用于α粒子位置敏感探测器的外层闪烁光纤OLS-14-2的性能评估与优化研究

本研究针对传统波长移位光纤(WLS)在辐射探测中存在的几何限制和光产额不均问题，开发了具有外层闪烁(OLS)结构的新型光纤OLS-14-2。通过增加闪烁层厚度至47μm并采用YS-4短衰变波长转换剂，使α粒子(5.48MeV)能量沉积效率提升76%，荧光衰变时间从7.45ns缩短至2.27ns。在2.55m一维位置敏感探测器应用中，实现了160mm空间分辨率和2.07ns时间分辨率，且铝化聚酯薄膜屏蔽不影响性能。该研究为核设施大面积α污染监测提供了新型传感器解决方案。

　　

在核设施退役和放射性污染监测领域，α粒子的精确定位检测始终是重大技术挑战。传统波长移位光纤(WLS)需要耦合塑料闪烁体板使用，存在几何构型限制和光传输效率不均等问题，尤其在大面积探测时表现更为突出。更棘手的是，现有探测器对α粒子的空间分辨率通常仅能达到毫米级，且敏感区域局限在数十毫米范围，难以满足核电站等大型设施的监测需求。

针对这些技术瓶颈，日本研究团队创新性地开发了外层闪烁(OLS)光纤技术。这种特殊结构的光纤在表面集成47μm厚的闪烁层，可直接探测α粒子而无需外接闪烁体。前代产品OLS-3虽已实现2.2m探测长度，但300mm的空间分辨率仍不理想。本研究重点评估了新一代OLS-14-2光纤的性能突破，其通过优化材料体系使衰变时间缩短67%，光输出提升55%，为开发大面积α粒子位置敏感探测器提供了新方案。

研究采用多学科交叉的技术路线：通过荧光寿命测量系统(TemPro)分析光致发光光谱；使用硅光电倍增管(SiPM)阵列和数字信号处理器(APV8508)构建探测系统；基于SRIM程序计算α粒子在聚苯乙烯中的能量沉积；采用²⁴¹
Am、⁹⁰
Sr和¹³⁷
Cs放射源进行性能测试；通过时间数字转换(TDC)技术实现位置解析。

【材料特性】
OLS-14-2采用三层结构设计：765μm直径的YS-4核心(折射率1.59)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)包层和47μm厚外层闪烁体。光谱分析显示其主发射峰位于490nm，与SiPM的量子效率匹配良好。SRIM模拟证实该厚度可完全吸收5.48MeV的α粒子，能量沉积达3.10MeV(OLS-3)提升至5.48MeV。

【光学性能】
衰减长度测试表明OLS-14-2达4.7m，优于OLS-3的3.8m。脉冲高度谱显示²⁴¹
Am产生的光子数从OLS-3的11个提升至17个，估算光产额为570-2870ph/MeV。β射线(⁹⁰
Sr)测试呈现连续能谱特征，而对γ射线(¹³⁷
Cs)灵敏度极低，证实其带电粒子选择性。

【探测器性能】
在2.55m长一维探测器中，OLS-14-2展现出显著优势：时间分辨率从OLS-3的3.76ns(FWHM)提升至1.89ns；空间分辨率达160mm，较前代提高47%。线性拟合显示位置-时间关系斜率保持0.0130mm/ns的稳定性。特别值得注意的是，1.26mg/cm²
铝化聚酯薄膜的引入未影响探测性能，这对实际应用中的光屏蔽设计至关重要。

这项研究标志着光纤辐射探测技术的重大进步。OLS-14-2通过材料创新实现了衰变时间与光输出的协同优化，其2.27ns的快速响应和160mm的空间分辨率，使单根光纤即可覆盖数米级监测区域。多包层结构设计将光捕获效率提升30%，490nm的发射波长与紧凑型SiPM完美匹配，为开发柔性、大面积α污染监测网络奠定了基础。未来通过二维阵列构建和读出系统优化，该技术有望在核电站退役、放射医学等领域发挥更大作用。研究结果发表在《Journal of Luminescence》上，为特种光纤在辐射探测中的应用开辟了新途径。