低水平放射性氙探测技术研究

作     者：罗飞 

作者单位：中国工程物理研究院 

学位级别：硕士

导师姓名：龚建

授予年度：2014年

学科分类：082704[工学-辐射防护及环境保护] 08[工学] 0827[工学-核科学与技术] 

主      题：放射性氙 叠层闪烁探测器 蒙卡模拟 脉冲波形识别 滤波窗方法 

摘      要：全面禁止核试验条约在联合国通过之后,全面禁止核试验条约组织技术秘书处(CTBTO/PTS)提出了地震、次声、水声和放射性核素四种可用于监测秘密核试验的技术手段。在放射性核素监测中,放射性惰性气体氙的四种同位素,131mXe,133Xe,133mXe和135Xe由于化学性质稳定,并且具有较大的裂变产额以及合适的半衰期,是核试验重要的示踪气体,也是禁核试后CTBTO所监测的最重要的放射性核素。 本论文研究工作的主要目的是通过低水平放射性氙探测技术的梳理,开展与放射性氙探测相关的实验工作,并研制一套可用于放射性氙探测的新型探测器。考虑到放射性氙探测的特性规律以及近年来国外放射性氙探测器的发展趋势,论文的主要工作在放射性氙叠层闪烁探测器的研制和初期实验方面开展,包括叠层闪烁探测器的结构设计与性能模拟;叠层闪烁探测器电子学读出系统的研制以及输出信号的波形识别和符合脉冲的解析;在后期工作中,结合叠层闪烁探测器开展了一些实验工作,包括探测器的性能测试、降本底技术研究、外源刻度实验以及辐照样品测量等实验内容。取得了以下一些主要结论： (1)探测器设计方面,在国内率先提出了可用于低水平放射性氙探测的叠层闪烁探测器,该探测器由两层闪烁体组成,用同一个光电倍增管收集不同闪烁层的闪烁光,利用脉冲波形识别技术计算不同闪烁层闪烁光的贡献。利用MCNP5工具包对两种不同的探测器结构进行了模拟,得到了p信号测量层BC404的最佳厚度,1.5mm厚塑闪BC404几乎完全屏蔽四种氙同位素的p信号,135Xe的910keV特征p射线仅有0.8%沉积在Y闪烁层CsⅠ(T1)中,而对133Xe的81keV特征Y射线的吸收低于6.5%。 (2)电子学读出系统方面,基于NI数字化仪器研制了可用于放射性氙叠层闪烁探测器的数字化数据采集与分析系统,该系统集成有有信号筛选,多道能谱(用于探测器各闪烁层能量刻度)以及符合脉冲分析(用于p-γ符合测量)等功能。提出了一种新的可用于符合脉冲分析的滤波窗方法,该方法可有效避免脉冲位置波动对脉冲幅度和电荷积分量计算的干扰。 (3)结合放射性氙叠层闪烁探测器的先期实验工作,获取了叠闪探测器特有的符合脉冲,通过对符合脉冲的筛选,计算了叠闪探测器的本底抑制因子为94.6±1.0;结合所研制的数据采集与分析系统,利用外置标准源的特征γ射线对叠层闪烁探测器的CsI(T1).层进行了能量刻度,利用137Cs的康普顿散射电子谱对BC404闪烁层进行了能量刻度,并通过符合脉冲解析得到本底条件下符合信号的分布规律,计算了本底条件下135Xe和133Xe的最小可探测浓度;此外进行了氙气辐照样品的测量,通过对135Xe计数区域的持续跟踪,推导出半衰期为9.56h,与135Xe理论值9.14h相对偏差为4.6%。