穩(wěn)態(tài)輻射源電流法評估無機閃爍體抗中子干擾能力

胡孟春，馮璟華,周 剛，李忠寶，唐登攀，張建華，司粉妮，黃 雁

（中國工程物理研究院核物理與化學研究所，四川 綿陽 621900）

0 引 言

有機閃爍體一般含有氫元素，含氫物質(zhì)對中子較敏感，比較適合于中子測量;無機閃爍體密度大，平均原子系數(shù)高，對γ、X射線有較大的阻止本領，比較適合于γ測量。γ輻射探測器的抗中子干擾能力是判斷γ測量信號質(zhì)量的重要依據(jù)之一。γ輻射探測器在γ輻射靈敏度相同的情況下，對中子干擾輻射靈敏度越低的探測器抗中子干擾能力越強；γ輻射探測器在中子干擾輻射靈敏度相同的情況下，對γ輻射靈敏度越高的探測器抗中子干擾能力越強?？怪凶痈蓴_能力越強的γ輻射探測器，在n、γ混合輻射場中，測量的γ輻射數(shù)據(jù)可靠性越高。在n、γ混合輻射場中近距離直接測量γ輻射時，使用的探測器必須對γ輻射較靈敏而對中子相對不靈敏。CeF3[1-5]、YAP∶Ce[6-11]、LaCl3∶Ce[12-14]等均為新型快響應無機晶體，這些無機閃爍體發(fā)光衰減時間短，近年越來越引起人們的關注，一些研究者對它們的發(fā)光衰減時間特性、發(fā)光產(chǎn)額、抗輻射特性等方面進行了一些研究[1-14]。而這些新型無機閃爍體構(gòu)成探測器的抗中子干擾能力研究數(shù)據(jù)報道較少。由于中子與物質(zhì)作用總要形成γ，無機閃爍體對γ輻射靈敏而對中子輻射相對不靈敏，因而在中子場中對無機閃爍體的中子絕對靈敏度進行精確標定是很困難的。本工作目的是通過簡單的分析和推導，使用新型無機晶體探測器，據(jù)此能夠應用穩(wěn)態(tài)中子源和60Co放射性γ源，在不用測量測點注量率的情況下，也可以得到無機閃爍體抗中子干擾能力的數(shù)據(jù)。

1 γ輻射探測器抗中子干擾能力的物理表征

γ輻射探測器的抗中子干擾能力Kn，可以用探測器對應γ輻射的靈敏度Sγ與對應中子輻射的靈敏度Sn的比值來表征[15-17]：

如果能夠直接得到探測器對應γ輻射的靈敏度和對應中子輻射的靈敏度，應用式（1）就可以得到探測器的抗中子干擾能力數(shù)據(jù)。

2 探測器靈敏度穩(wěn)態(tài)輻射源電流標定法

穩(wěn)態(tài)輻射源標定法是實驗測定閃爍探測器對輻射靈敏度的一種較簡單的方法。對于電流輸出型探測器，單能穩(wěn)態(tài)源情況下，探測器的靈敏度可以直接用探測器輸出電流I與探測器位置處引起探測器電流輸出的輻射粒子注量率φ的比值來表示[15-17]即：

將探測器放置在輻射場中，直接測量I和φ，應用式（2）計算就可以得到探測器對輻射的靈敏度。離源點距離L處的注量率φ也可以按式（3）計算得到：

其中，源的強度J是通過監(jiān)測測量得到，如果是放射性源也可以根據(jù)出廠源的活度推算出來，該方法適用單能穩(wěn)態(tài)中子源和穩(wěn)態(tài)γ源情況的靈敏度標定。

3 γ輻射探測器抗中子干擾能力直接測量的困難

由上面測量原理分析初步來看：在單能輻射源的情況下，穩(wěn)態(tài)源應用式（2）和式（3），就可以得到探測器對γ輻射的靈敏度Sγ或者對中子輻射的靈敏度Sn，結(jié)合式（1）就能夠得到γ輻射探測器的抗中子干擾能力Kn。但實際應用時，穩(wěn)態(tài)情況下需要準確知道測點的輻射粒子注量率φ或輻射源的強度J。對于穩(wěn)態(tài)γ輻射源來說這些比較容易實現(xiàn)，而對穩(wěn)態(tài)中子輻射就相對比較難，因為中子與物質(zhì)作用常常伴隨著γ產(chǎn)生，探測器的電流輸出中除了中子源直接作用的貢獻外，還有這些伴隨γ等本底輻射引起的電流貢獻。一般情況下無機閃爍體對γ輻射相對靈敏而對中子輻射相對不靈敏，如果不采取措施直接測量，在無機閃爍探測器測量中子源的電流輸出中，中子引起的貢獻反而可能比例小一些，這樣應用上面公式得到的無機閃爍體的中子靈敏度不確定度就會很大，由此得到的探測器抗中子干擾能力數(shù)據(jù)也就很難有實際參考價值。

4 γ輻射探測器抗中子干擾能力的間接獲取方法

4.1 間接獲取γ輻射探測器抗中子干擾能力的計算公式

應用一個已刻度好的基準探測器，基準探測器的抗中子干擾能力、對應γ輻射和中子輻射的靈敏度分別為 Kn0、Sγ0、Sn0。根據(jù)式（1）同樣可以有下面關系

結(jié)合式（1）～式（4）可以得到：就可以得到Kn。

4.2 穩(wěn)態(tài)輻射源情況下獲取的方法

根據(jù)式（2）和式（3）可以得到：

S0、I0、L0分別為作為基準的探測器靈敏度、輸出電流和測點至源中心的距離，S、I、L分別為被測探測器靈敏度、輸出電流和測點至源中心的距離。實際測量中，一般可以將兩探測器放在離源中心相同位置處，這樣L0=L，進入兩個探測器的輻射注量率也應當是相同的。如果光電倍增管特性也幾乎相同（或相對靈敏度已刻度好），通過比較兩探測器扣除本底后的電流輸出就可以得到無機閃爍體探測器相對基準閃爍體探測器的相對靈敏度。這樣式（6）可以變?yōu)?/p>

因此，在上述條件下，不用測量測點注量率，直接采用式（7）的電流比較法，就能夠用穩(wěn)態(tài)輻射源測量獲取，從而根據(jù)式（4）和式（5）得到被測無機閃爍體探測器的抗中子干擾能力。

5 評估CeF3閃爍探測器抗14 MeV中子干擾能力時的應用實例

根據(jù)式（2）和式（3），在60Co或137Csγ 放射源場中，用電流法能夠從實驗中直接測得約為0.55[1-5]，由于ST401塑料閃爍對中子相對靈敏，根據(jù)式（2）、式（3）和式（4）應用60Coγ 放射源和 DT（14 MeV）中子源，用電流法可以從實驗中直接測得Kn0約為1/4[15-17]。

5.2 穩(wěn)態(tài)輻射源情況下獲取的應用實例

本測量在中國原子能研究院國防科工委放射性計量一級站5SDH2型加速器中子源場中進行[4]，基準探測器的閃爍體是ST401，尺寸為φ50mm×10mm，被測探測器閃爍體是CeF3，尺寸為φ45mm×10mm，光電器件為同一T5型光電倍增管，探測器離源位置完全相同。采用影錐法測量CeF3閃爍體構(gòu)成的閃爍探測器信噪比約為6，ST401閃爍體構(gòu)成閃爍探測器的信噪比大于16。表1是對能量為14 MeV中子下，測量得到的兩探測器扣除本底后的電流凈輸出數(shù)據(jù)。

表1 CeF3和ST401兩探測器扣除本底后的電流凈輸出數(shù)據(jù)

5.3 初步評估CeF3閃爍探測器抗14 MeV中子干擾能力Kn的應用實例

根據(jù)式（5）和表1及5.1節(jié)數(shù)據(jù)，可以得到，穩(wěn)態(tài)電流法測量的CeF3閃爍探測器抗14 MeV中子干擾能力：

6 結(jié)束語

在無機閃爍體對中子的絕對靈敏度很難精確標定的情況下，采用本文介紹的穩(wěn)態(tài)源電流法，不用測量測點注量率，就可以初步評估無機閃爍探測器抗中子干擾能力，該結(jié)果對于n、γ混合場中測量γ輻射的情況，可以為評估應用無機閃爍體探測器的n、γ分辨能力、信噪比提供直接的實驗數(shù)據(jù)依據(jù)。

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