鄭小海 鮑 杰 侯 龍 曹錦云 張子川

1（中國原子能科學(xué)研究院 核數(shù)據(jù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 102413）

2（西北核技術(shù)研究所 西安 710024）

γ靈敏切倫科夫光纖陣列探測器的γ/n分辨能力研究

鄭小海1鮑 杰1侯 龍1曹錦云2張子川2

1（中國原子能科學(xué)研究院 核數(shù)據(jù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 102413）

2（西北核技術(shù)研究所 西安 710024）

在脈沖輻射混合場(n,γ)中進(jìn)行γ射線參數(shù)測量，要求探測器系統(tǒng)必須有很快的時(shí)間響應(yīng)，還應(yīng)有很高的γ/n分辨能力。本文詳述了切倫科夫(Cherenkov)輻射原理，用蒙特卡羅軟件MCNP模擬計(jì)算了γ、中子在不同光纖陣列材料中的能量沉積，根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇鉛玻璃作為光纖陣列切倫科夫輻射體，配合常聚甲基丙烯甲酯(polymethylmethacrylate, PMMA)塑料光纖光導(dǎo)傳輸，由光電倍增管轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，研制了一種γ靈敏切倫科夫鉛玻璃光纖陣列探測器。在中國原子能科學(xué)研究院的600kV高壓倍加器上進(jìn)行了14.1MeV中子靈敏度實(shí)驗(yàn)，又在西北核技術(shù)研究所60Co源上完成了1.25MeVγ靈敏度實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果推算得出的數(shù)據(jù)基本相符，表明該探測器系統(tǒng)具有較高的γ/n分辨能力，可滿足在脈沖中子、γ輻射混合場中對(duì)γ射線參數(shù)測量的分辨能力要求。

切倫科夫，光纖陣列探測器，探測靈敏度，脈沖輻射混合場

γ射線參數(shù)能夠準(zhǔn)確地描述脈沖輻射場的變化特征，許多國家都在研制適用于脈沖輻射混合場中進(jìn)行γ射線參數(shù)測量的探測器[1-2]。切倫科夫探測器具有良好的輻射分辨性能，被廣泛地應(yīng)用于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、天文學(xué)、宇宙射線探測及中微子探測等諸多前沿研究領(lǐng)域。然而，由于常規(guī)切倫科夫探測器的γ探測靈敏度較低，γ/n分辨能力也較差[3]，故其在脈沖輻射場參數(shù)診斷測量應(yīng)用方面受到較大限制。

20世紀(jì)70年代開始，美國就致力于發(fā)展光纖切倫科夫探測器。經(jīng)過多年的努力，到80年代中后期該方面技術(shù)已很成熟，主要有高探測靈敏度大動(dòng)態(tài)范圍和高帶寬兩種探測器系統(tǒng)。但是由于這些探測系統(tǒng)的應(yīng)用屬敏感領(lǐng)域，要找到它們?cè)诿}沖輻射場測量中應(yīng)用的資料就很困難。關(guān)于光纖切倫科夫探測器在脈沖輻射場中測量和加速器射線束測量等應(yīng)用方面的少量文獻(xiàn)[4-5]還只是以研究報(bào)告形式面世。這些資料對(duì)研究光纖切倫科夫探測器在脈沖輻射場測量中的應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值。西北核技術(shù)研究所曾開展切倫科夫光纖探測器的實(shí)驗(yàn)研究，并取得過較好的結(jié)果[6]。本文基于對(duì)切倫科夫光纖探測器的研究，在利用蒙特卡羅軟件MCNP開展模擬計(jì)算的基礎(chǔ)上，研制了一種γ靈敏切倫科夫鉛玻璃光纖陣列探測器，并對(duì)探測器進(jìn)行了14.1MeV中子、1.25MeVγ靈敏度刻度實(shí)驗(yàn)。

1 探測器研制和MCNP模擬

1.1 原理簡述

在中子、γ混合場中，存在著份額在同一量級(jí)的初始中子和初始γ射線。通常會(huì)由準(zhǔn)直器讓它們投射到作為切倫科夫輻射體的光纖上來實(shí)現(xiàn)探測。中子與物質(zhì)的相互作用可大體分為兩類：一類是散射，即中子與原子核發(fā)生彈性散射或非彈性散射；另一類是吸收，這時(shí)中子被原子核吸收進(jìn)而產(chǎn)生其它種類的次級(jí)帶電粒子和γ射線，包括輻射俘獲(n,γ)，發(fā)射帶電粒子的反應(yīng)(n,p)、(n,α)及核裂變反應(yīng)(n,f)等。由于切倫科夫輻射效應(yīng)的發(fā)生存在閾能，故出射重帶電粒子的反應(yīng)和核散射形成的反沖核都對(duì)切倫科夫輻射光產(chǎn)額沒有貢獻(xiàn)。對(duì)切倫科夫輻射光產(chǎn)額貢獻(xiàn)主要來源于非彈散射過程產(chǎn)生的非彈γ和輻射俘獲過程產(chǎn)生的俘獲γ。γ射線與物質(zhì)相互作用的機(jī)制主要有光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)。對(duì)于初始γ射線，這些效應(yīng)僅為次級(jí)效應(yīng)，而對(duì)于初始中子，則已是二次過程了。這樣，僅就效應(yīng)級(jí)次來講，在切倫科夫輻射光產(chǎn)額貢獻(xiàn)中原始γ射線要比原始中子大。

初始中子雖也經(jīng)準(zhǔn)直器成為準(zhǔn)直束，但其經(jīng)與輻射體間的彈性散射和輻射俘獲過程使得出射次級(jí)γ的角分布趨近均勻分布。次級(jí)γ再通過光電效應(yīng)、康普頓散射和電子對(duì)效應(yīng)產(chǎn)生電子與正電子則進(jìn)一步趨向均勻化，即電子與正電子已可視為在4π立體角內(nèi)呈均勻分布，從而它們激發(fā)的切倫科夫光也就可視為在4π立體角內(nèi)呈均勻分布。

初始γ射線經(jīng)準(zhǔn)直后再與切倫科夫輻射體作用，則其產(chǎn)生的電子與正電子也具有一定的方向性。這樣，由這些電子與正電子產(chǎn)生的切倫科夫光也保持著一定的方向性，故作為切倫科夫輻射體的光纖相對(duì)經(jīng)準(zhǔn)直的初始γ射線束必可取得一個(gè)有最高切倫科夫光輸出的夾角。這種方向選擇性可進(jìn)一步抑制中子對(duì)切倫科夫輻射光總輸出的貢獻(xiàn)。

γ射線與物質(zhì)相互作用的三種截面都隨著物質(zhì)原子序數(shù)Z增大，同時(shí)它們都與入射γ射線能量有關(guān)，在一定的能量區(qū)域會(huì)有一種效應(yīng)占優(yōu)勢，對(duì)于不同能量的入射γ射線，占優(yōu)勢的效應(yīng)不同。這樣，制造材料光纖及其周邊介質(zhì)的選擇也是提高探測器靈敏度需考慮的重要因素。這里周邊介質(zhì)可視為電子轉(zhuǎn)換體，它可使進(jìn)入光纖芯部的電子數(shù)大幅度提升。將光纖切倫科夫探測器設(shè)計(jì)成光纖陣列型，是基于提高探測器靈敏度的兩方面考慮。一方面是光纖數(shù)目增加必然可以提高靈敏度，另一方面一根光纖周邊其它光纖及填充物質(zhì)可以充當(dāng)電子轉(zhuǎn)換體而提高每一根光纖的靈敏度。只不過光纖陣列須排列成盡可能薄的平板狀，這樣可以盡可能地抑制初始中子的次級(jí)γ射線產(chǎn)額，特別是俘獲γ的產(chǎn)額。

總之，從閾能限制、方向選擇、材料選擇及電子轉(zhuǎn)換體設(shè)置多個(gè)方面考慮光纖切倫科夫探測器設(shè)計(jì)問題，可實(shí)現(xiàn)具有高γ/n分辨能力的γ靈敏切倫科夫光纖陣列探測器的設(shè)計(jì)。

1.2 光纖陣列探測器

通過對(duì)中子、γ與物質(zhì)作用產(chǎn)生切倫科夫光輻射原理的分析，切倫科夫光譜大部分在可見光區(qū)域，紫外區(qū)域也有而且光更強(qiáng)，為了使探測器有較高的γ探測效率，必須選擇原子序數(shù)Z值高、切倫科夫輻射閾能低和紫外光透射系數(shù)較高的切倫科夫輻射體。針對(duì)這些要求，我們選擇了一種含鉛的重火石玻璃(ZF7)作為切倫科夫輻射體，折射率很高，達(dá)到1.8062，密度比較大，約為5.20 g·cm-3，透紫性能好，化學(xué)性能穩(wěn)定，不潮解；選擇了透紫性能很好、折射率合適、化學(xué)性能穩(wěn)定的常聚甲基丙烯甲酯PMMA (polymethylmethacrylate)塑料光纖(分子式為C5H9O2，折射率為1.49，紫外透過率為73.5%)作為光導(dǎo)；選擇了EMI公司生產(chǎn)的型號(hào)為9813B光電倍增管，其峰值半寬度FWHM (Full Width at Half Maximum)響應(yīng)時(shí)間≤1ns，采用端窗藍(lán)綠靈敏、雙堿光陰極、線性聚焦設(shè)計(jì)，具有14級(jí)打拿極的快速、寬光譜響應(yīng)。

研制出的γ靈敏鉛玻璃切倫科夫光纖陣列探測器如圖1所示，輻射體由約2000根?1mm×100mm鉛玻璃光纖排列為2cm×8cm截面的陣列，光纖之間的空隙用光學(xué)膠填充，前端面打毛涂黑以降低反射，整體用2mm厚鋁殼封裝，外層用黑色遮光材料包裹，光纖陣列后端面拋光，由PMMA光導(dǎo)部分轉(zhuǎn)接、耦合到快速響應(yīng)光電倍增管光陰極。陣列和光導(dǎo)之間的光耦合使用光學(xué)耦合劑以增加對(duì)光的收集和傳輸效率。光電倍增管外壁上使用了高壓絕緣材料套筒，最外面用純鐵加工套筒屏蔽，減少地磁場對(duì)光電倍增管的影響。

圖1 切倫科夫光纖陣列探測器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure schematic of the detector of Cherenkov plumbic-glass fiber matrix.

1.3 模擬計(jì)算γ/n分辨率

用MCNP計(jì)算得到的中子和γ在光纖陣列中的能量沉積結(jié)果如圖2所示。在γ光子能量較低的范圍內(nèi)，光纖陣列中的沉積隨著能量的增加而迅速減少，這是由于在γ光子能量較小的時(shí)候，起主要作用的是光電效應(yīng)，而光電效應(yīng)的截面是隨著γ光子的能量增加而成指數(shù)減小的；當(dāng)γ光子的能量增加到一定程度時(shí)，康普頓效應(yīng)越來越明顯，沉積能量減小的趨勢變得緩慢；當(dāng)γ光子的能量更高時(shí)，電子對(duì)效應(yīng)越來越顯著，其截面和隨著γ光子能量而增加，所以沉積的能量增加。一個(gè)14.1MeV中子在光纖陣列中沉積的能量是一個(gè)1.25MeVγ沉積能量的2.1倍。

中子與光纖芯部鉛玻璃物質(zhì)原子核的非彈性散射截面很小，根據(jù)光纖材料中各成份比計(jì)算，只占反應(yīng)總截面的5%左右，這樣中子在光纖陣列中沉積的能量只有約5%能夠產(chǎn)生切倫科夫光子，而來源于中子反應(yīng)的電子激發(fā)出的切倫科夫光子在4π空間內(nèi)又是均勻分布的，受光纖數(shù)值孔徑限制，被光纖接收并傳輸?shù)焦鈱?dǎo)的只占總數(shù)的8%左右。γ射線產(chǎn)生的切倫科夫光具有較好的方向性，通過調(diào)整光纖陣列與準(zhǔn)直初始γ射線方向間的角度，最多（45°左右）可以有約40%的切倫科夫光子被光纖接收并傳輸。這樣，由計(jì)算數(shù)據(jù)可以推得光纖陣列探測器對(duì)1.25MeVγ和14.1MeV中子的分辨率D=(1×40%)/(2.1×5%×8%)≈48倍。

圖2 中子和γ沉積能量相對(duì)值Fig.2 Relative value of the energy deposition to neutron and gamma.

2 靈敏度刻度實(shí)驗(yàn)

2.1 14.1MeV中子靈敏度

探測器的14.1MeV中子靈敏度實(shí)驗(yàn)是在中國原子能科學(xué)研究院核數(shù)據(jù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的Ka400高壓倍加器上進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)中，探測器放置在一個(gè)由鐵、聚四氟乙烯和鉛組成的屏蔽性能良好的復(fù)合屏蔽體中，由氚靶打出的中子通過準(zhǔn)直器孔道準(zhǔn)直后照射到探測器的光纖陣列上，光纖陣列軸向與準(zhǔn)直器孔道成45°角，使用STANFORD PS350數(shù)字高壓電源為探測器供電，光電倍增管輸出電流由低噪聲信號(hào)電纜傳送至測量間，并由KEITHLY6517A小信號(hào)電流計(jì)測量記錄，在25°方向上用伴隨粒子半導(dǎo)體靶室測量中子的通量率。由于半導(dǎo)體靶室計(jì)數(shù)率較低，以及D粒子束流強(qiáng)度的不穩(wěn)定引起的中子源強(qiáng)漲落，對(duì)于中子計(jì)數(shù)進(jìn)行了較長時(shí)間的測量記錄（約300s），同時(shí)也對(duì)探測器的信號(hào)電流記錄了多個(gè)數(shù)據(jù)（20個(gè)），取其平均值作為實(shí)際測量信號(hào)電流值，以減少探測器中子靈敏度實(shí)驗(yàn)的不確定度。

根據(jù)公式Sn=Id/Ψd可計(jì)算得到探測器的中子靈敏度。式中，Sn是中子靈敏度，A?MeV-1·cm2?s；Id是探測器的信號(hào)電流，A；Ψd是測點(diǎn)處的中子能注量率，MeV?cm-2?s-1。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，探測器的中子靈敏度隨著光電倍增的高壓而提高。

表1 探測器中子靈敏度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Neutron sensitivity experimental data.

2.2 1.25MeVγ靈敏度

探測器的1.25MeVγ靈敏度實(shí)驗(yàn)是在西北核技術(shù)研究所的鈷(60Co)源上進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)中，由60Co源發(fā)射出的經(jīng)過準(zhǔn)直后的γ與光纖陣列軸向所成角度分別為45°、30°和0°。根據(jù)公式Sγ=Id/Ψd可計(jì)算得到探測器的γ靈敏度。式中，Sγ是伽瑪靈敏度，A?MeV-1·cm2?s。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，探測器的γ靈敏度隨著高壓而提高，同時(shí)入射γ與光纖陣列軸向所成角度不同，靈敏度也有變化。

表2 鈷(60Co)源γ靈敏度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Cobalt (60Co) gamma sensitivity experiment data.

2.3 γ/n分辨

在對(duì)γ和中子實(shí)驗(yàn)刻度靈敏度數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后，得到探測器與入射粒子成不同角度時(shí)的γ/n分辨率（PMT所加高壓為1900V），如表3所示。光纖探測器相對(duì)入射準(zhǔn)直γ射線束的夾角為45°時(shí)，靈敏度刻度實(shí)驗(yàn)得到γ/n分辨為42.3倍。

表3 光纖陣列探測器γ/中子分辨（相對(duì)單位）Table 3 Gamma/neutron discrimination of the optical fiber array detector (relative unit).

γ/n分辨實(shí)驗(yàn)值和模擬計(jì)算值存在一定的差異，這主要是由于在用MCNP模擬計(jì)算時(shí)，沒有考慮二次散射對(duì)靈敏度的貢獻(xiàn)；在實(shí)驗(yàn)中，源強(qiáng)監(jiān)測的統(tǒng)計(jì)偏差、散射屏蔽效果及準(zhǔn)直效果不理想等對(duì)靈敏度實(shí)驗(yàn)刻度數(shù)據(jù)造成了影響；另外，由于靈敏度刻度是在直流條件下完成的，中子靈敏度刻度實(shí)驗(yàn)中的活化放出的γ（包括俘獲γ）的貢獻(xiàn)也對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有影響，這會(huì)使γ/n分辨降低。

3 結(jié)語

γ靈敏切倫科夫光纖陣列探測器的γ/n分辨，對(duì)于14.1MeV中子和1.25MeV伽瑪射線，經(jīng)靈敏度刻度實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明其優(yōu)于42.3倍，即在脈沖中子、

γ混合輻射場中進(jìn)行γ參數(shù)測量時(shí)，若中子、γ強(qiáng)度相等，該探測器所輸出的切倫科夫光信號(hào)中的中子貢獻(xiàn)將可被抑制在2%左右，達(dá)到了在脈沖中子、γ

混合場中進(jìn)行γ射線參數(shù)測量對(duì)分辨能力的要求。研究成果為脈沖輻射場射線參數(shù)測量提供了一種更好的探測器系統(tǒng)選擇，可進(jìn)一步完善脈沖輻射場參數(shù)測試技術(shù)。

致謝感謝西安交通大學(xué)胡華四教授對(duì)探測器研制和實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)。

1 劉慶兆. 脈沖輻射場診斷技術(shù)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1994 LIU Qingzhao. Pulsed radiation field diagnosis technology[M]. Beijing: Science Press, 1994

2 安繼剛. 電離輻射探測器[M]. 北京: 原子能出版社, 1995 AN Jigang. Detectors of ionizing radiation[M]. Beijing: Atomic Energy Press, 1995

3 段紹節(jié). 實(shí)驗(yàn)核物理測量中的粒子分辨[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1999 DUAN Shaojie. Experimental nuclear physics measurements of particle identification[M]. Beijing: National Defence Industry Press, 1999

4 Cub J, Stengel G. A large-area scintillating fibre detector for relativistic heavy ions[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 1998, A402: 67-74

5 Bahr J, Nahnhauer R. A fiber detector radiation hardness test, DESY Zeuthen, 15738, Zeuthen, Germany[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 2000, A449: 260-267

6 胡華四, 蒲明輝, 宋朝暉, 等. 高劑量率脈沖X射線束時(shí)間譜探測系統(tǒng)及其應(yīng)用[C]. 陜西省核學(xué)會(huì)2002年學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集, 2002 HU Huasi, PU Minghui, SONG Zhaohui, et al. High dose rate pulsed X-ray spectrum detecting system and its application[C]. Shanxi Nuclear Society 2002 Academic Exchange Conference, 2002

CLCTL822

Experimental study of γ/n discrimination of Cherenkov fiber matrix detector sensitive to
gamma ray

ZHENG Xiaohai1BAO Jie1HOU Long1CAO Jinyun2ZHANG Zichuan2
1(Science and Technology on Nuclear Data Laboratory, China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413, China)
2(Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi'an 710024, China)

Background:To measure gamma ray in pulsed radiant hybrid field of gamma ray and neutron, the detector system is required to have a very fast time response, and a good γ/n discrimination.PurposeThe aim is to do experimental study on the detector of Cherenkov plumbic-glass fiber matrix sensitive to gamma ray.Methods:Based on the Cherenkov radiant theory, simulation calculation of energy deposition of the gamma, neutron in fiber arrays materials was done by using MCNP. According to the calculation data, plumbic-glass was selected as Cherenkov scintillated optical fiber, combining with the material of gathering and transmitting scintillated light, the photomultiplier (PMT), we designed detector of Cherenkov plumbic-glass fiber matrix sensitive to gamma ray. And then the 14.1-MeV neutron sensitivity experiments are performed on the Cockcroft-Walton generator in China Institute of Atomic Energy, the 1.25-MeV gamma sensitivity experiments on60Co source in Northwest Institute of Nuclear Technology.ResultsThe experimental γ/n discrimination is about 42.3 at incident angle of 45°, which is accord basically with the result of simulation calculation.ConclusionThe detector system has high γ/n discrimination, which can fulfill the requirements for gamma ray measurement in pulsed radiation hybrid field.

Cherenkov, Fiber matrix detector, Sensitivity, Pulsed radiant hybrid field of gamma ray and neutron

TL822

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.110402

鄭小海，男，1974年出生，2005年于西北核技術(shù)研究所獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為博士研究生，原子核物理及粒子物理專業(yè)

鮑杰，E-mail: jie_bao_99@yahoo.com

2014-04-09，

2014-05-08