用于測(cè)量高能γ射線的三晶電子對(duì)譜儀的研制

劉伏龍，吳 笛，魏繼紅，楊婉莎，賀創(chuàng)業(yè)，郭 冰,*，王乃彥,*

(1.北京師范大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 射線束技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；2.中國(guó)原子能科學(xué)研究院 核物理研究所，北京 102413)

高能γ射線在爆炸物檢測(cè)、醫(yī)學(xué)影像成像、核廢料嬗變、核天體物理p-過(guò)程的關(guān)鍵核反應(yīng)研究及核共振熒光研究等方面有著廣泛的應(yīng)用[1-3]。目前高能γ射線的產(chǎn)生方式主要有高能電子的韌致輻射、飛行中正電子湮沒(méi)、共振核反應(yīng)(p,γ)或(n,γ)、激光康普頓散射(LCS)等[4]。其中LCS-γ源憑借其單色性好、能量連續(xù)可調(diào)及亮度高等優(yōu)勢(shì)被世界各地廣泛建造使用，其中最具代表性的LCS裝置——HIGS(美國(guó))可產(chǎn)生60 MeV的高能γ射線，國(guó)內(nèi)對(duì)此方式產(chǎn)生高能γ射線的研究也在積極地進(jìn)行中[5-6]。另外，中國(guó)原子能科學(xué)研究院依托2×1.7 MeV串列加速器開展了(p,γ)共振核反應(yīng)高能γ源的研究工作，其可產(chǎn)生能量為6～17.6 MeV的高能γ射線[7]。為更好地利用高能γ射線，精確測(cè)量其產(chǎn)額是非常必要的工作。在有限的探測(cè)器體積和實(shí)驗(yàn)條件下，高能γ射線的產(chǎn)額測(cè)量會(huì)存在如何才能準(zhǔn)確的問(wèn)題。一般高純鍺探測(cè)器(HPGe)在測(cè)量10 MeV以下的γ射線時(shí)被認(rèn)為是可靠的[8]；而閃爍晶體探測(cè)器NaI探測(cè)器和BGO探測(cè)器在測(cè)量9.17 MeV高能γ射線時(shí)會(huì)有嚴(yán)重的能量非線性效應(yīng)，以及由于康普頓坪太高引起的能譜復(fù)雜等問(wèn)題[7]；電磁量能器雖可測(cè)量百兆級(jí)別的高能γ射線，但能量分辨率低，在精確測(cè)量高能γ射線產(chǎn)額方面有一定的弱勢(shì)[9]。

用單一的小體積探測(cè)器測(cè)量高能γ射線時(shí)會(huì)由于探測(cè)器體積太小不能完全收集光子能量，導(dǎo)致單一能量的高能γ射線在譜形上會(huì)出現(xiàn)多個(gè)峰(如全能峰、單逃逸峰、雙逃逸峰)和與之對(duì)應(yīng)的康普頓坪，這樣會(huì)使單一γ探測(cè)器測(cè)量的能譜變得較復(fù)雜，同時(shí)對(duì)于包含多種能量的復(fù)雜γ譜的分析極其困難。若利用兩個(gè)或多個(gè)晶體使用符合或反符合技術(shù)，使得每個(gè)能量?jī)H產(chǎn)生1個(gè)峰或增強(qiáng)某個(gè)關(guān)注峰的強(qiáng)度而抑制能譜的其他部分，測(cè)量的能譜則會(huì)變得較簡(jiǎn)單，特別適用于多種核素的高能γ能譜分析和復(fù)雜本底的高能γ能譜分析，電子對(duì)譜儀便由此應(yīng)運(yùn)而生。除閃爍晶體類的電子對(duì)譜儀外，電子對(duì)磁譜儀也是一種測(cè)量高能γ射線的譜儀，雖然測(cè)量精度較高，但是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)復(fù)雜且造價(jià)昂貴，難以實(shí)現(xiàn)[10-11]。因此，本文基于自主研發(fā)的閃爍晶體探測(cè)器研制一套三晶電子對(duì)譜儀(以下簡(jiǎn)稱電子對(duì)譜儀)，對(duì)56Co產(chǎn)生的1.5～4 MeV的高能γ射線進(jìn)行測(cè)量研究，為研制能精確測(cè)量(p,γ)共振核反應(yīng)γ源強(qiáng)度的電子對(duì)譜儀奠定基礎(chǔ)。

1 電子對(duì)譜儀原理

高能γ射線與物質(zhì)相互作用時(shí)主要發(fā)生電子對(duì)效應(yīng)從而產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)，其中當(dāng)正電子的動(dòng)量衰減至接近零時(shí)，會(huì)與附近的負(fù)電子發(fā)生湮滅，從而背向發(fā)射兩條0.511 MeV的γ射線(運(yùn)動(dòng)方向的夾角接近180°)，電子對(duì)譜儀利用這兩條0.511 MeV γ射線與入射高能γ射線的三重符合來(lái)測(cè)量入射高能γ射線[12]。圖1為電子對(duì)譜儀示意圖，1個(gè)小體積的中心探測(cè)器被夾在兩個(gè)大體積的外圍探測(cè)器中間，當(dāng)兩個(gè)外圍探測(cè)器同時(shí)探測(cè)到0.511 MeV γ信號(hào)時(shí)與中心小體積探測(cè)器的信號(hào)進(jìn)行符合，這時(shí)所獲得的能譜中僅包含所測(cè)特征峰的雙逃逸峰，而過(guò)濾掉其全能峰、單逃逸峰及康普頓坪等。因此，電子對(duì)譜儀的探測(cè)效率雖大幅降低，但簡(jiǎn)化了所測(cè)能譜，提高了峰與連續(xù)本底之比，有利于準(zhǔn)確測(cè)量高能γ射線的強(qiáng)度，進(jìn)而可精確得到γ射線的產(chǎn)額。

A、C——外圍探測(cè)器；B——中心探測(cè)器圖1 電子對(duì)譜儀示意圖Fig.1 Schematic diagram of electron-pair spectrometer

20世紀(jì)60年代初，Tavendale[13]和Ewan等[14]利用Ge(Li)探測(cè)器作為中心探測(cè)器，φ2英寸×2英寸的NaI探測(cè)器作為外圍探測(cè)器研制了最早的電子對(duì)譜儀，通過(guò)對(duì)14N(d,p)15N的γ能譜測(cè)量，發(fā)現(xiàn)極大地改善了測(cè)量能譜的峰康比。Auble等[15]對(duì)電子對(duì)譜儀進(jìn)行了改進(jìn)，外圍探測(cè)器換成大體積的環(huán)形NaI晶體，從而提高了0.511 MeV γ射線的探測(cè)效率。1994年，孔祥忠[16]用高純鍺作為中心探測(cè)器、兩塊環(huán)形塑料閃爍體作為外圍探測(cè)器組成電子對(duì)譜儀，測(cè)量了22Na放射源特征峰，電子對(duì)譜儀測(cè)量的22Na特征峰雙逃逸峰能譜相比于使用中心探測(cè)器直接測(cè)量特征峰的全能峰能譜，峰與附近本底比改進(jìn)了50倍。

與HPGe探測(cè)器作為中心探測(cè)器相比，LaBr3探測(cè)器作為中心探測(cè)器不僅可保證較好的能量分辨率，還可較大地提高電子對(duì)譜儀的探測(cè)效率。因此，本工作利用LaBr3探測(cè)器作為中心探測(cè)器，兩個(gè)大體積的NaI探測(cè)器作為外圍探測(cè)器研制一套電子對(duì)譜儀。

2 電子對(duì)譜儀的研制

2.1 閃爍晶體探測(cè)器的研制

本次實(shí)驗(yàn)的測(cè)量對(duì)象為56Co、22Na等放射源。選擇中心晶體LaBr3的尺寸時(shí)，既需保證其對(duì)放射源高能特征峰的探測(cè)效率，又要保持其對(duì)0.511 MeV γ射線的穿透率。通過(guò)對(duì)0.511 MeV γ射線在LaBr3晶體中的半值厚度計(jì)算，LaBr3晶體尺寸選擇為φ1.5英寸×1.5英寸[17]。在LaBr3中心探測(cè)器的外圍放置兩個(gè)自主研制的φ5英寸×3英寸的NaI探測(cè)器用來(lái)探測(cè)0.511 MeV γ射線，NaI探測(cè)器采用了濱松公司R877型號(hào)的光電倍增管。對(duì)應(yīng)于NaI晶體的熒光衰減時(shí)間(230 ns)[12]，分壓器電路采用能譜型分壓電路，其中阻抗RC=50 kΩ。

2.2 閃爍探測(cè)器工作電壓的選擇

光電倍增管只有工作在最佳狀態(tài)，閃爍探測(cè)器才能獲得最好的信噪比，因此需進(jìn)行光電倍增管的坪特性測(cè)量。坪特性測(cè)量是指緩慢增加光電倍增管的工作電壓時(shí)，測(cè)量到超過(guò)一定閾值的脈沖數(shù)目，當(dāng)電壓增加到一定值時(shí)，超過(guò)一定閾值的脈沖數(shù)趨于飽和。通過(guò)改變光電倍增管的工作電壓，可得到脈沖數(shù)與光電倍增管工作電壓的變化關(guān)系曲線，即坪曲線。選擇坪區(qū)對(duì)應(yīng)的電壓范圍作為工作電壓，這時(shí)，即使工作電壓稍有變化，計(jì)數(shù)率也不會(huì)受到影響[18]。坪區(qū)越廣，光電倍增管性能越不易受暗電流變化的影響，探測(cè)器的能量分辨也較好，由此可確定光電倍增管的工作電壓。

使用40K 1 460 keV特征峰進(jìn)行坪曲線測(cè)量的測(cè)試線路如圖2所示，其中多道分析器可設(shè)定獲取的閾值，只有當(dāng)探測(cè)器輸入到多道分析器的信號(hào)幅度大于某一數(shù)值時(shí)才會(huì)被獲取。坪曲線測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖2 坪曲線測(cè)試線路Fig.2 Diagram of experiment for plateau curve

由光電倍增管的坪特性可知，探測(cè)器的工作電壓應(yīng)設(shè)定在坪區(qū)開始電壓(V0)與光電倍增管最大允許電壓之間。測(cè)試1號(hào)NaI探測(cè)器時(shí)，當(dāng)工作電壓高于1 000 V時(shí)，探測(cè)器的輸出脈沖數(shù)趨于坪區(qū)(圖3a)，因此1號(hào)NaI探測(cè)器的工作電壓應(yīng)選擇為1 000～1 500 V；同樣，2號(hào)NaI探測(cè)器在1 300～1 500 V之間出現(xiàn)了坪區(qū)，因此2號(hào)NaI探測(cè)器的工作電壓應(yīng)選擇為1 300～1 500 V之間。為保證兩個(gè)NaI探測(cè)器1 460 keV特征峰的輸出幅度一致，選擇1號(hào)NaI探測(cè)器的工作電壓為1 050 V，2號(hào)NaI探測(cè)器的工作電壓為1 350 V，LaBr3探測(cè)器的工作電壓選擇為探測(cè)器生產(chǎn)廠商的推薦值-1 700 V。

3 電子對(duì)譜儀的測(cè)試

使用22Na放射源測(cè)試兩個(gè)大體積NaI探測(cè)器對(duì)511 keV γ射線的能量響應(yīng)，確定511 keV γ射線脈沖幅度的輸出范圍。1號(hào)和2號(hào)NaI探測(cè)器測(cè)量的22Na能譜如圖4所示，可看出，兩個(gè)探測(cè)器測(cè)量的511 keV和1 274.5 keV特征峰的道址基本一致，且兩者的計(jì)數(shù)率也較接近。其中，1號(hào)NaI探測(cè)器511 keV全能峰的凈計(jì)數(shù)率約為164 s-1，對(duì)511 keV的分辨率為8.7%；2號(hào)NaI探測(cè)器511 keV全能峰的凈計(jì)數(shù)率為170 s-1，對(duì)511 keV的分辨率為8.8%。根據(jù)兩個(gè)NaI探測(cè)器對(duì)511 keV γ射線的信號(hào)輸出范圍，確定符合線路中外圍NaI探測(cè)器的上、下閾值。

a——1號(hào)NaI探測(cè)器坪曲線；b——1號(hào)NaI探測(cè)器道址選擇曲線；c——2號(hào)NaI探測(cè)器坪曲線；d——2號(hào)NaI探測(cè)器道址選擇曲線圖3 不同探測(cè)器光電倍增管的坪曲線 Fig.3 Plateau curve of PMT for different detectors

a——1號(hào)NaI探測(cè)器；b——2號(hào)NaI探測(cè)器圖4 NaI探測(cè)器測(cè)量的22Na能譜Fig.4 22Na energy spectrum measured by NaI detector

電子對(duì)譜儀的符合測(cè)試線路如圖5所示，3個(gè)探測(cè)器的輸出脈沖先經(jīng)前置放大器放大后，進(jìn)入主放大器。為保證3路信號(hào)的同時(shí)性，3路主放大器信號(hào)輸入到單道分析器，可根據(jù)能譜的測(cè)量范圍，調(diào)節(jié)單道的上、下閾值。此后，3路探測(cè)器的信號(hào)可進(jìn)行符合，并用符合信號(hào)給獲取系統(tǒng)開門，獲取中心探測(cè)器的能譜。

相對(duì)其他放射源，56Co放射源可放出3 MeV能量以上的γ射線，其特征γ射線電子對(duì)效應(yīng)更明顯，因此本實(shí)驗(yàn)選用56Co放射源對(duì)電子對(duì)譜儀進(jìn)行測(cè)試，電子對(duì)譜儀測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)置圖如圖6所示。

點(diǎn)狀的56Co放射源放置在距離中心探測(cè)器中心位置的23.3 cm處，在兩個(gè)NaI探測(cè)器距離放射源近的一側(cè)前放置了足夠厚的鉛磚用來(lái)防止56Co放射源放出的γ射線進(jìn)入外圍NaI探測(cè)器。中心探測(cè)器前準(zhǔn)直器的開孔大小為φ2.5 cm。

圖5 電子對(duì)譜儀的符合測(cè)試線路Fig.5 Diagram of coincidence measurement for electron-pair spectrometer

圖6 電子對(duì)譜儀測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)置圖Fig.6 Schematic of experimental setup of electron-pair spectrometer

4 電子對(duì)譜儀測(cè)試結(jié)果

為了確定偶然符合的計(jì)數(shù)率，在未放置56Co源的情況下，3個(gè)探測(cè)器符合測(cè)量17 900 s，得到的能譜如圖7所示，最左邊的小峰是天然本底40K特征峰1 460 keV雙逃逸峰(峰周圍120道總計(jì)數(shù)約為60)。對(duì)于56Co特征峰能區(qū)的500～2 500道，每道偶然符合的平均本底計(jì)數(shù)小于1(區(qū)間內(nèi)120道總計(jì)數(shù)約為16)。

圖7 偶然符合能譜Fig.7 Energy spectrum of accidental coincidence

電子對(duì)譜儀測(cè)量前，采用LaBr3探測(cè)器對(duì)56Co源進(jìn)行481 s的能譜測(cè)量(圖8a)，由圖8a可看出56Co源中發(fā)射率較高的特征γ射線。其中，計(jì)數(shù)最高峰為846.8 keV全能峰，其次是511 keV的全能峰。未進(jìn)行符合時(shí)，由于峰周圍連續(xù)本底較高導(dǎo)致發(fā)射率較低的其他特征峰較難清晰辨認(rèn)，對(duì)于某些不易清晰辨認(rèn)的峰，精確得到它們的絕對(duì)強(qiáng)度變得十分困難。使用電子對(duì)譜儀對(duì)56Co源進(jìn)行65 600 s的能譜測(cè)量得到的結(jié)果如圖8b所示，能譜中僅包含了56Co特征峰的雙逃逸峰。其中，最高峰為2 598.5 keV雙逃逸峰。由圖8可知，電子對(duì)譜儀的符合測(cè)量不僅可減少連續(xù)本底，而且還能簡(jiǎn)化能譜的峰形分析。

a——LaBr3探測(cè)器；b——電子對(duì)譜儀圖8 電子對(duì)譜儀與LaBr3探測(cè)器的能譜Fig.8 Energy spectraof electron-pair spectrometer and LaBr3 detector

圖9為L(zhǎng)aBr3探測(cè)器測(cè)量56Co源特征峰計(jì)數(shù)率與電子對(duì)譜儀符合測(cè)量56Co源特征峰計(jì)數(shù)率的比，可看出，對(duì)于低能量γ射線，LaBr3探測(cè)器的計(jì)數(shù)率遠(yuǎn)大于電子對(duì)譜儀，而對(duì)于高能量γ射線，LaBr3探測(cè)器的計(jì)數(shù)率則僅約為電子對(duì)譜儀的35倍。這與電子對(duì)效應(yīng)的反應(yīng)截面理論相符合，低能量γ射線的電子對(duì)效應(yīng)的反應(yīng)截面較低，使得電子對(duì)譜儀的計(jì)數(shù)率偏低；而高能量γ射線電子對(duì)效應(yīng)的反應(yīng)截面較高，因此電子對(duì)譜儀的計(jì)數(shù)率較高。因此，對(duì)于能量較高的γ射線的測(cè)量，電子對(duì)譜儀的優(yōu)勢(shì)更明顯。

圖9 LaBr3探測(cè)器與電子對(duì)譜儀的計(jì)數(shù)率比Fig.9 Ratio of count rate between electron-pair spectrometer and LaBr3 detector

圖10 電子對(duì)譜儀和LaBr3探測(cè)器所測(cè)能譜中峰的凈計(jì)數(shù)與總計(jì)數(shù)之比Fig.10 Ratio of net count to total count of peak in energy spectrum measured by electron-pair spectrometer and LaBr3 detector

圖10為L(zhǎng)aBr3探測(cè)器和電子對(duì)譜儀測(cè)量56Co源能譜中特征峰的凈計(jì)數(shù)與總計(jì)數(shù)的比，可看出，電子對(duì)譜儀所測(cè)能譜中的特征峰周圍連續(xù)本底較少，凈計(jì)數(shù)與總計(jì)數(shù)的比接近1，只有在測(cè)量1 771.4 keV特征峰的凈計(jì)數(shù)與總計(jì)數(shù)之比時(shí)，電子對(duì)譜儀所測(cè)結(jié)果與LaBr3探測(cè)器相當(dāng)；這是由于在較低能量時(shí)峰周圍出現(xiàn)了連續(xù)本底，其產(chǎn)生原因是低能γ射線電子對(duì)效應(yīng)的反應(yīng)截面低，造成該能量段雙逃逸峰的計(jì)數(shù)偏少，而且該能量段會(huì)受天然40K特征峰的微弱雙逃逸峰的影響。相比而言，LaBr3探測(cè)器只有測(cè)量56Co最高能量(3 253.5 keV)的特征γ射線時(shí)，峰周圍連續(xù)本底才會(huì)較低。因此，電子對(duì)譜儀在測(cè)量復(fù)雜本底或多峰的高能γ射線能譜時(shí)，具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，可有效避免峰周圍連續(xù)本底的影響，使測(cè)量結(jié)果更為準(zhǔn)確。

5 結(jié)論

本文基于小體積LaBr3探測(cè)器和自主研制的大體積NaI探測(cè)器研制了一套用于測(cè)量高能γ射線的電子對(duì)譜儀。在電子對(duì)譜儀的本底測(cè)量中并未出現(xiàn)明顯的符合峰。使用56Co放射源分別對(duì)LaBr3探測(cè)器及電子對(duì)譜儀進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，電子對(duì)譜儀探測(cè)到了56Co 能量大于1.5 MeV的γ射線雙逃逸峰能譜，電子對(duì)譜儀測(cè)量2 598.5 keV高能量γ射線時(shí)的計(jì)數(shù)率較測(cè)量1 771.4 keV高能量γ射線時(shí)提高約26倍，表明電子對(duì)譜儀在測(cè)量高能γ射線時(shí)有較大優(yōu)勢(shì)；電子對(duì)譜儀測(cè)量2 598.5 keV及更高能量γ射線時(shí)，峰周圍連續(xù)本底幾乎為0，測(cè)量2 034.9 keV γ射線時(shí)，峰周圍連續(xù)本底較LaBr3探測(cè)器測(cè)量的峰周圍連續(xù)本底小5倍。這套譜儀測(cè)量1.5～4 MeV能量范圍內(nèi)的γ射線，可得到更簡(jiǎn)單的能譜，使得讀出的峰計(jì)數(shù)可更加精確，本工作為準(zhǔn)確測(cè)量加速器共振核反應(yīng)(p,γ)及LCS產(chǎn)生的高能γ射線奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

感謝北京師范大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院蘇俊、中國(guó)原子能科學(xué)研究院核物理研究所的顏勝權(quán)、陳雄軍、諶陽(yáng)平和韓治宇在電子學(xué)和探測(cè)器方面的幫助，感謝黨永樂(lè)和付光永在探測(cè)器研制和探測(cè)器模擬方面的幫助。