閃爍體光纖中子探測技術(shù)應(yīng)用研究

萬 波 熊幫平 黎 剛 李 昆 夏 源

（中國核動力研究設(shè)計院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041）

0 引言

中子技術(shù)在核醫(yī)學(xué)、核電站、材料研究、航空航天、輻射防護(hù)等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，而中子探測是實(shí)現(xiàn)中子技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。 隨著中子技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，對中子的探測也提出了一些新的需求，例如：高能物理研究中需要掌握中子的入射方向、能量等信息，中子照相[1]技術(shù)需要針對研究對象的類型、 中子源能量設(shè)計位置分辨率高、時間響應(yīng)快的中子成像裝置，反應(yīng)堆中子學(xué)物理實(shí)驗(yàn)研究過程中需要在堆芯內(nèi)部、燃料空隙間布置中子探測器實(shí)現(xiàn)堆芯中子通量分布的實(shí)時測量。 傳統(tǒng)的3He/BF3 正比計數(shù)管、 裂變電離室等中子探測器由于體積大、難以測量中子能量等原因不能滿足以上要求。 近年來， 由于光纖技術(shù)的發(fā)展興起一種新的中子探測技術(shù)，即將中子信號轉(zhuǎn)換為閃爍光信號進(jìn)行處理[2]。由于光纖直徑小，可以插入堆芯燃料棒的空隙當(dāng)中實(shí)現(xiàn)中子在線測量， 用于中子成像裝置也具有較高的空間分辨率，此外，將中子轉(zhuǎn)換為光信號在光纖內(nèi)傳輸，抗外界環(huán)境干擾能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)中子遠(yuǎn)距離探測。 上述優(yōu)點(diǎn)使得閃爍光纖中子探測技術(shù)具有巨大的應(yīng)用潛力。

用于閃爍光纖中子探測技術(shù)的光纖主要有三種類型：普通光學(xué)光纖、塑料閃爍光纖和波移光纖。普通光學(xué)光纖構(gòu)成的中子探測器結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，探頭由閃爍體材料和中子轉(zhuǎn)換材料組成，中子進(jìn)入探頭發(fā)生核反應(yīng)生成帶電粒子引起閃爍材料發(fā)光，閃爍光經(jīng)普通光纖傳輸?shù)焦怆姳对龉苻D(zhuǎn)換為電信號從而實(shí)現(xiàn)中子探測。波移光纖構(gòu)成的中子探測器結(jié)構(gòu)與普通光纖相同，如圖1（b）所示，差別在于閃爍光子進(jìn)入波移光纖之后被光纖材料分子吸收引起二次發(fā)光，波長發(fā)生改變，其中部分二次發(fā)光光子滿足全反射條件在光纖內(nèi)繼續(xù)傳輸。塑料閃爍光纖中子探測器主要用于快中子測量，結(jié)構(gòu)如圖1（c）所示，入射中子與光纖內(nèi)的C、H 原子核發(fā)生散射生成反沖核，反沖核激發(fā)塑料閃爍光纖發(fā)光從而實(shí)現(xiàn)中子的探測。 目前，閃爍光纖中子探測技術(shù)主要應(yīng)用于兩個方面，一種是針對傳統(tǒng)中子探測器不適用、狹小空間內(nèi)的中子測量場合，另一個應(yīng)用作為中子照相技術(shù)的成像裝置。

圖1 幾種典型的光纖

1 中子探測

將中子轉(zhuǎn)換材料和閃爍發(fā)光物質(zhì)混合構(gòu)成中子探頭，再與光纖耦合構(gòu)成的閃爍體光纖中子探測器在反應(yīng)堆中子學(xué)物理特性研究領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。 目前研究較多的閃爍體光纖中子探測技術(shù)采用的中子轉(zhuǎn)換材料為熱中子截面較大的含6Li 的化合物， 發(fā)光材料為ZnS（Ag）或者有機(jī)閃爍體等，傳輸光纖為普通光學(xué)光纖或波移光纖。 試驗(yàn)測試表明，該中子探測器對于γ 射線和中子射線的脈沖幅度譜區(qū)別明顯，可以通過設(shè)置脈沖幅度閾值的方式從輸出信號中扣除γ射線的干擾，確保中子探測的準(zhǔn)確性。 由于探測器的尺寸較小，可以將其布置在反應(yīng)堆燃料棒間隙內(nèi)實(shí)現(xiàn)堆芯中子的實(shí)時探測，實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明該方法測量的堆芯中子通量密度分布情況與中子活化法的測量結(jié)果符合很好，但相對于活化法測量耗時較長（至少幾個小時）的問題，閃爍體光纖中子探測器只需要十幾分鐘就能完成整個測量過程。 此外，選用不同的中子轉(zhuǎn)換材料（每種材料具有不同的中子反應(yīng)閾值）構(gòu)成的閃爍體探頭還能實(shí)現(xiàn)中子能譜的測量。

前面介紹的閃爍體光纖中子探測技術(shù)主要針對熱中子的測量，對于快中子的測量國內(nèi)外也有較多的研究報道。 快中子的探測通過閃爍光纖實(shí)現(xiàn)，研究人員[1，2]對閃爍光纖的快中子輻照特性進(jìn)行了研究，利用蒙特卡洛工具GEANT4 對單根閃爍光纖建模，模擬計算光纖長度、半徑以及入射中子能量等與閃爍光纖中的能量沉積效率（中子探測效率）之間的關(guān)系，研究了高能中子輻照下閃爍光纖內(nèi)部的質(zhì)子分布特性。模擬計算結(jié)果表明，對于低能快中子（＜500 keV），閃爍光纖的長度為6 cm 時光纖中的能量沉積效率即達(dá)到飽和，能量沉積率約為45%；對于14 MeV 高能中子，光纖長度為20 cm 時的能量沉積效率為17.5%，且未達(dá)到飽和；閃爍光纖半徑大于0.05 cm 時能量沉積效率變化較大，當(dāng)半徑小于0.05 cm 時光子會從光纖側(cè)面散射出去而對鄰近的光纖產(chǎn)生干擾，因此在選用半徑小于0.05 cm 的閃爍光纖組成光纖陣列時必須考慮光纖之間的串?dāng)_問題。 此外，在相同閃爍光纖幾何尺寸條件下，入射中子能量小于2 MeV 時能量沉積效率基本沒有較大變化；當(dāng)中子能量大于2 MeV 時，隨著入射中子能量增加，雖然產(chǎn)生的質(zhì)子的最高能量逐漸變大，但總的反沖質(zhì)子數(shù)卻在減少，導(dǎo)致能量沉積效率隨入射中子能量升高而下降。將閃爍光纖用于快中子成像技術(shù)，即要考慮成像的快速性和成像空間分辨率，又要根據(jù)所檢測對象的實(shí)際情況選定特定能量的中子，本項(xiàng)研究成果對于快中子成像技術(shù)實(shí)際應(yīng)用過程中的光纖參數(shù)選取、抗串?dāng)_裝置設(shè)計以及入射中子源設(shè)定提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)意義。圖2 展示了一種用于核物理試驗(yàn)或空間中子射線探測的閃爍光纖快中子探測器，由多層縱橫十字交叉排列的光纖陣列構(gòu)成，通過探測反沖質(zhì)子的徑跡方向、長度以及閃爍光的強(qiáng)度可以推導(dǎo)入射中子的方向、能量等信息。 研究表明該類型的探測器實(shí)現(xiàn)15～100 MeV 中子能量和入射方向的測量，并用于空間站的中子射線探測。

圖2 閃爍光纖快中子徑跡探測器

2 中子成像

對于中子成像裝置，要求閃爍光纖能夠抵抗γ 射線的干擾，具有快的響應(yīng)時間，從而確保成像的空間分辨率。研究人員采用蒙特卡洛方法研究閃爍光纖對不同能量的中子射線和γ 射線的相對靈敏度，并測量了幾個能量點(diǎn)的中子/γ 靈敏度[3]。 研究結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)測量的閃爍光纖探測器的中子/γ 能量響應(yīng)曲線與模擬計算值符合較好，探測器對2.5 MeV 的中子和1.25 MeV的γ 射線的靈敏度比值為5.3，區(qū)別明顯，因此可以方便地從閃爍光纖的輸出信號中扣除γ 射線的影響。 文獻(xiàn)[8]對閃爍光纖的發(fā)光時間特性進(jìn)行了研究，采用單光子相關(guān)時間法測量了直徑為0.1 cm 的光纖的發(fā)光時間。通過研究發(fā)現(xiàn)閃爍光纖對于單光子激發(fā)的閃爍發(fā)光由快、慢兩種成分構(gòu)成，快慢成分的比約為0.3， 其中， 快成分的上升時間和衰減時間分別為～1 ns 和～3ns，慢成分的衰減時間約15 ns。 由此可見閃爍光纖具有快的時間響應(yīng)特性， 以及良好的中子/γ 甄別性能， 將其用于中子測量時時間分辨率高、抗γ 射線干擾能力強(qiáng)。

熱中子成像屏由閃爍材料和波移光纖構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖3 所示，兩層波移光纖交錯排列位于兩塊閃爍屏的中間，閃爍屏材料為6LiF/ZnS（Ag），熱中子首先與閃爍屏內(nèi)的6Li 發(fā)生反應(yīng)生成帶電粒子， 再激發(fā)ZnS（Ag）發(fā)光，閃爍光進(jìn)入波移光纖傳輸?shù)焦怆姳对龉苁占幚恚瑥亩鴮?shí)現(xiàn)中子射線的探測。 該型成像屏的熱中子探測器效率最， 且γ 抑制能力很強(qiáng)，γ 靈敏度小于10-5。 因此，信號處理過程中可以通過設(shè)置電子學(xué)線路的閾值實(shí)現(xiàn)中子/γ 甄別。中子成像空間位置分辨率隨著波移光纖的間距以及光纖陣列與閃爍屏之間的距離的減小；此外，位置分辨率還與光纖陣列和閃爍屏之間填充的耦合材料有關(guān)，使用硅油作為耦合材料，增加了波移光纖俘獲的閃爍光子數(shù)量，但由于波移光纖和硅油的折射率相當(dāng)，導(dǎo)致閃爍光的臨界角減小反而減弱了傳輸?shù)焦怆姳对龉艿墓庾訑?shù)。 因此，閃爍屏與光纖陣列之間采用空氣耦合制成的成像屏的空間位置分辨率要好于硅油耦合的情況。

圖3 熱中子成像屏結(jié)構(gòu)示意圖

快中子成像屏主要有兩種結(jié)構(gòu)。 一種結(jié)構(gòu)如圖4所示，閃爍光纖平行布置構(gòu)成光纖陣列，快中子從光纖端面入射，與光纖原子核碰撞生產(chǎn)帶電粒子激發(fā)閃爍發(fā)光實(shí)現(xiàn)中子探測。這一類型的快中子成像裝置進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計和實(shí)驗(yàn)研究，重點(diǎn)分析了中子源、屏蔽系統(tǒng)、光纖陣列裝配工藝、光導(dǎo)材料等各種因素對中子成像分辨率的影響。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明以閃爍光纖作為中子輻射轉(zhuǎn)換體的快中子成像裝置抗γ 干擾能力強(qiáng)，結(jié)合相應(yīng)的準(zhǔn)直、屏蔽設(shè)計可以獲得較好的圖像質(zhì)量。

圖4 閃爍光纖陣列快中子成像屏

另一種高靈敏度快中子成像屏結(jié)構(gòu)設(shè)計，將波移光纖布置在快中子轉(zhuǎn)換屏內(nèi)，結(jié)構(gòu)如圖5 所示。 中子轉(zhuǎn)化屏由富含H 原子的材料與閃爍發(fā)光物質(zhì)混壓構(gòu)成，快中子進(jìn)入轉(zhuǎn)換屏產(chǎn)生閃爍光，閃爍光經(jīng)轉(zhuǎn)換屏內(nèi)的波移光纖導(dǎo)出實(shí)現(xiàn)中子的探測。由于波移光纖位于轉(zhuǎn)換屏內(nèi)部，可以及時將轉(zhuǎn)換屏發(fā)出的閃爍光傳輸?shù)焦怆姳对龉埽?減少了轉(zhuǎn)換屏對閃爍光的自吸收，因此可以提高轉(zhuǎn)換屏的厚度，最終實(shí)現(xiàn)快中子探測效率的提升。研究人員深入分析了轉(zhuǎn)換屏內(nèi)的光纖排列形狀、光纖直徑、間距、反射層等因素對于快中子成像效果的影響。

圖5 高靈敏度快中子成像屏

3 結(jié)語

綜上所述，閃爍體+光纖的中子探測器尺寸較小、中子/γ 甄別性能好、抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)、具有較高的空間位置分辨率，且能夠?qū)崿F(xiàn)熱中子～快中子的探測。這些優(yōu)勢使得閃爍體光纖中子探測器在反應(yīng)堆堆芯中子通量測量、高能物理實(shí)驗(yàn)、中子照相等領(lǐng)域均有實(shí)際應(yīng)用， 隨著該新型中子探測技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展，其在中子探測領(lǐng)域的應(yīng)用將更加廣泛。