用于高靈敏檢測輻射的閃爍性光纖傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于高靈敏檢測輻射的閃爍性光纖傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]閃爍性的技術(shù)已被長期用來檢測和監(jiān)控從放射性物質(zhì)發(fā)出的高能輻射和離子化粒子。在一個(gè)閃爍性的過程中，一個(gè)高能光子(X射線或γ射線)或一個(gè)離子化粒子(a粒子、B粒子或中子)與一個(gè)閃爍性的材料相互作用產(chǎn)生光子，并可用光電倍增管或光電二極管將光信號轉(zhuǎn)化為電信號進(jìn)行測定。用于高能輻射和離子化粒子檢測的閃爍性技術(shù)最具吸引力的優(yōu)點(diǎn)包括:環(huán)境溫度下的操作，高的靈敏度和高的能量分辨率。閃爍性檢測技術(shù)環(huán)境溫度下操作的特征與基于半導(dǎo)體只能在低溫下工作的檢測技術(shù)形成對比。因此，在輻射檢測中閃爍性技術(shù)的應(yīng)用范圍比那些基于半導(dǎo)體的技術(shù)的應(yīng)用范圍更加廣泛，尤其是對于現(xiàn)場的測定。
[0003]閃爍性材料的性能是決定一個(gè)閃爍性檢測器的靈敏度和能量分辨率的關(guān)鍵因素。這里有幾類閃爍性的材料可用于不同的應(yīng)用目的。無機(jī)鹽晶體，如CsI (Tl)，NaI(Tl)用于T輻射檢測的閃爍性材料中具有最高的光子產(chǎn)率。然而這些晶體有一些缺點(diǎn):它們通常都很昂貴，在處理和操作時(shí)需要很小心，也不能用于惡劣的環(huán)境中。一些其它的無機(jī)化合物，如ZnS，CdSe，也有高的光子產(chǎn)率，但是因?yàn)樗鼈兊男阅芏荒苤瞥赏该鞯木w。因此它們通常被用作涂層涂在透明玻璃的表面用于重粒子的檢測。稀土金屬離子是非常好的熒光性物質(zhì)，已被用于閃爍性檢測。稀土元素通常被分布在一個(gè)透明的模型中，如玻璃或硅材料，通過與高能粒子間的相互作用而產(chǎn)生的光子被引導(dǎo)通過玻璃而被捕獲至光子檢測器。有機(jī)閃爍體，如芳香族化合物，尤其是多環(huán)芳香烴(如蒽和對稱二苯乙烯)已被用于檢測B粒子、T射線和中子，在苯溶液或甲苯溶液中的PP0(2，5-二甲基-1，3-惡唑)和P0P0P(1，4-二(5-苯基-2-惡唑基)苯)已被廣泛用于生物研究中對14C的計(jì)數(shù)。
[0004]塑料閃爍體可通過將閃爍性的熒光物質(zhì)加入一塑料結(jié)構(gòu)中得到，如加入聚苯乙烯，聚甲基苯烯酸甲酯等的結(jié)構(gòu)中。用一個(gè)塑料閃爍體對高能粒子進(jìn)行檢測的最具吸引力的特征是可將檢測器制成我們想要形狀和大小的可能性。因此就可能制得大尺寸的塑料閃爍體，可提高閃爍性檢測的靈敏度。另外，因?yàn)槲覀兛煽刂扑芰祥W爍體的形狀，就可制成一些特殊應(yīng)用要求的形狀的塑料閃爍體用于設(shè)計(jì)專門的檢測器。而且，在由可控制形狀的閃爍體設(shè)計(jì)而成的閃爍性檢測器中，光子很容易通過閃爍體而被捕獲至光子檢測器。例如，摻雜有熒光性物質(zhì)的聚苯乙烯已被制成光纖的形式用于γ射線的檢測。在如此一個(gè)光纖中產(chǎn)生的閃爍性的光信號可通過光纖傳輸很容易地被捕獲至一個(gè)與光纖連接的光電倍增管。塑料閃爍體使用最主要的缺點(diǎn)在于它們在將輻射轉(zhuǎn)化成可測光子的固有低光產(chǎn)量以及低的能量分辨率(相比于固態(tài)的檢測器)。例如，塑料閃爍體的光子產(chǎn)率通常大約為一個(gè)晶體閃爍體的15%或者更低。
[0005]在閃爍性的材料中，無機(jī)閃爍體用于檢測γ射線最高的光子產(chǎn)率和最好的能量分辨率。然而，目前無機(jī)閃爍體一般都是以晶體或涂層的形式被應(yīng)用。該晶體非常昂貴，在操作和處理時(shí)需要特別小心。另外，制成大尺寸的晶體也很困難和昂貴。塑料閃爍體很耐用，而且可被制成我們想要的形狀以及大尺寸的閃爍體。然而，這類閃爍體具有低的光子產(chǎn)率和低的能量分辨率，從而限制了其應(yīng)用。而新的閃爍性材料，既擁有與塑料閃爍體相似的彎曲性能，可制成大尺寸的材料具有尚的靈敏度，還擁有無機(jī)閃爍體尚的光子廣率和尚的能量分辨率，因此，它被寄予高度期望用于設(shè)計(jì)出功能強(qiáng)大的閃爍性檢測器。
[0006]以往傳統(tǒng)的閃爍性傳感器，將閃爍體制成大尺寸的形式，其局限不僅在于制作技術(shù)的難度和花費(fèi)的昂貴，還在于靈敏性很差。因?yàn)檩椛渑c閃爍體作用產(chǎn)生閃爍光的方向是向著各個(gè)方向的，用光電倍增管無論在那個(gè)方向檢測都只能檢測到一部分光子，存在嚴(yán)重的光損失，因此不能有效地轉(zhuǎn)移和捕獲閃爍性材料中發(fā)出的光子至光子檢測器中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明旨在提供一種用于高靈敏檢測輻射的閃爍性光纖傳感器，可實(shí)現(xiàn)對輻射的現(xiàn)場實(shí)時(shí)測定，檢測靈敏度高，傳感過程中光子產(chǎn)率和能量分辨率高，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。
[0008]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明是采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0009]本發(fā)明公開的用于高靈敏檢測輻射的閃爍性光纖傳感器，包括依此連接的閃爍性光纖、傳導(dǎo)光纖和光檢測器，所述閃爍性光纖采用多孔納米硅材料，所述多孔納米硅材料中摻雜有納米尺寸的閃爍體。
[0010]優(yōu)選的，所述閃爍性光纖采用溶膠-凝膠閃爍性技術(shù)制備。
[0011]優(yōu)選的，所述閃爍性光纖按照以下步驟制備得到:
[0012]a、取硅氧烷與乙醇混合，加入鹽酸水溶液，攪拌反應(yīng)，得到硅溶膠溶液；
[0013]b、將閃爍體加入到溶劑中，得到閃爍體溶液；
[0014]C、將步驟a所得硅溶膠溶液與步驟b所得閃爍體溶液混勻，加入還原劑，得到含有閃爍體的硅溶膠溶液；
[0015]d、將步驟c所得含有閃爍體的硅溶膠溶液裝填于管中，定型，得到多孔材料的凝膠；
[0016]e、將步驟e所得多孔材料的凝膠從管中洗脫出來，干燥或自然風(fēng)干，即得閃爍性光纖。
[0017]優(yōu)選的，步驟a中，娃氧燒與乙醇的體積比為45:55 ;娃氧燒與鹽酸水溶液的體積比為45:10 ;步驟b中，閃爍體與溶劑的質(zhì)量體積比為1:lmg/ml ;步驟c中，閃爍體的加入量為 18mg/100ml。
[0018]優(yōu)選的，步驟a中，鹽酸水溶液的pH = I ;步驟b中，溶劑為水或乙醇；步驟c中，還原劑為H2、N2H4或NaBH 4;步驟e中，洗脫的溶劑為水或乙醇。
[0019]步驟a 的反應(yīng)為:(I) (R0)3S1-0R+H20— (RO) 3Si_0H+R0H ;步驟 b 的反應(yīng)為:⑵(R0)3S1-OH+(RO)3S1-OR— (RO)3S1-O-Si (OR)3+R0H，(3) (RO)3S1-OH+(RO)3Si_0H— (RO)3S1-O-Si(OR) 3+H20 ;其中，R表示烷基。
[0020]發(fā)明將一種溶膠-凝膠技術(shù)制備的納米結(jié)構(gòu)的材料以光纖的形式用于傳感器的設(shè)計(jì)中，溶膠-凝膠是一個(gè)通用的溶液過程用于制備納米結(jié)構(gòu)的硅材料和金屬氧化物材料。另外，這種室溫下的溶液過程也可用于合成混合材料，如嵌入金屬鹽或金屬氧化物的硅材料，固定有納米金屬粒子的娃材料，固定有酶的娃材料。溶膠-凝膠技術(shù)得到的娃材料可根據(jù)不同的應(yīng)用目的而制成粉末、涂層、光纖和大尺寸的形式。溶膠-凝膠得到的混合材料已被用作催化劑來催化高溫下的氣體反應(yīng)，作為吸附劑用于氣體的儲存和分離，作為生物活性材料用于催化生化反應(yīng)及分離，作為傳感材料用于光纖傳感器設(shè)計(jì)。
[0021]進(jìn)一步的，所述閃爍性光纖與傳導(dǎo)光纖之間通過石英毛細(xì)管連接，閃爍性光纖、石英毛細(xì)管、傳導(dǎo)光纖采用環(huán)氧樹脂膠固定并形成一個(gè)連續(xù)的光導(dǎo)管。
[0022]優(yōu)選的，所述光檢測器為光電倍增管。
[0023]進(jìn)一步的，所述光電倍增管通過SMA連接器連接傳導(dǎo)光纖。
[0024]進(jìn)一步的，所述光導(dǎo)管密封在一個(gè)黑管里。
[0025]進(jìn)一步的，所述光電倍增管密封在一個(gè)黑色圓筒里。
[0026]在上述技術(shù)方案中，將摻雜有納米閃爍體的多孔硅閃爍性光纖用于輻射測定的傳感器設(shè)計(jì)中，將閃爍性光纖與一個(gè)傳統(tǒng)的傳導(dǎo)硅光纖相連。盡管在閃爍性光纖中產(chǎn)生的光子也可傳至光纖末端被光子檢測器捕獲，但在技術(shù)上無法將閃爍性的光纖與一個(gè)光子檢測器如光電倍增管直接相連而進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳感，使傳感器的應(yīng)用受到限制。一個(gè)新組裝的光纖是將閃爍性的光纖與市場上可買到的傳統(tǒng)通用目的的硅光纖相連的光纖。通過這種設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)光纖部分將作為光路徑用于傳輸在光纖中產(chǎn)生并傳出的光子。用一個(gè)石英毛細(xì)管可將上述兩種光纖連接起來，并用環(huán)氧樹脂膠固定，從而形成一個(gè)連續(xù)的光導(dǎo)管，在閃爍性光纖內(nèi)產(chǎn)生的光子通過光纖的全反射傳輸至傳統(tǒng)硅光纖從而被傳輸至光電倍增管?？捎糜谶h(yuǎn)距離傳感，避免了高能輻射對光子檢測器的直接沖擊。
[0027]在上述設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，用一標(biāo)準(zhǔn)的SMA連接器將傳統(tǒng)光纖的末端與光電倍增管連接起來。另外，在閃爍性光纖中產(chǎn)生的光子與工作環(huán)境中的雜散光如太陽光或?qū)嶒?yàn)室照明汞燈產(chǎn)