羅 飛，龔 建，向永春，向清沛，胡廣春

（中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所，四川綿陽(yáng) 621900）

放射性氙疊層閃爍探測(cè)器的設(shè)計(jì)與初步實(shí)驗(yàn)

羅 飛，龔 建＊，向永春，向清沛，胡廣春

（中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所，四川綿陽(yáng) 621900）

放射性氙的4種同位素131Xem、133Xe、133Xem和135Xe是地下核試驗(yàn)最重要的示蹤氣體，是目前CTBTO全球監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的主要核素。本文設(shè)計(jì)并研制了一種針對(duì)低水平放射性氙測(cè)量的疊層閃爍探測(cè)器，可實(shí)現(xiàn)放射性氙4種同位素的β－γ符合測(cè)量，簡(jiǎn)化了探測(cè)器結(jié)構(gòu)。利用MCNP5工具包模擬了兩種結(jié)構(gòu)的探測(cè)器，獲得了β閃爍層的最佳厚度，1．5mm厚塑料閃爍體BC404幾乎完全屏蔽4種氙同位素的β信號(hào)，135Xe的910keV特征β射線僅0．8%沉積在γ閃爍層CsI（Tl）中，而對(duì)133Xe的81keV特征γ射線吸收低于6．5%；觀察到明顯的氙氣樣品自吸收效應(yīng)，氙氣氣壓由0．1MPa增加到0．25MPa時(shí)，氙氣對(duì)133Xe的346keVβ射線吸收增加45．6%。基于模擬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研制了用于放射性氙測(cè)量的疊層閃爍探測(cè)器，初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明疊層閃爍探測(cè)器能有效抑制本底計(jì)數(shù)，抑制因子約96．4±1．0。

放射性氙；疊層閃爍探測(cè)器；蒙特卡羅；自吸收效應(yīng)

聯(lián)合國(guó)通過全面禁止核試驗(yàn)條約后，全面禁止核試驗(yàn)條約組織技術(shù)秘書處（CTBTO／PTS）提出了地震、次聲、水聲和放射性核素4種可用于監(jiān)測(cè)違約核試驗(yàn)的全球技術(shù)手段，在放射性核素監(jiān)測(cè)中，將131Xem、133Xe、133Xem和135Xe作為最重要的監(jiān)測(cè)核素。氙作為惰性氣體，性質(zhì)穩(wěn)定，不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，易通過地下裂隙或穿過水層泄漏到大氣中。因此可通過對(duì)收集的空氣樣品濃集后進(jìn)行放射性測(cè)量。4種核素中131Xem的163．93keV特征γ分支比僅1．95%，133Xem的233．2keV特征γ分支比僅10%，法國(guó)基于HPGe的探測(cè)系統(tǒng)SPALAX對(duì)于131Xem的最小探測(cè)限是133Xe的270倍［1］。此外，高分辨伽馬譜儀無法排除氡氣本底的干擾。氙的4種放射性同位素均存在較大分支比的β－γ或KX－CE級(jí)聯(lián)衰變，采用符合的方法可利用分支比較大、平均能量為31keV的特征X射線與β射線實(shí)現(xiàn)放射性氙同位素的識(shí)別。疊層閃爍探測(cè)器由兩層或多層閃爍體組成，根據(jù)射線在不同閃爍層的響應(yīng)，可在同一光電倍增管上實(shí)現(xiàn)多閃爍信號(hào)的解析［2］。疊層閃爍探測(cè)器結(jié)構(gòu)上是一符合探測(cè)器，可通過閃爍材料以及閃爍層厚度的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)β－γ符合、n－γ甄別、反康普頓等不同需求的符合測(cè)量。本文將介紹用于β－γ符合測(cè)量的疊層閃爍探測(cè)器的設(shè)計(jì)原理，利用蒙特卡羅設(shè)計(jì)基于大氣取樣樣品的放射性氙疊層閃爍探測(cè)器，評(píng)估β測(cè)量層厚度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，模擬氙氣自吸收對(duì)測(cè)量的影響。

1 放射性氙疊層閃爍探測(cè)器設(shè)計(jì)原理

符合方法是輻射探測(cè)中常用和基本的測(cè)量方法，在核輻射過程中相關(guān)事件的測(cè)量、實(shí)驗(yàn)裝置本底的消除以及能譜測(cè)量中廣泛使用。如原子核的級(jí)聯(lián)衰變中，β衰變發(fā)出1個(gè)β粒子后，處于激發(fā)態(tài)的子核立即發(fā)出1個(gè)γ光子，用1個(gè)探測(cè)器測(cè)量β粒子，用另1個(gè)探測(cè)器探測(cè)γ光子，將它們的信號(hào)輸入符合電路，即可選出時(shí)間相關(guān)的級(jí)聯(lián)β－γ衰變事件。不同于傳統(tǒng)的符合過程，疊層閃爍探測(cè)器符合的實(shí)現(xiàn)不依賴于符合電路，是真正意義上的符合，它僅利用1個(gè)光電倍增管（PMT）讀取各閃爍層的脈沖，若確有符合事件發(fā)生，PMT會(huì)收集到一符合脈沖，記錄符合脈沖，即可實(shí)現(xiàn)符合事件的選取，極大降低了偶然符合的概率。

疊層閃爍探測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括不同的閃爍層、光學(xué)耦合劑、光收集系統(tǒng)及相關(guān)的電子學(xué)組件，此外還包括反射層與屏蔽體。

圖1 疊層閃爍探測(cè)器基本結(jié)構(gòu)Fig．1 Basic structure of phoswich detector

閃爍體一般由兩種或兩種以上閃爍材料組成。閃爍層1發(fā)光衰減較快，稱快閃爍層；閃爍層2發(fā)光衰減較慢，稱慢閃爍層。射線穿過閃爍層1和2時(shí)會(huì)有一定能量沉積在不同的閃爍層中，進(jìn)而形成閃爍光，閃爍光經(jīng)閃爍材料的傳輸，打到光讀出器件（如PMT）上，光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，用負(fù)載電路將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將這些電壓脈沖記錄下來，保存在計(jì)算機(jī)端并進(jìn)行脈沖分析。

放射性氙氣體樣品中4種核素的分辨可通過β－γ符合測(cè)量實(shí)現(xiàn)。將疊層閃爍探測(cè)器做成內(nèi)充氣式的4π符合探頭，一方面，省去了氣體樣品制源的過程，避免了吸附材料與源盒壁面對(duì)β射線的吸收；另一方面，內(nèi)充氣式探頭立體角接近4π，可提升探測(cè)效率。疊層閃爍探頭β－γ測(cè)量的實(shí)現(xiàn)，可通過閃爍材料選取和閃爍體厚度的設(shè)計(jì)，使β信號(hào)的能量幾乎全部沉積在快閃爍層中，而γ信號(hào)沉積在慢閃爍層中，由于各閃爍層發(fā)光衰減常數(shù)差別較大，脈沖形狀顯著不同，可利用脈沖識(shí)別技術(shù)將符合脈沖解析。使β信號(hào)沉積在塑料閃爍體中，且盡可能少地吸收γ信號(hào)，這樣，β層閃爍信號(hào)就能代表全部β射線的信息，外圍γ層閃爍信號(hào)代表全部γ的信息。

能量為E的β射線在低原子序數(shù)Z的材料中的射程R的經(jīng)驗(yàn)公式為：

通過式（1）可得到500keVβ粒子在塑料閃爍體（密度為1．032g／cm3）中的射程為1．6mm。表1列出了4種放射性氙同位素的β－γ級(jí)聯(lián)衰變，并列出了235U裂變譜中子引起的裂變反應(yīng)中4種核素的產(chǎn)額及半衰期。

表1 氙同位素的主要β－γ級(jí)聯(lián)衰變［3］Table 1 β－γcascade decay for radioxenon isotopes［3］

131Xem將發(fā)生同質(zhì)異能躍遷，其特征γ能量為163．9keV，分支比較低，約為2%。發(fā)生內(nèi)轉(zhuǎn)換的概率為98%，根據(jù)躍遷軌道的不同產(chǎn)生能量30～34keV的X射線［4］。

133Xem同樣將發(fā)生同質(zhì)異能躍遷，其特征γ能量為233．2keV，分支比約10%。而發(fā)生內(nèi)轉(zhuǎn)換的概率為90%，內(nèi)轉(zhuǎn)換電子能量為199keV，X射線能量為30～34keV。

133Xe衰變將發(fā)出最大能量為346keV的β粒子（分支比99%），并發(fā)生級(jí)聯(lián)衰變，放出能量為81keV的γ射線，γ分支比為37%；或發(fā)生內(nèi)轉(zhuǎn)換，放出內(nèi)轉(zhuǎn)換電子和特征X射線。因此，133Xe存在37%分支比的346keVβ粒子與81keVγ射線的符合，以及分支比約49%的346keVβ粒子、45keV內(nèi)轉(zhuǎn)換電子、30～34keV X射線的另一種符合。

135Xe的衰變主要為最大能量為910keV的β粒子與250keVγ射線的級(jí)聯(lián)衰變，分支比為96%，發(fā)生內(nèi)轉(zhuǎn)換的分支比不足10%。

2 疊層閃爍探測(cè)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模擬

2．1 基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與閃爍層厚度模擬

內(nèi)充氣疊層閃爍探頭的概念借鑒了內(nèi)充氣式正比計(jì)數(shù)器與37Ar符合測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念［5］，直接將塑料閃爍體作為氙氣樣品容器，在塑料閃爍體外包1層測(cè)量γ信號(hào)的無機(jī)閃爍體。考慮放射性氙的記憶效應(yīng)，放射性氙氣的殘留將會(huì)給下次測(cè)量帶來干擾，4π疊層閃爍探頭整體采用圓柱結(jié)構(gòu)，可降低異型閃爍體的加工難度，且便于氣體的沖洗。

一般，無機(jī)閃爍體的光輸出產(chǎn)額與線性較好，但發(fā)光衰減時(shí)間較長(zhǎng)，而有機(jī)閃爍體的衰減快，但其光產(chǎn)額較低。實(shí)際β－γ符合測(cè)量常采用快衰減時(shí)間的塑料閃爍體測(cè)量β信號(hào)，采用發(fā)光效率高、能量線性好的無機(jī)閃爍體測(cè)量γ信號(hào)，如NaI（Tl）、CsI（Tl）和LaBr（Ce）等晶體。

新型LaBr3（Ce）晶體有一定脆性，不適合異型機(jī)械加工，且存在一定的鑭本底；BGO晶體發(fā)光效率低，材料折射率較高，不利于光子收集。綜合考慮NaI（Tl）與CsI（Tl）由于發(fā)光效率與γ探測(cè)效率相對(duì)較高，具有適合的發(fā)光衰減常數(shù)（分別為230ns與1μs），可作為疊層閃爍探頭的γ測(cè)量晶體。這兩種晶體也有各自的缺點(diǎn)，CsI（Tl）晶體與光電倍增管的匹配較差，NaI（Tl）晶體有一定脆性，機(jī)械加工性能較差。以BC404作塑料閃爍體晶體，CsI（Tl）作γ測(cè)量晶體為例，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

利用MCNP5對(duì)圖2所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，對(duì)比不同厚度的CsI（Tl）與NaI（Tl）晶體對(duì)不同能量的γ射線的探測(cè)效率，結(jié)果示于圖3。相關(guān)模擬假定如下：氣體樣品為各相同性均勻體源；不考慮閃爍層間極薄的光學(xué)耦合劑；不考慮CsI（Tl）晶體外所加的反射層。初設(shè)參數(shù)為氙氣池直徑2cm、BC404壁厚1cm。

圖2 放射性氙疊層閃爍探頭設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)Fig．2 Design structure of phoswich detector for radioxenon monitoring

由圖3可知，對(duì)于低能端（分支比最大的兩條射線的能量分別為31、81keV），CsI（Tl）與NaI（Tl）晶體差別不大，30mm厚度的探測(cè)效率達(dá)90%，此時(shí)，對(duì)250keV特征γ射線，探測(cè)效率分別約70%與60%。β－γ符合測(cè)量中，無需測(cè)量分支比極小的608keV特征γ射線，因此，30mm厚的CsI（Tl）與NaI（Tl）已滿足要求。

放射性氙疊層閃爍探頭中，β信號(hào)測(cè)量層的設(shè)計(jì)最關(guān)鍵，以塑料閃爍體BC404為例，若厚度較薄，對(duì)β信號(hào)的探測(cè)效率就較低，外圍晶體β響應(yīng)就較高，給γ信號(hào)的測(cè)量帶來干擾；若厚度過厚，塑料閃爍體層與γ射線作用的概率會(huì)變大，不利于β信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量［6］。因此選擇合適的塑料閃爍體厚度，對(duì)β－γ符合測(cè)量至關(guān)重要。

131Xem的129keV與133Xem的199keV內(nèi)轉(zhuǎn)換電子為單能電子，而133Xe最大能量為346keV，與135Xe最大能量為910keV的特征β粒子的能量是連續(xù)的，因此在模擬時(shí)采用一定的能量分區(qū)。若采用平均能量計(jì)算，塑料閃爍體層探測(cè)效率較準(zhǔn)，但無法計(jì)算穿出塑料閃爍體高能部分的粒子數(shù)；若用最大能量計(jì)算，塑料閃爍體層厚度模擬結(jié)果變大，測(cè)量時(shí)塑料閃爍體層γ干擾信號(hào)增加。根據(jù)射程公式，500keVβ粒子在塑料閃爍體中射程為1．6mm，利用MCNP5得到的塑料閃爍體BC404厚度0．5～3mm變化時(shí)的模擬結(jié)果示于圖4。

圖3 CsI（Tl）和NaI（Tl）與γ射線的作用概率Fig．3 Interaction probability of CsI（Tl）and NaI（Tl）with gamma ray

圖4 塑料閃爍體厚度對(duì)各閃爍層主要β、γ射線作用概率的影響Fig．4 Effect of thickness on interaction probability of each scintillator with mainβandγrays

由圖4的模擬結(jié)果可得到如下結(jié)論。

1）由于135Xe半衰期較短，若不考慮其能量為910keV的特征β射線，0．5mm厚的BC404即能滿足設(shè)計(jì)要求，該厚度可將最大能量為346keV的β信號(hào)全部收集，且對(duì)主要的81keV和31keV特征γ（X）射線的探測(cè)效率低至2．42%和2．34%。

2）0．5mm厚的BC404對(duì)最大能量為910keV的β粒子屏蔽不佳，有22．2%的β粒子能量未能完全被BC404屏蔽。而當(dāng)BC404厚度達(dá)1．5mm時(shí)這一比例降到0．8%，該厚度下BC404對(duì)主要的81keV和31keV特征射線的探測(cè)效率分別為6．2%和5．87%。

3）塑料閃爍體BC404對(duì)β信號(hào)的探測(cè)未能達(dá)到100%，其原因是放射性氙氣體樣品對(duì)β射線的吸收。

2．2 改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與自吸收效應(yīng)模擬

原結(jié)構(gòu)中若氙氣池容積較大，則氣體不易密封且探測(cè)立體角會(huì)減小，探測(cè)效率降低；若氙氣池容積較小，充氣量會(huì)受限制。

對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將塑料閃爍體氙氣池做成細(xì)口寬底的燒瓶狀，寬底“燒瓶”容積較大，氣體進(jìn)出口較細(xì)，便于氣體的密封，探測(cè)立體角更大。改進(jìn)結(jié)構(gòu)如圖5所示。改進(jìn)后的氙氣池容積變大，立體角變大，探測(cè)效率提高。但由于“燒瓶”底部較寬，切割后的外圍無機(jī)閃爍晶體實(shí)際厚度較薄，影響對(duì)能量較高的γ射線的探測(cè)。由于氙氣池體積較大，氙氣對(duì)β射線的吸收更嚴(yán)重，氙氣池氣壓變化時(shí)自吸收效應(yīng)的強(qiáng)弱對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很大（圖6，MCNP模擬時(shí)，以氙氣密度的變化表示氣壓的變化）。

圖5 放射性氙疊層閃爍探頭改進(jìn)結(jié)構(gòu)Fig．5 Redesign structure of phoswich detector for radioxenon monitoring

圖6 不同氣壓下特征β射線的能量響應(yīng)Fig．6 Energy responses ofβray with different gas pressures

對(duì)比不同大氣壓下的模擬結(jié)果，得到如下結(jié)論。

1）以塑料閃爍體BC404與β射線和內(nèi)轉(zhuǎn)換電子的作用概率大小表示自吸收的強(qiáng)弱，氙氣對(duì)β射線的自吸收現(xiàn)象較明顯，且隨氣壓增加，這一現(xiàn)象更嚴(yán)重。氣壓增加到2．5×105Pa時(shí)，346keV特征β射線的吸收相比常壓增加45．6%。

2）氣壓增加，峰位可能出現(xiàn)漂移，相比常壓129keV內(nèi)轉(zhuǎn)換電子峰位偏移7keV，與不考慮自吸收相比偏移15keV。

根據(jù)塑料閃爍體的物理特性，實(shí)際的充氣氣壓為0．05～0．15MPa，通過模擬得到在這一氣壓區(qū)間各β射線和內(nèi)轉(zhuǎn)換電子的實(shí)際自吸收效應(yīng)（圖7）。

從圖7可發(fā)現(xiàn)，即使氣壓在較小的區(qū)間變化，對(duì)能量較低的45keV內(nèi)轉(zhuǎn)換電子以及最大能量為346keV的β射線測(cè)量的影響仍不可忽略，對(duì)129keV內(nèi)轉(zhuǎn)換電子及最大能量為910keVβ射線的影響不大，對(duì)199keV內(nèi)轉(zhuǎn)換電子的影響較小。因此，在實(shí)際測(cè)量中，須對(duì)充氣氣壓進(jìn)行控制，在活度測(cè)量時(shí)根據(jù)氣壓做一定修正。

圖7 不同工作氣壓下的自吸收效應(yīng)Fig．7 Self－absorption effect with different gas pressures

參考放射性氙疊層閃爍探測(cè)器實(shí)物的加工尺寸（CsI（Tl）的外部尺寸為76mm×76mm，BC404的外徑為9mm、壁厚為1．5mm），給出常壓下放射性氙疊層閃爍探測(cè)器對(duì)4種放射性氙同位素主要β射線和γ射線的探測(cè)效率（圖8）。

通過模擬結(jié)果給出所設(shè)計(jì)探頭的參數(shù)為：β射線探測(cè)晶體塑料閃爍體BC404對(duì)30keV以上γ（X）射線的探測(cè)效率低于7%，可完全屏蔽能量低于500keV的β信號(hào)，γ探測(cè)晶體CsI（Tl）對(duì)30～300keV的γ射線的探測(cè)效率在80%以上。

放射性氙4種同位素的γ射線能量集中于30～250keV，與塑料閃爍體BC404的作用概率低于7%，而CsI（Tl）對(duì)此能段γ射線的探測(cè)效率高于89%；由于氙氣對(duì)低能電子的吸收，與塑料閃爍體BC404的作用概率分別為68．1%與86．6%，最大能量為910keV的β粒子中僅0．8%沉積在CsI（Tl）中。

圖8 主要β、γ射線的作用概率Fig．8 Interaction probability of mainβandγrays

沿這種思路可進(jìn)行一些新嘗試，如利用氣體閃爍體或液體閃爍體替代外圍的無機(jī)晶體作為γ測(cè)量晶體。這樣β探測(cè)單元做成任意形狀，均能實(shí)現(xiàn)4π方向的符合，從而避免復(fù)雜的機(jī)械加工。

3 疊層閃爍探測(cè)器研制與初步實(shí)驗(yàn)

基于改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的放射性疊層閃爍探測(cè)器的研制工作已基本完成，γ測(cè)量晶體選用CsI（Tl）晶體，塑料閃爍體型號(hào)為BC404，氙氣池（塑料閃爍體）壁厚的加工根據(jù)模擬結(jié)果控制在（1．5＋0．1）mm；在進(jìn)氣氣路上添加高精度絕壓傳感器，用以測(cè)量氙氣池氣壓，以便進(jìn)行效率修正和峰位校正。探測(cè)器的實(shí)物如圖9所示。

圖9 放射性氙疊層閃爍探測(cè)器實(shí)物圖Fig．9 Real photo of phoswich detector for radioxenon monitoring

疊層閃爍探測(cè)器符合測(cè)量的開展基于脈沖波形識(shí)別技術(shù)的運(yùn)用，利用RC負(fù)載電路對(duì)探測(cè)器的陽(yáng)極脈沖信號(hào)直接讀出，分析脈沖信號(hào)。相關(guān)刻度工作及符合測(cè)量均基于對(duì)脈沖信號(hào)的分析。在前期初步實(shí)驗(yàn)中利用多道分析器921E，在137Cs照射下觀測(cè)氙氣池對(duì)CsI（Tl）晶體性能的影響，測(cè)量活時(shí)間為1 000s。得到放射源置于不同位置時(shí)能譜（圖10）的能量分辨，從左至右分別為7．44%、7．24%和7．59%，137Cs能峰峰位偏移＜0．1%。

為采集疊層閃爍探測(cè)器的輸出信號(hào)，并開展信號(hào)分析，開發(fā)了一套基于數(shù)字化儀器的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)采集得到所研制的疊層閃爍探測(cè)器在本底條件下可能輸出3種典型信號(hào)（圖11）：CsI（Tl）信號(hào)，脈沖寬度約為120ns，脈沖前沿寬度約為30ns；BC404信號(hào)，脈沖寬度約為8μs，脈沖前沿寬度約為130ns；偶然符合脈沖，脈沖寬度約為8μs，脈沖前沿寬度約為80ns。實(shí)際測(cè)量過程中，符合脈沖被認(rèn)為是真實(shí)信號(hào)，CsI（Tl）信號(hào)以及BC404信號(hào)可通過脈沖波形識(shí)別方法剔除，從而抑制本底。利用數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)本底條件下偶然符合事件的比例，計(jì)算疊層閃爍探測(cè)器本底抑制因子。

圖10 不同源位下探測(cè)器的能譜Fig．10 Spectra of137Cs paced in various positions

圖11 疊層閃爍探測(cè)器輸出的3種典型信號(hào)Fig．11 Three typical pulses of phoswich detector

統(tǒng)計(jì)的脈沖中，CsI（Tl）脈沖數(shù)n1＝231 480，BC404脈沖數(shù)n2＝8 259，符合脈沖數(shù)n3＝2 513。計(jì)算疊層閃爍探測(cè)器的本底抑制因子f：

f的不確定度σf按式（3）計(jì)算：

其中，δn1、δn2、δn3分別為3種脈沖的計(jì)數(shù)漲落。

計(jì)算得到f＝96．4、σf＝1．0，則本底抑制因子為96．4±1．0。

測(cè)量1 000s活時(shí)間的本底能譜示于圖12。

全譜（10keV～1．6MeV）本底計(jì)數(shù)率為242．3s－1，因此，若采用脈沖甄別的方法去除純?chǔ)眯盘?hào)與純?chǔ)滦盘?hào)，則只有偶然產(chǎn)生的符合脈沖會(huì)被認(rèn)為是真實(shí)信號(hào)，全譜本底可降至2．5s－1。此外所測(cè)的符合脈沖中有若干微弱信號(hào)，若增加物質(zhì)屏蔽并設(shè)置一定的甄別閾，本底計(jì)數(shù)率可進(jìn)一步降低。

圖12 放射性氙疊層閃爍探測(cè)器本底能譜Fig．12 Background spectrum of phoswich detector for radioxenon monitoring

4 結(jié)論

1）提出了一種可用于放射性氙氣體樣品測(cè)量的疊層閃爍探測(cè)器的設(shè)計(jì)，利用β－γ符合方法，降低本底干擾，實(shí)現(xiàn)低放射性測(cè)量。

2）利用MCNP5模擬了兩種結(jié)構(gòu)的內(nèi)充氣疊層閃爍探測(cè)器，0．5mm厚塑料閃爍體BC404可完全吸收最大能量為346keV的β信號(hào)，且對(duì)81keV特征γ的吸收不足3%。若考慮135Xe 910keV特征β的測(cè)量，塑料閃爍體厚度增加為1．5mm，此時(shí)僅0．8%的910keVβ信號(hào)不能被BC404屏蔽，CsI（Tl）對(duì)81keV特征γ的吸收約6．2%。

3）放射性氙氣體樣品的自吸收效應(yīng)隨充氣氣壓的增加而更明顯，充氣氣壓達(dá)2．5×105Pa時(shí)，相比常壓，129keV內(nèi)轉(zhuǎn)換電子峰位偏移7keV，346keV特征β射線自吸收增加45．6%。

4）根據(jù)模擬設(shè)計(jì)，研制了用于放射性氙測(cè)量的疊層閃爍探測(cè)器，初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其可有效抑制本底計(jì)數(shù)，抑制因子約96．4±1．0。

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Design and Preliminary Experiment of Phoswich Detector for Radioxenon Monitoring

LUO Fei，GONG Jian＊，XIANG Yong－chun，XIANG Qing－pei，HU Guang－chun
（Institute of Nuclear Physics and Chemistry，China Academy of Engineering Physics，Mianyang621900，China）

Several isotopes of xenon are sufficiently produced in fission and a few of them have suitable half－lives and radiation to be detected．These are131Xem，133Xe，133Xemand135Xe and they have been selected for continuous monitoring in CTBTO international monitoring system．Employing the phoswich technology withβ－γcoincidence counting capability accompanied by digital signal processing of PMT pulse，the current coincidence detectors were simplified．The radiation transport simulations were performed using MCNP toolkit to determine the optimum design and estimate the detection efficiency of theβandγrays in phoswich detector．The results show that almost all of the beta particles deposite in plastic scintillator BC404as its thickness is set to 1．5mm．The self－absorption of radioxenon sample was also observed．The absorption of 346keVβray increases by 45．6%as the pressure from 0．1MPa to0．25MPa．The data acquisition and analysis system was developed as the phoswich detector for radioxenon detection was constructed recently．The preliminary experiments demonstrate that the phoswich detector is efficient in reducing the background and the inhibiting factor is about 96．4±1．0．

radioxenon；phoswich detector；Monte－Carlo；self－absorption effect

TL812．1

：A

：1000－6931（2015）03－0552－08

10．7538／yzk．2015．49．03．0552

2013－11－25；

2014－07－14

羅 飛（1988—），男，四川北川人，研究實(shí)習(xí)員，從事軍控技術(shù)及核技術(shù)應(yīng)用研究

＊通信作者：龔 建，E－mail：dr＿gong＿jian＠163．com