一种闪烁体抗辐照性能实时测量方法及预测方法与流程

1.本发明具体涉及一种闪烁体抗辐照性能实时测量方法及预测方法。


背景技术：

2.闪烁体的抗辐照性能主要指经过辐照后闪烁体的性能参数和微观结构变化情况。在辐射探测中，闪烁体的辐照损伤主要表现为光输出下降，而闪烁体的光输出直接影响探测器对射线的灵敏度以及分辨率等指标。因此对于辐射探测器，光输出随辐照剂量的变化是衡量其抗辐照性能的关键性能指标。
3.闪烁体抗辐照性能的一般测量方法为：将闪烁体与光电倍增管组成计数型闪烁探测器，用该探测器测量强度较低的标准放射源(钴、铯等)的伽马能谱，记录伽马中的全能峰位置；取出闪烁体置于高强度的钴、铯等标准放射源的照射下辐照至目标辐照剂量，停止辐照后再将闪烁体放置于原闪烁体探测器中，并测量与初始状态相同条件下的伽马能谱，记录此时全能峰位置。将两次测量的全能峰位置进行比较，其变化即反映了闪烁体光输出的变化，也反映了闪烁体的抗辐照性能。重复上述步骤，可以测量不同目标辐照剂量下的闪烁体抗辐照性能。
4.综上所述，常规方法存在以下几方面不足：一是只能在辐照结束后测量闪烁体整体光输出变化情况，测量结果是单个有限的点；二是每次测量时需要重新组装探测器，并还原测试条件，从而引入较大测量误差；三是目标辐照剂量较大时，所需辐照的时间较长，同时闪烁体可能被辐照至失效，导致经济效益差。


技术实现要素：

5.本发明的目的是解决现有测量闪烁体抗辐照性能的方法，只能在辐照结束后测量闪烁体整体光输出变化的情况，且测量结果是单个有限点的问题，及每次测量时需要重新组装探测器，并还原测试条件导致测量误差大、经济效益差的技术问题，而提供一种闪烁体抗辐照性能实时测量方法及预测方法。
6.本发明的构思如下：
7.本发明闪烁体抗辐照性能实时测量方法采用的系统将常规测量中的计数型闪烁探测器替换为具有更大线性动态范围的电流型探测器，在放射源辐照下，利用探测器输出电流与待测闪烁体的相对光输出成正比的原理，实时采集探测器输出电流，进而表征探测器中待测闪烁体的相对光输出变化情况，进而评估待测闪烁体的抗辐照性能。
8.本发明闪烁体抗辐照性能预测方法中，当目标辐照剂量较低时，可以直接采用本发明闪烁体抗辐照性能实时测量方法实时测量，得到从初始时刻至达到目标辐照剂量下的待测闪烁体的相对光输出变化过程。当目标辐照剂量较高时，直接辐照待测闪烁体，会导致待测闪烁体产生不可逆损伤，进而影响其使用，且时间成本较高，因此可以先实验辐照待测闪烁体至低于目标辐照剂量，获取一段待测闪烁体相对光输出随辐照剂量的变化曲线，并对待测闪烁体相对光输出随辐照剂量的变化曲线进行拟合，得到当前条件下待测闪烁体相
对光输出和辐照剂量的关系式；从而计算目标辐照剂量下待测闪烁体的相对光输出，实现待测闪烁体抗辐照性能的预测；本本发明闪烁体抗辐照性能预测方法，既能够节约时间又可以防止待测闪烁体因辐照剂量过大而损坏。
9.为解决上述技术问题，实现上述发明构思本发明所采用的技术方案为：
10.一种闪烁体抗辐照性能实时测量方法，其特殊之处在于：
11.a1)搭建闪烁体抗辐照性能实时测量系统；
12.闪烁体抗辐照性能实时测量系统包括放射源、探测器、电流计以及电源；
13.探测器包括设置于待测闪烁体发光路线上的光电器件；
14.待测闪烁体位于放射源的射线出射路线上；
15.光电器件位于待测闪烁体的发光路线上；
16.光电器件分别与电流计、电源连接。
17.a2)将包含待测闪烁体的探测器置于放射源的射线出射路线上，实时记录探测器在放射源照射下的输出电流，获得探测器输出电流随辐照时间的变化曲线；
18.a3)定义探测器在放射源照射下，其初始时刻电流对应的待测闪烁体相对光输出为100％；
19.对探测器输出电流随辐照时间的变化曲线进行归一化处理，得到待测闪烁体的相对光输出变化曲线；
20.a4)计算待测闪烁体的相对光输出变化曲线中待测闪烁体的不同辐照时间对应的辐照剂量，获得待测闪烁体相对光输出随辐照剂量的变化曲线，完成待测闪烁体抗辐照性能实时测量。
21.进一步地，步骤a4)具体为：
22.a4.1、利用剂量仪测量得到探测器处的伽马辐照剂量率或根据放射源强度计算探测器位置处的伽马辐照剂量率；
23.a4.2、将步骤a4.1中所得的伽马辐照剂量率，乘以待测闪烁体的相对光输出变化曲线中辐照时间，获得各时间待测闪烁体的辐照剂量，进而得到待测闪烁体相对光输出随辐照剂量的变化曲线。
24.进一步地，步骤a2)中，所述实时记录探测器在放射源照射下的输出电流具体为：
25.采用微弱电流计实时记录探测器在放射源照射下的输出电流。
26.进一步地，步骤a3)中，归一化处理具体为：
27.采用指数函数进行归一化处理，指数函数的项数与待测闪烁体的辐照缺陷类型数量对应。
28.进一步地，步骤a1)中，闪烁体抗辐照性能实时测量系统还包括设置于放射源与探测器之间的准直屏蔽器；准直屏蔽器上设置有孔道，用于放射源的射线准直；
29.光电器件通过高压线缆连接电源；
30.光电器件通过信号线缆连接电流计。
31.进一步地，步骤a1)中，所述放射源为钴源或者铯源；
32.待测闪烁体为溴化镧晶体；
33.光电探测器为光电管或光电倍增管；
34.电流计为微弱电流计。
35.同时，本发明还另外提供了一种闪烁体抗辐照性能预测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
36.b1)辐照待测闪烁体至低于目标辐照剂量，采用上述的一种闪烁体抗辐照性能实时测量方法，获取待测闪烁体相对光输出随辐照剂量的变化曲线；
37.b2)拟合步骤b1)所得的待测闪烁体相对光输出随辐照剂量的变化曲线，得到待测闪烁体相对光输出与辐照时间或辐照剂量的关系式；
38.b3)将目标辐照剂量代入步骤b2)所得的关系式中，获得待测闪烁体的相对光输出，实现目标辐照剂量下待测闪烁体抗辐照性能的预测。
39.进一步地，步骤b2)中，所述待测闪烁体相对光输出与辐照时间的关系式具体为：
[0040][0041]
式中，l(t)为待测闪烁体t辐照时间的相对光输出，l0表示初始时刻电流对应的待测闪烁体相对光输出为100％,l0＝1；a1、a2、τ1、τ2均为待测闪烁体相对光输出与辐照时间的关系式拟合常数；
[0042]
或者，待测闪烁体相对光输出与辐照剂量的关系式具体为：
[0043][0044]
式中l(d)为待测闪烁体d辐照剂量的相对光输出,a
11
、a
22
、τ
11
、τ
22
均为待测闪烁体相对光输出与辐照剂量的关系式拟合常数。
[0045]
进一步地，步骤b1)中，所述辐照待测闪烁体至低于目标辐照剂量具体为：
[0046]
辐照待测闪烁体(4)至目标辐照剂量的1/10。
[0047]
进一步地，步骤b2)中，辐照剂量d为
[0048]
d＝tφ
[0049]
式中，φ为辐照剂量率。
[0050]
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
[0051]
1、本发明闪烁体抗辐照性能实时测量方法的采用的系统，结构简单，测量中无需拆装探测器，且从开始辐照待测闪烁体到结束辐照，本发明系统状态始终保持不变，提高了测量精度。
[0052]
2、本发明闪烁体抗辐照性能实时测量方法，可以在辐照过程中实时测量待测闪烁体相对光输出随辐照时间的变化曲线，进而获得待测闪烁体相对光输出随辐照剂量的变化曲线，能够清晰的反映辐照过程中待测闪烁体光输出的变化规律，完成待测闪烁体抗辐照性能实时测量。
[0053]
3、本发明闪烁体抗辐照性能预测方法，基于本发明方法得到的待测闪烁体相对光输出随辐照剂量的变化曲线，可以实现更高辐照剂量率下，待测闪烁体抗辐照性能的预测，既节约了时间成本，又不影响待测闪烁体的继续使用，提高了经济效益。
附图说明
[0054]
图1为本发明闪烁体抗辐照性能实时测量方法实施例采用的系统结构示意图。
[0055]
图2为本发明闪烁体抗辐照性能实时测量方法实施例中，放射源辐照溴化镧晶体时，其光输出随辐照剂量变化的曲线图，其中a为溴化镧晶体的相对光输出数据实测曲线,b
为溴化镧晶体的相对光输出拟合曲线。
[0056]
图中附图标记为：
[0057]
1-放射源，2-准直屏蔽器，3-探测器，4-待测闪烁体，5-光电器件，6-高压线缆，7-信号线缆，8-电源，9-电流计。
具体实施方式
[0058]
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的技术方案，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0059]
本发明一种闪烁体抗辐照性能实时测量方法，包括以下步骤：
[0060]
a1)搭建闪烁体抗辐照性能实时测量系统；
[0061]
如图1所示，闪烁体抗辐照性能实时测量系统，包括放射源1、探测器3、电流计9以及电源8；
[0062]
探测器3包括设置于待测闪烁体4发光路线上的光电器件5；待测闪烁体4位于放射源1的射线出射路线上；光电器件5位于待测闪烁体4的发光路线上；光电器件5分别与电流计9、电源8连接。
[0063]
本实施例中，还设置有准直屏蔽器2，准直屏蔽器2设置于放射源1与探测器3之间；其中，准直屏蔽器上设置有孔道，用于放射源的射线准直；放射源1的射线经间隙出射至待测闪烁体4上；待测闪烁体4与光电器件5构成的探测器3为电流型探测器；光电器件5通过高压线缆6连接电源8；光电器件5通过信号线缆7连接电流计9。放射源1为钴源，还可以选择铯源；待测闪烁体4为溴化镧晶体；光电探测器3为光电管或光电倍增管；电源8为探测器3提供工作电压，电流计9为微弱电流计，微弱电流计9实时记录探测器3的输出电流。
[0064]
a2)将包含待测闪烁体4的探测器3置于放射源1的射线出射路线上，采用微弱电流计9实时记录探测器3在放射源1照射下的输出电流，获得探测器3输出电流随辐照时间的变化曲线；
[0065]
a3)定义探测器3在放射源1照射下，其初始时刻电流值对应的待测闪烁体4相对光输出为100％；
[0066]
对探测器3输出电流随辐照时间的变化曲线进行归一化处理，得到待测闪烁体4的相对光输出变化曲线；
[0067]
本实施例中，采用指数函数进行归一化处理，指数函数的项数与待测闪烁体4的辐照缺陷类型数量对应；其中待测闪烁体4的辐照缺陷类型主要是指待测闪烁体4被辐照时，由于待测闪烁体4内原子或杂质原子俘获电子、空穴产生的不同类型的色心。
[0068]
a4)计算待测闪烁体4的相对光输出变化曲线中待测闪烁体4的不同辐照时间对应的辐照剂量，获得待测闪烁体4相对光输出随辐照剂量的变化曲线，具体为：
[0069]
a4.1、利用剂量仪测量得到探测器3处的伽马辐照剂量率，也可以根据放射源1强度计算探测器3位置处的伽马辐照剂量率；
[0070]
a4.2、将步骤a4.1中所得的伽马辐照剂量率，乘以待测闪烁体4的相对光输出变化曲线中辐照时间，获得各时间待测闪烁体4的辐照剂量，进而得到待测闪烁体4相对光输出
随辐照剂量的变化曲线。其中待测闪烁体4被辐照时的光输出变化是衡量待测闪烁体4抗辐照性能的关键表征，可以反映出待测闪烁体4抗辐照性能的好坏。
[0071]
本发明闪烁体抗辐照性能实时测量方法的实施例如下：
[0072]
本实施例中，放射源1选择铯源，探测器3由待测闪烁体4和光电管组成。
[0073]
利用剂量仪测量得到探测器3处的伽马辐照剂量率为25gy/h，开始辐照实验后，微弱电流计9每秒钟记录一个电流值，设初始时刻电流值对应的溴化镧晶体相对光输出为100％，后续时刻电流值与初始时刻电流值之比即为该时刻的相对光输出。
[0074]
如图2所示，给出了辐照2小时期间溴化镧晶体相对光输出的变化情况，从图2可以看出，放射源辐照溴化镧晶体时，其光输出随辐照剂量变化的曲线图，其中a为溴化镧晶体的相对光输出数据实测曲线,b为溴化镧晶体的相对光输出拟合曲线，可知溴化镧晶体的相对光输出随着辐照剂量的增加而持续下降；当溴化镧晶体被辐照2小时后，辐照剂量为25gy/h
×
2h＝50gy，溴化镧晶体相对光输出变为98.6％。由此说明，本方法可以实时测量溴化镧晶体相对光输出随辐照剂量的变化规律，评估溴化镧晶体的抗辐照性能。
[0075]
对附图2中的曲线进行拟合，由于溴化镧晶体在辐照中主要会形成两种辐照缺陷，影响溴化镧晶体的相对光输出，因此采用如下形式的双指数函数对曲线进行拟合：
[0076][0077]
式中，l(t)为溴化镧晶体t辐照时间的相对光输出，l0代表溴化镧晶体初始光输出为100％，l0＝1。
[0078]
对于本次测量数据，其余拟合常数分别为a1＝0.008，τ1＝1.623，a2＝0.443，τ2＝109.187。
[0079]
同时，本发明还另外提供了一种闪烁体辐照剂量预测方法，基于上述的一种闪烁体抗辐照性能实时测量系统，包括以下步骤：
[0080]
b1)辐照待测闪烁体4至低于目标辐照剂量,采用上述的一种闪烁体抗辐照性能实时测量方法，获取待测闪烁体4相对光输出随辐照剂量的变化曲线；本实施例中辐照待测闪烁体4至目标辐照剂量的1/10。
[0081]
b2)拟合步骤b1)所得的待测闪烁体4相对光输出随辐照剂量的变化曲线，得到待测闪烁体4相对光输出与辐照时间的关系式
[0082][0083]
式中，l(t)为待测闪烁体4t辐照时间的相对光输出，l0表示初始时刻电流值对应的待测闪烁体4相对光输出为100％，l0＝1；a1、a2、τ1、τ2为待测闪烁体4相对光输出与辐照时间的关系式拟合常数。各个拟合常数的值与待测闪烁体4、实验条件相关、需根据实际测量数据计算获得。本实施例中，a1＝0.008，τ1＝1.623，a2＝0.443，τ2＝109.187。
[0084]
在其他实施例中，也可以拟合步骤1)所得的待测闪烁体4相对光输出随辐照剂量的变化曲线，得到待测闪烁体4相对光输出与辐照剂量的关系式
[0085][0086]
式中，l(d)为待测闪烁体(4)d辐照剂量的相对光输出,辐照剂量d＝tφ，φ为探测器3处辐照剂量率，a
11
、a
22
、τ
11
、τ
22
均为待测闪烁体4相对光输出与辐照剂量的关系式拟合常数。
[0087]
b3)将目标辐照剂量代入步骤b2)所得的关系式中，获得待测闪烁体4的相对光输出，实现目标辐照剂量下待测闪烁体4抗辐照性能的预测。
[0088]
本发明闪烁体辐照剂量预测方法过程如下：
[0089]
(1)将包含待测闪烁体4的探测器3置于强度已知的射线通道内，探测器3工作在电流模式，采用微弱电流计9实时记录探测器3在放射源1照射下的输出电流。
[0090]
(2)开始实时测量，测量一段辐照时间后，得到探测器3输出电流随辐照时间的变化曲线。对探测器3输出电流随辐照时间的变化曲线进行归一化处理，得到待测闪烁体4的相对光输出变化曲线，计算待测闪烁体4受到的辐照剂量，通过辐照时间与辐照剂量率的乘积得到；从而将探测器3输出电流随辐照时间的变化曲线可以转化为待测闪烁体4相对光输出随辐照剂量的变化曲线，这一曲线即表征了在辐照剂量范围内的待测闪烁体4的抗辐照性能实时变化情况。
[0091]
(3)性能预测：采用指数函数对该曲线进行拟合，得到待测闪烁体4相对光输出随辐照剂量变化的关系式，从而可以在一定范围内计算任意辐照剂量下待测闪烁体4的相对光输出变化，实现目标辐照剂量下待测闪烁体4抗辐照性能的预测。
[0092]
本发明闪烁体辐照剂量预测方法的实施例如下：
[0093]
根据拟合关系式，可以计算更高辐照剂量下待测闪烁体4的相对光输出。为获得辐照剂量为400gy该待测闪烁体4(溴化镧晶体)的相对光输出；
[0094]
首先，计算在当前辐照剂量率下，达到目标辐照剂量需辐照时间为400/25＝16小时；
[0095]
然后，将t＝16小时代入拟合关系式，计算得到辐照剂量达到400gy时，待测闪烁体4的相对光输出下降至约93.0％。
[0096]
为验证预测结果的准确性，在相同实验条件下对待测闪烁体4继续辐照，实验测得辐照剂量达到约400gy时，待测闪烁体4的相对光输出为93.1％，与计算结果基本一致。由此说明，本方法可以基于目标辐照剂量的实验结果，预测较高剂量下的待测闪烁体4的抗辐照性能，有效节约辐照时间，提高了作业效率并降低成本。