幾種用于n-γ甄別的有機(jī)閃爍體探測器性能評測?

夏文明 節(jié) 帥， 王樹林 隗 蓮 逄海濤

（1.海軍工程大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 武漢 430033）（2.中國人民解放軍92330部隊(duì) 青島 266100）

1 引言

2 有機(jī)閃爍體探測原理

有機(jī)閃爍體探測器近些年來逐漸成為研究應(yīng)用的熱點(diǎn)，它是閃爍體探測器的一種。有機(jī)閃爍體內(nèi)因含有大量的氫，一般通過核反沖法探測快中子，為提高對低能中子的能量響應(yīng)，還可將有機(jī)閃爍體內(nèi)摻入硼、鋰等物質(zhì)探測熱中子、慢中子等［3］。有機(jī)閃爍體探測器可應(yīng)用于中子能譜精密測量、高強(qiáng)度中子注量率的測量，也用于測量中子飛行時(shí)間譜、測量中子劑量當(dāng)量［4］。

有機(jī)閃爍體探測中子的原理是基于核反沖法和核反應(yīng)法，當(dāng)有機(jī)閃爍體探測器受中子源照射后，原理過程如下：

1）粒子入射到有機(jī)閃爍體內(nèi)，將能量傳送給閃爍體內(nèi)的物質(zhì)，并使這些物質(zhì)的原子或分子處于電離或激發(fā)狀態(tài)，這些原子和分子退激過程中產(chǎn)生熒光光子；

2）熒光光子發(fā)射到光電倍增管（PMT）的光陰極上，發(fā)生光電效應(yīng)產(chǎn)生光電子；

3）光電子經(jīng)過PMT的打拿級會(huì)層層進(jìn)行倍增，由一個(gè)光電子倍增至104個(gè)～109個(gè)光電子，這些大量的光電子到達(dá)陽極負(fù)載后，引起電信號(hào)；

4）電子線路感應(yīng)到電信號(hào)后會(huì)在回路中產(chǎn)生電流脈沖信號(hào)或電壓脈沖信號(hào)，通過測量這些脈沖信號(hào)幅值或電荷即可間接測量中子［5～6］。

3 三種有機(jī)閃爍體探測器的性能指標(biāo)

選擇一個(gè)性能良好的有機(jī)閃爍體對探測中子至關(guān)重要，評價(jià)一個(gè)有機(jī)閃爍體的綜合性能主要靠以下特征［2］：衰減時(shí)間要短、光輸出高、光子收集效率高、n-γ甄別性能要好。本文選擇的EJ-339、EJ-276、EJ-270三種有機(jī)閃爍體的規(guī)格參數(shù)和成分含量經(jīng)查閱相關(guān)說明書，結(jié)果如表1所示。從表中可以看出EJ-339的光輸出和閃爍效率都要優(yōu)于EJ-276和EJ-270。

表1 幾種EJ系列閃爍體性能參數(shù)

4 有機(jī)閃爍體探測器甄別性能測試

n-γ甄別性能是指閃爍體探測器對中子和γ射線的甄別效果，因?yàn)樵谥凶犹綔y中常常伴有γ射線，如果不加以區(qū)分，很難準(zhǔn)確測量出中子的劑量當(dāng)量，因而n-γ甄別性能是閃爍體探測器最重要的一項(xiàng)內(nèi)容。通過實(shí)驗(yàn)的方法對三種閃爍體的甄別性能評價(jià)，用到的硬件和軟件設(shè)備如下所示。

為了進(jìn)一步討論螺旋雨帶中的對流單體是如何作用TC強(qiáng)度的,通過p坐標(biāo)系下的渦度方程對各個(gè)螺旋雨帶中的對流單體的渦度收支進(jìn)行定量地分析。渦度的強(qiáng)迫項(xiàng)主要分為兩項(xiàng),右邊的第一項(xiàng)是拉伸項(xiàng),也稱為散度項(xiàng),即水平輻合會(huì)使得氣旋性渦度增加,而水平輻散會(huì)使得氣旋性渦度減小。第二項(xiàng)是傾斜項(xiàng),也稱為扭轉(zhuǎn)項(xiàng),意指水平渦度扭轉(zhuǎn)為垂直渦度,即當(dāng)水平風(fēng)速隨著高度發(fā)生變化的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生徑向向外或向內(nèi)的水平渦度,徑向的水平渦度遇到上升氣流,就會(huì)發(fā)生水平渦度的傾斜,變?yōu)榇怪睖u度,在上升氣流的兩側(cè)產(chǎn)生正負(fù)渦度對。丁治英等(2018)也曾指出,在螺旋雨帶上,水平渦度在非均勻分布的垂直運(yùn)動(dòng)的抬升下向垂直渦度的轉(zhuǎn)化。

1）探測器：EJ-339液閃探測器、EJ-276塑閃探測器、EJ-270塑閃探測器；2）放射源：Ra-Be中子源（中子發(fā)射率6.8×105n/s）和Am-Be中子源（中子發(fā)射率1.0×106n/s）；3）CAEN N6720數(shù)字化采樣儀；4）ORTEC 556H高壓模塊；5）PC端數(shù)字CoMPASS軟件、Matlab。實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)框圖

4.1 甄別性能評價(jià)依據(jù)

中子探測時(shí)，一般通過n-γ脈沖形狀甄別（Pulse Shape Discrimination，PSD）的方法進(jìn)行n-γ甄別。脈沖形狀甄別方法在當(dāng)前已經(jīng)被廣泛研究應(yīng)用，它的主要原理是利用在閃爍體探測器中產(chǎn)生光電信號(hào)形狀的差異進(jìn)行區(qū)分中子和γ射線［7～8］。區(qū)分n-γ甄別能力的定量參數(shù)是品質(zhì)因子［9］（Figure of Merit，F(xiàn)OM）。品質(zhì)因子的參考圖一般是指通過對中子和γ射線的脈沖信號(hào)分析處理后，各自的PSD值數(shù)量分布圖（本文簡稱PSD圖），如圖2所示。

圖2 n-γ脈沖形狀甄別品質(zhì)因子示意圖［4］

FOM的定義如下：

其中，s為兩峰值之間的距離，F(xiàn)WHMn表示中子峰的半高寬，F(xiàn)WHMγ表示γ峰的半高寬［6］。通過對FOM計(jì)算，即可獲知探測器甄別性能的好壞。一般FOM值越大，說明中子和γ射線的數(shù)量分布分離的越明顯，則探測器對n-γ的甄別能力就越強(qiáng)，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)對中子和γ射線的分別測量［10～11］。

4.2 甄別性能測試

本工作使用兩種不同的中子源對三種不同的有機(jī)閃爍體的甄別性能進(jìn)行了測試，得出各自的PSD圖。所有探測器設(shè)置相同的觸發(fā)閾值，觸發(fā)時(shí)間均設(shè)置為信號(hào)開始的第100ns，而長門、短門的起始位置均設(shè)置在觸發(fā)時(shí)間前24ns，經(jīng)反復(fù)調(diào)試各個(gè)探測器最合適的測量條件如下：

1）EJ-339，高壓2000V，最佳長門、短門分別為500ns、64ns；

2）EJ-276，高 壓 1700，長 門 、短 門 分 別 為280ns、60ns；

3）EJ-270，高 壓 1700，長 門 、短 門 分 別 為600ns、56ns。

如圖3所示為用不同的中子源對閃爍體探測器進(jìn)行甄別性能測試的實(shí)驗(yàn)裝置。Ra-Be中子源由于γ射線較強(qiáng)遠(yuǎn)大于中子強(qiáng)度，本實(shí)驗(yàn)在對甄別性能進(jìn)行測試時(shí)放置多層鉛塊對部分γ射線進(jìn)行了屏蔽。

圖3 兩種中子源探測實(shí)驗(yàn)場景

使用CAEN數(shù)字化儀配套的脈沖信息處理分析軟件CoMPASS對不同的閃爍體探測器輸出的信號(hào)進(jìn)行分析，測得各自的PSD圖如圖4所示，PSD較大的為中子，較小的為γ，圖（a）、（b）、（c）為Am-Be中子源照射下的結(jié)果，圖（d）、（e）、（f）為Ra-Be中子源照射下的結(jié)果。

圖4 不同源照射下三種閃爍體探測器n-γ甄別效果圖

從PSD圖可以看出，對于兩種中子源，三種有機(jī)閃爍體探測器將中子和γ射線區(qū)分程度較為明顯的依次是EJ-339、EJ-270、EJ-276。根據(jù)PSD圖中結(jié)果，求出各閃爍體探測器在不同源項(xiàng)條件下的n-γ甄別品質(zhì)因子FOM如表2所示。由此可以看出EJ-339閃爍體探測器的FOM值大于其它兩個(gè)探測器，因此EJ-339閃爍體探測器n-γ甄別效果最好。

表2 三種閃爍體探測器FOM值

5 有機(jī)閃爍體中子注量靈敏度測試

中子注量靈敏度是指射入探測器的單位中子注量率對應(yīng)的中子探測器脈沖計(jì)數(shù)率，符號(hào)S，單位cps/nv，它也是衡量中子探測器好壞的一項(xiàng)指標(biāo)。中子注量率是指每秒穿過1cm2面積的中子數(shù)，符號(hào)φ，單位n·cm-2·s-1。中子發(fā)射率為 N?，探測器脈沖計(jì)數(shù)為P，閃爍體前端圓面積為A，探測器被照射時(shí)長為t。則探測器的注量靈敏度為

其中只有探測器的脈沖計(jì)數(shù)是未知的，探測器的脈沖計(jì)數(shù)求取可通過CoMPASS將每個(gè)閃爍體探測的脈沖波形數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)下來，然后使用Matlab軟件編程進(jìn)行分析計(jì)算，得出脈沖計(jì)數(shù)。具體實(shí)現(xiàn)過程［10］如下：

1）CoMPASS保存的數(shù)據(jù)文件為.csv格式，每行有248個(gè)數(shù)值，代表一個(gè)脈沖波形每間隔4ns的脈沖幅度；2）將長門時(shí)間內(nèi)脈沖幅值對時(shí)間進(jìn)行積分累加得出長門積分值QL，短門時(shí)間結(jié)束位置至長門時(shí)間結(jié)束位置內(nèi)脈沖幅值對時(shí)間進(jìn)行積分累加得出QL-S；3）求出所有脈沖波形的PSD值：PSD=QL-S/QL；4）對PSD值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分布，根據(jù)分布的分離中心確定PSD區(qū)分位置，PSD大于該位置區(qū)分值的數(shù)量即為中子的脈沖計(jì)數(shù)，如圖5所示。

圖5 PSD圖中的n-γ區(qū)分位置示意圖

經(jīng)過Matlab計(jì)算，得出三個(gè)有機(jī)閃爍體探測器在Am-Be源照射600s，Ra-Be源照射1800s情況下的中子脈沖計(jì)數(shù)和計(jì)算的中子靈敏度結(jié)果如表3所示。顯然EJ-270的脈沖計(jì)數(shù)和中子靈敏度要遠(yuǎn)高于其他兩種閃爍體探測器，EJ-339次之，其中絕大部分原因是EJ-270對慢中子敏感，快中子進(jìn)入EJ-270閃爍體內(nèi)與物質(zhì)發(fā)生作用產(chǎn)生閃爍光被探測后后，未損失掉全部能量的快中子會(huì)被慢化，進(jìn)而與6Li發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生閃爍光再次被探測到［12］。

表3 三種閃爍體中子注量靈敏度

6 結(jié)語

本文重點(diǎn)對EJ-339液體閃爍體、EJ-276塑料閃爍體、EJ-270塑料閃爍體的規(guī)格成分、基本性能、n-γ甄別性能進(jìn)行了研究比較。通過光輸出、發(fā)光效率等基本性能比較來看，EJ-339液閃探測器優(yōu)于其他兩種探測器。使用兩種不同的中子源三種有機(jī)閃爍體n-γ甄別性能進(jìn)行了測驗(yàn)，并測量了中子注量靈敏度，結(jié)果表明EJ-339液閃n-γ甄別FOM值分別為1.53、1.50，明顯高于其他其它兩種閃爍體，注量靈敏度略低于EJ-270。相對來說，EJ-339液閃的綜合性能更好，可用來下一步基于n-γ甄別的中子劑量當(dāng)量測量儀的探測器。