一種α,β射線探測器

《一種α、β射線探測器》是中國人民解放軍63973部隊於2014年2月26日申請的專利，該專利的申請號為2014100658251，公布號為CN104865592A，授權公布日為2015年8月26日，發明人是曹保鋒、宋立軍、肇文麗、劉偉、王尊剛、范江兵、李英男、李欣、趙洪偉。

《一種α、β射線探測器》涉及一種射線探測器，特別是涉及一種薄片塑膠閃爍體與光電倍增管組合形式的α、β射線探測器。該發明通過結構設計儘量避免外部光子進入探測器內部、提高探測器內表面光收集效率、增加探測視窗的射線透過面積。探測視窗的避光主要依靠黑色矽膠圈與塑膠閃爍體、避光膜、殼體側壁、保護罩的彈性接觸實現。在探測器殼體內表面鍍鋁膜，使閃爍光反射係數大於0.9，探測器殼體四壁均設計成斜面，減小閃爍光在探測器殼體內的反射次數，使光子能夠快速聚集。探測視窗保護罩柵格有兩種形式，一種是蜂窩狀六角形柵格，射線垂直入射的透過率大於90％。另一種是六角形柵格與不鏽鋼紗網的組合，射線垂直入射的透過率大於75％。結構簡單，維修性強，探測效率高。

2018年12月20日，《一種α、β射線探測器》獲得第二十屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《一種α、β射線探測器》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：一種α、β射線探測器
• 公告號：CN104865592A
• 授權日：2015年8月26日
• 申請號：2014100658251
• 申請日：2014年2月26日
• 申請人：中國人民解放軍63973部隊
• 地址：北京市1044信箱200號
• 發明人：曹保鋒、宋立軍、肇文麗、劉偉、王尊剛、范江兵、李英男、李欣、趙洪偉
• Int.Cl.：G01T1/203(2006.01)I; G01T7/00(2006.01)I
• 代理機構：中國人民解放軍防化研究院專利服務中心
• 代理人：劉永盛
• 類別：發明專利

專利背景

α、β射線探測器是人員全身α、β污染監測儀、手足α、β污染監測儀等的感測器，能快速地檢測到被測人體表面沾染的α、β射線，以判別人員是否受到放射性污染。主要套用於核電站、核處理廠、核倉庫等放射性工作場所的人身污染監控等方面。

薄片塑膠閃爍體與光電倍增管組合形式的α、β射線探測器的原理是：射線進入薄片閃爍體時，閃爍體的原子或分子被電離或激發，退激時，一部分電離或激發能量以光輻射形式釋放，形成閃爍光，閃爍光的一部分通過光禁止暗室被收集到光電倍增管的陰極上，光子被陰極吸收後產生光電子，光電子在倍增級作用下倍增，最終被陽極吸收產生電流信號，電流信號經過電路被轉換為電壓信號，再經過放大和比較電路，產生並輸出一個TTL脈衝，後續的單片機電路獲此脈衝，並將脈衝計數值通過串口向上位機傳送，通過上位機所顯示的脈衝計數值可以比較準確的了解閃爍體所發出的閃爍光的光子個數。光子個數又與射線種類、能量、活度、與探測器的距離等有關。

由於α、β射線（尤其是低能α、β射線，如14C）的射程有限，穿透力弱，所以在進行α、β射線探測時，為了達到理想的探測效率，要求探測器與測量對象的距離儘量近，探測器視窗避光材料的面密度儘量低，保護罩柵格對α、β射線的遮擋面積儘量小。

實際操作時，往往將被測物貼在探測器表面，視窗避光材料選擇聚乙烯鍍鋁薄膜。聚乙烯鍍鋁薄膜厚度一般小於5微米，在使用過程中會發生被外物劃傷的情況，導致探測器避光效果失效。此時需要更換鍍鋁薄膜，因此要求探測器的維修保養要方便。

以往的探測器，薄片塑膠閃爍體、避光膜、探測器殼體、保護罩四者之間為硬接觸，為了達到理想的避光效果，在裝配時採用黑色液體矽膠對這四者接觸邊緣的縫隙進行一次性密封，再次開啟探測器時比較困難，不利於現場維修，同時薄膜和殼體也遭破壞，難於回收再利用，導致浪費。

以往探測器的保護罩柵格採用帶若干正方形孔的薄金屬板，本身的射線透過率受沖孔工藝限制不可能做的很高（<60％），這樣使探測器的有效探測面積大幅降低。

發明內容

專利目的

《一種α、β射線探測器》的目的是提供一種結構簡單、可靠性高、維修性好、裝配周期短、適合現場維護、有效探測面積大的α、β射線探測器。

技術方案

《一種α、β射線探測器》一種α、β射線探測器包括探測器殼體、光禁止組合體、保護罩、光電倍增管；探測器殼體探測視窗側壁上留有止口，光禁止組合體放置在止口上，保護罩側面四周的內沿卡扣與探測器殼體外沿卡扣卡緊；光禁止組合體包括薄片塑膠閃爍體、避光膜、黑色矽膠圈，具體連線方式為：將避光膜包裹固定在薄片塑膠閃爍體探測面的外表面、側面一周及內表面邊緣上，黑色矽膠圈將已包裹避光膜的薄片塑膠閃爍體邊緣夾住，黑色矽膠圈下部的凸台a與探測視窗側壁頂部的凹槽a有4°～6°的拔模角度，凸台a與凹槽a緊密貼合；保護罩的網孔結構為蜂窩狀六角形柵格，不鏽鋼紗網位於六角形柵格高度方向的中間位置，不鏽鋼紗網長度、寬度與保護罩正面長度、寬度相同，六角形柵格柵格寬度b=1毫米、高度h=2毫米、孔徑k=23.2毫米；不鏽鋼紗網絲徑t=0.13毫米、孔徑a＝1.4毫米，射線垂直入射通過保護罩的透過率為75％；光電倍增管通過探測器殼體側壁斜面上的“涵洞”管插入探測器殼體內，探測器殼體四壁均設計有斜面a、斜面b、斜面c、斜面d，探測器殼體底面有小斜面a、小斜面b，斜面法向均指向光電倍增管陰極方向，光電倍增管焊接在電路板上，電路板通過螺栓固定在端蓋內部，探測器殼體與電路視窗的接觸面開有凹槽b，端蓋四壁頂部設有凸台b，凸台b與凹槽b相匹配，凹槽b內放置矩形黑色橡膠圈，端蓋通過螺釘壓緊固定在探測器殼體上，光電倍增管的電源線通過端蓋上的過線孔引出，電源線與過線孔之間用真空封泥密封。光電倍增管的電源線通過端蓋上的過線孔引出，電源線與過線孔之間用真空封泥密封。

《一種α、β射線探測器》黑色矽膠圈為長方形，由模具注塑成型，具有一定的彈性，總長度比薄片塑膠閃爍體周長略小，截面為C形，利用C形開口和矽膠圈自身彈性將已包裹避光膜的閃爍體邊緣夾住，從而組成閃爍光禁止組合體。組合體底部的凸台a（位於黑色矽膠圈下部）置於探測視窗側壁頂部的凹槽a內，目的有兩個，一是加強對組合體的側向定位，二是通過迷宮接觸實現避光。保護罩通過內沿卡扣（陰）與探測視窗外沿卡扣（陽）連線，對組合體正向壓緊並定位。探測視窗的避光主要依靠黑色矽膠圈與其他零件（避光膜、探測視窗側壁、保護罩）的彈性接觸實現。

《一種α、β射線探測器》電路視窗位於探測器殼體的側面，與探測視窗垂直。光電倍增管可以通過電路視窗插入探測器殼體內進行探測，方便安裝和維護。光電倍增管固定在電路板上，電路板安裝在端蓋（一面開口的長方形殼體）內部，兩者通過螺栓連線。端蓋長寬尺寸比電路視窗長寬尺寸大，可以完全覆蓋電路視窗，兩者同樣通過螺栓連線。端蓋與電路視窗的接觸面開有凹槽b（位於電路視窗四周）和凸台b（位於端蓋四壁頂部），凹槽b深度比凸台b高度尺寸稍大，凹槽b內放置矩形黑色橡膠圈（橫截面為圓形），當端蓋與電路視窗端面壓緊時，橡膠圈產生形變，起到避光的作用。光電倍增管的電源線（兼用作信號線）通過端蓋上的過線孔引出，電源線與過線孔之間用真空封泥密封避光。

《一種α、β射線探測器》將探測器殼體四壁均設計為斜面，探測器殼體底面同樣設計有兩個小斜面，使底面呈碗狀。塑膠閃爍體的發光衰減時間為2.8納秒，在空氣介質中的最大行程為0.84米。減小光在探測器殼體內的反射次數對於提高探測效率有重要意義。從幾何結構考慮，斜面法向均指向光電倍增管陰極方向，能夠使光子快速聚集，增加一次反射光電倍增管吸收光能量的比例。另一方面，金屬鍍層對於法向反射光有最大的能量反射比。例如：法向反射比45°斜反射時反射比要高約5％。光電倍增管除了光陰極之外，其餘部分吸收光子會損失光子數量，因此在安裝光電倍增管的側壁斜面上設計有“涵洞”管，利用“涵洞”管將光電倍增管陰極以外的部分遮蔽。

探測器保護罩可以在一定程度上起到保護避光膜（鍍鋁薄膜）的作用，但是保護罩柵格對α、β射線的入射有一定程度的遮擋。

《一種α、β射線探測器》所述的不鏽鋼紗網黏貼或熱敷固定在保護罩的內表面上。

《一種α、β射線探測器》探測器保護罩由注塑工藝一次成型，注塑時將紗網平鋪在柵格中間，六角形柵格與不鏽鋼紗網的組合射線垂直入射的透過率大於75％。這種保護罩主要用於避光膜易損傷的探測環境（如手部探測）。

《一種α、β射線探測器》所述的探測器殼體內表面層和“涵洞”管外表面層為鋁。

《一種α、β射線探測器》通過在探測器殼體（通過模具由黑色ABS注塑工藝成型）內表面鍍鋁膜（採用真空鍍工藝）提高閃爍光反射係數。閃爍光最強發射波長（光譜峰位）為423納米，鍍鋁膜的能量反射比（反射能量與入射能量之比）在閃爍光光譜範圍內均大於0.9。與其它金屬鍍膜（銅、金、銀、鎳等）相比，在此能譜範圍內能量反射比更大，加工工藝成熟，價格低廉。

《一種α、β射線探測器》所述的黑色矽膠圈與探測視窗形狀一致，總長度比薄片塑膠閃爍體周長小，截面為C形；黑色橡膠圈橫截面為圓形。

《一種α、β射線探測器》所述的避光膜為兩層、三層或四層。

《一種α、β射線探測器》所述的探測視窗為矩形、方形或圓形。

有益效果

1、薄片塑膠閃爍體、避光膜、黑色矽膠圈組成的閃爍光禁止組合體，裝配工藝簡單，裝配周期短，各個零部件可以反覆利用，非常適合現場維修。克服了傳統探測器維修成本高，維修周期長的缺點。

2、探測器避光方法可靠性高，抗震動，避光效果好，《一種α、β射線探測器》探測器避光方法的本底計數可以達到光學暗室的水平。

3、探測器電路視窗安裝端蓋後，端蓋頂部不超過探測視窗最大外沿。在多個探測器排列組合使用時，可最大限度減少兩個探測器之間的“死區”面積，增大有效探測面積。

4、探測器聚光方法中鍍層反射效率高，適合閃爍光能譜範圍。多個斜面的設計方式能夠使閃爍光快速聚集到光電倍增管的陰極，減少光衰減前在殼體內的反射次數。

5、探測器增透方法中採用的六角形柵格保護罩，射線透過率較傳統探測器的正方形柵格有了大幅度的提高。六角形柵格與不鏽鋼紗網組合保護罩，與傳統探測器相比，射線透過率也有提高，而且與被測物的探測距離更近，非常適合各種複雜環境下的探測。

附圖說明

圖1α、β射線探測器探測視窗剖視圖；

圖2圖1中A點局部放大圖；

圖3α、β射線探測器電路視窗剖視圖；

圖4圖3中B點局部放大圖；

圖5圖3中C點局部放大圖；

圖6探測器殼體探測視窗俯視圖；

圖7第一種保護罩俯視圖；

圖8第二種保護罩俯視圖；

圖9保護罩剖面圖；

圖10圖9中D點局部放大圖。

其中：1.探測器殼體；2.黑色矽膠圈；3.薄片塑膠閃爍體；4.保護罩；5.避光膜；6.外沿卡扣；7.內沿卡扣；8.光電倍增管；9.電路板；10.端蓋；11.“涵洞”管；12.橡膠圈；13.過線孔；14-1.斜面a；14-2.斜面b；14-3.斜面c；14-4.斜面d；15-1.小斜面a；15-2.小斜面b；16.六角形柵格；17.不鏽鋼紗網；18.止口；19.光禁止組合體；20-1.凸台a；20-2.凸台b；21-1.凹槽a；21-2.凹槽b。

技術領域

《一種α、β射線探測器》涉及一種α、β射線探測器，特別是涉及一種薄片塑膠閃爍體與光電倍增管組合形式的α、β射線探測器。

權利要求

1.一種α、β射線探測器，其特徵在於該探測器包括探測器殼體（1）、光禁止組合體（19）、保護罩（4）、光電倍增管（8）；探測器殼體（1）探測視窗側壁上留有止口（18），光禁止組合體（19）放置在止口（18）上，保護罩（4）側面四周的內沿卡扣（7）與探測器殼體（1）外沿卡扣（6）卡緊；光禁止組合體（19）包括薄片塑膠閃爍體（3）、避光膜（5）、黑色矽膠圈（2），具體連線方式為：將避光膜（5）包裹固定在薄片塑膠閃爍體（3）探測面的外表面、側面一周及內表面邊緣上，黑色矽膠圈（2）將已包裹避光膜（5）的薄片塑膠閃爍體（3）邊緣夾住，黑色矽膠圈（2）下部的凸台a（20-1）與探測視窗側壁頂部的凹槽a（21-1）有4°～6°的拔模角度，凸台a（20-1）與凹槽a（21-1）緊密貼合；保護罩（4）的網孔結構為蜂窩狀六角形柵格（16），不鏽鋼紗網（17）位於六角形柵格（16）高度方向的中間位置，不鏽鋼紗網（17）長度、寬度與保護罩（4）正面長度、寬度相同，射線垂直入射通過保護罩（4）的透過率為75％；光電倍增管（8）通過探測器殼體（1）側壁斜面上的“涵洞”管（11）插入探測器殼體（1）內，探測器殼體（1）四壁均設計有斜面a（14-1）、斜面b（14-2）、斜面c（14-3）、斜面d（14-4），探測器殼體（1）底面有小斜面a（15-1）、小斜面b（15-2），斜面法向均指向光電倍增管（8）陰極方向，光電倍增管（8）焊接在電路板（9）上，電路板（9）通過螺栓固定在端蓋（10）內部，探測器殼體（1）與電路視窗的接觸面開有凹槽b（21-2），端蓋（10）四壁頂部設有凸台b（20-2），凸台b（20-2）與凹槽b（21-2）相匹配，凹槽b（21-2）內放置矩形黑色橡膠圈（12），端蓋（10）通過螺釘壓緊固定在探測器殼體（1）上，光電倍增管（8）的電源線通過端蓋（10）上的過線孔（13）引出，電源線與過線孔（13）之間用真空封泥密封。2.按權利要求1所述的一種α、β射線探測器，其特徵在於六角形柵格（16）柵格寬度b=1毫米、高度h=2毫米、孔徑k=23.2毫米；不鏽鋼紗網（17）絲徑t＝0.13毫米、孔徑a=1.4毫米。3.按權利要求1所述的一種α、β射線探測器，其特徵在於不鏽鋼紗網（17）黏貼或熱敷固定在保護罩（4）的內表面上。4.按權利要求1所述的一種α、β射線探測器，其特徵在於探測器殼體（1）內表面層和“涵洞”管（11）外表面層為鋁。5.按權利要求1所述的一種α、β射線探測器，其特徵在於黑色矽膠圈（2）與探測視窗形狀一致，截面為C形；黑色橡膠圈（12）橫截面為圓形。6.按權利要求1所述的一種α、β射線探測器，其特徵在於避光膜（5）為兩層、三層或四層。7.按權利要求1所述的一種α、β射線探測器，其特徵在於探測視窗為矩形、方形或圓形。

實施方式

• 實例1

圖1和圖2說明了如何對探測器殼體1探測視窗進行避光設計。探測視窗為矩形，側壁上留有止口18，止口18內放置閃爍光禁止組合體19，止口18外扣保護罩4。閃爍光禁止組合體19包括薄片塑膠閃爍體3、避光膜5、黑色矽膠圈2；採用3層避光膜5對薄片塑膠閃爍體3外表面、側面一周及內表面邊緣進行包裹。黑色矽膠圈2為長方形，由模具注塑工藝成型，具有一定的彈性，總長度比薄片塑膠閃爍體3周長略小，截面為C形，利用C形開口和黑色矽膠圈2自身彈性將已包裹避光膜5的薄片塑膠閃爍體3邊緣夾住，從而組成閃爍光禁止組合體。位於黑色矽膠圈2下部的（即閃爍光禁止組合體19底部）凸台a（即20-1），置於探測視窗側壁頂部的凹槽a（即21-1）內，目的有兩個，一是加強對組合體的側向定位，二是通過迷宮接觸實現避光，避免外部光子從探測視窗進入探測器內部。保護罩4通過內沿卡扣7與探測視窗外沿卡扣6連線，對閃爍光禁止組合體19正向壓緊並定位。探測視窗的避光主要依靠黑色矽膠圈2與避光膜5、薄片塑膠閃爍體3、探測器殼體1、保護罩4的彈性接觸實現。

圖3、圖4和圖5說明了如何對探測器殼體1電路視窗進行避光設計。電路視窗位於探測器殼體1的側面，與探測視窗垂直。光電倍增管8通過探測器殼體1側面預留開口進入“涵洞”管11內，插入探測器殼體1內進行探測，方便安裝和維護。光電倍增管8焊接在電路板9上，電路板9安裝在端蓋10內部，兩者通過螺栓連線。端蓋10長寬尺寸比電路視窗長寬尺寸大，可以完全覆蓋電路視窗，兩者同樣通過螺栓連線。端蓋10與電路視窗的接觸面開有凹槽b（即21-2），凹槽b（即21-2）位於電路視窗四周，端蓋四壁頂部設有凸台b（即20-2），凹槽b（即21-2）深度比凸台b（即20-2）高度尺寸稍大，凹槽b（即21-2）內放置矩形黑色橡膠圈12，橫截面為圓形；當端蓋10與電路視窗端面壓緊時，橡膠圈12產生形變，起到避光的作用。光電倍增管8的電源線通過端蓋10上的過線孔13引出，電源線與過線孔13之間用真空封泥密封避光。

探測器電路視窗安裝端蓋10後，端蓋10頂部不超過探測視窗最大外沿，如圖5所示。在多個探測器排列組合使用時，可最大限度減少兩個探測器之間的“死區”面積，增大有效探測面積。

圖1、圖3和圖6說明了如何對探測器殼體1內表面進行聚光設計。

《一種α、β射線探測器》通過在探測器殼體1內表面鍍鋁膜提高閃爍光反射係數。探測器殼體1通過模具由黑色ABS注塑工藝成型，鍍鋁膜採用真空鍍工藝。閃爍光最強發射波長（光譜峰位）為423納米，鍍鋁膜的能量反射比（反射能量與入射能量之比）在閃爍光光譜範圍內均大於0.9。與其它金屬鍍膜（銅、金、銀、鎳等）相比，在此能譜範圍內能量反射比更大，加工工藝成熟，價格低廉。

《一種α、β射線探測器》將探測器殼體1四壁均設計為斜面14（包括斜面a14-1、斜面b14-2、斜面c14-3、斜面d14-4），探測器殼體1底面同樣設計有兩個小斜面15（包括小斜面15-1、小斜面15-2），底面呈碗狀。薄片塑膠閃爍體3的發光衰減時間為2.8納秒，閃爍光在空氣介質中的最大行程為0.84米。減小光在探測器殼體1內的反射次數對於提高探測效率有重要意義。從幾何結構考慮，斜面14法向均指向光電倍增管8的陰極，能夠使光子快速聚集，增加一次反射光電倍增管8吸收光能量的比例。另一方面，金屬鍍層對於法向反射光有最大的能量反射比。當法向反射比45°斜反射時反射比要高5％。光電倍增管8除了光陰極之外，其餘部分吸收光子會損失光子數量，因此在安裝光電倍增管8的側壁斜面上設計有“涵洞”管11，利用“涵洞”管11將光電倍增管8陰極以外的部分遮蔽。

圖7、圖8、圖9和圖10說明了如何對探測器保護罩進行增透設計。

《一種α、β射線探測器》探測器保護罩有兩種形式。一種是蜂窩狀六角形柵格16，通過模具由注塑工藝成型，如圖7所示。六角形柵格16寬度1毫米，高度2毫米。射線垂直入射的透過率大於90％。這種保護罩主要用於避光膜5不易損傷的探測環境。另一種是六角形柵格16與不鏽鋼紗網17的組合形式，注塑時將不鏽鋼紗網17平鋪在六角形柵格16中間，如圖8、圖9和圖10所示。不鏽鋼紗網17孔徑1.4毫米，絲徑0.13毫米。射線垂直入射的透過率大於75％。這種保護罩主要用於避光膜易損傷的探測環境，如手部探測。

• 實例2

探測視窗也可設計為圓形、方形或其它易於探測的形狀。

對按《一種α、β射線探測器》設計的原理樣機的測試結果證明，採用《一種α、β射線探測器》的技術方案，α、β射線探測器結構簡單，裝配周期短，可靠性高，維修性好，適合現場維護，有效探測面積大。

榮譽表彰

2018年12月20日，《一種α、β射線探測器》獲得第二十屆中國專利優秀獎。