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阵列地下金属探测器弊端解决方案

文章来源:北京圣火大地科技www.bjshdd.com

在分析阵列地下金属探测器的利弊后,结合清华大学核研院从事充气电离 室等气体地下金属探测器研究开发数十年的工作经验,提出了应用高压充气阵列电离室 检测集装箱的技术设想。过去没有人将充气阵列电离室用于集装箱检测,都认为它对于高能X、7射线的探测效率及灵敏度低,而且响应慢。经过分析,这 些问题是可以解决的,具体阐明如下。
(1)可能达到的探测效率
在核研院设计的阵列电离室方案中,各电极片基本平行于射线的入射方向。 此时阵列电离室的探测效率主要取决于两个方面:灵敏体积内所充气体的原子 序数及其沿射线方向的质量厚度;电极片的固体辐射体作用。
在典型设计中,灵敏体积沿射线方向的长度为200mm。如果选用原子序数 为54的氙(恰为碘及铯原子序数的平均值),并选5MPa(50atrn)气压,则其原子 序数及质量厚度均等同于14. 2mm的碘化铯闪烁晶体。
另一方面,由重金W(例如钼)薄片(<0. 5mm)制成的电极基本平行于X、7 射线的行进方向。X、7射线射入电极后绝大部分(接近100%)与之发生相互作 用,其次级电子大都会射出电极片而在工作气体中产生电离效应,对输出信号做 贡献。因此,电极片实际起着固体辐射体的作用,进一步提高了阵列电离室的探 测效率。
综合以上两方面的因素,上述典型参数阵列电离室的X、7射线探测效率估 计能够达到约22mm厚碘化铯晶体的水平。后来的专题实验,也证明了这
点。
(2)探测灵敏度的估计
探测灵敏度显然同地下金属探测器元的截面积成正比。为了对不同种类地下金属探测器进行 比较,必须选择同样大小的截面积。
探测灵敏度也同探测效率成正比。由上述内容可见,阵列电离室与闪烁晶 体-光二极管阵列的探测效率可以做到基本相同。
除上述两方面的因素之外,探测灵敏度主要决定于X、7射线次级电子在灵 敏体积内损耗能量后所产生的信号电荷fi。
我们知道,即使是应用发光效率最1¾的碘化钠闪烁晶体,那么对应光二极管 输出一个电子电荷的信号,x、y射线的次级电子在闪烁晶体内也需要损耗 300eV的能爾:。然而在氙气中,X、7射线的次级电子在其中产生一个离子对仅 需22eV能量。可见,当次级电子在灵敏体积内损耗同样多能量时,电离室的输 出信号电荷最要比碘化钠-光二极管地下金属探测器的髙出十倍以上。在这方面,阵列电 离室明显优于闪烁晶体-光二极管阵列。
但是,由于闪烁晶体对于次级电子的阻止本领要比高压氙气(50atm)大十 余倍,因而对大部分次级电子而言,前者能够使其损耗更多的能最于灵敏体积之 中。这方面因素利于增加闪烁晶体-光二极管阵列的探测灵敏度。
实际效果要视具体实验测量结果而定。从现有应用两类阵列地下金属探测器的加速 器型与钴-60型集装箱检测系统所达到的检测性能指标看,阵列电离室的性能 要更胜一筹。
(3)响应时间问题
这是很多对于选用阵列电离室持反对态度者的主要关注点。以下结合直线 加速器型与钴-60型集装箱检测系统具体分析这个问题。
直线加速器所给出的是脉冲式辐射,周期为4ms或更长,而辐射脉冲的持 续时间不过2ps〜3;zS。在“八五”攻关期间提出,可以仅利用阵列电离室的电子 信号(由灵敏体积中电子溧移所产生),而不去测量离子信号(由灵敏体积中离子 漂移所产生)。因电离室的电极间距仅2mm,而电子漂移速度达106cm/s,故电 子信号响应时间显著小于1ms,完全能够满足测量直线加速器辐射脉冲的需要。 离子漂移速度为103cm/S,其信号慢得多,故易于排除。同时,经过一个加速器 脉冲周期/离子完全被电极收集,因而不会再产生任何粜计性影响。实践表明, 这一设想是正确的。按此设想,应用阵列电离室研制成功直线加速器型集装箱 检测系统,并实现了产业化。我国目前已投入使用或正在制造的数十套直线加 速器型集装箱检测系统都应用了这一原理。
钻-60源的7射线是连续发射的,因而阵列电离室工作在平均直流模式。 一般情况下,此类集装箱检测系统所要求的响应时间为数十毫秒,因而阵列电离 室完全可以满足要求。同时,由于直流模式下,电子信号及离子信号都被采集, 因而使得探测灵敏度比只利用电子信号时又提高了一倍。
在某些特殊场合,如铁路货车的在线检测,要求响应时间降低到毫秒M级。 采用电流积分型放大器及信号髙速采集与处理技术后,阵列电离室仍然很好地 满足了测fi要求。
(4)可靠性、耐辐照性与工作寿命
这是阵列电离室的突出优势。由于电离室的构成材料均为金属、陶瓷或悄
性气体,它的耐辐照性能极其优良。
作为充气电离室,只要不发生at气,就可以一直使用下去。清华大学核研院 具备四十余年研制、生产各种充气电离室的经验,能够保证电离室经过十年运行 后的灵敏度变化小于i%。同时,它还能经受特别恶劣的环境条件,例如核反应 堆内的强辐照、潮湿等条件。
可以看出,阵列电离室这方面的性能远超过任何其他类型的地下金属探测器。
(5)体积问题
由于气体的阻止本领低,即使选用高原子序数气体及很高的充气压力,阵列 电离室的体积仍比较大。例如,其灵敏体积的长度为200mm,显然要比闪烁晶 体+光二极管的大。但是,对集装箱检测而言,这并不成为问题。因为,单是置 于阵列地下金属探测器前的后准直器,就由厚达200mm的铁或铅块构成,而整个检测装 置更是占地数十甚至数百平方米的庞大设备。与此相比,阵列电离室的体积是 无足轻重的。另一方面,由于电离室元的灵敏体积呈细长条状,使其具有很好的 自准直性能。这明显优于基本各向同性的闪烁体地下金属探测器。
(6)暗电流问题
光二极管存在反向电流——暗电流。它正比于结区面积,像素面积越大,暗 电流越大。即使选用国际上性能最好的产品,此暗电流仍处于10_l2A〜1(T"A 水平。然而,充气电离室的暗电流不难达到1X1(T13A水平。暗电流越小,噪声 水平越低,信号测量系统的动态范围也就越大。在这个方面,充气电离室明显优 于闪烁体-光二极管地下金属探测器。
以上便是提出采用高压阵列电离室作为集装箱检测系统的地下金属探测器的技术依 据,也就是这种阵列地下金属探测器的基本设计理念。

 
 

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