摘要
提出了基于溶膠-凝膠(Sol-Gel)法制備摻鈰石英閃爍光纖，將其作為輻射傳感頭，搭建了對伽馬輻射敏感的光纖傳感系統。通過改變溶膠-凝膠中鈰元素摻雜濃度，分別拉制出 Ce 與 Si的摩爾分數分別為 0.14%和 0.22%的閃爍石英光纖。利用 137Cs 伽馬輻射源，研究了閃爍光纖涂覆層、鈰元素摻雜濃度及閃爍光纖長度等參量對輻射傳感特性的影響。
關鍵詞 光纖光學; 光纖傳感; 摻鈰光纖; 伽馬輻射; 溶膠-凝膠法
引 言
隨著伽馬輻射探測技術在醫學放療、石油測井、工業探傷及核能設施安全監控等領域的廣泛應用[1-3] ，人們對伽馬輻射傳感器件的功能提出了越來越高的要求，如在核能設施伽馬輻射監控應用中，需要將輻射傳感頭與光電轉換器件分離從而實現遠程實時監控；在石油測井應用中，需要輻射傳感頭可工作于高溫高壓環境[4] ；在醫學放療應用中，需要微小尺寸傳感頭進行在體檢測輻射劑量等。
基于閃爍光纖的光纖傳感器利用了閃爍體對伽馬輻射敏感、體積小和與導光光纖易于耦合等特點，為實現遠程、惡劣環境的輻射監測提供了可能[5-6] 。然而，目前的閃爍光纖受材料和制備工藝等因素的制約，只在放射性診療和高能物理實驗等環境穩定安全的有限領域實現了應用[7] ，而在其他諸如工業安全、石油開采和核工業等特殊環境中的應用還有局限性。
目前，閃爍光纖可根據材料分為有機和無機兩大類。其中，有機閃爍光纖方面的研究主要集中在高分子有機材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)閃爍光纖上。該光纖具有制備工藝簡單、成本低廉、發光效率高等優點，適用于放射性診斷和粒子追蹤領域[8-10] 。但是 PMMA 存在耐強輻射性能差、使用壽命有限、無法在高溫環境下使用等弊端，而且商用的塑料光纖尺寸最小只能達到毫米量級，難以彎曲置于復雜的輻射探測對象內部，不易與導光光纖耦合而實現遠距離的實時輻射傳感。
相比于有機閃爍光纖，無機閃爍光纖具有對輻射線性響應好、尺寸小、重復性良好等優點，對輻射能量的吸收性也更好[11] 。常見的無機光纖有晶體閃爍光纖和石英閃爍光纖兩種。晶體閃爍光纖的制備方法是在高溫下拉制生長獲得，可用于核科學和醫學放療等領域[12] 。但晶體閃爍光纖存在生長速度慢、均勻性差、生長長度短，而且不易與現有石英光纖熔接等問題。石英閃爍光纖則是利用特殊的摻雜工藝將 Ce、Eu、Yb 等元素摻入到石英光纖中使其對紫外(UV)及伽馬輻照敏感[13] ，具有價格低廉、均勻性好、拉制長度長等優點，是目前制備無機閃爍光纖方案中較好的選擇。
溶膠-凝膠(Sol-Gel)法是一種可以均勻定量地向無機材料中摻入微量元素的成熟工藝，主要用于制備摻雜的玻璃、薄膜[14] 等。鈰、鋱、銪等稀土元素是無機閃爍體的常見激活劑，其在閃爍玻璃中的能量傳遞機理已趨成熟[15] ，同樣適用于無機閃爍光纖的摻雜。近年來，米蘭比可夫大學和南安普斯頓大學等研究機構嘗試以 Sol-Gel 法將摻鈰元素的干凝膠粉末填入石英管制備閃爍石英光纖[16-17] ，大大簡化了制備的工序和成本。中國科學院上海光學精密機械研究所這兩年也利用 Sol-Gel 法制備出摻鈰的 Lu2Si2O7光纖[18] 。但是，他們的工作主要集中在 X-ray 輻照下的傳感性能，未涉及光纖對伽馬輻射探測方面的傳感性能研究。
本文提出采用 Sol-Gel 法制備摻鈰二氧化硅粉末，基于粉末套管法拉制摻鈰閃爍石英光纖，研究了該閃爍光纖對伽馬輻射的傳感特性。測試分析了閃爍光纖的輻射靈敏度，研究了不同摻雜濃度、不同長度的摻鈰閃爍光纖的響應特性。
2 摻鈰光纖制備及閃爍特性測試系統
2.1 閃爍光纖樣品制備
采用 Sol-Gel 工藝制備摻鈰二氧化硅粉末，利用粉末套管技術制備光纖預制棒并拉制摻鈰閃爍石英光纖作為系統光纖傳感頭，具體制備工藝步驟如下[19] ：
1) 將正硅酸四乙酯(TEOS)、乙醇、去離子水按比例配置成溶液，加入合適濃度的硝酸鈰乙醇溶液引入 Ce3+ ；
2) 硅油浴加熱溶液至 40 ℃并保持 12 天獲得凝膠；
3) 將干凝膠研磨成粉末，放入管式爐中緩慢升溫并分段保溫，充分去除殘余有機物得到摻鈰石英粉末；
4) 取一端拉錐封口的石英管，將摻鈰石英粉末填入，并通過超聲浴致密粉末，獲得光纖預制棒；
5) 將填有摻鈰粉末的石英光纖預制棒在拉絲塔上進行拉絲。
為了分析不同摻鈰濃度對閃爍光纖輻射敏感性能的影響，制備了 A、B 兩組不同摻鈰濃度的閃爍光纖樣品，通過 X-ray 熒光光譜儀(XRF-1800，SHIMADZU)測試，可以得知摻雜粉末濃度，如表 1 所示。
閃爍光纖樣品 A 的端面如圖 1 所示，不存在明顯的芯包層結構，這是因為在該濃度范圍內的樣品粉末摻雜濃度較低，粉末所形成的芯層部分折射率與石英包層較為接近，無法形成折射率差明顯的芯包層結構。閃爍光纖樣品 B 存在類似情況。
2.2 測試系統
利用光電倍增管(PMT，H8259)搭建了用于伽馬射線輻射探測的光纖傳感系統。由于 PMT 的敏感窗口是在可見光波段，為防止環境光的影響，PMT 和閃爍光纖均置于暗箱內測試。PMT 存在系統暗噪聲，主要由電路噪聲和環境射線輻射背底噪聲所引起，本研究所選用的 PMT 暗噪聲在 20 ℃室溫下約為每秒 2 至 4 個光子。本實驗采用的伽馬源為 137Cs，該源的射線能量為 662 keV，放射性活度為 40.2 kBq(1 Bq 表示放射源每秒發生 1 次放射性衰變)。測試過程保持室溫為 20 ℃。
3 伽馬傳感特性及分析
利用所制備的摻鈰閃爍光纖以及搭建的測試系統對伽馬輻射源 137Cs 進行伽馬傳感測試，考察該閃爍光纖的輻射靈敏度，并研究影響該靈敏度的因素，包括摻雜濃度、光纖長度，此外對該光纖進行重復性測試。
3.1 閃爍光纖伽馬輻射傳感響應特性
考慮到所制備光纖纖芯折射率差較小，常規光纖涂覆層對摻鈰閃爍光纖的輻射傳感特性可能會產生影響，故對有、無涂覆層的閃爍光纖樣品分別進行輻射靈敏度測試。
截取一段 27 cm 長的帶涂覆層 A 組樣品光纖進行測試，記錄 1 min 內系統測得的每秒光子數，即 CPS 讀數，之后，剝離光纖的涂覆層后，進行同樣的測試并記錄數據。如圖 3(a)所示，剝離涂覆層后的 CPS 示數較高。可見，實驗用的摻鈰閃爍光纖輻射傳感特性確實受涂覆層影響，這主要是由于芯層的摻鈰濃度較低，與周圍石英未形成明顯的芯包層折射率差，光纖中傳輸光子的反射主要依靠光纖與空氣的界面完成，而涂覆層的折射率高于石英，在包層和涂覆層界面處將引起光線外泄。鑒于此，接下來的測試中使用的光纖樣品均為剝除涂覆層后的裸纖。
取 10 cm 直徑為 150 μm 的 A 組無涂覆層的光纖樣品進行測試：將輻射源 137Cs 置于該樣品光纖中段，記錄 1 min 內的 CPS 讀數；取出光纖后，保持 Cs 源位置不變，同樣記錄 1 min 內系統暗噪聲輸出 CPS。如圖 3(b) 所示，有輻射源作用的 A 組光纖輸出的 CPS 曲線顯著高于暗噪聲的輸出 CPS，1 min 內記錄的 60 組 CPS 的平均值為 12，根據光纖尺寸可得單位面積每秒產生的光子數為 6.8×108 。
3.2 光纖長度、摻雜濃度對輻射敏感特性的影響利用閃爍光纖進行伽馬輻射源探測時，閃爍光纖的長度、伽馬輻射源與光纖相對位置、敏感元素鈰的摻雜濃度都將影響傳感系統的測量性能。
分別截取長度為 18 cm 的 A、B 兩組樣品光纖進行輻射傳感測試，記錄 1 min 內有、無伽馬輻射源情況下的 CPS 數，之后以 4 cm 為單位截短光纖，依次測得兩組光纖在 18，14，10，6 cm 四個長度光纖的 CPS 數。此外，在測試光纖前后分別記錄系統的暗噪聲，以便排除溫度變化造成暗噪聲上升的影響。將測得每個長度上的 CPS 數減去測試前后測得的系統暗噪聲的平均數，得到兩組光纖不同長度下的 CPS 數，結果如圖 4 所示。可以看出，摩爾分數為 0.14%摻鈰濃度光纖的靈敏度高于摩爾分數為 0.22%摻鈰濃度光纖。這主要是由三價鈰離子的發光機理決定的：摻鈰光纖在輻照下能產生光子是由于伽馬射線輻照光纖使得 Ce3+ 在 4f 軌道上的自由電子激發到 5d 軌道上，然后放射出一部分能量躍遷回 4f 軌道并發出光子。如果摻鈰濃度過高， Ce3+ 容易被氧化成四價，失去該自由電子，同時，摻雜濃度過高的 Ce3+ 也容易發生團簇現象，發生猝滅效應[16-17,20] ，因此，摩爾分數為 0.14%摻雜濃度的光纖具有較高的靈敏度。
另外，比較 A、B 兩組不同長度光纖樣品的 CPS 讀數可以發現，相同濃度的光纖，長度越長，受輻射發光區域越大，產生的光子數也就越多，然而，兩者之間并非具有線性關系。1) 輻射源到達光纖各點的距離并不一致，當距離過大時，輻射能量隨距離大幅度衰減，呈現非線性，為此，通過橫向移動 137Cs，研究輻射源到光纖的距離對 CPS 讀數的影響，移動方向與光纖保持垂直。實驗結果如圖 4(b)所示，橫坐標是輻射源到定長閃爍光纖中點的距離，當輻射源與光纖的距離從 0 增大到 5 cm 時，源輻射產生的光子數已經迅速衰減至 1/5；距離超過 15 cm 時，光子數已經趨向于零。可見，閃爍光纖長度超過 30 cm 的部分已經無法再受該輻射源激發產生光子。2) 到達 PMT 窗口的光子數不僅受光纖發光效率的影響，同時也受其傳光效率的制約。當光纖長度過長，遠端產生的光子在到達 PMT 窗口前已全部衰減，無法被系統檢測。
此外，B 組光纖在 6 cm 處出現負值是由于在該長度和濃度下光纖本身受輻照產生的光子已經完全被系統暗噪聲掩蓋。由圖 4(b)可初步得到在摩爾分數為 0.22% 摻鈰濃度下，B 組光纖樣品在這一系統中所使用光纖長度應大于 8 cm。
3.3 閃爍光纖伽馬輻射傳感重復性測試
為驗證光纖樣品可以在多次伽馬輻照后保持一定的輻射靈敏度，進行以下實驗：每隔 2 min 重復測試同一段光纖樣品對 137Cs 的輻射響應，記錄 10 組 CPS 數據(每組 60 個數據)。實驗結果的箱式圖如圖 5 所示。其中，星號表示異常值，上下短橫線表示除異常值外的邊緣值，矩形框陰影部分表示近半數的數據分布區域，矩形框中的橫線表示每組 CPS 的中位數，小正方形表示其平均數。可見在 1 min 內，每組 CPS 的波動范圍大多不超過 5。利用每組 CPS 的平均數進行表征，在持續一段時間(20 min)的伽馬射線輻照下，樣品光纖仍有較好的輻射靈敏度，CPS 無顯著變化。圖 5 中首次測量的平均 CPS 數比后面的高出 2~3 個 CPS，這是打開暗箱放置光纖樣品時因引入環境光造成的。為排除放置光纖樣品的過程對實驗結果的影響，每次測試需在放置光纖樣品 5 min 后進行。此外，采用直徑為 1 mm 的塑料光纖進行間隔 5 min 的重復性測試，發現 5 min 后的測試得到的 CPS 數減少了約 30 個，可見摻鈰石英閃爍光纖具有良好的耐輻照能力。
4 結 論
利用 Sol-Gel 法結合管棒拉絲技術制備的摻鈰石英光纖作為輻射傳感頭，搭建了對低濃度伽馬輻射敏感的光輻射傳感系統。經實驗證實，該工藝下的閃爍光纖對伽馬輻射敏感，單位面積每秒產生的光子數達 6.8×108 。考慮常規光纖涂覆會對該光纖的輻射傳感性能產生影響并設計實驗得到了驗證。通過對不同濃度、不同長度的摻鈰光纖裸纖進行輻射傳感測試發現，摻鈰濃度較低的閃爍光纖靈敏度較高，這符合了三價鈰離子的發光機理(Ce3+ 的猝滅效應)。此外，相同濃度的光纖越長，受輻射發光區域越大，產生的光子數也越多。最后通過可重復性測試證實，光纖樣品可以在多次伽馬輻照后保持一定的輻射靈敏度。