基于硅光電倍增管的閃爍體中子探測(cè)器

岳秀萍 黃河* 唐彬 朱志甫 萬志勇

（1.核技術(shù)應(yīng)用教育部工程研究中心（東華理工大學(xué)）江西省南昌市 330013）

（2.散裂中子源科學(xué)中心 廣東省東莞市 523803）

1 引言

中子散射技術(shù)作為研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)特性的理想探針，已被廣泛應(yīng)用于凝聚態(tài)物理、化學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域[1,2]。中國(guó)散裂中子源(China Spallation Neutron Source，CSNS) 于2018年11月順利打靶并出束[3]。在CSNS 譜儀建設(shè)計(jì)劃中，預(yù)計(jì)在2022年12月將安裝能量分辨成像譜儀。本文所研制的探測(cè)器將應(yīng)用于能量分辨成像譜儀。

3He 管因探測(cè)效率高、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用于各類中子譜儀中，但目前，由于3He 氣體短缺導(dǎo)致其價(jià)格昂貴，急需要采用其他類型的中子探測(cè)器來代替3He 管[4,5]。閃爍體中子探測(cè)器由于探測(cè)效率高、時(shí)間分辨能力強(qiáng)、n/γ 甄別能力良好、易于大面積制作且價(jià)格便宜等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)開始逐漸取代3He 管應(yīng)用于很多中子儀器中，例如ISIS 的IMAT、J-PARC 的TAKUMI、SNS 的POWGEN 和CSNS 的ERNI[6-8]。

目前許多用于中子譜儀的閃爍體探測(cè)器都采用多陽(yáng)極光電倍增管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)然后傳輸?shù)胶罄m(xù)的分立電子系統(tǒng)中[9,10]。中國(guó)散裂中子源GPPD 譜儀的主探測(cè)器采用的自主研發(fā)的大面積閃爍體探測(cè)器陣列，其位置分辨率達(dá)到了4 mm×4 mm，熱中子探測(cè)效率高于45%[11]。各項(xiàng)指標(biāo)均滿足譜儀的要求，但從樣品的衍射環(huán)來看，探測(cè)效率的均勻性較差。多陽(yáng)極光電倍增管雖然性能穩(wěn)定，增益高，但存在探測(cè)效率均勻性差、工作電壓高、體積大、抗磁場(chǎng)干擾能力差等問題。近年來，硅光電倍增管（SiPM）由于單光子分辨率高、易集成和低工作電壓等特點(diǎn)，引起了越來越多的關(guān)注[12]。在本研究中，我們采用SiPM 代替多陽(yáng)極光電倍增管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，并采用ASIC 電子器件來讀出信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)低成本、死區(qū)小和探測(cè)效率均勻性好等優(yōu)異性能。

在這項(xiàng)工作中，我們研制了一個(gè)中子敏感區(qū)域?yàn)?0 mm×200 mm 的探測(cè)器原型樣機(jī)，采用SiPM 進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和ASIC 電子學(xué)讀出信號(hào)。在 CSNS 的20 號(hào)中子束線上測(cè)試了該探測(cè)器樣機(jī)的探測(cè)器效率、計(jì)數(shù)率及均勻性等基本性能參數(shù)。

2 探測(cè)器的原理及其及結(jié)構(gòu)

基于SiPM 讀出的閃爍體中子探測(cè)器主要由閃爍體、等距排布的光纖陣列、SiPM 陣列及其讀出電子學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成。其工作原理為入射中子與閃爍屏中的中子靈敏材料（如6Li、10B）發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生α 粒子與氚核，次級(jí)粒子在閃爍材料中沉積能量并發(fā)射出閃爍光子，ZnS 閃爍材料為粒度十到幾十微米的多晶粉末，對(duì)α 粒子發(fā)光效率較高，對(duì)γ 的靈敏度低，n/γ 比高。發(fā)光光譜在400-600 nm，峰值在412 nm，ZnS 發(fā)射光譜峰值與光收集器件（SiPM）的探測(cè)光譜并不重合，需要通過波移光纖對(duì)閃爍屏的發(fā)射光子波長(zhǎng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并對(duì)光信號(hào)進(jìn)行定位。SiPM 將探測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)經(jīng)過后端的電子學(xué)系統(tǒng)放大、濾波、整形后進(jìn)入數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)（FPGA）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。數(shù)據(jù)通過在線及離線程序進(jìn)行分析，以獲取探測(cè)器測(cè)得的入射中子的位置與時(shí)間信息。

探測(cè)器的頭部由ZnS/6LiF閃爍屏和波移光纖陣列組成。閃爍屏的探測(cè)效率取決于中子在閃爍屏中的能量沉積和光子發(fā)射概率，通過GEANT4 對(duì)探測(cè)器不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，隨著閃爍屏與入射中子角度的減小，閃爍屏的探測(cè)效率逐漸增加，在入射角度為20°時(shí)，在1 ? 的中子波長(zhǎng)下探測(cè)效率可以達(dá)到78%。因此我們改變傳統(tǒng)的中子垂直入射結(jié)構(gòu)將該探測(cè)器設(shè)計(jì)為斜入射百葉窗結(jié)構(gòu)增加中子入射途徑以此提高中子探測(cè)效率。考慮到像素尺寸為3 mm、排布光纖的機(jī)械結(jié)構(gòu)限制，探測(cè)器閃爍屏的傾斜角度確定為17°。探測(cè)器原理示意圖如圖1所示。

圖1：探測(cè)器原理示意圖

探測(cè)器的電子學(xué)系統(tǒng)采集探測(cè)器輸出的微弱電信號(hào)，甄別出中子信號(hào)，對(duì)信號(hào)的放大、整形、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)壓縮及打包。為了獲取中子的位置信息與時(shí)間信息，需要將中子信號(hào)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行分析計(jì)算。數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)分為前置放大電路系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集電路系統(tǒng)。前放電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由FPGA控制。FPGA 控制電荷測(cè)量電路、溫度傳感電路、模數(shù)變換電路以及前放板標(biāo)定電路，對(duì)探測(cè)器每個(gè)通道信號(hào)的采集、數(shù)字化、篩選、緩存和組包，最后將數(shù)據(jù)包上傳到后端上位機(jī)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

3 探測(cè)器性能測(cè)試

為了驗(yàn)證讀出電子學(xué)的性能，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室進(jìn)行了測(cè)試。將α 源放置在探測(cè)器的某一個(gè)通道表面，用示波器觀測(cè)其信號(hào)。測(cè)試結(jié)果如圖3所示，可以看出，在探測(cè)器的第二通道有很高的計(jì)數(shù)。該信號(hào)經(jīng)過FPGA 的處理傳輸給上位機(jī)，經(jīng)上位機(jī)分析后，其信號(hào)脈寬譜如圖4所示。

圖3：α 源測(cè)試信號(hào)

圖4：α 信號(hào)脈寬譜

探測(cè)器的探測(cè)效率也是一個(gè)很重要的指標(biāo)之一。探測(cè)效率的測(cè)試原理主要是通過待測(cè)探測(cè)器與3He 計(jì)數(shù)管（20atm）進(jìn)行比較，高氣壓的3He 管在2.868? 的波長(zhǎng)下的探測(cè)效率可以達(dá)到100%，在1.434? 波長(zhǎng)下的探測(cè)效率也可以達(dá)到99.8%，將二者的計(jì)數(shù)與束流出口的束流監(jiān)測(cè)器進(jìn)行歸一即可得到待測(cè)探測(cè)器在不同能量下中子的探測(cè)效率。測(cè)試原理框圖如圖5所示，由于BL20 的中子波長(zhǎng)分布較寬，采用云母 (0 0 10) (0 0 8) 單色儀提取特定波長(zhǎng)的中子，并降低中子強(qiáng)度，且云母單色儀與中子束夾角為45°時(shí)，可以提取出特定波長(zhǎng)的中子。使用具有 20atm 壓力和 1 英寸直徑的標(biāo)準(zhǔn)3He 管（252315，LND）來測(cè)量來自寬度為 1 mm 的屏蔽狹縫的入射中子強(qiáng)度。然后將標(biāo)準(zhǔn)3He 管移開，在相同條件下用探測(cè)器原型測(cè)量中子強(qiáng)度。

圖5：探測(cè)效率測(cè)試原理圖

圖6 分別為3He 管和閃爍體探測(cè)器的TOF(Time Of Flight)譜，從圖中可以清楚地看到對(duì)應(yīng)于 1.2 ? 、1.59 ?、2.39 ? 和 2.87 ? 中子波長(zhǎng)的峰。通過計(jì)算，我們得到探測(cè)器的第9 通道在中子波長(zhǎng)為1.2? 時(shí)探測(cè)效率為53.3%，1.59 ? 時(shí)探測(cè)效率為63.3%，2.39? 時(shí)探測(cè)效率為68%。由于在探測(cè)器制作過程中，每個(gè)通道的光纖的端面平整度以及光纖與SIPM 的耦合程度有一些微小的差別，故每個(gè)通道的探測(cè)效率并不完全相同。此外，我們還測(cè)試了探測(cè)器的其他兩個(gè)通道，通過擬合，探測(cè)器每個(gè)通道在中子波長(zhǎng)為1? 時(shí)探測(cè)效率均高于40%。

圖6：3He 管和閃爍體探測(cè)器的TOF 譜

基于ZnS 的閃爍體探測(cè)器測(cè)得的中子信號(hào)有著較長(zhǎng)的光衰減，信號(hào)的脈沖寬度一般在10 us 左右，導(dǎo)致該類型的閃爍體探測(cè)器的應(yīng)用受限于較低的計(jì)數(shù)率，因此我們對(duì)探測(cè)器的最高線性計(jì)數(shù)率進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試方法是將探測(cè)器置于束線直通方向，在探測(cè)器靈敏面前放置開狹縫寬度為1 mm 的含硼鋁板，1 mm 寬的狹縫可以使入射的中子都擊中到一個(gè)像素上，通過更換不同狹縫長(zhǎng)度的硼鋁合金板來控制入射到探測(cè)器上的中子通量。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可得到圖7 中的計(jì)數(shù)率曲線，從圖中可以看出，探測(cè)器計(jì)數(shù)率隨著狹縫尺寸的增加而增加，當(dāng)狹縫尺寸大于6 mm×1 mm 時(shí)，計(jì)數(shù)率曲線為非線性曲線，計(jì)數(shù)趨于飽和，當(dāng)狹縫尺寸達(dá)到6 mm×1 mm 時(shí)，其最高線性計(jì)數(shù)率為75 kHz。

圖7：探測(cè)器計(jì)數(shù)率曲線

此外，我們還測(cè)試了探測(cè)器的橫向像素的均勻性，設(shè)置好閾值后，首先測(cè)試探測(cè)器的原始數(shù)據(jù)，探測(cè)器每個(gè)通道的本身的不均勻性帶來的效率的差異清晰可見，我們需要對(duì)其差異進(jìn)行刻度。通過調(diào)節(jié)各個(gè)通道的閾值及脈沖寬度設(shè)置，可以對(duì)探測(cè)器的效率均勻性有很好的改善。如圖8所示。

圖8：刻度前（上）與刻度后（下）探測(cè)器均勻性

4 總結(jié)

我們?yōu)镋RNI 開發(fā)了基于6LiF/ZnS(Ag) 閃爍屏、SiPM線列讀出的線性閃爍體中子探測(cè)器原型樣機(jī)，采用基于CSNS 自主研發(fā)的ASIC 和FPGA 的專用數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)處理。在CSNS 的20 號(hào)束線對(duì)探測(cè)器樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，探測(cè)器最高線性計(jì)數(shù)率為75 kHz，在1.59 ? 的中子波長(zhǎng)下探測(cè)效率達(dá)到63.3%，通過調(diào)節(jié)SiPM 的閾值，探測(cè)器均勻性良好，測(cè)試結(jié)果符合ERNI 的指標(biāo)需求，該探測(cè)器將在2023年安裝在ERNI。