EJ301液體閃爍體探測(cè)器的波形甄別和能量刻度

常 樂(lè) 劉應(yīng)都 杜 龍 王玉廷 曹喜光 張國(guó)強(qiáng)王宏偉,4 馬春旺 張 松 鐘 晨 李 琛

EJ301液體閃爍體探測(cè)器的波形甄別和能量刻度

常 樂(lè)1,2劉應(yīng)都1,3杜 龍1,3王玉廷1,3曹喜光1,4張國(guó)強(qiáng)1,4王宏偉1,3,4馬春旺2張 松1,4鐘 晨1,4李 琛1,4

1（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）
2（河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 新鄉(xiāng) 453007）
3（中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）
4（中國(guó)科學(xué)院核輻射與核能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201800）

EJ301有機(jī)液體閃爍體探測(cè)器具有較好的時(shí)間特性、脈沖形狀甄別能力和中子探測(cè)效率。使用CAEN公司的DT5720波形數(shù)字采樣器和DPP-PSD (Digital Pulse Processing-Pulse Shape Discrimination)控制軟件，可以通過(guò)軟件設(shè)置實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)、短門(mén)和脈沖形狀甄別。利用241Am源(0.059 5MeV)、137Cs-60Co (0.662MeV、1.171MeV、1.333 MeV)源和40K源(1.461MeV)等的康普頓峰，對(duì)EJ301探測(cè)器進(jìn)行了電子等效能量刻度、脈沖形狀甄別分析、FOM (Figure of Merit)值計(jì)算等。研究表明，DT5720波形數(shù)字采樣器和DPP-PSD控制軟件功能完善、簡(jiǎn)單易用；EJ301探測(cè)器中子測(cè)量效率高，具有較強(qiáng)的中子/伽馬脈沖形狀甄別能力，適合快中子的能譜和飛行時(shí)間測(cè)量。

閃爍體探測(cè)器，康普頓散射，伽馬源，能量刻度

釷基熔鹽堆(Thorium-based Molten Salt Reactor, TMSR)核能系統(tǒng)是第四代反應(yīng)堆六種候選堆型之一，在釷基熔鹽堆中釷和鈾都是核燃料，但232Th不能直接使用，需要通過(guò)核反應(yīng)將其轉(zhuǎn)換成233U再使用，所以稱(chēng)為釷鈾核燃料循環(huán)。TMSR的研究涉及到大量的、不同于鈾-钚循環(huán)的釷-鈾循環(huán)鏈核素，以及高溫狀態(tài)下的熔鹽材料、包殼材料、控制棒材料、反應(yīng)堆毒素/產(chǎn)物等。它們中很多核素的中子截面還不完備，或者精確度較低，例如，232Th的俘獲截面精度在20%–30%，對(duì)于TMSR的堆芯設(shè)計(jì)和安全評(píng)估影響甚大，232Pa的截面數(shù)據(jù)較少，評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)分歧顯著等，因此需要高精度的中子截面測(cè)量和數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)。寬能量范圍的中子源是開(kāi)展中子截面測(cè)量的基礎(chǔ)。對(duì)于中子能譜的測(cè)量，最常用和最有效率的是反沖質(zhì)子法和飛行時(shí)間法。液體閃爍體具有良好的n-γ甄別性能和快的時(shí)間響應(yīng)，被廣泛地用于中子能譜的測(cè)量中。

目前，國(guó)內(nèi)國(guó)際上對(duì)于液體閃爍體探測(cè)器的性能研究，特別是對(duì)液體閃爍體探測(cè)器n-γ甄別的研究持續(xù)不斷，尤其是快速波形數(shù)據(jù)采樣器及新型液體閃爍體材料的開(kāi)發(fā)，使得具有脈沖形狀甄別功能的軟、硬件技術(shù)快速發(fā)展。例如，BC501A液體閃爍體探測(cè)器對(duì)不同能量范圍的中子的n-γ甄別能力的實(shí)驗(yàn)分析[1?2]、EJ301有機(jī)液體閃爍體相關(guān)性質(zhì)的Monte Carlo模擬研究[3]、EJ301和EJ309閃爍體性能對(duì)比研究[4]、EJ309液體閃爍體探測(cè)器的Capture-Gated性能研究[5]等。在閃爍體性能研究過(guò)程中，無(wú)論是模擬計(jì)算還是實(shí)驗(yàn)測(cè)量，探測(cè)器的能量刻度和n-γ甄別都是不可或缺的一步。在能量刻度中，有機(jī)液體閃爍體對(duì)電子的光輸出響應(yīng)是線性的[6–9]，因此常用等效電子能量作為能量標(biāo)度單位，再根據(jù)光輸出響應(yīng)曲線轉(zhuǎn)換得到等效的中子能量。液體閃爍體實(shí)際上測(cè)量到的是γ射線的康普頓邊緣，由于探測(cè)器分辨率的影響導(dǎo)致邊緣展寬，形成了康普頓峰。

本文主要研究CAEN的DT5720數(shù)字波形采樣器(Waveform Digitizer)及其DPP-PSD (Digital Pulse Processing-Pulse Shape Discrimination)控制軟件的使用，利用標(biāo)準(zhǔn)伽馬源對(duì)EJ301液體閃爍體探測(cè)器進(jìn)行能量刻度及脈沖形狀甄別性能的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和分析等。

1 EJ301、波形數(shù)字采樣器及DPP-PSD控制軟件

EJ301為美國(guó)Eljen公司[10]生產(chǎn)的液體閃爍體探測(cè)器（其性能等價(jià)于BC501A、NE213，已經(jīng)被廣泛地研究和分析過(guò)），具有較好的時(shí)間分辨率、脈沖形狀甄別能力和較高的中子探測(cè)效率。EJ301光輸出為蒽晶體的78%，最大發(fā)射波長(zhǎng)為425nm，氫與碳的原子比例為1.212:1，快信號(hào)衰減時(shí)間為3.2ns，慢信號(hào)衰減時(shí)間為32.3ns和270ns。DT5720是意大利CAEN公司生產(chǎn)的4通道12bit，采樣率為250MS·s?1的桌面型數(shù)字波形采樣器[11]，輸入信號(hào)峰值動(dòng)態(tài)范圍為2.5V，可以直接接收來(lái)自于光電倍增管的脈沖信號(hào)，節(jié)省了前置放大器、主放大器、恒分甄別器和QDC (Charge-Integrating Analog-to-Digital Converter)等大量的電子學(xué)插件。DPP-PSD為CAEN開(kāi)發(fā)的用于x720、x751系列數(shù)字波形采樣器的固件程序和控制軟件，實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)置記錄長(zhǎng)度、波形倒相、觸發(fā)閾值調(diào)節(jié)、外部觸發(fā)及自觸發(fā)模式、長(zhǎng)短門(mén)設(shè)置、脈沖形狀甄別等功能；具有Histogram和Oscilloscope顯示；可以根據(jù)探測(cè)器波形設(shè)定積分長(zhǎng)短門(mén)(Qlong、Qshort)、脈沖形狀甄別(Pulse Shape Discrimination, PSD)值等；輸出信號(hào)有波形譜、能量譜、時(shí)間譜和PSD譜，可以通過(guò)USB端口和Optical link-PCI卡連接到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取和記錄。采用數(shù)字化波形采樣器可避免使用復(fù)雜的脈沖形狀甄別電子學(xué)線路，對(duì)于少量的探測(cè)器數(shù)據(jù)獲取來(lái)說(shuō)，具有線路簡(jiǎn)單和獲取便捷的特點(diǎn)。在我們的實(shí)驗(yàn)研究中主要用到的儀器設(shè)備有：EJ301液體閃爍體探測(cè)器（直徑7.62 cm ，厚度7.62 cm），高壓電源CAEN N1470，DT5720數(shù)字波形采樣器(Waveform Digitizer)，伽馬源。實(shí)驗(yàn)測(cè)量電子學(xué)線路和波形采樣原理見(jiàn)圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)中使用的電子學(xué)連接圖和波形采樣原理圖[12]Fig.1 Electronics connection diagram and waveform sampling principle diagram used in the experiment[12].

波形數(shù)字化采樣器DT5720及其DPP-PSD固件可以在線顯示脈沖的波形、能量譜、PSD二維譜等，還可以通過(guò)對(duì)信號(hào)設(shè)置長(zhǎng)門(mén)、短門(mén)和閾值等參數(shù)(圖1)，對(duì)獲取到的積分?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)算直接給出PSD值，在線顯示Qlong-PSD散點(diǎn)圖，PSD的定義[12?13]：

一般選取完整脈沖信號(hào)的長(zhǎng)度為長(zhǎng)門(mén)的積分時(shí)間，選取信號(hào)波形的前沿設(shè)定為短門(mén)的信號(hào)積分時(shí)間，如圖2所示。圖2中短門(mén)為120ns，長(zhǎng)門(mén)為600ns，波形為EJ301的PMT陽(yáng)極信號(hào)。積分得到脈沖波形的面積Qlong和Qshort，然后根據(jù)式(1)計(jì)算得到PSD值（或者用其它計(jì)算方式得到類(lèi)似的二維譜圖）。從Qlong-PSD圖中可以清晰地分辨出n-γ（圖3(d)所示），而從其能譜圖中(圖3(b)所示)則很難直觀地分辨n和γ。

圖2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量的脈沖波形及長(zhǎng)、短門(mén)設(shè)置Fig.2 Experimental measurement of pulse waveform and the settings of long and short gates.

圖3 DPP-PSD積分能量譜及PSD譜圖 (a) 40K能譜，(b) 252Cf能譜，(c) 40K PSD譜，(d) 252Cf PSD譜Fig.3 DPP-PSD integral energy and PSD spectrum. (a) 40K histogram, (b) 252Cf histogram, (c) 40K PSD, (d) 252Cf PSD

2 康普頓峰和能量刻度

由于組成有機(jī)閃爍體的元素主要為碳和氫，原子量低，因而發(fā)生光電效應(yīng)的概率很低。當(dāng)伽馬射線進(jìn)入閃爍體中，主要發(fā)生康普頓散射和電子對(duì)效應(yīng)，所發(fā)生相互作用主要是單個(gè)或多個(gè)康普頓散射，部分入射伽馬射線的能量沉積，形成康普頓邊緣[14]。而中子則主要通過(guò)和氫原子、碳原子的彈性散射損失能量，因此兩個(gè)不同的過(guò)程產(chǎn)生的脈沖形狀不同，這就是PSD的原理。由于產(chǎn)生的電子能譜在0.04MeV≤Ee≤1.6MeV是線性的[15]，可以使用由伽馬射線所產(chǎn)生的康普頓峰進(jìn)行能量刻度。根據(jù)式(2)可計(jì)算出康普頓電子的最大能量[14]，即康普頓邊(Campton Edge)的能量Eemax：

式中，Eγ是伽馬射線能量；m0c2是電子靜止質(zhì)量，=0.511MeV 。

在閃爍體中，由于多次發(fā)生康普頓散射，電子散射產(chǎn)生銳截止陡直的康普頓邊由于探測(cè)器的分辨原因形成康普頓峰，由式(3)可計(jì)算出康普頓邊的道數(shù)位置為[16]：

式中，nc是康普頓邊對(duì)應(yīng)道數(shù)值；np是康普頓峰值對(duì)應(yīng)道數(shù)；σ是康普頓峰的標(biāo)準(zhǔn)偏差。其中np和σ由康普頓峰的高斯擬合中得到。

對(duì)EJ301液體閃爍探測(cè)器進(jìn)行能量刻度所使用的伽馬射線分別來(lái)自于241Am源，能量為59.5keV；137Cs-60Co源，其中137Cs釋放的伽馬射線的能量為662keV，60Co釋放的伽馬射線的能量為1.173MeV和1.333MeV；以及40K源，能量為1.461MeV。圖4是測(cè)量不同源得到的能譜圖及能量刻度，表1為測(cè)量得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果。

圖4 不同伽馬放射源的康普頓峰能譜圖(a)及能量刻度擬合曲線(b)Fig.4 Energy spectrum of Compton peaks by different gamma sources (a) and the fitting of energy calibration spectrum (b).

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)對(duì)EJ301液體閃爍探測(cè)器進(jìn)行能量刻度[2?3]，由于EJ301對(duì)60Co源的兩個(gè)1.17MeV和1.33MeV能量的康普頓峰分辨較差，峰位不容易確定，因此線性擬合中只選擇了241Am、137Cs和40K的單能峰實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了能量刻度擬合，結(jié)果見(jiàn)圖4(b)，圖中60Co源的兩個(gè)1.17MeV和1.33MeV能量峰位擬合點(diǎn)是采用反向插值推算出來(lái)的。

表1 康普頓峰及康普頓邊緣計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of Compton peaks and Compton edges.

經(jīng)過(guò)能量刻度以后，可以對(duì)EJ301測(cè)量的能譜和PSD值進(jìn)行定量的分析計(jì)算。

圖5中的豎線（從右至左）分別對(duì)應(yīng)兩倍137Cs源能量(954keVee)、137Cs源能量(477keVee)、1/2137Cs源能量(239keVee)、1/4137Cs源能量(119keVee)和1/8137Cs源能量(60keVee)。從圖5可以明顯看到兩塊PSD分布區(qū)域，其中PSD值較大的是中子峰，PSD值較小的是伽馬峰。從兩塊區(qū)域的分離程度可以直觀地判斷探測(cè)器n-γ甄別能力的大小。甄別能力的定量分析可通過(guò)計(jì)算FOM (Figure of Merit)值[2,17]來(lái)進(jìn)行判定和比較，F(xiàn)OM值越大，探測(cè)器的分辨能力越強(qiáng)。對(duì)PSD譜進(jìn)行能量刻度后，就可以進(jìn)行不同能量值的能量截?cái)?，從而?jì)算出不同能量值處的FOM值。

圖5 刻度后的EJ301的脈沖等效能量-PSD譜(252Cf源)Fig.5 EJ301 pulse equivalent energy - PSD distribution after energy calibration (252Cf source).

圖6 是將PSD譜中曲線向y軸投影而得出的，通過(guò)對(duì)圖6中兩個(gè)峰進(jìn)行擬合、計(jì)算，可以得到兩峰間距和各自的半高全寬，由式(4)可計(jì)算出EJ301有機(jī)液體閃爍體探測(cè)器的FOM值[2]：

式中，S為兩峰間距離；FWHMn為中子峰的半高全寬；FWHMγ為γ峰的半高全寬。由所有事件投影值計(jì)算得出FOM值為0.85。相近能量范圍下BC501A、NE213和本次實(shí)驗(yàn)中所使用的EJ301的FOM值的對(duì)比見(jiàn)表2。

圖6 252Cf源的FOM值擬合和計(jì)算結(jié)果Fig.6 Fitting and calculation of FOM value by 252Cf source.

表2 相近能量范圍下不同探測(cè)器的FOM值Table 2 FOM values of different detectors in the same energy range.

從表2中可以看出，在選取相近的能量范圍進(jìn)行能量截?cái)嘤?jì)算FOM值時(shí)，EJ301的FOM值遠(yuǎn)大于BC501，接近NE213[1,2,18]。因此可以看出，EJ301有機(jī)液體閃爍體探測(cè)器具有較強(qiáng)的n-γ鑒別能力，在性能上和BC501A和NE213類(lèi)似。

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究和使用了CAEN DT5720波形數(shù)字化采樣器，節(jié)省了前置放大器、主放大器、甄別器、QDC等常規(guī)脈沖形狀甄別所需的復(fù)雜電子學(xué)插件。對(duì)于少量的探測(cè)器數(shù)據(jù)獲取實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，具有線路簡(jiǎn)單、獲取便捷的特點(diǎn)。通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)伽馬源241Am、Co-Cs、40K和裂變中子源252Cf，對(duì)EJ301有機(jī)液體閃爍體探測(cè)器進(jìn)行了電子等效能量刻度和n-γ鑒別能力分析；利用DT5720波形數(shù)字化采樣器輸出能譜和PSD譜數(shù)據(jù)，擬合得到了EJ301有機(jī)液體閃爍體探測(cè)器的道數(shù)與能量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，成功地對(duì)EJ301有機(jī)液體閃爍體探測(cè)器進(jìn)行了能量刻度；通過(guò)測(cè)量252Cf裂變中子源，擬合計(jì)算出EJ301有機(jī)液體閃爍體探測(cè)器的總FOM值為0.85，說(shuō)明EJ301有機(jī)液體閃爍體探測(cè)器具有較強(qiáng)的n-γ鑒別能力。

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CLC TL812+.1

Pulse shape discrimination and energy calibration of EJ301 liquid scintillation detector

CHANG Le1,2LIU Yingdu1,3DU Long1,3WANG Yuting1,3CAO Xiguang1,4ZHANG Guoqiang1,4WANG Hongwei1,3,4MA Chunwang2ZHANG Song1,4ZHONG Chen1,4LI Chen1,4
1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)
2(Institute of Particle Physics and Nuclear Physics, Henan Normal University, Xinxiang 453007, China)
3(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
4(Key Laboratory of Nuclear Radiation and Nuclear Energy Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China)

Background: EJ301 liquid scintillation detector has good time characteristics, pulse shape discrimination ability and the neutron detection efficiency. Purpose: This study aims to achieve the energy calibration, the pulse shape discrimination (PSD) ability etc. of EJ301 organic liquid scintillation detector. Methods: The waveform digital sampler DT5720 and digital pulse processing-pulse shape discrimination (DPP-PSD) control software were employed to simplify the data acquisition system. The pulse shape discrimination parameters such as the widths of long and short gates could be set up by software. The Compton peaks of241Am (0.0595MeV),137Cs-60Co (0.662 MeV, 1.171MeV, 0.662 MeV) and40K (1.461 MeV) sources were used to obtain experimental data for pulse shape discrimination and the energy calibration of EJ301. Results: Experimental results show EJ301 detector has high efficiency, strong neutron/gamma-PSD ability. Conclusion: DT5720 and DPP-PSD control software have powerful function and are easy to use for both the PSD and energy calibration of EJ301. EJ301 organic liquid scintillation detector can be used for neutron measurement, and is suitable for measuring fast neutron energy spectrum and time of flight.

Scintillation detector, Compton scattering, Gamma sources, Energy calibration

TL812+.1

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.020501

中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目(No.XDA02010100)、973 項(xiàng)目(No.2013CB834405、No.2010CB833005)、國(guó)家自然科學(xué)基金

(No.11075195）、國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(No.11305239)、上海市粒子物理與宇宙學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金課題(No.11DZ2260700)和中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(No.2012M520958)資助

常樂(lè)，男，1990年出生，2012年畢業(yè)于河南師范大學(xué)，現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生

王宏偉，E-mail: wanghongwei@sinap.ac.cn

2014-06-09，

2014-07-18