鋰玻璃探測器輻射特性的試驗研究

王登輝，趙宗方，何振林，劉安林，郭俊材，施敏懿，梁 魁，陳 亮

（中國核動力研究設(shè)計院，成都 610213）

常見的中子探測器類型有閃爍體探測器[1-3]、氣體探測器[4-6]、半導(dǎo)體探測器[7-9]等，最常見的工作模式為脈沖模式。由于目前探測器受電子學(xué)時間分辨的限制，在較高中子注量率條件下，工作在脈沖模式下的中子探測器易引起中子脈沖信號的堆積，造成測量結(jié)果明顯偏差，而工作于電流模式下的中子探測器不會使測量結(jié)果產(chǎn)生偏差[10-12]。

鋰玻璃探測器具有中子探測效率較高，閃爍光衰減時間較短以及n∕γ抑制比較好等優(yōu)點。6Li(n,t)4He反應(yīng)會放出4.786 MeV的反應(yīng)能，此能量遠大于熱中子能區(qū)的能量。因此，熱中子能區(qū)不同能量的中子反應(yīng)產(chǎn)生的產(chǎn)物動能基本一致，即光能輸出基本一致。鋰玻璃探測器更適合在電流模式下工作，用于測量高中子注量率條件下的熱中子通量[13,14]。

為了較全面地掌握鋰玻璃中子探測器輻射性能，從而利用其精確測量輻射值，本文對鋰玻璃探測器樣機的基本特性開展了試驗研究，對鋰玻璃探頭+R329－02 型PMT 的鋰玻璃探測器進行了試驗測試，獲得了探測器輸出的中子和γ射線脈沖信號。通過對脈沖信號進行計算處理，本文獲得了對應(yīng)中子的信號平均電荷量，得出鋰玻璃探測器輸出的平均電荷量與鋰玻璃厚度及PMT 增益有關(guān)的變化特性，為后續(xù)深入開展鋰玻璃探測器研究及應(yīng)用提供了試驗支撐。

1 鋰玻璃探頭的出射光產(chǎn)額

1.1 鋰玻璃樣品

鋰玻璃的成分是LiO2·2SiO2（Ce），是一種由Ce激活的閃爍體。入射中子與6Li發(fā)生6Li（n，t）4He反應(yīng)，反應(yīng)的Q 值為4.786 MeV。鋰玻璃發(fā)射光譜的最強波長是395.9 nm，發(fā)光衰減時間短[14]。表1給出了鋰玻璃探頭的參數(shù)。

表1 鋰玻璃探頭的參數(shù)Table 1 Parameters of lithium glass probe

1.2 實驗方案

鋰玻璃探頭（厚度為1 mm）和R329-02PMT直接耦合制作成了鋰玻璃探測器。本文在252Cf中子源上進行了測試，利用252Cf 中子源產(chǎn)生的中子，經(jīng)厚度為10 cm的聚乙烯慢化后，轟擊鋰玻璃探測器，然后測量慢化后的熱中子和γ射線脈沖譜。試驗裝置示意圖如圖1所示。

圖1 252Cf中子源和探測器示意圖Fig.1 Schematic diagram of252Cf neutron source and detector

2 實驗結(jié)果

2.1 脈沖譜及電荷量分布測量

本文通過示波器數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)在線測得中子和γ數(shù)值。探測器在-1 300 V 高壓工作條件下輸出的脈沖波形圖如圖2所示。由圖2可知，鋰玻璃探測器產(chǎn)生的中子信號和γ射線信號的衰減時間很相近，中子信號和γ射線信號的寬度基本相同，大約為200 ns（1 ns=10-9s），但二者信號高度不同，中子信號的高度大于γ射線信號的高度。

探測器探測到一個粒子輸出信號即為陽極電壓信號，其中數(shù)據(jù)采集點時間間隔為1 μs。連續(xù)時間的積分表示為：

圖2 鋰玻璃探測器探測的中子信號和γ射線信號Fig.2 Neutron signal and gamma ray signal detected by lithium glass detector

式中，dt=1 μs。

本文利用matlab 程序計算得到所有粒子信號產(chǎn)生的電荷量后，繪制出電荷分布頻率直方圖，圖3 顯示了電荷量譜分布，即利用電荷量和信號高度的大小可以對中子和γ信號進行甄別。

圖3 鋰玻璃探測器測量的電荷量譜Fig.3 Charge spectrum measured by lithium glass detector

2.2 平均電荷量計算

本文利用origin 軟件對電荷量分布譜進行高斯擬合，得到的平均電荷量數(shù)據(jù)如圖4和圖5所示。圖4 和圖5 分別顯示了PMT 工作在-950 V和-1 000 V電壓條件下的電荷量分布譜及對應(yīng)的高斯擬合曲線。

圖4 積分電荷量譜及高斯擬合曲線（PMT@-950V）Fig.4 Integral charge spectrum and Gaussian fitting curve(PMT@-950V)

圖5 積分電荷量譜及高斯擬合曲線（PMT@-1 000V）Fig.5 Integral charge spectrum and Gaussian fitting curve(PMT@-1 000V)

同理，本文分別測量了工作電壓為-1300 V、-1400 V 的電荷量譜，得到了平均電荷量數(shù)據(jù)，見表2。

表2 PMT工作電壓對應(yīng)的平均電荷量Table 2 Average charge amount corresponding to PMT working voltage

表2 數(shù)據(jù)表明，隨著PMT 工作電壓的升高，中子平均電荷量增加且分辨率逐漸減小。說明PMT 工作電壓越高，中子平均電荷量可信度越高。因此，在輻射測量中，在測量條件允許的情況下，應(yīng)盡可能地選取較高的PMT 工作電壓。

2.3 平均電荷量與鋰玻璃厚度關(guān)系分析

為進一步驗證鋰玻璃探測器平均電荷量與鋰玻璃厚度的關(guān)系，對厚度為5 mm 的鋰玻璃探測器進行了電荷量測量，得到的平均電荷量見表3。

表3 PMT工作電壓對應(yīng)的平均電荷量Table 3 Average charge amount corresponding to PMT working voltage

將表2 和表3 進行對比可以看出，在相同PMT 工作電壓條件下，厚度為1 mm 的鋰玻璃對應(yīng)的中子平均電荷量略大于厚度為5 mm 鋰玻璃的中子平均電荷量，這是因為閃爍光在透過鋰玻璃傳輸至PMT 陰極的過程中，在較厚的鋰玻璃中損失稍小。此外，較薄的鋰玻璃相對較厚的鋰玻璃雖然在中子探測效率上有所偏低[15]，但是有較強的n-γ甄別能力[16]，綜合考慮上述因素，選用厚度為1 mm 較薄的鋰玻璃片是最佳的。

2.4 平均電荷量與PMT增益關(guān)系分析

PMT 的輸入電壓不同可直接影響光電子經(jīng)倍增至PMT 輸出信號的大小。粒子平均電荷量與PMT 對應(yīng)工作電壓下的增益相對應(yīng)。因此，為了驗證PMT 的工作特性，本文分別將不同電壓下的平均電荷量與PMT 對應(yīng)的增益進行了比較與分析。同時，為了更直觀地比較二者隨電壓變化的趨勢，本文將平均電荷量放大5×104倍，統(tǒng)一繪制在圖6中。

圖6表明，中子平均電荷量和PMT增益隨工作電壓基本成比例增加。此結(jié)論為得到在任意PMT 工作電壓條件下的平均電荷量提供了方法，也為利用鋰玻璃探測器測量不同中子注量率的中子輻射場時選擇適宜的PMT 工作電壓提供了依據(jù)。

圖6 平均電荷量與PMT增益隨電壓變化曲線Fig.6 Average charge amount and PMT gain versus voltage curve

3 結(jié)論

本文主要開展了鋰玻璃探測器的性能測試實驗，得到了6種不同PMT工作電壓下的中子和γ射線脈沖譜，計算得到了對應(yīng)條件下的電荷量分布譜。結(jié)果表明，在相同PMT 工作電壓條件下，鋰玻璃探頭厚度越大中子平均電荷量越小，中子平均電荷量和PMT 增益隨電壓變化的比例系數(shù)基本一致，且PMT 在較高工作電壓條件下獲得的中子平均電荷量更精確，可信度更高。本研究結(jié)果為利用鋰玻璃探測器測量不同中子注量率的中子輻射場時選擇適宜的PMT 工作電壓提供了依據(jù)。