技术摘要：
本发明公开了一种基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测方法，包括以下步骤：一、搭建基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测平台；二、确定闪烁光纤反光涂层厚度；三、确定闪烁光纤阵列中同层和同列闪烁光纤中相邻的两个闪烁光纤之间的距离；四、高氡环境下待测气体中氚的  全部
背景技术：
在国防与核能领域，氚具有不可替代的重要作用。氚(31H)是一种β放射性核素，衰 变放出平均能量为5.67keV的β粒子，经吸入、皮肤渗入等途径进入人体造成内照射伤害，严 重时会导致死亡。空气中以氚化水蒸汽(HTO)和氚气(HT)的形式存在，在核反应堆等场所中 氚体积活度的监测是确保操作人员周边环境安全的重要内容。在天然环境中，氡也是一种 广泛存在的放射性气体，衰变放出5.49MeV的α粒子。两者均为气体放射源，在气态氚体积活 度监测中氡的存在给氚的监测带来了严重干扰。 在传统的气态氚实时监测装置及方法中，电离室因结构简单、成本较低等优点被 广泛应用于氚的实时监测。电离室因使用了静电计而对周边环境变化非常敏感，监测装置 周边的人员走动、实验大厅通风装置的开关均会对测量结果造成影响。现有的氡甄别型氚 监测仪TAM-V，基于反符合技术扣除电离室中氡衰变α的计数，一方面氡放出的α粒子在电离 室中产生电流比氚放出的β粒子高出3个量级，β粒子产生的电流极易被α粒子产生的电流淹 没；另一方面氡浓度变化剧烈时反符合算法因响应较慢，无法准确扣除氡α粒子带来的干 扰，导致氚监测值的不准确。另外，现有的基于两种类型闪烁光纤进行气态或液态氚样品测 量的装置，涂有反光材料的闪烁光纤可记录天然γ射线等在探测器中产生的电流，未涂反 光材料的闪烁光纤可记录天然γ射线与氚放出β粒子产生的电流，通过两类光纤产生的电 流差来推导氚的浓度。其未考虑气态氚测量时氡气对测量结果的影响，另一方面测量过程 需要进行电流刻度，不同能量射线未必在探测器中产生线性的响应，准确刻度的过程复杂 繁琐。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于闪烁 光纤阵列的高氡环境下氚探测方法，通过确定闪烁光纤反光涂层厚度保证β粒子和α粒子均 能进入闪烁光纤且能有效阻隔氚气在闪烁光纤探测器外的附着，通过确定闪烁光纤阵列中 同层和同列闪烁光纤中相邻的两个闪烁光纤之间的距离，保证α粒子在两根闪烁光纤中都 沉积能量的概率小于1‰，用以防止α粒子的重复计数，以实现高氡环境中氚发射β粒子的准 确测量，便于推广使用。 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于闪烁光纤阵列的高氡 环境下氚探测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤： 步骤一、搭建基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测平台，过程如下： 步骤101、沿金属屏蔽外壳长度方向设置闪烁光纤阵列，所述闪烁光纤阵列的两端 通过光纤支架支撑； 5 CN 111596337 A 说　明　书 2/10 页 所述闪烁光纤阵列包括M层N列式排布的闪烁光纤阵列，所述闪烁光纤阵列包括M ×N个闪烁光纤探测器，其中，M和N均为不小于2的正整数； 所述闪烁光纤探测器包括闪烁光纤和涂抹在闪烁光纤外的闪烁光纤反光涂层； 步骤102、在金属屏蔽外壳内且位于闪烁光纤探测器的两端分别设置光导层和与 所述光导层连接的光电倍增管； 步骤103、在金属屏蔽外壳外设置依次连接的信号放大器、波形甄别器、脉冲幅度 多道分析器和计算机，光电倍增管的信号输出端与信号放大器的信号输入端连接； 步骤104、在金属屏蔽外壳上位于所述闪烁光纤阵列的部分安装进气管和出气管， 气泵通过气管向进气管输送待测气体，所述待测气体包含氚气和氡气，氚气衰变放出β粒 子，氡气衰变放出α粒子； 步骤二、确定闪烁光纤反光涂层厚度：所述闪烁光纤反光涂层为镀铝反光涂层，利 用MCNPX蒙特卡罗软件分别建立一层单位厚度的镀铝反光涂层至多层单位厚度的镀铝反光 涂层的仿真模型，使β粒子分别垂直入射至一层单位厚度的镀铝反光涂层和多层单位厚度 的镀铝反光涂层中，分别记录穿过一层单位厚度的镀铝反光涂层和多层单位厚度的镀铝反 光涂层的β粒子计数，并对每次的β粒子计数进行归一化处理，得到β粒子穿过一层单位厚度 的镀铝反光涂层和多层单位厚度的镀铝反光涂层的概率，绘制以镀铝反光涂层的厚度为横 坐标、β粒子穿过镀铝反光涂层的概率为纵坐标的曲线，设定β粒子穿过镀铝反光涂层的概 率阈值，在曲线上查找β粒子穿过镀铝反光涂层的概率大于概率阈值时，对应的镀铝反光涂 层的厚度作为闪烁光纤反光涂层的厚度； 步骤三、确定闪烁光纤阵列中同层和同列闪烁光纤中相邻的两个闪烁光纤之间的 距离，过程如下： 步骤301、建立二维平面坐标系xoy，所述二维平面坐标系xoy所在平面平行于所述 闪烁光纤阵列的横截面所在平面，所述闪烁光纤阵列的横截面位于所述二维平面坐标系 xoy的第一象限内，所述二维平面坐标系xoy的x轴方向为所述闪烁光纤阵列的宽度方向，所 述二维平面坐标系xoy的y轴方向为所述闪烁光纤阵列的高度方向，所述闪烁光纤阵列中第 一列闪烁光纤探测器均与所述二维平面坐标系xoy的y轴相切，所述闪烁光纤阵列中第一层 第一列闪烁光纤探测器与所述二维平面坐标系xoy的x轴和y轴均相切； 步骤302、选定闪烁光纤的半径，将所述闪烁光纤阵列中第一层第一列闪烁光纤探 测器的外边缘与所述二维平面坐标系xoy的x轴和y轴围成的区域视为选定区域，利用MCNPX 蒙特卡罗软件分别建立闪烁光纤阵列中同层和同列闪烁光纤中相邻的两个闪烁光纤之间 不同距离的仿真模型，使位于选定区域内α粒子分别垂直入射至同层和同列闪烁光纤中相 邻的两个闪烁光纤之间不同距离的闪烁光纤阵列中，分别记录选定区域出射的α粒子到达 除所述闪烁光纤阵列中第一层第一列闪烁光纤探测器之外的第二个闪烁光纤内部或第二 个闪烁光纤反光涂层外表面的概率； 将选定区域出射的α粒子到达除所述闪烁光纤阵列中第一层第一列闪烁光纤探测 器之外的第二个闪烁光纤内部或第二个闪烁光纤反光涂层外表面的概率小于1‰且其相对 误差小于0.05时，对应的闪烁光纤阵列中同层和同列闪烁光纤中相邻的两个闪烁光纤之间 的距离作为确定的闪烁光纤阵列中同层和同列闪烁光纤中相邻的两个闪烁光纤之间的距 离； 6 CN 111596337 A 说　明　书 3/10 页 步骤四、高氡环境下待测气体中氚的探测：利用气泵向进气管输送待测气体，待测 气体完全浸没所述闪烁光纤阵列，待测气体进入金属屏蔽外壳内部后自由扩散，氚衰变放 出β粒子、氡衰变放出α粒子，β粒子和α粒子随机运动，β粒子和α粒子穿过闪烁光纤反光涂 层，进入闪烁光纤内部，β粒子和α粒子沉积能量，使闪烁光纤内部原子核发生电离和退激， 退激过程产生荧光，荧光在闪烁光纤反光涂层内表面多次反射，传输至闪烁光纤两端并进 入光导层；光导层耦合闪烁光纤和光电倍增管的光阴极，光电倍增管的光阴极通过光电效 应产生电子，电子再通过光电倍增管倍增形成电压输出，光电倍增管输出的电压信号通过 信号放大器进行线性放大，再依次输送至波形甄别器和脉冲幅度多道分析器；脉冲幅度多 道分析器可将电压信号转化为数字信号发送给计算机处理；计算机以波形甄别器记录的电 压下降时间为横坐标、以脉冲幅度多道分析器记录的电压脉冲个数为纵坐标绘制脉冲波形 谱；β粒子和α粒子各自形成对应的统计峰，通过划定两峰之间的界线，实现β粒子和α粒子两 种辐射粒子的甄别，划分不同粒子界线后，在脉冲波形谱两侧分别计数便可获两类粒子的 单独计数；计数结果再通过线性转化为气体辐射源的体积活度，实现两类放射性气体的探 测。 上述的一种基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测方法，其特征在于：所述脉冲 幅度多道分析器通过信号线与计算机连接，所述信号线为网线或USB信号线。 上述的一种基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测方法，其特征在于：所述光电 倍增管、信号放大器、波形甄别器和脉冲幅度多道分析器分别通过同轴电缆连接。 上述的一种基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测方法，其特征在于：所述光导 层的数量为多个，所述光电倍增管的数量和光导层的数量相等且一一对应。 上述的一种基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测方法，其特征在于：所述金属 屏蔽外壳包括铅屏蔽体，所述铅屏蔽体外包裹有不锈钢保护壳，所述铅屏蔽体的厚度大于 5cm。 上述的一种基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测方法，其特征在于：所述镀铝 反光涂层的厚度为0.1μm～1μm，所述镀铝反光涂层通过电镀或化学沉降的方式镀在闪烁光 纤外表面。 上述的一种基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测方法，其特征在于：所述闪烁 光纤的横截面为圆形或正多边形，所述闪烁光纤的外接圆的半径不小于氡衰变产生的α粒 子在闪烁光纤中射程的一半。 上述的一种基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测方法，其特征在于：步骤二中， 所述β粒子穿过镀铝反光涂层的概率阈值为9％。 上述的一种基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测方法，其特征在于：所述光纤 支架与所述闪烁光纤阵列配合位置处开设有通孔，所述光纤支架为绝缘光纤支架。 本发明与现有技术相比具有以下优点： 1、本发明闪烁光纤反光涂层为镀铝反光涂层，通过确定闪烁光纤反光涂层厚度保 证β粒子和α粒子均能进入闪烁光纤且能有效阻隔氚气在闪烁光纤探测器外的附着，一定厚 度的镀铝反光涂层保证了氚放出的低能β粒子能进入闪烁光纤产生信号输出，另一方面铝 氧化形成的Al2O3薄膜是很好的阻氚材料，能有效减少氚的吸附作用，因氚吸附在探测器表 面无法除去，持续衰变产生计数导致的探测器失灵的效应，因此镀铝反光涂层降低了探测 7 CN 111596337 A 说　明　书 4/10 页 器的记忆效应，确保了探测器的长寿命使用。 2、本发明通过确定闪烁光纤阵列中同层和同列闪烁光纤中相邻的两个闪烁光纤 之间的距离，保证α粒子在两根闪烁光纤中都沉积能量的概率小于1‰，用以防止α粒子的重 复计数，实现β粒子的单次利用，可根据光电倍增管输出的电压脉冲形状直接区分两类辐射 粒子，从脉冲波形谱中直接获取氚发出β粒子的准确计数，进而获得的体积活度，克服了背 景技术中提到的，两类射线同时产生电流导致的TAM-V型探测器测氚电离室输出受氡干扰 的问题，且不需要复杂的电流刻度，直接通过计数值便可获取准确的测量结果，便于推广使 用。 3、本发明方法步骤简单，使用的光导层和光电倍增管配合的探测方式对辐射粒子 的响应时间在ns量级，通过光电倍增管和信号放大器，可直接获取单粒子的电压脉冲波形， 探测灵敏度高，响应时间短，避免了电离室需要累积多个粒子形成平均电流输出的过程，可 靠稳定，使用效果好，便于推广使用。 综上所述，本发明设计合理，通过确定闪烁光纤反光涂层厚度保证β粒子和α粒子 均能进入闪烁光纤且能有效阻隔氚气在闪烁光纤探测器外的附着，通过确定闪烁光纤阵列 中同层和同列闪烁光纤中相邻的两个闪烁光纤之间的距离，保证α粒子在两根闪烁光纤中 都沉积能量的概率小于1‰，用以防止α粒子的重复计数，实现β粒子的单次利用，通过光电 倍增管依次连接信号放大器、波形甄别器、脉冲幅度多道分析器和计算机，无需进行电流刻 度，以实现高氡环境中氚发射β粒子的准确测量，便于推广使用。 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。 附图说明 图1为本发明基于闪烁光纤阵列的高氡环境下氚探测平台的结构示意图。 图2为本发明氚探测平台中金属屏蔽外壳、闪烁光纤阵列、进气管和出气管的位置 关系示意图。 图3为本发明闪烁光纤探测器的结构示意图。 图4为本发明镀铝反光涂层的厚度和β粒子穿过镀铝反光涂层的概率的曲线示意 图。 图5为本发明闪烁光纤阵列与二维平面坐标系xoy的位置关系示意图。 图6为本发明方法流程框图。 附图标记说明: 1—金属屏蔽外壳；       2—进气管；             3—光导层； 4—光电倍增管；         5—气管；               6—气泵； 7—同轴电缆；           8—光纤支架；           9—信号放大器； 10—波形甄别器；        11—脉冲幅度多道分析器； 12—计算机；            13—出气管； 14—闪烁光纤探测器；    14-1—闪烁光纤反光涂层； 14-2—闪烁光纤；        15—β粒子；             16—α粒子。 8 CN 111596337 A 说　明　书 5/10 页