[发明专利]β辐射监测器及方法

说明书

技术领域

本发明涉及β辐射监测器和监测β辐射的方法；具体地，涉及使用流气式正比检测器的β辐射监测。

背景技术

经历β衰变的放射性核以β粒子的形式发射电离辐射，β粒子是高速电子或正电子。β发射体用于医学诊断与治疗以及工业测厚仪中，并且也形成为核反应裂变产物。β辐射的电离性质呈现出潜在的健康危害，因为该电离性质能引起严重的人体组织损害，特别是从身体内部。如此，放射性污染监测器对于监测可能暴露在辐射当中的人员的污染而言是很重要的。

放射性污染监测器可以采用多种检测器技术，包括闪烁检测器、固态检测器和气体检测器。闪烁检测器包括闪烁器，在受到电离辐射激发时，使用光电倍增管测量该闪烁器的荧光。

在固态检测器中，电离辐射与半导体材料相互作用，并将电子从价带激发到导带。外加电场引起可测量的电子净迁移，而留下空穴。

气体检测器包括盖革-米勒(GM：Geiger-Müller)管、电离室、密封气体式正比计数器和流气式正比计数器。气体检测器通过生成贯穿填充气体的电场并测量由于电离作用导致的电输出，来测量填充气体(也称为计数气体)由于电离辐射产生的电离。

GM管利用阴极管壁与中央阳极之间的贯穿填充气体的强电压操作。填充气体包括诸如氦、氖或氩的惰性气体。进入管的任何电离辐射使填充气体电离，得到的离子和电子分别向阴极和阳极加速。电子获得足够的动能，引起进一步的电离，由此导致的电子雪崩在阳极处产生大电流脉冲。脉冲被放大并被检测，但是在脉冲的幅度或形状中没有与引起脉冲的辐射类型有关的信息；无论引起脉冲的电离辐射是何种类型(也就是说，不管由电离辐射产生的原始离子对的数量是多少)，脉冲都相同。通过所计数的脉冲的数量(测量背景计数率并酌情减去)测量辐射程度。

相比之下，电离室的电极之间通常施加有相对较低的电压。如此，由电离辐射产生的各个离子和电子向它们各自的电极运动，但是并不存在离子对或雪崩倍增。离子和电子的相对较低的速度使得一个电离作用与下一个交叠，并且离子的漂移构成了要被放大和测量的电流(或许低到10^-15A)。同样，不可能在不同类型的电离辐射之间进行区分。

在这些检测器类型之间，存在正比计数器。在正比计数器中，在电极之间建立的电场强度高于电离室中的电场强度，因此可能产生电子雪崩。但是，电场强度不像对于GM管的那么高，因此气体倍增更加受控。正比计数器依赖于气体倍增来增加由电离辐射与填充气体的初始相互作用而产生的电子的数量。在存在电场的情况下，自由电子将向金属丝阳极迁移。金属丝非常细，通常具有大约50μm的直径，因此靠近金属丝的电场强度非常大。距离阳极的给定半径(通常是大约100μm)内的电子被加速到大于填充气体分子的电离电势的动能，因此发生填充气体的进一步电离。当电子以这种方式向阳极更近地运动时，由原始离子对产生二级和进一步离子对的现象称为汤森雪崩(Townsend avalanche)。

正比计数器的要点在于在给定操作参数下气体倍增(即，单个原始离子对由于其雪崩而使自由电子数量增加的因素)大体上是固定的。如此，在阳极处的电荷脉冲的大小与由辐射引起的初始电离作用的数量成正比。α粒子在填充气体中比β粒子沉积显著地更多的能量，所以引起更多电离并因此导致检测器中的更大的脉冲。脉冲大小可以相应地提供对电离辐射类型和由其传递给该填充气体的能量的测量。

密封气体式正比计数器包含密封的填充气体(通常是氙或氪)，并具有相对较厚的检测器窗以用于密封目的(例如钛，5-6mg/cm²)。流气式正比计数器利用通过检测器连续流动的填充气体(通常是氩气与甲烷或者氩气与二氧化碳)操作，并且一般具有相对较薄的检测器窗(例如，镀铝的双向拉伸聚对苯二甲酸乙二醇酯(boPET：biaxially-oriented polyethylene terephthalate)，可从得到，大约1mg/cm²)。

上述类型的检测器的一个问题在于它们不能在β粒子和γ辐射之间进行区分。这是因为γ辐射一般可以产生与β辐射相类似的电离程度，或者直接在填充气体中，或者通过与检测室本身的材料相互作用并产生高能电子，从而导致相类似的检测器输出。

另外，密封气体式正比计数器倾向于具有有限寿命，因为细微的裂缝可能导致其填充气体受到污染。并且，入射窗为了容纳气体一般需要较厚，因此，窗可能会去除掉低能量β辐射。另一个缺点是它们的制造和维修成本(由于需要排空及烘烤检测器、并焊接而不是拧紧窗)。重新填充密封气体检测器能够花费超过新检测器的成本的一半。