[发明专利]用于高灵敏检测辐射的闪烁性光纤传感器

说明书

本发明公开一种用于高灵敏检测辐射的闪烁性光纤传感器，包括依此连接的闪烁性光纤、传导光纤和光检测器，闪烁性光纤采用多孔纳米硅材料，多孔纳米硅材料中掺杂有纳米尺寸的闪烁体。本发明可实现对辐射的现场实时测定，检测灵敏度高，传感过程中光子产率和能量分辨率高，经济实惠。

技术领域

本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种用于高灵敏检测辐射的闪烁性光纤传感器。

背景技术

闪烁性的技术已被长期用来检测和监控从放射性物质发出的高能辐射和离子化粒子。在一个闪烁性的过程中，一个高能光子(X射线或γ射线)或一个离子化粒子(а粒子、в粒子或中子)与一个闪烁性的材料相互作用产生光子，并可用光电倍增管或光电二极管将光信号转化为电信号进行测定。用于高能辐射和离子化粒子检测的闪烁性技术最具吸引力的优点包括：环境温度下的操作，高的灵敏度和高的能量分辨率。闪烁性检测技术环境温度下操作的特征与基于半导体只能在低温下工作的检测技术形成对比。因此，在辐射检测中闪烁性技术的应用范围比那些基于半导体的技术的应用范围更加广泛，尤其是对于现场的测定。

闪烁性材料的性能是决定一个闪烁性检测器的灵敏度和能量分辨率的关键因素。这里有几类闪烁性的材料可用于不同的应用目的。无机盐晶体，如CsI(Tl)，NaI(Tl)用于γ辐射检测的闪烁性材料中具有最高的光子产率。然而这些晶体有一些缺点：它们通常都很昂贵，在处理和操作时需要很小心，也不能用于恶劣的环境中。一些其它的无机化合物，如ZnS，CdSe，也有高的光子产率，但是因为它们的性能而不能制成透明的晶体。因此它们通常被用作涂层涂在透明玻璃的表面用于重粒子的检测。稀土金属离子是非常好的荧光性物质，已被用于闪烁性检测。稀土元素通常被分布在一个透明的模型中，如玻璃或硅材料，通过与高能粒子间的相互作用而产生的光子被引导通过玻璃而被捕获至光子检测器。有机闪烁体，如芳香族化合物，尤其是多环芳香烃(如蒽和对称二苯乙烯)已被用于检测в粒子、γ射线和中子，在苯溶液或甲苯溶液中的PPO(2,5-二甲基-1,3-恶唑)和POPOP(1,4-二(5-苯基-2-恶唑基)苯)已被广泛用于生物研究中对¹⁴C的计数。

塑料闪烁体可通过将闪烁性的荧光物质加入一塑料结构中得到，如加入聚苯乙烯，聚甲基苯烯酸甲酯等的结构中。用一个塑料闪烁体对高能粒子进行检测的最具吸引力的特征是可将检测器制成我们想要形状和大小的可能性。因此就可能制得大尺寸的塑料闪烁体，可提高闪烁性检测的灵敏度。另外，因为我们可控制塑料闪烁体的形状，就可制成一些特殊应用要求的形状的塑料闪烁体用于设计专门的检测器。而且，在由可控制形状的闪烁体设计而成的闪烁性检测器中，光子很容易通过闪烁体而被捕获至光子检测器。例如，掺杂有荧光性物质的聚苯乙烯已被制成光纤的形式用于γ射线的检测。在如此一个光纤中产生的闪烁性的光信号可通过光纤传输很容易地被捕获至一个与光纤连接的光电倍增管。塑料闪烁体使用最主要的缺点在于它们在将辐射转化成可测光子的固有低光产量以及低的能量分辨率(相比于固态的检测器)。例如，塑料闪烁体的光子产率通常大约为一个晶体闪烁体的15％或者更低。

在闪烁性的材料中，无机闪烁体用于检测γ射线最高的光子产率和最好的能量分辨率。然而，目前无机闪烁体一般都是以晶体或涂层的形式被应用。该晶体非常昂贵，在操作和处理时需要特别小心。另外，制成大尺寸的晶体也很困难和昂贵。塑料闪烁体很耐用，而且可被制成我们想要的形状以及大尺寸的闪烁体。然而，这类闪烁体具有低的光子产率和低的能量分辨率，从而限制了其应用。而新的闪烁性材料，既拥有与塑料闪烁体相似的弯曲性能，可制成大尺寸的材料具有高的灵敏度，还拥有无机闪烁体高的光子产率和高的能量分辨率，因此，它被寄予高度期望用于设计出功能强大的闪烁性检测器。

以往传统的闪烁性传感器，将闪烁体制成大尺寸的形式，其局限不仅在于制作技术的难度和花费的昂贵，还在于灵敏性很差。因为辐射与闪烁体作用产生闪烁光的方向是向着各个方向的，用光电倍增管无论在那个方向检测都只能检测到一部分光子，存在严重的光损失，因此不能有效地转移和捕获闪烁性材料中发出的光子至光子检测器中。

发明内容