用于检测由α发射体发出的低能伽马射线的phoswich探测器的开发

《Radiation Measurements》：Development of a phoswich detector for low-energy gamma rays emitted from alpha emitters

福岛核电站管道低能γ射线检测需开发便携式磷闪探测器。通过YAP:Ce与BGO晶体组合，采用脉冲形状鉴别（PSD）技术实现能区区分，蒙特卡洛模拟与实测验证能量分辨率29.1% FWHM（59.5keV），FOM 1.97，检测效率14%。

　　

森下由纪|山田勉|中曽根隆昌|金野玛丽娜|佐佐木美由纪|奈田幸久|鳥居達夫

先进退役科学合作实验室（CLADS），日本原子能机构，日本福岛县南相马市原町区海滨宿akeba 45-169，邮编975-0036

摘要

福岛第一核电站的退役工作需要对管道进行彻底检查，以检测是否存在污染，包括α核素。由于外部测量α粒子不切实际，因此检测依赖于α核素发出的γ射线。为此，开发了一种用于探测低能γ射线的phoswich探测器，并通过实验进行了验证。该探测器在设计时考虑了能量沉积特性，由YAP:Ce或高能分辨率Gd₃(Ga,Al)₅O₁₂(Ce)（HR-GAGG）闪烁体与BGO闪烁体组合而成，并使用光电倍增管进行信号放大。验证过程包括蒙特卡洛模拟和使用实际辐射源的测量。测量和模拟结果均显示出不同γ射线能量下闪烁体能量沉积的相关性。脉冲形状鉴别（PSD）图有效地区分了低能和高能γ射线，从而证实了模拟预测的准确性。YAP:Ce与BGO的结合以及数字化器的使用使得该探测器能够同时检测低能和高能γ射线。使用0.5毫米厚的YAP:Ce闪烁体时，59.5 keV下的能量分辨率为29.1%全宽半高（FWHM）。性能指标（FOM）评分为1.97。60 keV γ射线的探测效率约为14%。这些结果表明，利用多种闪烁体组合开发灵敏的低能γ射线探测器具有巨大潜力。这种phoswich探测器在检测管道中α核素发出的低能γ射线方面显示出良好效果。

引言

在福岛第一核电站（FDNPS）的退役过程中，对管道内部的污染进行无损检测非常重要。这样做的目的是防止切割管道时污染物质扩散。在FDNPS现场，已经检测到β、γ和α核素的存在[1]，其中α核素由于其对内部辐射的贡献而特别具有挑战性[2]、[3]。由于α粒子被管道屏蔽，从外部测量管道中的α核素非常困难。因此，可以考虑使用测量γ射线的方法。

通常使用锗半导体探测器来检测α放射性核素发出的低能γ射线[4]。这些探测器具有高能量分辨率，但为了获得最佳性能需要使用杜瓦瓶中的液氮进行冷却[5]、[6]。为了减少背景γ射线的影响，测量时通常将探测器置于铁制容器中[7]、[8]。然而，由于这些设备的体积和重量较大，难以将其直接运送到现场进行管道污染检测。市面上也有便携式锗（Ge）探测器[9]，但单个探测器重量约为17公斤，不便手动携带。

因此，需要一种无需冷却即可携带到现场的手持式探测器。利用具有不同衰变时间的多个闪烁体的phoswich探测器在多种应用中已被证明能有效区分α粒子、β粒子和γ射线[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。它们在检测微量α核素（如²⁴¹Am）[17]、[18]方面表现优异，因此是开发对α核素发出的低能γ射线具有特定灵敏度的探测器的理想选择。

作者之前曾为主要用于FDNPS退役过程中区分α粒子和β粒子的目的开发过phoswich探测器[19]、[20]。这些探测器已成功区分了现场污染类型。Phoswich探测器还用于中子-γ射线检测[21]和β-γ射线检测[22]。因此，通过堆叠不同厚度和材料的闪烁体，有可能提高其对α核素发出的低能γ射线的灵敏度。

在本研究中，我们开发了一种专门用于检测低能γ射线的探测器，并使用辐射源进行了实验测量，随后在运行中的核燃料设施中验证了其可行性。

章节摘录

用于低能γ射线的phoswich探测器

在设计低能γ射线探测器时，必须考虑γ射线在闪烁体内的能量沉积特性。低能γ射线倾向于在表面沉积能量，而高能γ射线则能更深地穿透闪烁体材料。这种差异提示了一种利用堆叠式闪烁体配置来检测²⁴¹Am发出的低能γ射线的策略。

波形和脉冲形状鉴别

采用电荷积分方法来区分低能和高能γ射线。该方法涉及在输出电压波形上设置两个门限，并计算积分比，即脉冲形状鉴别（PSD）。经过优化后，将门限1设置为80 ns，门限2设置为992 ns。创建了一个二维PSD图，其中积分比绘制在纵轴上，波形积分值绘制在...

讨论

在测量60 keV γ射线时，计数主要出现在第一层（YAP:Ce）；而662 keV γ射线的测量结果显示第一层和第二层都有计数。这些发现表明，通过策略性组合闪烁体，有可能开发出对低能γ射线敏感的探测器。通过组合测试确定了具有最高²⁴¹Am检测效率的闪烁体排列。

结论

在测量60 keV γ射线时，计数主要出现在第一层（YAP:Ce）；而662 keV γ射线的测量结果显示第一层和第二层都有计数。模拟计算结果也表明，第一层沉积的能量高于第二层。这些发现表明，通过策略性组合闪烁体，有可能开发出对低能γ射线敏感的探测器。

CRediT作者贡献声明

山田勉：数据管理。森下由纪：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、软件开发、方法论设计、资金获取、正式分析、数据管理。佐佐木美由纪：概念构思。金野玛丽娜：数据管理。中曽根隆昌：数据管理。奈田幸久：撰写 – 审稿与编辑、概念构思。鸟居達夫：资金获取

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本项工作得到了JAEA核能科学与技术及人力资源发展项目（项目编号JPJA24P23813810）的支持。