丁 楠,劉亞南,吳 靜,謝鴻志,陳 亮

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第八研究所，合肥 230000；2.西北核技術(shù)研究所，西安 710024)

0 引 言

脈沖中子輻射場(chǎng)是由脈沖中子、γ射線及電磁脈沖等組成的混合輻射場(chǎng)，具有強(qiáng)度大、動(dòng)態(tài)范圍寬、時(shí)間快等特點(diǎn)。脈沖中子時(shí)間譜測(cè)量除要求探測(cè)器滿足脈沖探測(cè)的基本要求外還需要解決以下幾個(gè)突出難點(diǎn)：空間距離限制、γ射線干擾、散射本底等。

閃爍型探測(cè)器是輻射探測(cè)領(lǐng)域較為常見(jiàn)的一類探測(cè)器，工作在電流模式，可實(shí)現(xiàn)靈敏度調(diào)節(jié)，比較適合脈沖輻射場(chǎng)探測(cè)。但是普通的閃爍型探測(cè)器不適合脈沖中子測(cè)量，因?yàn)槠鋵?duì)γ射線的響應(yīng)靈敏度強(qiáng)于對(duì)中子的響應(yīng)靈敏度。閃爍薄膜和有機(jī)閃爍纖維陣列中子探測(cè)器是用于脈沖中子測(cè)量的閃爍型探測(cè)器，它們優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使探測(cè)器具有抑制γ射線干擾的能力，但其光電轉(zhuǎn)換裝置需要安置在閃爍體附近收集閃爍體發(fā)光，為了降低散射中子和γ射線對(duì)光電轉(zhuǎn)換器的干擾，要對(duì)光電轉(zhuǎn)換器進(jìn)行嚴(yán)格的準(zhǔn)直和屏蔽，受空間距離的限制使準(zhǔn)直和屏蔽難以達(dá)到要求，故此類探測(cè)器也難以滿足中子時(shí)間譜測(cè)量的要求。因此，研制具有強(qiáng)抗電磁干擾能力、高n/γ靈敏度比值、低屏蔽要求、快時(shí)間響應(yīng)的中子探測(cè)器是實(shí)現(xiàn)脈沖中子時(shí)間譜測(cè)量的重要內(nèi)容。所論述的亞納秒有機(jī)閃爍纖維探測(cè)器就是具有以上特點(diǎn)的可以實(shí)現(xiàn)脈沖中子時(shí)間譜測(cè)量的新型探測(cè)器。

1 探測(cè)原理

由于中子不帶電不能直接測(cè)量，常采用核反沖法、切侖可夫發(fā)光原理進(jìn)行測(cè)量。脈沖中子輻射場(chǎng)發(fā)出的中子通過(guò)由有機(jī)閃爍纖維陣列制成探測(cè)器靈敏區(qū)時(shí)，引起閃爍纖維發(fā)光，閃爍纖維陣列將發(fā)出的光耦合進(jìn)與之相連的耐輻照光纖傳光束，耐輻照光纖傳光束再將光耦合進(jìn)后端的光電倍增管，進(jìn)而分析脈沖中子的時(shí)間譜特性。

探測(cè)器的靈敏度與靈敏區(qū)發(fā)射熒光的大小有關(guān)，而發(fā)光的大小又直接與粒子在靈敏區(qū)沉積的能量相關(guān)。閃爍纖維探測(cè)器靈敏區(qū)的主要成分為碳?xì)浠衔铮凶优c其相互作用，部分中子能量沉積其中引起發(fā)光，對(duì)發(fā)光貢獻(xiàn)的主要相互作用過(guò)程為(n，P)彈性散射。中子與聚苯乙烯中的氫發(fā)生彈性散射產(chǎn)生反沖質(zhì)子示意圖,如圖1所示。根據(jù)質(zhì)心系中系統(tǒng)的動(dòng)量和能量守恒求得散射中子和反沖質(zhì)子的能量分別如式(1)和式(2)所示[1]。

對(duì)于散射中子

En=Encos2θ

(1)

對(duì)于反沖質(zhì)子

Ep=E0cos2φ

(2)

式中，E0為入射中子；En為散射中子能量；Ep為反沖質(zhì)子能量；θ為散射中子與中子入射方向之間的夾角；φ為反沖質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)方向與中子入射方向之間的夾角。

圖1 中子與有機(jī)閃爍纖維作用沉積能量過(guò)程示意圖

2 探測(cè)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

有機(jī)閃爍纖維具有側(cè)面垂直入射中子靈敏度強(qiáng)于γ射線靈敏度的特性，因此可制作具有高n/γ靈敏度比值的有機(jī)閃爍纖維探測(cè)器，從而滿足抗γ射線干擾的能力。這里,采用細(xì)直徑的有機(jī)閃爍纖維單層平行排列成的陣列作為中子輻射靈敏單元。單層排列的有機(jī)閃爍纖維陣列在不降低n/γ靈敏度比值的情況下，提高了探測(cè)器的探測(cè)效率。

為了避免中子和γ射線對(duì)光電轉(zhuǎn)換器的影響，需要對(duì)光電轉(zhuǎn)換器進(jìn)行準(zhǔn)直和屏蔽，這需要將光電轉(zhuǎn)換器放置在距離源比較遠(yuǎn)的地方。我們?cè)诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采取將閃爍體與光電轉(zhuǎn)換器分離，由耐輻照的傳光光纖束收集、傳輸有機(jī)閃爍纖維陣列發(fā)出的光信號(hào)，這樣探測(cè)器的傳感探頭可以放在距離源很近的位置，光電轉(zhuǎn)換器則放在距離源較遠(yuǎn)的容易屏蔽的屏蔽腔內(nèi)。

傳光光纖束與有機(jī)閃爍纖維陣列通過(guò)毛細(xì)玻璃管一一對(duì)接耦合，在不影響有機(jī)閃爍纖維陣列正常工作的情況下保證了兩種不同纖維之間的耦合效率和連接強(qiáng)度。傳光束與光電轉(zhuǎn)換器連接的一端，采用發(fā)散設(shè)計(jì)，使光纖束出射光均勻的照射到光電轉(zhuǎn)換器陰極上，可有效避免光電轉(zhuǎn)換器局部飽和。探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示。

圖2 探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖

3 探測(cè)器制作工藝

3.1 有機(jī)閃爍纖維制作工藝

探測(cè)器要具有亞納秒的時(shí)間響應(yīng)半寬，要求作為探測(cè)器敏感材料的有機(jī)閃爍纖維具有快時(shí)間響應(yīng)半寬，而目前沒(méi)有如此快響應(yīng)的閃爍纖維成熟產(chǎn)品。

對(duì)市面上比較成熟的閃爍纖維產(chǎn)品研究，如美國(guó)BICRON公司的塑料閃爍纖維BCF-20。它的纖芯材料為聚苯乙烯(單體分子式為C6H5CH=CH2，密度為1.032 g/cm3,折射率為1.6)，包層材料為聚乙烯醇(單體分子式為CH2=CHOH，密度為1.26 g/cm3，折射率為1.49)，包層材料厚度為纖芯直徑的3%～5%[2]，參考BCF-20的參數(shù)選擇具有快時(shí)間響應(yīng)的塑料閃爍體EJ232Q拉制閃爍纖維，EJ232Q的主要成分也是聚苯乙烯(折射率為1.60)。由于制作探測(cè)器敏感區(qū)的閃爍纖維長(zhǎng)度很短，不必考慮其損耗問(wèn)題，因此，制作突變型(SI型)閃爍纖維，即纖維芯徑部分折射率保持不變，而在纖芯和包層的界面處折射率發(fā)生突變。選擇聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，折射率為1.49[3])作為包層材料。

為了獲得更好的纖維芯徑的均勻性，采用預(yù)制棒拉絲然后再涂覆包層的方法來(lái)制作閃爍纖維。拉絲裝置,如圖3所示，是在普通的光纖拉絲塔的基礎(chǔ)上改造而成。預(yù)制棒由加熱裝置加熱后由牽引裝置拉伸成纖，再由激光測(cè)徑儀測(cè)量纖維的直徑，然后把信息反饋給供料夾，控制供料速度[4]。最后將拉制好的纖芯經(jīng)過(guò)包層溶液，在去除溶劑后，包層包覆于纖芯形成完整的纖維,其工藝流程，如圖4所示[5]。最終拉制的閃爍纖維與閃爍體的時(shí)間響應(yīng)特性指標(biāo)對(duì)比，如圖5所示。

圖3 拉絲裝置示意圖

圖4 包層涂覆工藝流程圖

圖5 拉絲前后EJ232Q時(shí)間響應(yīng)特性

3.2 閃爍纖維陣列制作工藝

閃爍纖維陣列采用專用光纖繞排線設(shè)備示意圖，如圖6所示。該設(shè)備解決了陣列制作過(guò)程中的纖維排列不齊、張力不均勻、不同纖維內(nèi)部存在大小不同的軸向應(yīng)力使纖維扭曲變形，以及繞線時(shí)存在靜電使纖維扭曲變形等問(wèn)題。設(shè)備采用計(jì)算機(jī)控制，下位機(jī)采用PLC控制，張力控制中使用舞蹈器控制張力，收線時(shí)張力精度可控制到5 g以下，可以避免斷纖的發(fā)生。排線和收線精確同步，收線電機(jī)采用交流伺服電機(jī)，排線電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)，用收線電機(jī)編碼器的脈沖控制步進(jìn)電機(jī)可保證排線精度。在收線盤附近安裝除靜電裝置，去除纖維上的靜電，解決靜電影響排線精度的問(wèn)題。

圖6 單層光纖陣列排線設(shè)備示意圖

制作陣列過(guò)程中首先把纖維的一端固定在收線盤上，隨著收線盤均勻旋轉(zhuǎn)，纖維在排線機(jī)構(gòu)的作用下一根挨一根的緊密排列在圓周表面。每轉(zhuǎn)一圈就自動(dòng)記數(shù)，到規(guī)定的圈數(shù)時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，然后將光學(xué)纖維的另一端也固定好。待一層排好之后，檢查纖維是否完好并確認(rèn)沒(méi)有壓纖現(xiàn)象，然后進(jìn)行涂膠操作。

選擇的光學(xué)膠是成都晨光化工研究院生產(chǎn)的Gc-06型滴塑型水晶膠，滴塑型水晶膠是一種專用于粘接光學(xué)器件和各種光纖的雙組份透明環(huán)氧樹(shù)脂，其折射率與閃爍纖維接近，并且具有初始液相，固化時(shí)具有一定的彈性。使用前按一定比例(質(zhì)量比3∶1)對(duì)膠進(jìn)行配制，配制時(shí)首先對(duì)混合后的膠液進(jìn)行充分的攪拌，使兩種組分分布均勻，攪拌過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生氣泡及沸騰現(xiàn)象[6]，這將影響其使用效果，必須用負(fù)壓除去其中的氣泡才能使用，采用抽真空的辦法來(lái)除氣泡，真空度為0.1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

涂膠過(guò)程中需要控制膠層的厚度，膠涂的太薄或太厚都容易導(dǎo)致固化后的陣列開(kāi)裂變形，同時(shí)不同固化溫度和固化時(shí)間，也會(huì)影響固化后的性能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了滴塑型水晶膠固化溫度為18℃，固化時(shí)間為16 h時(shí)，此陣列未完全固化，具有彈性，在切片過(guò)程中不容易開(kāi)裂。涂膠的陣列長(zhǎng)度根據(jù)需要確定，待光學(xué)膠固化后可按需要長(zhǎng)度進(jìn)行切割。切割好的陣列壓在兩面貼有聚四氟乙烯薄膜的玻璃平板下24 h后(常溫)即可完全固化。當(dāng)陣列完全固化后，用專用研磨夾具將陣列夾持好，然后按粗磨—精磨—拋光的順序?qū)﹃嚵行枰獙?duì)接的端面進(jìn)行研磨拋光。

3.3 耦合對(duì)接及傳光束制作工藝

陣列選用的是有機(jī)閃爍纖維，傳光束為耐輻照石英光纖，兩種不同類型的光纖耦合需要采用特殊的工藝來(lái)增加耦合效率。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，確定用外徑0.7 mm、內(nèi)徑0.5 mm的毛細(xì)玻璃管作為準(zhǔn)直套管，對(duì)閃爍纖維和耐輻照光纖進(jìn)行耦合連接，實(shí)驗(yàn)表明這種耦合工藝可以保證耦合效率在30%以上。

閃爍纖維陣列和耐輻照光纖端面經(jīng)過(guò)處理后，涂上匹配液，外套毛細(xì)玻璃管，如圖7所示，這樣基本可以保證兩種不同類型的光纖能夠同心，然后將陣列的一端和耐輻照光纖的一端分別通過(guò)裸纖適配器連接激光光源和光功率計(jì)，如圖8所示，通過(guò)移動(dòng)毛細(xì)玻璃管中的閃爍纖維和耐輻照光纖，找出耦合效率最高的位置，用Gc-06型水晶膠固定。

圖7 耦合示意圖

圖8 光纖耦合監(jiān)控示意圖

這種規(guī)格的毛細(xì)玻璃管可以保證在陣列寬度范圍內(nèi)容納與閃爍纖維數(shù)目相同玻璃管，同時(shí)玻璃材料的毛細(xì)管對(duì)探測(cè)器的性能也不會(huì)產(chǎn)生影響。通過(guò)裸纖適配器連接激光光源和光功率計(jì)監(jiān)測(cè)兩種光纖的耦合效率，可以保證不同類型光纖耦合時(shí)其耦合效率的可控性。

通過(guò)以上的耦合工藝將所有的耐輻照石英光纖和陣列中的閃爍纖維一一對(duì)接，對(duì)接好的陣列裝入金屬外殼中并在耦合對(duì)接區(qū)域灌入Gc-06水晶膠固定。將所有的耐輻照石英光纖收成束穿入不銹鋼金屬軟管中，然后在尾端將光纖穿入圖8所示的端頭中，端頭一端為蜂窩狀圓孔，光纖在圓孔中均勻分布，這種結(jié)構(gòu)可以使光纖束出射光均勻的照射到光電轉(zhuǎn)換器陰極上，有效避免了光電轉(zhuǎn)換器局部飽和。將穿好光纖的端頭灌入Gc-06水晶膠，待膠完全固化后，按粗磨—中磨—精磨—拋光的順序進(jìn)行研磨拋光，經(jīng)過(guò)拋光后的傳光束精確地修正了表面的幾何形狀，使其具有了較高的透光能力。

4 探測(cè)器的性能指標(biāo)

此探測(cè)器的4套樣品在西北核技術(shù)研究所的相關(guān)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，經(jīng)配以濱松R3809U-50微通道板光電倍增管后，測(cè)得其中子靈敏度在10-20C·cm2量級(jí)(選配不同增益的光電倍增管可實(shí)現(xiàn)跨10-21～10-138個(gè)量級(jí)可調(diào))，達(dá)到的具體性能指標(biāo)，見(jiàn)表1。

表1 探測(cè)器部分性能指標(biāo)

5 結(jié) 語(yǔ)

從結(jié)構(gòu)及工藝方面詳細(xì)介紹了一種具有快時(shí)間響應(yīng)、高n/γ靈敏度比值、低屏蔽要求、強(qiáng)抗電磁干擾的新型亞納秒有機(jī)閃爍纖維中子探測(cè)器，此探測(cè)器在實(shí)際應(yīng)用中具有非常廣闊的前景，目前該探測(cè)器已成功應(yīng)用于脈沖中子時(shí)間譜測(cè)量，獲得了很好的試驗(yàn)效果。

[1] 牛勝利 張前美，付竹明，等.閃爍纖維中子探測(cè)器靈敏度研究[J].原子能科學(xué)技術(shù),2003,37(3):282-285.

[2] 馬慶力 唐世彪，許士敏，等.塑料閃爍光纖陣列成像探測(cè)器在高能X射線輻照下的串?dāng)_分析[J].光子學(xué)報(bào),2011,40(11):1 751-1 754.

[3] 張潔,郝曉東.塑料光纖的研究現(xiàn)狀[J].上?；?2005,30(4):27-30.

[4] 李鑫,劉騰宇,許啟發(fā)，等.漸變型塑料光纖的制備方法分析[J].電線電纜,2006,(1):20-22.

[5] 曾方,周南橋.塑料光纖制備技術(shù)的研究進(jìn)展[J].塑料,2003,32(6):63-67.

[6] 王東發(fā).環(huán)氧樹(shù)脂固化過(guò)程中沸騰現(xiàn)象的探討[J].電子工藝技術(shù),2009,30(3)169-171.