模块直流输出测试中,测得的纹波系数均在0.5%以内;在辐射探测模块稳定性测试中,计算出的每组变异系数值均小于10%,辐射探测模块性能良好。
参考文献:[1]吴治华,等.原子核物理实验方法[M].北京:原子能出版社,1996.[2]孟丹,等.大面积塑料闪烁体探测模块的性能测试[C].全国第十三届核电子学与探测技术学术年会论文集,2006:277.Capability testing of large area plastic scintillation detector module MENG Dan,DENG Chang-ming,CH ENG Chang,REN Yi,SONG Chen-xin,LIU Yun (China Institute for Radia tion P ro tectio n,T aiy uan030006,China)Abstract T he design,development and construction,especially the capability testing of t he large area plastic scintillation detector module was described here.Key words:plastic scintillation;photomultiplier tube;detect or;radiate detector module755。