基于石英包层晶体闪烁光纤的电离辐射剂量传感研究
发布时间：2022-01-08 06:13
闪烁光纤辐射探测器作为一种改进的闪烁探测器,因兼备传统闪烁探测器高探测效率、高辐照硬度等优点以及光纤传感器抗电磁干扰、传感一体等优势,在电离辐射探测方面具有良好的应用前景。为了进一步提高闪烁光纤的电离辐射传感能力,实现传感系统的小型化以及电离辐射的远程在线测量,本文以电子辐射作为测量对象,对石英包层LYSO:Ce晶体闪烁光纤（silica cladding LYSO:Ce crystal scintillation fiber,SLCF）进行了综合研究,主要研究工作如下:首先,对闪烁光纤的辐射探测原理进行分析,包括电子辐射与物质的相互作用、无机闪烁体的辐射发光机制以及光电倍增管的工作原理,为闪烁光纤的选型设计与辐射传感系统的搭建提供理论依据。其次,以电离辐射探测对闪烁体的基本要求为准则,根据掺铈稀土闪烁晶体的性能参数,选择高性能闪烁晶体掺铈硅酸钇镥LYSO:Ce作为纤芯材料以提高石英包层晶体闪烁光纤的辐射响应;在制备工艺方面,针对由于传统插棒法的工艺缺陷所导致的闪烁光纤闪烁性能降低的问题,在传统插棒法的基础上选用惰性气体作为保护气氛进行SLCF的制备,以避免光纤的辐射响应因Ce
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
闪烁探测器的基本构成
燕山大学工程硕士学位论文-8-第2章石英包层晶体闪烁光纤电离辐射探测原理2.1引言基于石英包层晶体闪烁光纤的电离辐射探测基本原理如图2-1所示。首先，采用特殊工艺将闪烁体制成光纤纤芯，将其作为传感单元接收电离辐射并形成能量沉积；其次，基于纤芯的辐射发光效应，将能量沉积转化为闪烁光子并向空间中各个角度发射，其中不满足全反射条件的将穿过包层逸出光纤，满足全发射条件的将会在光纤内部形成定向光波导并向端面传输，直到由端面射出形成光脉冲；最后，利用PMT等光电探测器对光脉冲进行测量，实现光电转换，并将电信号脉冲输出给计算机进行处理，通过建立闪烁光子数量与辐射剂量之间的函数关系，实现电离辐射剂量的测量。图2-1石英包层晶体闪烁光纤辐射探测示意图在上述辐射传感过程中，涉及到几个关键的作用过程，包括电离辐射与物质的相互作用、无机闪烁体的辐射发光机制、PMT的光子倍增计数过程等。这些是闪烁光纤辐射传感的基本原理，也是光纤选型设计与辐射传感系统搭建的基础，需要着重讨论。2.2电子与物质的相互作用辐射探测器是以电离辐射与物质的相互作用为基础的，不同类型的电离辐射与物质的相互作用各不相同。本文以高能电子辐射作为测量对象，因此重点分析电子与物质的相互作用。当电子射线入射到靶物质中时，会与其前进路径上靶物质的原子核或核外电子发生库仑相互作用，并把一部分动能转移给靶物质的原子核或电子而逐渐损失能量，
效应对电离辐射进行测量。闪烁体可以根据发光机理的不同分为本征发光闪烁体和非本征发光闪烁体。其中，本征发光闪烁体自身即可实现辐射发光，如BGO等；而非本征发光闪烁体则主要依靠掺入其中的激活剂实现发光，如YAG:Ce、YAP:Ce等。由于激活离子的种类较多，发光特性各异，能够适应各种不同传感任务的要求，有广阔的应用范围，因此非本征发光闪烁体成为现今闪烁体材料的研究重点。非本征发光闪烁体由作为材料主体的晶体基质和选定掺入的少量作为发光中心的杂质离子激活剂组成。这类闪烁体的辐射发光过程主要分为3个阶段，如图2-2所示。图2-2非本征发光闪烁晶体辐射发光示意图(1)能量沉积。当电子射线照射闪烁体时，会通过电子与物质的相互作用将闪烁体的基质材料原子激发或电离，使得闪烁体价带中的一些电子获得能量，从价带中跃迁进入导带而变成自由电子，同时在价带中形成空穴，产生电子-空穴对。(2)能量传递。如图2-3所示，由于激活剂的掺杂，禁带中出现一些局部能级，产生新的发光中心，且这些发光中心的激发能级比导带低，而基态比价带高，因此一部分电子-空穴对会迅速迁移到激活剂能级的激发态和基态上，被发光中心俘获，使激活剂处于激发态。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于SiPM的塑料闪烁光纤剂量计的研制[J]. 杨翠萍,辛杰,周冬冬,李一秋,柴林,尤思梅,张保国,文万信,张明,王仁生. 核技术. 2019(10)
[2]光子晶体对LYSO闪烁体光输出的影响[J]. 黄乐程,王光毅,薛玉雄,杨生胜. 光学学报. 2019(10)
[3]CSNS工程GPPD谱仪主探测器读出电子学的研制[J]. 陈少佳,赵豫斌,曾莉欣,田兴成,骆宏,唐彬,王修库. 核技术. 2019(06)
[4]单一核武器袭击伤亡情况模拟分析[J]. 袁龙,付熙明,孙全富. 中国辐射卫生. 2019(02)
[5]塑料闪烁光纤阵列探测器的结构设计[J]. 马鹏,舒复君,张生栋,丁有钱,孙宏清,金凯. 原子能科学技术. 2018(12)
[6]Exploring the energy transfer processes in Lu2（1-x）Y2xSiO5:Ce crystals[J]. Tiantian Wang,Dongzhou Ding,Xiaopu Chen,Wei Hou,Junjie Shi. Journal of Rare Earths. 2018(07)
[7]铜唑防腐剂处理竹材的同步辐射无损检测研究[J]. 彭冠云,刘杏娥,杨淑敏,覃道春,谢红兰,邓彪,杜国浩,佟亚军,肖体乔. 光谱学与光谱分析. 2018(03)
[8]食品中致病菌γ射线辐照杀菌效果影响因素研究[J]. 李淑荣,王丽,冯利芳,史依沫,马智宏,徐毓谦,王振铃,汪慧华,汪长钢. 原子能科学技术. 2018(01)
[9]光子晶体闪烁体研究进展[J]. 欧阳晓平,刘波. 现代应用物理. 2017(04)
[10]半导体探测器输出电流检测系统前置放大器设计[J]. 郭子成,刘国福,吴石林,李懋. 核电子学与探测技术. 2017(07)
博士论文
[1]稀土离子掺杂闪烁玻璃和闪烁光纤面板的制备与发光性能的研究[D]. 张勇.长春理工大学 2016
硕士论文
[1]放疗中千伏锥束CT（CBCT）在儿童模体中热释光剂量学研究[D]. 王美娇.中国疾病预防控制中心 2018
[2]具有能级测量功能的X射线脉冲星导航探测器读出系统研究与设计[D]. 刘洋.西安电子科技大学 2014
[3]基于脉冲波形分析的带电粒子鉴别方法研究[D]. 朱金涛.国防科学技术大学 2014
[4]黄毛草莓杂交与辐射育种后优良植株的筛选[D]. 汉由之.北京林业大学 2014
[5]4He和12C离子卢瑟福背散射的Geant4模拟[D]. 王振超.吉林大学 2013
[6]小型电离层光度计的光电倍增管高能粒子屏蔽防护研究[D]. 余迎庆.重庆师范大学 2011
本文编号：3576038
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
闪烁探测器的基本构成
燕山大学工程硕士学位论文-8-第2章石英包层晶体闪烁光纤电离辐射探测原理2.1引言基于石英包层晶体闪烁光纤的电离辐射探测基本原理如图2-1所示。首先，采用特殊工艺将闪烁体制成光纤纤芯，将其作为传感单元接收电离辐射并形成能量沉积；其次，基于纤芯的辐射发光效应，将能量沉积转化为闪烁光子并向空间中各个角度发射，其中不满足全反射条件的将穿过包层逸出光纤，满足全发射条件的将会在光纤内部形成定向光波导并向端面传输，直到由端面射出形成光脉冲；最后，利用PMT等光电探测器对光脉冲进行测量，实现光电转换，并将电信号脉冲输出给计算机进行处理，通过建立闪烁光子数量与辐射剂量之间的函数关系，实现电离辐射剂量的测量。图2-1石英包层晶体闪烁光纤辐射探测示意图在上述辐射传感过程中，涉及到几个关键的作用过程，包括电离辐射与物质的相互作用、无机闪烁体的辐射发光机制、PMT的光子倍增计数过程等。这些是闪烁光纤辐射传感的基本原理，也是光纤选型设计与辐射传感系统搭建的基础，需要着重讨论。2.2电子与物质的相互作用辐射探测器是以电离辐射与物质的相互作用为基础的，不同类型的电离辐射与物质的相互作用各不相同。本文以高能电子辐射作为测量对象，因此重点分析电子与物质的相互作用。当电子射线入射到靶物质中时，会与其前进路径上靶物质的原子核或核外电子发生库仑相互作用，并把一部分动能转移给靶物质的原子核或电子而逐渐损失能量，
效应对电离辐射进行测量。闪烁体可以根据发光机理的不同分为本征发光闪烁体和非本征发光闪烁体。其中，本征发光闪烁体自身即可实现辐射发光，如BGO等；而非本征发光闪烁体则主要依靠掺入其中的激活剂实现发光，如YAG:Ce、YAP:Ce等。由于激活离子的种类较多，发光特性各异，能够适应各种不同传感任务的要求，有广阔的应用范围，因此非本征发光闪烁体成为现今闪烁体材料的研究重点。非本征发光闪烁体由作为材料主体的晶体基质和选定掺入的少量作为发光中心的杂质离子激活剂组成。这类闪烁体的辐射发光过程主要分为3个阶段，如图2-2所示。图2-2非本征发光闪烁晶体辐射发光示意图(1)能量沉积。当电子射线照射闪烁体时，会通过电子与物质的相互作用将闪烁体的基质材料原子激发或电离，使得闪烁体价带中的一些电子获得能量，从价带中跃迁进入导带而变成自由电子，同时在价带中形成空穴，产生电子-空穴对。(2)能量传递。如图2-3所示，由于激活剂的掺杂，禁带中出现一些局部能级，产生新的发光中心，且这些发光中心的激发能级比导带低，而基态比价带高，因此一部分电子-空穴对会迅速迁移到激活剂能级的激发态和基态上，被发光中心俘获，使激活剂处于激发态。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于SiPM的塑料闪烁光纤剂量计的研制[J]. 杨翠萍,辛杰,周冬冬,李一秋,柴林,尤思梅,张保国,文万信,张明,王仁生. 核技术. 2019(10)
[2]光子晶体对LYSO闪烁体光输出的影响[J]. 黄乐程,王光毅,薛玉雄,杨生胜. 光学学报. 2019(10)
[3]CSNS工程GPPD谱仪主探测器读出电子学的研制[J]. 陈少佳,赵豫斌,曾莉欣,田兴成,骆宏,唐彬,王修库. 核技术. 2019(06)
[4]单一核武器袭击伤亡情况模拟分析[J]. 袁龙,付熙明,孙全富. 中国辐射卫生. 2019(02)
[5]塑料闪烁光纤阵列探测器的结构设计[J]. 马鹏,舒复君,张生栋,丁有钱,孙宏清,金凯. 原子能科学技术. 2018(12)
[6]Exploring the energy transfer processes in Lu2（1-x）Y2xSiO5:Ce crystals[J]. Tiantian Wang,Dongzhou Ding,Xiaopu Chen,Wei Hou,Junjie Shi. Journal of Rare Earths. 2018(07)
[7]铜唑防腐剂处理竹材的同步辐射无损检测研究[J]. 彭冠云,刘杏娥,杨淑敏,覃道春,谢红兰,邓彪,杜国浩,佟亚军,肖体乔. 光谱学与光谱分析. 2018(03)
[8]食品中致病菌γ射线辐照杀菌效果影响因素研究[J]. 李淑荣,王丽,冯利芳,史依沫,马智宏,徐毓谦,王振铃,汪慧华,汪长钢. 原子能科学技术. 2018(01)
[9]光子晶体闪烁体研究进展[J]. 欧阳晓平,刘波. 现代应用物理. 2017(04)
[10]半导体探测器输出电流检测系统前置放大器设计[J]. 郭子成,刘国福,吴石林,李懋. 核电子学与探测技术. 2017(07)
博士论文
[1]稀土离子掺杂闪烁玻璃和闪烁光纤面板的制备与发光性能的研究[D]. 张勇.长春理工大学 2016
硕士论文
[1]放疗中千伏锥束CT（CBCT）在儿童模体中热释光剂量学研究[D]. 王美娇.中国疾病预防控制中心 2018
[2]具有能级测量功能的X射线脉冲星导航探测器读出系统研究与设计[D]. 刘洋.西安电子科技大学 2014
[3]基于脉冲波形分析的带电粒子鉴别方法研究[D]. 朱金涛.国防科学技术大学 2014
[4]黄毛草莓杂交与辐射育种后优良植株的筛选[D]. 汉由之.北京林业大学 2014
[5]4He和12C离子卢瑟福背散射的Geant4模拟[D]. 王振超.吉林大学 2013
[6]小型电离层光度计的光电倍增管高能粒子屏蔽防护研究[D]. 余迎庆.重庆师范大学 2011
本文编号：3576038
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/boshibiyelunwen/3576038.html
