EJ339A俘獲門控中子探測器雙脈沖特性

常 樂 劉龍祥 王宏偉 馬春旺 曹喜光 張國強 劉應(yīng)都

1（河南師范大學 物理與電子工程學院 新鄉(xiāng) 453007）

2（中國科學院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

3（中國科學院核輻射與核能技術(shù)重點實驗室 上海 201800）

4（中國科學院大學 北京 100049）

EJ339A俘獲門控中子探測器雙脈沖特性

常 樂1,2劉龍祥2,3王宏偉2,3馬春旺1曹喜光2,3張國強2,3劉應(yīng)都2,4

1（河南師范大學 物理與電子工程學院 新鄉(xiāng) 453007）

2（中國科學院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

3（中國科學院核輻射與核能技術(shù)重點實驗室 上海 201800）

4（中國科學院大學 北京 100049）

實驗研究了俘獲門控中子探測器EJ339A的雙脈沖波形特性，利用波形采樣器進行波形記錄，分析雙脈沖時間差和PSD (Pulse Shape Discrimination)脈沖形狀甄別和脈沖幅度譜。實驗測量了EJ339A探測器中子俘獲時間約為0.44 μs，同經(jīng)驗公式計算結(jié)果一致。數(shù)據(jù)分析表明，EJ339A俘獲門控中子探測器對中子及伽瑪射線的PSD甄別能力要弱于EJ301常規(guī)液閃探測器；通過分析PSD譜開窗后的中子和伽瑪能譜，發(fā)現(xiàn)EJ339A能夠分析n-p反沖脈沖和中子俘獲脈沖的關(guān)聯(lián)特性及入射中子能量信息，EJ339A探測器的中子探測效率和雙脈沖測量效率較低。

俘獲門控，閃爍體探測器，EJ339A，中子

俘獲門控中子探測器(Capture-gated neutron detector)是摻雜了具有較高熱中子吸收截面的6Li、10B、natGd等元素的閃爍體探測器。對于一個入射的快中子而言，探測器的信號具有n-p反沖脈沖和中子俘獲脈沖的關(guān)聯(lián)特性。該探測器在快中子能量準確測量方面具有巨大的應(yīng)用潛力，例如地下實驗室快中子能量的測量[1]，國際安全檢測，特別是防止核擴散方面，鑒別特殊核材料等都需要快中子鑒別及測量技術(shù)。近些年，自主研制或商業(yè)化產(chǎn)品的摻雜閃爍體中子探測器及譜儀陸續(xù)出現(xiàn)，其探測器雙脈沖時間分布、中子俘獲時間等已經(jīng)做了大量的實驗研究和分析[2?7]，但快中子能量的準確測量還未真正的實現(xiàn)，例分立型Capture-gated閃爍體探測器（塑閃探測器+3He正比計數(shù)器）[1]、摻硼塑料閃爍體探測器Capture-gated性能研究[8]、6Li快中子探測器性能研究[9]、EJ254俘獲門控中子探測器性能研究[10]等。美國ELJEN公司的EJ339A液體閃爍體探測器因摻雜10B元素而具有n-p反沖脈沖和中子俘獲脈沖的雙脈沖特性，至今尚未見到有關(guān)EJ339A雙脈沖時間譜分布和中子俘獲時間的測量結(jié)果的文獻。

本文主要運用DT5720波形數(shù)字采樣器(Waveform Digitizer)，對EJ339A和EJ301液體閃爍體探測器的波形及能譜進行了對比研究。DT5720是意大利CAEN公司生產(chǎn)的4通道、12 bit、采樣率為250 MS·s?1的桌面型波形數(shù)字采樣器[11]，輸入信號動態(tài)范圍為2 Vpp，可以直接記錄來自于光電倍增管的脈沖信號，節(jié)省了大量的電子學插件。在數(shù)據(jù)獲取時可以進行記錄長度、觸發(fā)閾值調(diào)節(jié)等參數(shù)設(shè)置，在數(shù)據(jù)分析時可以實現(xiàn)長短門積分設(shè)置、脈沖形狀甄別PSD (Pulse Shape Discrimination)等功能。EJ339A為摻雜了4.6%的10B（提純到95%以上）的液體閃爍體探測器（主要成分為C、O、H、10B，其性能等價于BC523A和NE321A）；EJ301是用于脈沖形狀甄別測量的液體閃爍體探測器（主要成分為C、H，其性能等價于BC501A和NE213）[12]，具有較好的時間分辨率、脈沖形狀甄別能力和較高的中子探測效率[5,13?16]。在本次實驗研究中主要用到的儀器設(shè)備有：EJ339A摻硼液體閃爍體探測器(?3"×3")，EJ301液體閃爍體探測器(?3"×3")，高壓電源CAEN N1470，DT5720數(shù)字波形采樣器，252Cf裂變中子源(9.857 kBq)等[5]。

1 俘獲門控中子探測器雙脈沖波形測量

俘獲門控(Capture-gated)方法是基于快中子在同一閃爍體中產(chǎn)生的兩個相繼信號的測量，或是獨立探測器中的兩個相繼信號的測量。由于吸收截面小、探測器體積有限，快中子不會輕易地被探測器俘獲，在穿越探測器時中子會經(jīng)過多次碰撞散射（主要是氫核）產(chǎn)生反沖質(zhì)子，形成第一個脈沖信號。在微秒時間內(nèi)，中子逐漸被慢化，能量降低(圖1(a))，這時它具有非常高的幾率被探測器摻雜材料俘獲。一旦中子被俘獲，將會有俘獲脈沖出現(xiàn)，兩個脈沖具有時間關(guān)聯(lián)性(圖1(b))，通過俘獲脈沖為反沖質(zhì)子脈沖開門，只有當俘獲脈沖被探測到才能接受反沖脈沖是真實的中子脈沖，反沖脈沖的幅度與入射中子能量相關(guān)，利用這一方法能夠測量入射快中子的能量。

圖1 俘獲門控探測器測量原理圖(a)和EJ339A的雙脈沖波形圖(b)Fig.1 Capture-gated detector measuring principle diagram (a) and double pulse waveform figure of EJ339A (b).

中子的俘獲時間與探測器摻雜以及探測器材料相關(guān)，兩個脈沖的時間差分布可由經(jīng)驗公式(1)計算得到[17]：

式中，τ為中子俘獲時間(μs)，由探測器中摻雜的10B材料決定；σ為10B熱中子截面，σ=3842 bar；v為中子飛行速度，v=2.2 km·s?1；10BN為閃爍體中10B的原子數(shù)密度，對于EJ339A，=0.254×1022atom·cm?3。EJ339和BC523系列由經(jīng)驗公式理論計算的τ值和探測器生產(chǎn)廠家給出的τ值如表1所示。

表1 理論計算得到EJ339和BC523系列液閃探測器的中子俘獲時間τ值Table 1 τ values of EJ339 & BC523 serials liquid scintillation detectors in theoretic calculation.

利用252Cf裂變中子源和DT5720記錄了EJ339A和EJ301的脈沖波形，分析雙脈沖波形時間差分布譜如圖2所示。對于EJ301主要為偶然符合，EJ339A在250 道以上的雙脈沖也主要為偶然符合事件。

對圖2中EJ339A的雙波形時間差分布譜進行指數(shù)擬合，利用式(2)計算得到中子的俘獲時間τ[8?10]：

式中，τ為中子俘獲時間；Slope Value為指數(shù)擬合斜率值；t為DT5720波形采樣時間間隔，t=4 ns。實驗給出了EJ339A的中子俘獲時間的測量值約為0.44 μs (表2)。由表2可見，對于不同類型的探測器（液體、塑料閃爍體），摻雜元素不同(10B、6Li)、摻雜比例不同(1%、5%等)，中子俘獲時間都有差別。

表2 不同俘獲門控探測器的τ值結(jié)果（理論和實驗）Table 2 τ values of different capture-gated detectors (theory and experiment).

圖2 EJ339A和EJ301的雙波形時間分布譜Fig.2 Time difference spectrum of EJ339A and EJ301.

2 探測器幅度譜分析

EJ339A和EJ301對252Cf裂變中子源和環(huán)境伽瑪本底的脈沖形狀甄別PSD譜如圖3所示。PSD值根據(jù)式(3)由脈沖波形積分計算得到（短門積分值Qshort積分時間80 ns；長門積分值Qlong積分時間120ns）[5]：

圖3(a)為252Cf裂變源的PSD譜，圖3(b)為本底條件(Background, BKG)下的PSD譜，在本底條件下對γ射線開窗，將開窗條件用于圖3(a)中扣除γ事例得到中子計數(shù)及幅度譜（包含單脈沖和雙脈沖中子事例）。另外從雙脈沖波形分析中也可以確定出中子事件（僅雙脈沖事例），反沖脈沖積分后得到幅度譜分布如圖4所示。

圖4(a)為EJ339A的PSD開窗的γ能譜結(jié)果(252Cf和BKG)；圖4(b)為EJ339A和EJ301的PSD開窗后γ能譜(252Cf源)的比較；圖4(c)為EJ339A和EJ301的PSD開窗后選出的中子能譜(252Cf源)；圖4(d)為EJ339A測量到的雙脈沖波形信號分析的中子能譜結(jié)果，分別給出了反沖和俘獲脈沖能譜。圖4給出的均為等效電子能量，刻度方法參見文獻[5]。

由圖4(a)、(b)可確認，等效電子能譜中對應(yīng)的兩個低能峰，主要來自于40K (1.641 MeV)和208Tl (2.614 MeV)的康普頓峰，從對137Cs-60Co源測量中可以得到探測器的幅度閾值設(shè)定在約250 keV，因此10B俘獲反應(yīng)的γ射線482 keV（康普頓邊能量為315 keV）可以測量到。如圖4(d)中的峰（實線）所示，Q值能量2.31 MeV（對應(yīng)等效電子能量為90 keV）在閾值以下，沒有測量到。圖4(a)中，12?13 MeV γ可能為高能宇宙射線。從圖4(b)可以看到，相對于常規(guī)的液閃探測器，低能段γ峰位置一致，但高能峰的幅度有較明顯的差異。根據(jù)理論計算，宇宙射線在EJ339A中沉積的能量約為13.69 MeV，EJ301的能量沉積約為13 MeV，但實驗?zāi)茏V的峰位差別顯著，其原因有待進一步實驗分析確認。圖4(d)為雙脈沖波形分析給出的第一個脈沖（反沖）的積分譜和第二個脈沖（俘獲）的積分譜，俘獲脈沖的能量單一(315 keV)，因此表現(xiàn)為單峰分布。實驗測量的相對計數(shù)率如表3所示。PSD中子甄別計數(shù)率EJ301約為EJ339A的3.5倍，雙脈沖探測器效率EJ339A約為EJ301的2.9倍，在相同測量時間(15 h)的條件下，EJ339A的總事件數(shù)約為EJ301的65%。EJ339A測量到的雙脈沖波形事件數(shù)遠大于EJ301的測量結(jié)果，說明摻雜10B后的俘獲效果比較明顯。

圖3 EJ339A的實驗測量PSD譜 (a) 252Cf源，(b) 本底Fig.3 Experiment results of EJ339A with 252Cf neutron source (a) and BKG (b).

圖4 EJ339A和EJ301的實驗測量的脈沖幅度譜Fig.4 Pulse amplitude spectrum of EJ339A and EJ301.

表3 EJ339A和EJ301事件數(shù)測量和雙脈沖波形事件數(shù)測量效率比較Table 3 Comparison of total events and double peak numbers of EJ339A and EJ301.

3 結(jié)語

通過對比分析EJ339A俘獲門控探測器和EJ301常規(guī)PSD探測器的脈沖波形、PSD譜和雙脈沖波形時間差結(jié)果，可以得到如下一些結(jié)論：

(1) 通過測量雙脈沖波形時間譜分析EJ339A和EJ301液閃探測器，擬合提取EJ339A中子俘獲時間的實驗測量值約為0.44 μs，和經(jīng)驗公式估算一致。

(2) EJ339A摻硼液閃探測器的n-γ甄別能力(PSD)較弱。同樣測量條件，同樣探測器尺寸下EJ339A對中子的探測效率約為EJ301的1/3，表明摻雜以后液閃的光輸出能力降低，中子γ分辨能力變?nèi)酢?/p>

(3) 從PSD開窗得到的EJ339A和EJ301的γ譜高能段有差別，這一能量應(yīng)該為宇宙射線在探測器中的沉積能量，造成差異的原因有待進一步研究。

(4) 從雙脈沖分析得到的俘獲脈沖積分為單一能量分布，反沖脈沖積分值對應(yīng)快中子彈性散射損失動能之和，應(yīng)該為252Cf源標準裂變中子譜，從目前提取的中子能譜上看還不能完全對應(yīng)起來，特別是中子能量的計算還需要進一步分析研究解決。

EJ339A具有俘獲門控探測器的雙脈沖相關(guān)特性，其中子俘獲時間約為0.44 μs，同理論計算結(jié)果符合。較短的中子俘獲時間，可以使脈沖波形記錄長度縮短，有利于計數(shù)率的提高，降低獲取文件的大小。EJ339A的n-γ甄別特性不強，中子探測效率較低，從中子能譜提取入射中子能量還有待進一步研究。

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CLC TL812+.2, TL816+.3, O571.53

Double pulse waveform spectrum of EJ339A capture-gated neutron detector

CHANG Le1,2LIU Longxiang2,3WANG Hongwei2,3MA Chunwang1CAO Xiguang2,3ZHANG Guoqiang2,3LIU Yingdu2,4

1(Institute of Particle Physics and Nuclear Physics, Henan Normal University, Xinxiang 453007, China)
2(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)
3(Key Laboratory of Nuclear Radiation and Nuclear Energy Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China)
4(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

s Background: Capture-gated neutron detector has been doped by the higher thermal cross section elements, such as6Li,10B ornatGd, for a fast neutron incident detector signal with n-p recoil impulse and pulse neutron capture associated characteristics. Purpose: The aim is to study the double pulse waveform spectra and to analyze the n-p recoil impulse of the EJ339A capture-gated neutron detector. Methods: Through the analysis of energy spectra and the double pulse waveform spectra, the characteristics of EJ339A capture-gated detector are studied. Results: Capture-gated detector from the energy spectra and PSD spectra measurement is effective for neutron and gamma ray. The wave of digital technology could well analyze the n-p recoil impulse and give the τ value of the EJ339A in the experiment. Conclusion: EJ339A really has captured-gated detector characteristics, pulse neutron capture and n-p associated characteristics of recoil impulse. The capture time of EJ339A is 0.44 μs, which is consistent with the theoretical calculation results.

Capture-gated, Scintillator detector, EJ339A, Neutrons

TL812+.2，TL816+.3，O571.53

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.050403

中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項項目(No.XDA02010100)、國家自然科學基金(No.11075195、No.11475245)、國家自然科學基金青年項目(No.11305239)、上海市粒子物理與宇宙學重點實驗室開放基金課題(No.11DZ2260700)及中國博士后科學基金項目(No.2012M520958)資助

常樂，男，1990年出生，現(xiàn)為河南師范大學和中國科學院上海應(yīng)用物理研究所聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生，粒子物理與原子核物理專業(yè)

馬春旺，E-mail: machunwang@126.com；王宏偉，E-mail: wanghongwei@sinap.ac.cn

2015-02-05，

2015-03-10