使用外层闪烁光纤直接探测氚衰变低能β粒子并通过光纤束增强光子收集

《Radiation Measurements》：Direct detection of low-energy beta particles from tritium decay using outer-layer scintillation fibers with enhanced photon collection by fiber bundling

　　

研究人员利用外层闪烁（OLS）光纤成功演示了氚衰变低能β粒子的直接探测。光纤束配置使得能够回收从单根光纤逸出的闪烁光子，从而通过光纤束效应增强了光子收集效率。结果表明，OLS光纤束在面向未来聚变燃料循环系统的水环境中进行实时、原位氚监测方面具有潜力。

**论文解读**

**1. 研究背景与问题**

氚（T）作为氢的放射性同位素，是氘-氚（D-T）聚变反应堆的关键燃料。未来聚变电站中，氚的总存量预计将达到数公斤量级，对应极高的放射性，这在人类工业系统中尚属首次。氚通常以可移动的化学形态存在，如分子氢（HT、T₂）或氚化水（HTO），这些形态具有高扩散性和渗透性，易从燃料循环系统中泄漏。因此，对氚浓度，尤其是水环境中的氚浓度进行实时监测，对于确保聚变设施运行安全和社会接受度至关重要。然而，氚衰变发射的β粒子能量极低（最大能量18.6 keV，平均约5.6 keV），在物质中射程极短（水中仅数微米），传统带有窗体的辐射探测器难以检测。标准检测技术——液体闪烁计数（LSC）需要采样、化学处理，并产生二次放射性废物，不适用于连续、原位、实时监测。为克服这些局限，研究人员持续探索替代检测方法，其中闪烁光纤探测器具有柔性几何形状、大面积探测、可直接接触目标介质等优势。但传统闪烁光纤中，包层会阻挡低能β粒子进入闪烁核心，导致探测效率极低。为此，新型外层闪烁（OLS）光纤被提出，其将闪烁层置于光纤外表面，使低能β粒子能直接沉积能量。然而，OLS光纤的光子收集效率仍有限，大部分闪烁光子散射丢失。通过光纤束配置，利用“光纤束效应”（FBE）——即从一根光纤逃逸的光子可被相邻光纤捕获——有望显著提升光子收集效率。本研究旨在实验验证两个关键方面：（1）利用OLS光纤直接探测氚衰变β粒子；（2）通过光纤束效应增强光子收集效率。该工作为未来聚变堆实际实时氚监测技术提供了基础。论文发表在《Radiation Measurements》。

**2. 关键技术方法**

研究人员采用了以下主要技术方法：（1）使用购自日本Kuraray公司的OLS光纤（OLS-8型），其直径为0.9 mm，由三层结构组成：外层为掺杂荧光材料的聚苯乙烯闪烁层（OSSL，约25 μm厚），中间为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和氟碳聚合物（FP）包层（约75 μm厚），内芯为Y-11波长移动光纤（WLSF，直径约0.8 mm）。（2）构建由30根30 cm长OLS光纤组成的光纤束，两端分别连接闪烁探头（SP-200，日本Ohyo Koken Kogyo），采用符合计数系统（符合窗口40 ns）降低噪声。（3）使用密封的²⁴¹Am α源（活度8 kBq）进行系统基准测试，使用经氚离子辐照的石墨作为β粒子源（经氚监测仪测量计数率为7.6 s^-1）。（4）通过插入薄塑料膜（约3 μm厚）屏蔽β粒子，以确认β信号贡献；通过放置一段独立OLS光纤在α源上，观察相邻光纤束的计数率增加，以演示光纤束效应。

**3. 研究结果**

**Alpha粒子测量**：使用单根OLS光纤和²⁴¹Am α源进行基准测试。结果显示，两端闪烁探头测得的脉冲高度谱一致，表明实验条件（光电倍增管增益、信号放大）匹配良好，系统工作正常。

**氚衰变低能β粒子测量**：将OLS光纤直接置于氚辐照石墨源上，观察到在低脉冲高度区域计数率显著增加；当插入薄塑料膜屏蔽β粒子后，计数率降至本底水平，说明检测到的信号来自氚β粒子，且X射线贡献可忽略。与α粒子测量相比，β粒子引起的脉冲高度分布向更低值偏移，符合低能β粒子产生的闪烁光子数更少的预期。

**光纤束效应演示**：将一段独立OLS光纤放在²⁴¹Am α源上，该光纤未连接探头。对比无该段光纤的情况，当放置该段光纤时，光纤束的计数率在低脉冲高度区域显著增加，证明来自该段光纤OSSL的闪烁光子被相邻光纤束中的WLSF核心吸收并检测，从而验证了光纤束效应。观察到的脉冲高度较低，归因于几何因素（源与光纤束距离较远，立体角限制）。

**4. 讨论与结论**

讨论部分指出，在光纤束直接浸入氚水溶液的实际应用中，各向同性发射的闪烁光子将有更大比例被相邻光纤捕获，因此密集排列的光纤束有望显著提升探测效率。本研究为概念验证实验，结果表明OLS光纤束在实时氚监测（尤其水环境）中具有潜力。实际部署需将光纤束长度从30 cm扩展以提升灵敏度，但长光纤中的光衰减是关键问题，需通过系统实验确定最优设计。

研究结论：本研究成功演示了利用OLS光纤直接探测氚衰变低能β粒子。通过使用外层闪烁层（OSSL），实现了与射程极短的β粒子的有效相互作用。通过有无薄塑料膜屏蔽的对比测量，确认检测信号来自氚β辐射，且β粒子诱导的X射线贡献可忽略。此外，使用一段OLS光纤作为外部光子源，实验证明了光纤束效应（FBE），观察到计数率增加，表明从非仪器化光纤发射的闪烁光子可被束内相邻光纤有效捕获，该结果证实了通过光纤束增强光子收集。本研究为概念验证实验，结果表明OLS光纤束在实时氚监测（尤其水环境）中具有实际应用潜力。