塑料閃爍體探測器中子/伽馬甄別能力研究

秦 茜 李 瑋 焦聽雨 李曉博 肖凱歌 李世垚 劉毅娜 王志強 劉蘊韜

(中國原子能科學研究院，計量與校準技術重點實驗室，北京 102413)

1 引 言

中子能譜的測量非常重要，它是中子探測學的重要組成部分，在生活及許多輻射研究中發(fā)揮著關鍵作用[1]。由于中子源本身存在γ本底，中子與其它材料發(fā)生反應也會產生γ射線，因此中子輻射場往往是一個存在中子伽馬的混合輻射場，又因為塑料閃爍體探測器對中子和γ射線都很靈敏，所以必須進行n/γ甄別才能實現中子探測。

目前，國內外學者對閃爍體探測器n/γ甄別能力及甄別方法的研究持續(xù)不斷。傳統(tǒng)的n/γ甄別方法主要有上升時間法、電荷比較法、脈沖梯度法和過零定時法[2]，近年來，隨著DSP(數字信號處理器)、高速ADC(模數轉換器)和FPGA(現場可編程門陣列)的高速發(fā)展，n/γ甄別方法正朝著數字化的方向發(fā)展。此外，國內外學者提出了神經網絡法[3]、脈沖梯度法[4]、小波變換法[5]和相關法[6]等基于數字技術的甄別方法，并研制了相關集成電子學儀器，大大提高了n/γ甄別能力[7]。

選擇研究的塑料閃爍體探測器型號為EJ276，閃爍體尺寸為直徑2英寸，長2英寸，光電倍增管型號為R7724，直徑為2英寸，推薦電壓為-1200V。EJ276是基于EJ-299-33A塑料閃爍體新推出的改進版本。EJ-299-33A是由美國ELJEN公司于2013年推出的一款新型塑料閃爍體，它具有n/γ甄別能力。在2017年，ELJEN公司推出EJ276塑料閃爍體，與EJ-299-33A相比，EJ276各方面特性都更好，包括n/γ甄別能力更好[8]。目前，國內外學者針對EJ-299-33A塑料閃爍體探測器及液閃做過許多n/γ甄別實驗。例如：利用長短積分時間窗的方法對塑料閃爍體探測器n/γ甄別能力的研究。用到的標準源分別有137Cs、54Mn、22Na和Pu-Be源，并計算得出不同長短門設置下對Pu-Be源進行n/γ甄別的FOM[9]。目前，國內還缺少針對EJ276塑料閃爍體探測器性能的研究，本文利用線性延遲法和長短積分時間窗的方法分別對EJ276塑料閃爍體探測器n/γ甄別能力進行研究，驗證上述EJ276比EJ-299-33A n/γ甄別能力更好觀點的可靠性，同時，為后續(xù)基于EJ276塑料閃爍體探測器n/γ甄別性能研究及比較相關閃爍體探測器n/γ甄別效果的研究提供參考。

2 塑料閃爍體探測器

2.1 塑料閃爍體探測器探測原理

塑料閃爍體探測器主要包括塑料閃爍體、光導、光電倍增管、射極跟隨器和相應電子學儀器五個重要組成部分。塑料閃爍體探測器組成及工作原理如圖1所示[8]。通常將塑料閃爍體、光導、光電倍增管和射極跟隨器都安裝在同一暗盒中，組成塑料閃爍體探測器的探頭，高壓電源為整個探頭供電，多道脈沖幅度分析器主要用于采集中子和γ射線引起的脈沖信號并對信號進行處理等功能。

圖1 塑料閃爍體探測器工作原理示意圖

塑料閃爍體探測器的探測過程可以分為以下幾個部分。

1)當射線入射到塑料閃爍體中，與之發(fā)生相互作用，中子或γ射線損失部分或全部能量，閃爍體吸收帶電粒子的能量使原子、分子發(fā)生電離和激發(fā)；

2)受激原子、分子不穩(wěn)定，會發(fā)生退激現象，退激時發(fā)射熒光光子；

3)在光導或反射層的作用下，熒光光子盡可能多地被收集到光電倍增管的光陰極上，由于光電效應，熒光光子在光陰極上擊出光電子；

4)在光電倍增管中，光電子打在各倍增電極上進行電子倍增，倍增后的電子流在陽極負載上產生電壓或電流脈沖的電信號；

5)從陽極負載上采集的電信號通過射極跟隨器引出，然后使用多道脈沖幅度分析器進行信號的分析處理，從而實現n/γ甄別等功能。

2.2 塑料閃爍體探測器n/γ甄別原理

塑料閃爍體探測器具有較好的n/γ甄別能力，這是因為其閃爍體特性決定了閃爍體光輸出成分有快成分、慢成分兩種，分別約為3ns和270ns。輻射粒子類型決定快成分、慢成分有不同的占比，入射粒子越重，慢成分比例越高，入射粒子越輕，則快成分比例越高。因此，當光子入射時，快成分比例大；反之，當中子入射時，慢成分比例大，利用此特性就可以進行粒子的鑒別。典型的閃爍體探測器輸出的中子、γ電流波形(已歸一化)如圖2所示，可以看出兩種信號的差異主要體現在脈沖后沿。

圖2 閃爍體探測器輸出的中子、γ電流波形圖(已歸一化)

通常用FOM來衡量n/γ甄別效果[2,10]，FOM值越大，n/γ甄別性能越好，反之，FOM值越小，n/γ甄別性能越差。FOM值的表達式為

(1)

式中：S——n/γ甄別譜中中子峰和γ峰之間的距離；

FWHMγ——γ峰的半高寬；FWHMn——中子峰的半高寬。

上述參數可表示為如圖3所示。

圖3 n/γ甄別譜

3 實驗過程及結果分析

3.1 線性延遲法

傳統(tǒng)上升時間法是將不同帶電粒子激發(fā)產生的電壓脈沖上升時間的差異轉化成脈沖幅度的差異來實現n/γ甄別。但由于其上升時間非常短，一般為ns量級，因此不易進行甄別。線性延遲法就可以彌補這點不足，它能將脈沖上升時間的差異轉化成下降時間的差異，再利用時間-幅度轉換器轉換成脈沖幅度的不同來實現n/γ甄別，因為脈沖的下降時間比上升時間長，一般為μs量級，更容易進行n/γ甄別。

線性延遲法進行n/γ甄別的電子學框圖如圖4所示。該方法的工作原理和過程如下。

圖4 線性延遲法進行n/γ甄別的電子學框圖

1)前置放大器113連接閃爍體探測器打拿極的輸出端，將累積電荷量轉化成電壓脈沖；

2)線性延遲放大器460將不同粒子產生的電壓脈沖上升時間的不同反映在脈沖后沿上；

3)脈沖形狀甄別器552在脈沖后沿分別設置兩個定時甄別器，例如在脈沖高度為10%和90%或20%和80%時給出定時脈沖輸出，兩個定時脈沖輸出之間的時間間隔就能反映下降時間的長短；

4)時間-幅度轉換器567連接脈沖形狀甄別器兩個定時甄別器的輸出端，將定時脈沖輸出的時間間隔轉變成幅度的差異；

5)最后通過多道脈沖幅度分析器將信號引出，對產生的脈沖進行分析，從而實現n/γ甄別。

利用上述線性延遲法對241Am-Be中子源進行n/γ甄別后的結果如圖5所示，定時甄別器設置于脈沖高度20%和80%時給出定時脈沖輸出，測量時間為700s，計算得出FOM約等于1.16。

圖5 線性延遲法進行n/γ甄別的實驗結果圖

3.2 長短積分時間窗的方法

長短積分時間窗方法的工作原理是利用中子和γ引起的脈沖在不同時間段的積分電荷不同實現n/γ甄別。甄別過程如圖6所示，分別設置長門和短門[11]，并對長門和短門的信號進行積分得出Qlong和Qshort，通過式(2)即可計算求得PSD值[12]。由于中子信號和γ信號脈沖后沿的差異，算得的PSD值不同，CEAN DT5790配套軟件可在線顯示Qlong-PSD散點圖，即可實現n/γ甄別。

圖6 長門與短門的設置圖

(2)

利用上述長短積分時間窗的方法對241Am-Be中子源進行n/γ甄別的電子學框圖如圖7所示。

圖7 長短積分時間窗的方法進行n/γ甄別的電子學框圖

通過反復調整長短門門寬，來獲得最佳的n/γ甄別效果。不同長短門設置下得到的FOM見表1，可以看出，第4組實驗的FOM最佳，此時，積分時間窗的長門為400ns，短門為60ns，其甄別結果如圖8和圖9所示。

表1 不同長短門設置下得到的FOMTab.1 Figure of merit obtained under different length gate settings序號測量時間/s長門/ns短門/nsFOM11200300681.1421200400681.0931200400641.2441200400601.2951200400481.13

圖8 長門寬為400ns，短門寬為60ns時的甄別結果圖

圖9 長門寬為400ns，短門寬為60ns時進行甄別得出的PSD散點圖

3.3 兩種方法的比較

根據上述實驗原理、過程及n/γ甄別實驗結果，從成本、操作難易程度及甄別效果三個方面對線性延遲法和長短積分時間窗法進行比較，見表2。線性延遲法是傳統(tǒng)電子學的方法，所用電子學插件較多，成本較高，且多個插件之間的連接及參數調整較復雜，n/γ甄別效果較差；長短積分時間窗的方法所用的電子學儀器僅有數字波形采樣器DT5790，是集成電子學的方法，成本較低，且儀器與探測器之間的連接、參數調整都較簡單，n/γ甄別效果較好。因此，利用長短積分時間窗的方法進行n/γ甄別比線性延遲法更占優(yōu)勢。

表2 兩種n/γ甄別方法的比較Tab.2 Result comparison of two neutron/gamma discrimination methods甄別方法成本操作難易成度甄別效果線性延遲法插件較多,價格昂貴插件之間的連接及參數的調整較復雜較差長短積分時間窗的方法較低簡單較好

3.4 n/γ甄別漏率的測量

n/γ甄別漏率是指在進行n/γ甄別的過程中，n/γ甄別系統(tǒng)沒有識別出所有γ信號或錯將γ信號當成中子信號進行甄別的情況，即n/γ甄別的誤判率。n/γ甄別漏率測量的工作原理是對γ源進行測量并進行n/γ甄別，將n/γ甄別系統(tǒng)認為的中子計數除以總計數即為n/γ甄別的誤判率。

采用下述方法確定n/γ甄別漏率：①使用探測器測量γ源的計數；②在相同探測器、測量時間、測量距離及放大倍數下，使用n/γ甄別方法測量得到甄別后的計數；③將步驟②得到的計數除以步驟①得到的計數即n/γ甄別漏率。

實驗所用γ源為60Co源，長門寬為400ns，短門寬為60ns，測量時間為1200s，其甄別結果如圖10和圖11所示。

圖10 長短積分時間窗的方法對60Co源進行n/γ甄別的結果圖

圖11 長短積分時間窗的方法對60Co源進行n/γ甄別的PSD散點圖

實驗的總粒子計數約為4.46×104個，n/γ甄別后的粒子計數，即系統(tǒng)認為是中子的計數為292，算得n/γ甄別漏率約為6.5×10-3，表明利用長短積分時間窗的方法進行n/γ甄別可行且甄別結果可信。

4 結束語

本文用到的塑料閃爍體探測器EJ276能夠很容易地加工為所需形狀，且無毒、不易燃，使用較安全，同時，具有較好的光學特性、響應快、衰減時間短等特點，并且n/γ甄別能力較強，因此在中子探測方面具有較大的應用潛力，能廣泛應用于高能物理實驗研究中。利用塑料閃爍體探測器EJ276開展了兩種n/γ甄別方法研究。塑料閃爍體的尺寸為直徑2英寸、長2英寸、配有長2英寸的光電倍增管。以241Am-Be源作為中子伽馬混合源，分別用線性延遲法和長短積分時間窗的方法對塑料閃爍體探測器進行n/γ甄別性能研究，利用PSD圖及計算得出的FOM，比較了這兩種方法的n/γ甄別效果。結果表明：線性延遲法將定時甄別器設置于脈沖高度20%和80%時給出定時脈沖輸出，FOM約等于1.16，甄別效果較差。長短積分時間窗的方法甄別效果較好，當積分時間窗的長門為400ns，短門為60ns時，塑料閃爍體探測器EJ276的n/γ甄別效果最好且n/γ甄別的誤判率最低，此時，FOM約等于1.29，n/γ甄別漏率約為6.5×10-3。