（材料物理与化学专业论文）光纤γ辐射探测技术研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 随着核探测技术研究不断深入及其应用领域不断扩展，对核探测器的环境 适用性提出了更高的要求。有些环境，温度多变，存在强电场和磁场，而光电 转换器件易受环境温度、电场、磁场的影响。因此，将光电转换器远离测试环 境，使探测器能稳定地工作显得非常重要。传统的闪烁探测器由于是将闪烁体 和光电转换器件封装在一起，这种结构的探测器在许多场合的应用受到限制， 所以开展光纤y 辐射探测器就显得很有意义。 本课题设计了光纤y 射线辐射探测器，以光纤为传输介质，将探头与光电 转换器的分离，可以在某些苛刻环境下进行核辐射实时在线监测。所研制的探 测器能用于低能量和低剂量率的y 射线测量，基本上能满足某些环境的检测。 本文借助于模拟和计算，设计了探测效率和灵敏度较高的探测器，包括探 测器的结构和探测器各器件之匹配组合。利用m c n p 模拟y 射线与晶体的相互 作用，设计探测器探头的结构，包括晶体材料的选择、晶体大小的设计、结构 封装的要求等。自制了塑料光锥，用于闪烁体与传输光纤之间的耦合。通过计 算，选择了衰减最低的传输光纤。通过分析比较各种光电转换器的参数，选取 了与晶体发光光谱匹配最好的p m t 和a p d 。 本文以n a i ( 1 1 ) 、c s i ( t i ) 为基础设计了两套探测器系统。包括以n a i ( t 1 ) 闪烁晶体为敏感材料，p m m a 塑料光纤为传输光纤，p m t 为光电转换器的探测 系统，和以c s i ( t 1 ) 闪烁晶体为敏感材料，p m m a 塑料光纤为传输光纤，a p d 为光电转换器的探测系统。系统可用于一定范围内的y 射线的探测。 关键字：光纤，y 射线，辐射探测器 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fn u c l e a rd e t e c t i o n t e c h n o l o g y , i th a sd e m a n d e dn u c l e a rd e t e c t o r sw i t hg o o da p p l i c a b i l i t yt o t h e e n v i r o n m e n t i ns o m ec a s e s ，t h et e m p e r a t u r ea l w a y sc h a n g e s ，a n da l s ow i t ht h e p r e s e n c eo fe l e c t r i ca n dm a g n e t i cf i e l d s ，b u tt h eo p t i c a l e l e c t r i c a lt r a n s d u c e ri s v u l n e r a b l et ot h et e m p e r a t u r e ，e l e c t r i cf i e l d ，m a g n e t i cf i e l d t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r y t od e v e l o po p t i c a l e l e c t r i c a lt r a n s d u c e ra w a yf r o mh a r s he n v i r o n m e n t , s ot h a tt h e d e t e c t o rc a nw o r ks t a b l y t h et r a d i t i o n a ls c i n t i l l a t i o nd e t e c t o r su s u a l l yc o m b i n et h e s c i n t i l l a t i o na n do p t i c a l e l e c t r i c a lt r a n s d u c e rt o g e t h e r ；t h i st y p eo fd e t e c t o rh a ss o m e l i m i ti ns o m ec a s e s s ot h a tt h i si sv e r yi m p o r t a n tt od os o m er e s e a r c ho ft h eo p t i c a l f i b e rt - r a yr a d i a t i o nd e t e c t o r t l l i sp a p e rd e s i g n sat y p eo fo p t i c a lf i b e r ? - m yr a d i a t i o nd e t e c t o r , t h i sd e t e c t o r u s e st h eo p t i c a lf i b e ra st r a n s m i s s i o nm e d i u m , w h i c hs e p a r a t e st h ep r o b ef r o mt h e p h o t o m u l t i p l i e rt u b e ，a n di t c a l lb eu s e du n d e rh a r s he n v i r o n m e n tf o rt h er e a l - t i m e o n l i n em o n i t o r i n go fn u c l e a rr a d i a t i o n 1 1 ：1 i sd e t e c t o rc a na p p l yt ot h el o we n e r g ya n d l o wd o s em t eo ft h e ? - r a ym e a s u r e m e n t ；a n dc a nb ea b l et om e e tt h er a d i a t i o n e n v i r o n m e n tt e s t i n go fn u c l e a rf a c i l i t i e si ns o m ec a s e s w i t ht h eh e l po fs i m u l a t i o na n dc a l c u l a t i o n , t h i sp a p e rh a sd e s i g n e dat y p eo f d e t e c t o rw i t ht h eh i g l le f f i c i e n c ya n ds e n s i t i v i t y , i n c l u d i n gd e t e c t o rs t r u c t u r ea n dt h e g r e a tm a t c hb e t w e e n t h ev a r i o u sc o m p o n e n t s u s i n gt h em n c pp r o c e d u r e s ，w eh a v e s i m u l a t e dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h e ? - m ya n dt h ec r y s t a l ，a n dd e s i g n e dt h ep r o b e s s t r u c t u r er e a s o n a b l e ，i n c l u d i n gt h ec h o i c eo ft h ec r y s t a lm a t e r i a l ，t h es i z eo ft h e c r y s t a l ，a n dt h er e q u i r e m e n to ft h es t r u c t u r a lp a c k a g i n g w ea l s od e v e l o pc o n s t r u c t f o rt h e c o u p l i n gb e t w e e nt h e s c i n t i l l a t o ra n dt h eo p t i c a lf i b e r b yt h ew a yo f c a l c u l a t i o n , w es e l e c tt h e1 0 w e s ta t t e n u a t i o no p t i c a lf i b e r 勰t h et r a n s m i s s i o nm e d i u m a f t e rt h ep a r a m e t e r sa n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n , w ec h o o s et h es u i t a b l ep m ta n da p d w h i c hi st h eb e s tm a t c hw i t ht h ec r y s t a ll u m i n e s c e n c es p e c t r aa st h ep h o t o e l e c t r i c 删u c e l b a s e do nt h en a lm ) a n dc s i ( t 1 ) ，t h i sp a p e rd e s i g n st w os e t so fd e t e c t o r 武汉理工大学硕士学位论文 s y s t e m s t h ef i r s ts e ti st h a tu s i n gn a i ( t 1 ) s c i n t i l l a t i o nc r y s t a lf o rt h es e n s i t i v e m a t e r i a l ，p m m ap l a s t i co p t i c a lf i b e ra st r a n s m i s s i o nf i b e r , p m tf o rt h ee l e c t r o n c o n v e r t e r ；t h es e c o n di st h a tu s i n gc s i ( t 1 ) s c i n t i l l a t i o nc r y s t a lf o rt h es e n s i t i v e m a t e r i a l ，p m m ap l a s t i co p t i c a lf i b e r 弱t r a n s m i s s i o nf i b e r , a p dt oe l e c t r o nc o n v e r t e r b o t hs y s t e m sp e r f o r mv e r yw e l l ，t h e yc a l lb eu s e df o rs o m er a n g e s7 - r a yd e t e c t i n g k e yw o r d s ：o p t i c a lf i b e r , 丫- r a y , r a d i a t i o nd e t e c t o r s m 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 签名：日期： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关 机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) 红、 崎限凡夕 ? 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 意义 第1 章前言 核设施能否安全运行，很重要的一点是看核设施周边辐射环境的检测情况 是否做得完善，出现核泄漏等突发事件能否在第一时间检测到并迅速解决。这 就对核设施周边的防护监测提出了很高的要求：首先，辐射监测可检验核设施 辐射屏蔽是否满足设计要求；第二，监测可确保仪器设备不致受到大剂量辐射 照射的影响，确保常规监测设备和控制装置的安全、可靠运行：第三，要能够 确保工作人员和核设施周边环境的安全。 核辐射监测已在许多领域发挥着重要的作用。如核电站热电厂丫监测，对监 测地点的y 剂量率进行连续监测；工业和民用建筑，建筑装修，建筑材料生产制 造，对各种建筑材料的放射性监测；地质勘探，地质找矿与矿山辐射监测；用 于丫射线安检通道门，能够为海关、机场、边境检查、重要会议场所的安全检查 提供帮助，是核应急响应部门通常采用的重要检测方法；商品检验检疫；广泛 应用于放射性废物库、工业无损探伤、医院丫刀治疗、同位素应用、丫辐照、废 料回收等放射性场所，提醒工作人员就放射源或射线装置已处于工作或泄漏状 态，使其免受辐射危害。 丫辐射监测常用的技术有气体电离室探测、半导体材料探测、闪烁晶体探测 等。而闪烁晶体因其良好的吸收射线辐射发光的特性已成为测量射线能量和强 度的良好器件，现已做成了大量的仪器，性能等都表现很好，技术已相当的成 熟。但是这种传统的闪烁体监测的方法都是传感器和信号处理设备封装为一体， 所以造成光电转换器( 如光电倍增管、雪崩二极管) 也处在核辐射的环境中， 容易受到环境中温度、电场、磁场的影响，而且有些场合不适合这些带电仪器 进入，很难实现对核辐射实时监测，因此有必要设计新型的丫射线探测系统。 近年来，国际上核科学工作者对新型光纤丫探测器的研究非常感兴趣，因为 将其应用在狭小空间上具有显著的优势。光纤丫探测器研究运用情况取得了日新 月异的变化，主要应用于剂量测量、核泄漏监测、核爆炸监测、辐射医疗监测、 远程监控核材料的非法运输和宇宙射线探测等等。 武汉理工大学硕士学位论文 因此，十分有必要对光纤丫射线探测系统进行系统深入的研究，使探头与光 电转换器相分离，可以在某些苛刻环境下进行核辐射实时在线监测，并能在低 射线能量和低剂量率的环境下有效地工作。 1 2 国内外研究现状 当前传统的辐射探测器已经发展的很成熟了，并在许多行业发挥表现出突 出的性制1 1 。如n a i ( t 1 ) 辐射探测器，以无机闪烁晶体n a i ( t 1 ) 作闪烁材料， 光电倍增管作为光电转换器，直接相连接，闪烁体发出的荧光转换成电流脉冲 后，通过电线传输到后继电路中，可进行计数分析或能谱分析。这种通过波导 层直接将晶体与光电倍增管相连接的系统，由于荧光产生后便直接被光电倍增 管转换成电子，转换效率高，荧光被最大限度地放大，所以相对容易做成产品， 产品也相当的成熟了，并且在低辐射能量和低剂量率的环境中也能很好地使用 2 1 1 3 1 。但是在辐射环境温度多变，存在电磁场的情况下性能不佳，而且有些场合 不适合这些带电仪器进入。 a sb e d d a r 4 5 】利用s 剐n t - g o b 址n 公司的闪烁光纤b c f 1 0 为辐射探测材 料，以石英光纤为传输光纤，做成了小尺寸的光纤y 辐射探测器【6 】。但由于探头 很少，可沉积的y 光子的能量很少，故比较适合于高能光子、高剂量率环境下 的y 辐射探测，在低能光子和低剂量率的情况下误差很大，信噪比很低，甚至 没有信号忉【钔。同样，k y o u n gw o n j a n g 等人【9 】利用b c f - 2 0 研制了用于光子束治 疗的放射量测定器，同样存在这个问题。 国内在光纤核辐射探测研究日趋成熟，特别是在瞬态辐射过程诊断中已进 行过成功的应用。北京高能物理研究所，中国科学技术大学近代物理系，中国 工程物理研究院等单位在研究研制光纤探测器方面取得了很有前瞻性的宝贵成 绩，但主要运用于高能量和高剂量率中，对低能量和低剂量率则灵敏度显得不 够，如，王昌等人【l o 】做的光纤辐射剂量计，十分小型化，使用方便，但是主要 用于高剂量率的监测。 1 3 研究目标和内容 本文研究的主要对象是光纤y 辐射探测系统。通过传输光纤，其闪烁材料 与光电转换器件相分离，使探测器能在某些苛刻环境下正常使用，结构图如下： 2 武汉理工大学硕士学位论文 图1 1 光纤y 辐射探测系统结构图 系统主要包括以下几部分：闪烁探头、耦合器、传输光纤( 石英或塑料) 、 光电转换器件( 光电倍增管或雪崩二极管) 、射极输出高压电源以及线形脉冲放 大器、脉冲幅度分析器、定标器等电子学设备组成。本文就是围绕系统的各个 部分进行了模拟，然后设计出性能最佳的光纤y 辐射探测器。 1 4 本文所作的主要工作 本课题设计了光纤y 射线辐射探测器，以光纤为传输介质，将探头与光电 转换器的分离，可以在某些苛刻环境下进行核辐射实时在线监测。所研制的探 测器能用于低能量和低剂量率的y 射线测量，基本上能满足某些环境的检测。 要研制这个光纤y 辐射探测系统，要解决的问题和主要的工作包括以下几 点： 合理选择闪烁体，提高光纤探测器的“y 射线光 的转换效率； 合理设计探头，使闪烁体与光电转换器相分离，实现光电器件远离被测 环境，可以降低电磁辐射干扰，提高系统的稳定性，也可以使探测器小型化； 选择合适的传输光纤，减少荧光在传输光纤中的损耗； 解决荧光传输的耦合问题，当闪烁体探头产生的荧光通过传输光纤传输 到光电转换器时，有两处要进行光的耦合，一个是探头与传输光纤的耦合，另 一个传输光纤与光电转换器间的耦合。如何设计耦合器或跳线，使荧光的传输 效率最高，这是本系统很关键的一个问题； 由于闪烁体探头产生的荧光数目极少，故要根据需要选择最适合的光电 转换器： 研究提高光纤探测系统y 射线测量灵敏度的方法。 3 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章闪烁体 闪烁体是一类能吸收辐射射线能量，并在数微秒甚至更短的时间内能将所 吸收能量的一部分以光的形式再发射出来的物质【l 。 当具有较高能量的带电或者不带电粒子通过闪烁发光材料时，能量被吸收， 引起发光材料的分子或原子的激发电离。这些受激分子或原子由激发态回到基 态时，会以光子形式释放能量。其中不带电的y 射线会在发光材料内会产生一 些效应，如光电效应、康普顿效应及电子空穴对效应，并产生次级电子。这些 次级电子会再次激发发光材料发光。由于这类激发密度大，且不均匀，而记录 单个粒子引起的发光是闪烁的，故将这种发光材料称为闪烁体材料。 闪烁体在科技发展中起到至关重要的作用。如在石油勘探中，可以利用闪 烁体监测地面或油井的核辐射情况；在医学领域，y 射线制成的手术刀，这时 可用闪烁体监测y 射线的剂量情况：在焊接一些宇航设备等无损探伤方面，闪 烁体也都起着十分重要的作用；机场安全检查以及货运集装箱的检查中，也可 用闪烁体作为探测器，来监测辐射情况，保证人员的安全。随着技术的发展， 对闪烁材料也有了新的要求，如高发光效率、高阻挡射线本领、高分辨率和高 响应速度等。目前寻求高密度、快速、高耐辐射的新型闪烁体是一个热门的话 题。 2 1 闪烁体的主要性能 ( 1 ) 发射光谱 闪烁体在受到高能粒子激发后发射出来的荧光一般在可见光区。在实际应 用上接收闪烁体发出的光子的光电转换器主要有两种，一种是光电倍增管 ( p m t ) ，另一种是用光电二极管。其中p m t 的光谱响应灵敏区在4 3 0 - - 4 7 0 n m ， 光电二极管的光谱响应在5 0 0 5 3 0 n m 。因此闪烁体的发射光谱应当尽可能与光 电转换器的光谱响应相匹配，系统才能获得较高的灵敏度和高效率。 ( 2 ) 发光效率 发光效率可通过能量转换率来表示。在一个闪烁过程中，闪烁体内产生的 4 武汉理工大学硕士学位论文 光子总能量如与粒子在闪烁体中损失的总能量e2 v 匕，称为能量转换效率： 尸：鱼 磊 目前一般用相对发光效率来表示闪烁体的发光能力。设n a ( t i ) 的发光强度 为1 0 0 ，其它闪烁体的发光强度与之相比则得到了该闪烁体的相对发光效率。 ( 3 ) 探测效率 射线在闪烁体产生的总闪烁脉冲数m 与入射粒子的总数量之比，称为闪 烁体对该射线的探测效率。它与射线能量、闪烁体对源的几何位置、闪烁体的 尺寸等都有关。所以探测效率是一个系统的综合性能参数。 ( 4 ) 光衰减时间 衰减时间靠为光子数衰减到最大值的e 1 所需要的时间。 ( 5 ) 能量分辨率 表征闪烁体能够区别两个能量很近的探测粒子的能力。这个对能谱分析很 重要，但对计数型的探测器则没有什么要求的。 2 2 闪烁体的分类 闪烁体按其化学性质可分为两大类：一类是无机闪烁体，另一类为有机闪 烁体【1 2 】。 无机闪烁体大都是一些固体的无机晶体，常见的有c s l 2 、n a i 、b a f 2 、c s f 等。还有一些闪烁晶体则是有意识地加入金属杂质作为激活离子，如n a i ( t i ) 、 c s i ( t 1 ) 、z n ( a g ) 等，它们是以加入的杂质离子为发光中心，发光衰减时间相对较 慢，但是发光光强较强。此外有一些大密度的闪烁晶体：如g e f 3 、b g o 等：这 些闪烁晶体密度大，所以对粒子有高的阻止能力，非常适于高能探测器的小型 化。 有机闪烁体包括三种：有机晶体、有机闪烁液体和塑料闪烁体。有机晶体 的特点是可获得大的单晶且衰减时间很短。缺点是易裂，发光效率低。有机闪 烁晶体中用得最多的材料是芳香族化合物蕙，其发光效率在有机闪烁体中是最 高的。有机闪烁液体和塑料闪烁体都是由溶剂、溶质和波长转换剂三部分组成， 只不过是塑料闪烁体的溶剂在常温下为固体状态。液体和塑料闪烁体易于制成 各种不同形状和大小的优点。塑料闪烁体还可以制成光导纤维，便于在各种几 武汉理工大学硕士学位论文 何条件下与光电器件耦合，但是它们的发光效率跟无机闪烁体相比相差很大。 2 3 常用闪烁体的性质 ( 1 ) 碘化钠n a i ( t 1 ) 晶体 n a i ( t 1 ) 晶体的发光效率在所有与p m t 耦合的闪烁晶体中最高的，光产额为 3 8 0 0 0 ( 光子数m e v l , ) 。n a i ( t 1 ) i 因具有很高的光产额，并且成本较低廉，所以很 早就应用于环境监测、高能物理、地质勘探、核医学、矿井探测中作为丫射线的 敏感材料，迄今仍在广泛使用。n a i ( t 1 ) 单晶体是以n a i 作为基质材料，掺以适 当浓度的碘化铊生长而成的，其中t r 是激活离子，在吸收射线能量后成为发光 中心【1 3 1 。 ( 2 ) 碘化铯c s i 系列闪烁晶体 c s i 闪烁晶体可分为t l 激活、n a 激活和纯c s i 三种【1 4 1 ，它们都是无色透明 的立方晶体。c s i ( t 1 ) 晶体的发光效率可达n a i ( t 1 ) 晶体的4 5 ，发光主峰位在 5 5 0 n m ，能与硅光电二极管很好匹配，由于光电二极管体积小，可使读出系统大 大简化，便于成本减低与仪器小型化。c s i ( t i ) 闪烁体，因不潮解、密度高、平均 原子序数也大，所以对射线的阻挡能力很强、对能量相对较高的丫射线的探测效 率也较高。当入射的t 射线能量 n a ) 。 如图4 5 所示，圆锥半角( 倾斜角) 太小的话，路径太长了，反射的次数过 多，也会导致上面的结果。 所以，选择一个折中的长度使光锥的导光率最大就显得十分重要，如图4 6 所示。 由于晶体入射的光是随机的，位置随机，方向也随机。很难用公式计算得 到具体的长度。对于这样的随机过程，可以建立模型，通过编程模拟大量光子 的传播过程，进行统计分析找到最合适的值。 建立三维立体模型进行模拟设计。模型如图4 7 所示： 图4 7 光子在光锥中传播的三维模型 光子从光锥的大端面入射，入射的光子在三角锥内多次反射到达小端面后 出射到传输光纤中。假设初始入射点坐标伽( 和，y o ，z o ) ，入射方向余弦为a - - ( a l ，a 2 ，a 3 ) 为随机，即如下： 3 3 武汉理工大学硕士学位论文 i q = s i n s , c o s 磊 a 2 = s i n s , o s m 无 【口3 = c o s j , 由起始点伽，x o ，z o ) 和方向余弦a - - ( a l ，a 2 ，0 3 ) n - i 以计算出下一个反射点 的坐标p ( x ，y ，力，即： ix - - x 0 ：旦丑：z - - z 0 口l a 2a 3 【x 2 + y 2 = ( 乜) 2 式中，k 为光锥的斜率，即k = t a n0 利用m a t l a b 解得这个方程的解为： x = 旦( z z o ) + x o 口3 y = 鱼( z z o ) + y o 吩 z 一巫譬爱- i - 掣产型 儡“。一庀。砺 = k 2 2 0 2 ( q 2 + a 2 2 ) + 七2 呜2 ( 而2 + y 0 2 ) 一a 1 2 2 - a 2 2 x 0 2 + 2 a l a z x o y o 一2 k 2 q 吩而气一2 k 2 a 2 a 3 y o z o 已知入射的方向余弦萨( a l ，a 2 ，a 3 ) ，和反射点的法线n - - m l ，n 2 ，n 3 ) ， 可以求点反射线的方向余弦扣( 6 l ，b 2 ，6 3 ) 。由计算机图形学可知【3 3 1 1 3 4 】： 绕过原点的任意轴旋转的变换矩阵，可以用平移、对称、旋转变换连乘推 导出来。 i n t 2 + ( 1 一啊2 ) c o s o啊，1 2 ( 1 一c o s 功+ 惕s i n o 怕( 1 - c o s o ) - n 2s i n of t = i 惕吃( 1 一c o s d + n 2 s i n o n 2 2 + ( 1 一n 2 2 ) c o s o n 2 n 3 ( 1 - c o s o ) + n i s i n 8 l ln l n 3 ( 1 - c o s 0 ) + n 2 s i n 0 n 2 n 3 ( 1 - c o s o ) - n is i n on 3 2 + ( 1 - n 3 2 ) c o s o l 当方向余弦和法线都归一化后，反射线的方向余弦就是入射方向绕法线旋 转1 8 0 度得到，如下： 4 最 0 c s 厂 厂 厂 l i = = 而 ，、【 武汉理工大学硕士学位论文 引薹主1 砻烈割 随机数的产生可以通过下面的函数得到【3 5 】： a v e r a g e r a n d o m ( d o u b l em i n ，d o u b l em a x ) 【 i n t m i n i n t = ( i n t ) ( m i n 木1 0 0 0 0 ) , i n tm a x i n t = ( i n t ) ( m a x 木1 0 0 0 0 ) ； i n tr a n d i n t = r a n d ( ) 木r a n d ( ) ； i n td i f f i n t = m a x i n t m i n i n t ； i n tr e s u l t i n t = r a n d i n t d i f f i n t + m i n i n t ； r e t u r nr e s u l t i n t l l 0 0 0 0 0 ) 第二步：由入射坐标琊和随机初始方向口，可以确定入射线与光锥侧面的 交点p ； 第三步：由交点p 可以确定此点的法线，也就是光反射面的法线胪伽l ，n 2 ， 扔) ； 第四步：由初始方向口、光反射的法线刀，可以计算出第二次飞行方向余弦 b = ( b 1 ，b 2 ，6 3 ) ； 返回第四步，由上次反射交点和飞行方向余，可以确定下一个反射交点和 飞行方向余。这样一直跟踪光子的运动过程。如果光子开始原路返回，中止光 子的跟踪；如果光子到达了塑料光锥的小端面，确定它的出射角，并将其放入 到出射角为肛5 、乱1 0 、1 0 1 5 、1 6 - 2 0 、2 1 2 5 、2 6 - 3 0 、3 0 9 0 不同的角度计数 箱里，使其计数加一，这些数据可用于后期分析。这样一个光子的跟踪结束。 当一个光子的跟踪结束，返回第一步，进行下一个光子的随机过程跟踪。 这样循环，一直跟踪到1 0 0 0 0 0 0 0 0 个光子。 将不同角度的计数箱的结果保存到数据库里。 上述只跟踪了1 0 0 0 0 0 0 0 0 个光子在一个光锥长度时的情况。要分析最合适 3 5 武汉理工大学硕士学位论文 的光锥长度，还要逐步增加光锥的长度，再进行模拟跟踪。直到导光效率出现 下降为止。 结果如下图4 8 所示，各一个点都是对1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 个光子的运动进行跟踪 得到的结果，可以代表实际的光子运行情况，反映其统计特征。 下面是对西1 3 统计的结果： 1 4 1 2 褥 磊1 0 察 8 6 03 06 0 9 01 2 01 5 01 8 02 1 02 4 02 7 03 0 0 塑料光锥长度m m 图4 - 8 晶体直径为审13 时，塑料光锥长度与耦合效率的关系 由图可知，为了能使出射的光子尽可能多的耦合到光纤中去，即要使光子 在0 , - - , 3 0 的范围内最多。其光锥的长度应该为4 2 m m 左右。即圆锥半角或倾斜角 为 o ( 13 ) = a r e t a n ( 毕) = a r c t a n ( 学= 6 8 0 同样的模拟过程得到m 2 3 的统计数据，如下图4 - 9 所示： 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 1 1 1 0 褥 蕴9 瓣 8 7 6 03 06 09 0 1 2 01 5 01 8 0 2 1 0 2 4 02 7 03 0 0 塑料光锥长度m 图4 _ 9 晶体直径为2 3 时，塑料光锥长度与耦合效率的关系 要使光子在0 - - 3 0 度角的范围内最多。其光锥的长度应该为8 0 r a m 左右。即 圆锥半角或倾斜角为 0 ( 2 3 ) ：蝴( 毕) ：a r e t a n ( 罢善) ：7 1 0 l6 u 通过上面的模拟计算，为了使最多的光子通过导光光锥后，满足光纤全反 射条件，能够耦合到传输光纤中去，并在光纤中传播。通过上面的随机过程模 拟跟踪，最终结果如下图4 1 0 所示： 4 4 光纤传输原理 图4 - 10 耦合器最终设计参数 光之所以能在光纤中传输，主要是纤芯和包层的共同作用。根据光折射道 理，光纤的纤芯和它外面的包层应该是两种密度不同的物质，这个可以形成不 同的折射率，而且纤芯的密度应该大于包层。这样，只要一个光线射入的角度 合适，那么这束光线就会在光纤内部不停地进行全反射而传向另端。 武汉理工大学硕士学位论文 4 5 传输光纤的主要性能和参数 4 5 1 光纤的直径 常见的石英传输光纤中单模光纤，中心高折射率玻璃芯的芯径一般为8 一l o 岬，低折射率硅玻璃包层的直径一般为1 2 5p m 。多模光纤，纤芯芯径一般为5 0 或6 2 5l x r n ，包层的直径一般为1 2 5 岬。 对于塑料光纤，则纤芯可以有o 2 5 5 0 衄。 由于耦合器聚焦的光子，在后端面不可能是一个点的，应该是一个圆斑， 所以，光纤的直径越大，光子就越容易通过耦合器后耦合到光纤里。 4 5 2 光纤的数值孔径 入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输，只是在某个角度范围内的 入射光才可以。这个角度就称为光纤的数值孔径，如图4 - 1 1 所示。 设当a = 吼时，折射角0 2 = 9 0 0 ，这时，所有入射的光都不会进入吃介质。 当a 0 0 时，即行l 和境的界面上有全反射发生。 i i z 图4 - 1 1 理想的阶跃折射率光纤中，子午光线传播的射线光学表示 可以得到在行l 和仡的界面上有全反射发生，在空气( 伽= 1 ) 中光线的最大 入射角吼。m 瓢所应满足的关系式： ，s 试岛，m 麒) = 惕s i n ( 9 0 。一晓) = 2 一，1 2 2 定义数值孔径n a 为 ，_ 。：， n a = 惕2 一吃2 n a 是一个无量纲的数，它表示光纤接收和传输光的能力。通常n a 的数值 武汉理工大学硕士学位论文 在0 1 4 0 5 范围之内。光纤的数值孔径n a 越大，光线可以越容易被耦合到该 光纤中。 常用的石英光纤的n a = 0 1 8 - , - 0 2 3 ，而塑料光纤则很大，可以达到o 5 。 4 5 3 光纤的损耗 光纤损耗大致可分为光纤具有的固有损耗以及光纤制成后由使用条件造成 的附加损耗。固有损耗包括散射损耗、吸收损耗和因光纤结构不完善引起的损 耗。附加损耗则包括微弯损耗、弯曲损耗和接续损耗。 固有损耗中，散射损耗和吸收损耗是由光纤材料本身的特性决定的，在不 同的工作波长下引起的固有损耗也不同。 光纤的损耗可用d b 表示： ， d b = 一l o l o g ( ) = - 1 0 1 0 9 t 0 d b 与透过率r 的关系如图4 1 2 所示。 d b 图4 - 1 2 透过率与d b 之间的关系 4 5 4 光纤的辐照特性 射线对光纤的辐照，包括x 射线、y 射线和自然本底都会引起光纤的辐照 损伤，尤其是在恶劣的核辐照环境下，光纤的辐照损伤对光纤光传输性能有很 大的影响，特别是在强脉冲辐照场中，光纤的瞬态感生损耗非常大；低剂量环 境下的长期辐照积累，也会产生较大的永久性损伤。因此，在核辐照环境下， 武汉理工大学硕士学位论文 对光纤辐照损伤特性的分析、研究是十分必要的。 光纤一般分为两大类：石英光纤与塑料光纤。它们的辐射损伤机理大致相 同。 对于石英光纤，高能辐照容易引起玻璃中电子或原子核的移位以及结构改 变。所谓电子的移位即偏离原来的运动轨道，如由于辐射引起断键，电子被邻 近的杂质原子或缺陷心所俘获。原子核的移位是指它偏离于原来的平衡位置， 从而在格点上留下空位( 肖特基缺陷) 或形成空位间隙原子( 弗伦克尔缺陷) 等。具 体而言，高能辐射能使石英光纤发生物理和化学变化( 如变硬、变脆、变色等) ， 在石英芯内产生各种缺陷，从而使光纤传输性能恶化，主要表现为： 形成色心，在可见光波段损耗迅速增加，甚至激发荧光； 中等剂量的辐射会引起光纤内部密度的变化及相应折射率变化，使光纤 折射率分布改变，影响其传输性能及带宽； 高剂量辐射会使有机包层变质，使包层界面损耗增加，同时可能导致光 纤机械性能下降； 辐射会引起纤芯玻璃键结构的变化，使光纤的红外吸收性能发生变化1 3 6 1 。 塑料光纤的材料主要有p m m a 、聚苯乙烯( p s ) 和聚碳酸酯( p c ) 三种，p m m a 受辐照后发生的变化主要是辐射裂解。辐射裂解是指高分子聚合物在高能辐射 作用下主链发生断裂，聚合物分子量随吸收剂量的增加而下降，甚至有些聚合 物分子裂解变成单体分子的过程。高分子聚合物的辐照稳定性受聚合物内部能 量转移情况的影响，并与分子的空间效应有关。p m m a 塑料光纤在辐照环境下， 由于分子结构发生改变，会产生辐照感生损耗，或发生辐照损伤效应，辐照损 伤效应将在不同程度上增加光的传输损耗1 3 7 1 ，若p m m a 塑料光纤中含有杂质离 子，提纯不够理想，在辐照后辐照感生损耗更显著，特别是光纤中含有f e 3 + 、 c u 2 + 等金属离子时，在可见光波段辐照后会产生很大的附加损耗。 但若在p m m a 塑料光纤的材料中掺入一定比例的金属氧化物1 3 引，在一定条 件下共聚，可以形成能吸收部分射线的材料。这些材料除了可以吸收射线，起 到防护作用外，还可以改善塑料光纤材料的一些物理化学性能，如稳定性、硬 度、玻璃化转变温度和折射率等。 金属共聚物对射线的吸收视金属在共聚物中的质量分数而定，一般来说质 量分数越高，吸收越强 3 9 1 。 由陈秀锦【4 0 】等人研制的包层中掺有p b o ，纤芯通过特别提纯处理的p m m a 武汉理工大学硕士学位论文 塑料光纤在5 7 0n m 附近具有较好的耐辐照特性，利用辐射源为6 0 c oy 射线源， 辐照时间为4h ，辐照总剂量为1 0 3g y 。在这样的辐射下，该光纤样品在4 0 0 - - 5 0 0 r i m 表现出明显的透射损耗，在5 7 0n l n 附近的透射率也下降了，但下降并不多， 并且很快就有大幅地恢复。所以p m m a 塑料光纤的提纯度会对光纤的耐辐照性 能产生影响，提纯度高的p m m a 塑料光纤耐辐照性能要好很多，但提纯度与耐 辐照性能之间关系的定量分析还有待进一步研究。 4 6 常用的传输光纤 本探测器要把晶体产生的荧光，通过耦合器耦合到传输光纤中，但是晶体 产生的荧光是随机的，是四面八方的，所以通过耦合器后，它仍然很难会聚到 一个点上，它的光斑也是一个直径较大的圆。这就要求光纤的直径较大。一般 要求在3 m m 。 常用的用于传输通信的光纤包括为石英光纤，塑料光纤。 4 6 1 石英光纤 辐射场中使用的石英光纤一般为大芯径阶跃光纤，表1 为大芯径阶跃光纤 的结构参数。商用的长距离通信光纤是非常成熟的，但传播的信号的波长的光 谱范围大都在7 0 0 n m 以上，包括了三个重要的窗口，8 5 0n l i l 、1 3 1 0n i n 、1 5 5 0n l i l 。 由前面闪烁体的性质可知，闪烁材料的发光光谱大都在可见光的偏紫波段 3 0 0 - 7 0 0 n m 。图4 1 3 是大芯径石英光纤在4 0 0 - 7 0 0n m 光谱范围内的谱损耗测量 情况【4 1 1 。 表禾1 大芯径阶跃光纤的结构参数 4 1 武汉理工大学硕士学位论文 、 量 誓 勺 v 耀 辑 3 5 04 0 04 5 05 0 05 5 0 波长n m 图4 _ 13 大芯径石英光纤在4 0 0 - 7 0 0n m 光谱范围内的谱损耗 6 5 0 由上图知，对于芯径为o 1 m m 的阶跃纯石英光纤，随着波长的增加，损耗 系数减少，在6 0 0 n m 处损耗值为11 d b k m ，在4 2 0 n m 处为6 3 d b k r n ，在4 0 0 n m 处为9 6 d b k m 。 闪烁材料发出的光不是单色光，而是有一点的能量范围和谱宽。而多组分 玻璃光纤直径细、柔软性好、数值孔径大、在可见光和近红外波段有较高的透 过率，可以进行荧光的传输。如图4 1 4 是多组分玻璃光纤的衰减情况。 3 0 0 2 5 0 互2 0 0 、 31 5 0 骥1 0 0 鞲 5 0 0 4 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 0 01 0 0 0 波长n m 图4 - 1 4 多组分玻璃光纤的谱损耗 由上图的曲线可知，多组分玻璃光纤在闪烁体产生的荧光的传输性能方面 还没有纯石英的传输性能好，衰减更大。 4 2 们加0 武汉理工大学硕士学位论文 4 6 2 塑料光纤 塑料光纤具有加工容易、弯曲性能好、可以制成大芯径( 0 5 - - - 3 m m ) 、大数 值孔径( n a - 0 3 - 0 5 ) 的光纤【4 2 1 。 塑料光纤也有纤芯和包层二部分组成。根据纤芯材料的不同，可以将塑料 光纤分为以下三种： ( 1 ) 聚不饱和酸酯类 这是目前最常用的高性能塑料光纤芯材，包括聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 及p m m a 共聚物、氘代p m m a 、卤代p m m a 等。这类材料做成的光纤，其衰 减是最低的，故可选用这个塑料光纤为本探测器的传输光纤。 ( 2 ) 聚苯乙烯( p s ) 类 p s 折射率较高，因而得到的塑料光纤往往数值孔径q a ) 很大，透光性好， 是仅次于p m m a 。 ( 3 ) 聚碳酸酯( p c ) 类 p c 是非晶聚合物，具有较强的柔韧性，可制得n a 高达3 0r a m 的塑料光纤， 但是它的衰减相比较大。 包层材料对光纤的性能影响较大。一般多选用含氟聚合物或共聚物为皮材， 使用最广泛的是聚甲基丙烯酸氟代烷基酯。 塑料光纤的性能就是其基材的性能，由于它们具有良好的化学、光学稳定 性及机械性能，故塑料光纤更适合用作短距离通信媒介。当前主要塑料光纤的 性能如表4 2 所示。 表年2 主要塑料光纤的性能 分析上表可以得知，在传输通过率方面，p c 塑料光纤 低n a 塑料光纤 梯 度p m m a 梯度全氟塑料光纤，但是全氟塑料光纤价格很贵，现在还不能很好 地用于于产品的生产应用中，并且加上波长匹配问题，故塑料光纤，一般选用 梯度p m m a 做为荧光的传输光纤。下图4 - 1 5 是常用的梯度p m m a 的衰减曲线 4 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 0 6 e t 1 口 蠢叭 4 0 05 0 0 6 0 0 波长n m7 0 0 8 0 09 0 0 图4 1 5 常用的梯度p m m a 的衰减曲线图 4 7 传输光纤的选择 本探测器中，光纤主要是起到传输的作用，将探头与光电转换器分开，使 得探测器能在比较苛刻的条件下使用，传输的要求距离为2 0 m 。这样就要求尽 可能多的光子能够耦合到光纤中，并且在光纤中传输。这就要考虑如下因素了： 光纤的衰减、光纤的数值孔径、光纤直径的大小。 石英光纤在4 1 5 r a n 处的衰减为8 0 d b k r a ，在5 5 0 处的衰减为2 0 d b k r a ，相 对而言是很低的。但是它的数值孔径n a 很小，一般为0 2 。并且大径的石英光 纤，其纤芯直径也只有o 1 m m ，大直径的晶体发出的荧光，各个方向都是有的，