常 樂 劉應(yīng)都 杜 龍 王玉廷 曹喜光 張國強王宏偉,4 馬春旺 張 松 鐘 晨 李 琛

EJ301液體閃爍體探測器的波形甄別和能量刻度

常 樂1,2劉應(yīng)都1,3杜 龍1,3王玉廷1,3曹喜光1,4張國強1,4王宏偉1,3,4馬春旺2張 松1,4鐘 晨1,4李 琛1,4

1（中國科學院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）
2（河南師范大學物理與電子工程學院 新鄉(xiāng) 453007）
3（中國科學院大學 北京 100049）
4（中國科學院核輻射與核能技術(shù)重點實驗室 上海 201800）

EJ301有機液體閃爍體探測器具有較好的時間特性、脈沖形狀甄別能力和中子探測效率。使用CAEN公司的DT5720波形數(shù)字采樣器和DPP-PSD (Digital Pulse Processing-Pulse Shape Discrimination)控制軟件，可以通過軟件設(shè)置實現(xiàn)長、短門和脈沖形狀甄別。利用241Am源(0.059 5MeV)、137Cs-60Co (0.662MeV、1.171MeV、1.333 MeV)源和40K源(1.461MeV)等的康普頓峰，對EJ301探測器進行了電子等效能量刻度、脈沖形狀甄別分析、FOM (Figure of Merit)值計算等。研究表明，DT5720波形數(shù)字采樣器和DPP-PSD控制軟件功能完善、簡單易用；EJ301探測器中子測量效率高，具有較強的中子/伽馬脈沖形狀甄別能力，適合快中子的能譜和飛行時間測量。

閃爍體探測器，康普頓散射，伽馬源，能量刻度

釷基熔鹽堆(Thorium-based Molten Salt Reactor, TMSR)核能系統(tǒng)是第四代反應(yīng)堆六種候選堆型之一，在釷基熔鹽堆中釷和鈾都是核燃料，但232Th不能直接使用，需要通過核反應(yīng)將其轉(zhuǎn)換成233U再使用，所以稱為釷鈾核燃料循環(huán)。TMSR的研究涉及到大量的、不同于鈾-钚循環(huán)的釷-鈾循環(huán)鏈核素，以及高溫狀態(tài)下的熔鹽材料、包殼材料、控制棒材料、反應(yīng)堆毒素/產(chǎn)物等。它們中很多核素的中子截面還不完備，或者精確度較低，例如，232Th的俘獲截面精度在20%–30%，對于TMSR的堆芯設(shè)計和安全評估影響甚大，232Pa的截面數(shù)據(jù)較少，評價數(shù)據(jù)分歧顯著等，因此需要高精度的中子截面測量和數(shù)據(jù)評價。寬能量范圍的中子源是開展中子截面測量的基礎(chǔ)。對于中子能譜的測量，最常用和最有效率的是反沖質(zhì)子法和飛行時間法。液體閃爍體具有良好的n-γ甄別性能和快的時間響應(yīng)，被廣泛地用于中子能譜的測量中。

目前，國內(nèi)國際上對于液體閃爍體探測器的性能研究，特別是對液體閃爍體探測器n-γ甄別的研究持續(xù)不斷，尤其是快速波形數(shù)據(jù)采樣器及新型液體閃爍體材料的開發(fā)，使得具有脈沖形狀甄別功能的軟、硬件技術(shù)快速發(fā)展。例如，BC501A液體閃爍體探測器對不同能量范圍的中子的n-γ甄別能力的實驗分析[1?2]、EJ301有機液體閃爍體相關(guān)性質(zhì)的Monte Carlo模擬研究[3]、EJ301和EJ309閃爍體性能對比研究[4]、EJ309液體閃爍體探測器的Capture-Gated性能研究[5]等。在閃爍體性能研究過程中，無論是模擬計算還是實驗測量，探測器的能量刻度和n-γ甄別都是不可或缺的一步。在能量刻度中，有機液體閃爍體對電子的光輸出響應(yīng)是線性的[6–9]，因此常用等效電子能量作為能量標度單位，再根據(jù)光輸出響應(yīng)曲線轉(zhuǎn)換得到等效的中子能量。液體閃爍體實際上測量到的是γ射線的康普頓邊緣，由于探測器分辨率的影響導致邊緣展寬，形成了康普頓峰。

本文主要研究CAEN的DT5720數(shù)字波形采樣器(Waveform Digitizer)及其DPP-PSD (Digital Pulse Processing-Pulse Shape Discrimination)控制軟件的使用，利用標準伽馬源對EJ301液體閃爍體探測器進行能量刻度及脈沖形狀甄別性能的實驗測量和分析等。

1 EJ301、波形數(shù)字采樣器及DPP-PSD控制軟件

EJ301為美國Eljen公司[10]生產(chǎn)的液體閃爍體探測器（其性能等價于BC501A、NE213，已經(jīng)被廣泛地研究和分析過），具有較好的時間分辨率、脈沖形狀甄別能力和較高的中子探測效率。EJ301光輸出為蒽晶體的78%，最大發(fā)射波長為425nm，氫與碳的原子比例為1.212:1，快信號衰減時間為3.2ns，慢信號衰減時間為32.3ns和270ns。DT5720是意大利CAEN公司生產(chǎn)的4通道12bit，采樣率為250MS·s?1的桌面型數(shù)字波形采樣器[11]，輸入信號峰值動態(tài)范圍為2.5V，可以直接接收來自于光電倍增管的脈沖信號，節(jié)省了前置放大器、主放大器、恒分甄別器和QDC (Charge-Integrating Analog-to-Digital Converter)等大量的電子學插件。DPP-PSD為CAEN開發(fā)的用于x720、x751系列數(shù)字波形采樣器的固件程序和控制軟件，實現(xiàn)軟件設(shè)置記錄長度、波形倒相、觸發(fā)閾值調(diào)節(jié)、外部觸發(fā)及自觸發(fā)模式、長短門設(shè)置、脈沖形狀甄別等功能；具有Histogram和Oscilloscope顯示；可以根據(jù)探測器波形設(shè)定積分長短門(Qlong、Qshort)、脈沖形狀甄別(Pulse Shape Discrimination, PSD)值等；輸出信號有波形譜、能量譜、時間譜和PSD譜，可以通過USB端口和Optical link-PCI卡連接到上位機進行數(shù)據(jù)獲取和記錄。采用數(shù)字化波形采樣器可避免使用復雜的脈沖形狀甄別電子學線路，對于少量的探測器數(shù)據(jù)獲取來說，具有線路簡單和獲取便捷的特點。在我們的實驗研究中主要用到的儀器設(shè)備有：EJ301液體閃爍體探測器（直徑7.62 cm ，厚度7.62 cm），高壓電源CAEN N1470，DT5720數(shù)字波形采樣器(Waveform Digitizer)，伽馬源。實驗測量電子學線路和波形采樣原理見圖1。

圖1 實驗中使用的電子學連接圖和波形采樣原理圖[12]Fig.1 Electronics connection diagram and waveform sampling principle diagram used in the experiment[12].

波形數(shù)字化采樣器DT5720及其DPP-PSD固件可以在線顯示脈沖的波形、能量譜、PSD二維譜等，還可以通過對信號設(shè)置長門、短門和閾值等參數(shù)(圖1)，對獲取到的積分數(shù)據(jù)計算直接給出PSD值，在線顯示Qlong-PSD散點圖，PSD的定義[12?13]：

一般選取完整脈沖信號的長度為長門的積分時間，選取信號波形的前沿設(shè)定為短門的信號積分時間，如圖2所示。圖2中短門為120ns，長門為600ns，波形為EJ301的PMT陽極信號。積分得到脈沖波形的面積Qlong和Qshort，然后根據(jù)式(1)計算得到PSD值（或者用其它計算方式得到類似的二維譜圖）。從Qlong-PSD圖中可以清晰地分辨出n-γ（圖3(d)所示），而從其能譜圖中(圖3(b)所示)則很難直觀地分辨n和γ。

圖2 實驗測量的脈沖波形及長、短門設(shè)置Fig.2 Experimental measurement of pulse waveform and the settings of long and short gates.

圖3 DPP-PSD積分能量譜及PSD譜圖 (a) 40K能譜，(b) 252Cf能譜，(c) 40K PSD譜，(d) 252Cf PSD譜Fig.3 DPP-PSD integral energy and PSD spectrum. (a) 40K histogram, (b) 252Cf histogram, (c) 40K PSD, (d) 252Cf PSD

2 康普頓峰和能量刻度

由于組成有機閃爍體的元素主要為碳和氫，原子量低，因而發(fā)生光電效應(yīng)的概率很低。當伽馬射線進入閃爍體中，主要發(fā)生康普頓散射和電子對效應(yīng)，所發(fā)生相互作用主要是單個或多個康普頓散射，部分入射伽馬射線的能量沉積，形成康普頓邊緣[14]。而中子則主要通過和氫原子、碳原子的彈性散射損失能量，因此兩個不同的過程產(chǎn)生的脈沖形狀不同，這就是PSD的原理。由于產(chǎn)生的電子能譜在0.04MeV≤Ee≤1.6MeV是線性的[15]，可以使用由伽馬射線所產(chǎn)生的康普頓峰進行能量刻度。根據(jù)式(2)可計算出康普頓電子的最大能量[14]，即康普頓邊(Campton Edge)的能量Eemax：

式中，Eγ是伽馬射線能量；m0c2是電子靜止質(zhì)量，=0.511MeV 。

在閃爍體中，由于多次發(fā)生康普頓散射，電子散射產(chǎn)生銳截止陡直的康普頓邊由于探測器的分辨原因形成康普頓峰，由式(3)可計算出康普頓邊的道數(shù)位置為[16]：

式中，nc是康普頓邊對應(yīng)道數(shù)值；np是康普頓峰值對應(yīng)道數(shù)；σ是康普頓峰的標準偏差。其中np和σ由康普頓峰的高斯擬合中得到。

對EJ301液體閃爍探測器進行能量刻度所使用的伽馬射線分別來自于241Am源，能量為59.5keV；137Cs-60Co源，其中137Cs釋放的伽馬射線的能量為662keV，60Co釋放的伽馬射線的能量為1.173MeV和1.333MeV；以及40K源，能量為1.461MeV。圖4是測量不同源得到的能譜圖及能量刻度，表1為測量得到的實驗數(shù)據(jù)的處理結(jié)果。

圖4 不同伽馬放射源的康普頓峰能譜圖(a)及能量刻度擬合曲線(b)Fig.4 Energy spectrum of Compton peaks by different gamma sources (a) and the fitting of energy calibration spectrum (b).

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)對EJ301液體閃爍探測器進行能量刻度[2?3]，由于EJ301對60Co源的兩個1.17MeV和1.33MeV能量的康普頓峰分辨較差，峰位不容易確定，因此線性擬合中只選擇了241Am、137Cs和40K的單能峰實驗數(shù)據(jù)進行了能量刻度擬合，結(jié)果見圖4(b)，圖中60Co源的兩個1.17MeV和1.33MeV能量峰位擬合點是采用反向插值推算出來的。

表1 康普頓峰及康普頓邊緣計算結(jié)果Table 1 Calculation results of Compton peaks and Compton edges.

經(jīng)過能量刻度以后，可以對EJ301測量的能譜和PSD值進行定量的分析計算。

圖5中的豎線（從右至左）分別對應(yīng)兩倍137Cs源能量(954keVee)、137Cs源能量(477keVee)、1/2137Cs源能量(239keVee)、1/4137Cs源能量(119keVee)和1/8137Cs源能量(60keVee)。從圖5可以明顯看到兩塊PSD分布區(qū)域，其中PSD值較大的是中子峰，PSD值較小的是伽馬峰。從兩塊區(qū)域的分離程度可以直觀地判斷探測器n-γ甄別能力的大小。甄別能力的定量分析可通過計算FOM (Figure of Merit)值[2,17]來進行判定和比較，F(xiàn)OM值越大，探測器的分辨能力越強。對PSD譜進行能量刻度后，就可以進行不同能量值的能量截斷，從而計算出不同能量值處的FOM值。

圖5 刻度后的EJ301的脈沖等效能量-PSD譜(252Cf源)Fig.5 EJ301 pulse equivalent energy - PSD distribution after energy calibration (252Cf source).

圖6 是將PSD譜中曲線向y軸投影而得出的，通過對圖6中兩個峰進行擬合、計算，可以得到兩峰間距和各自的半高全寬，由式(4)可計算出EJ301有機液體閃爍體探測器的FOM值[2]：

式中，S為兩峰間距離；FWHMn為中子峰的半高全寬；FWHMγ為γ峰的半高全寬。由所有事件投影值計算得出FOM值為0.85。相近能量范圍下BC501A、NE213和本次實驗中所使用的EJ301的FOM值的對比見表2。

圖6 252Cf源的FOM值擬合和計算結(jié)果Fig.6 Fitting and calculation of FOM value by 252Cf source.

表2 相近能量范圍下不同探測器的FOM值Table 2 FOM values of different detectors in the same energy range.

從表2中可以看出，在選取相近的能量范圍進行能量截斷計算FOM值時，EJ301的FOM值遠大于BC501，接近NE213[1,2,18]。因此可以看出，EJ301有機液體閃爍體探測器具有較強的n-γ鑒別能力，在性能上和BC501A和NE213類似。

3 結(jié)語

本文研究和使用了CAEN DT5720波形數(shù)字化采樣器，節(jié)省了前置放大器、主放大器、甄別器、QDC等常規(guī)脈沖形狀甄別所需的復雜電子學插件。對于少量的探測器數(shù)據(jù)獲取實驗來說，具有線路簡單、獲取便捷的特點。通過使用標準伽馬源241Am、Co-Cs、40K和裂變中子源252Cf，對EJ301有機液體閃爍體探測器進行了電子等效能量刻度和n-γ鑒別能力分析；利用DT5720波形數(shù)字化采樣器輸出能譜和PSD譜數(shù)據(jù)，擬合得到了EJ301有機液體閃爍體探測器的道數(shù)與能量的對應(yīng)關(guān)系，成功地對EJ301有機液體閃爍體探測器進行了能量刻度；通過測量252Cf裂變中子源，擬合計算出EJ301有機液體閃爍體探測器的總FOM值為0.85，說明EJ301有機液體閃爍體探測器具有較強的n-γ鑒別能力。

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CLC TL812+.1

Pulse shape discrimination and energy calibration of EJ301 liquid scintillation detector

CHANG Le1,2LIU Yingdu1,3DU Long1,3WANG Yuting1,3CAO Xiguang1,4ZHANG Guoqiang1,4WANG Hongwei1,3,4MA Chunwang2ZHANG Song1,4ZHONG Chen1,4LI Chen1,4
1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)
2(Institute of Particle Physics and Nuclear Physics, Henan Normal University, Xinxiang 453007, China)
3(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
4(Key Laboratory of Nuclear Radiation and Nuclear Energy Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China)

Background: EJ301 liquid scintillation detector has good time characteristics, pulse shape discrimination ability and the neutron detection efficiency. Purpose: This study aims to achieve the energy calibration, the pulse shape discrimination (PSD) ability etc. of EJ301 organic liquid scintillation detector. Methods: The waveform digital sampler DT5720 and digital pulse processing-pulse shape discrimination (DPP-PSD) control software were employed to simplify the data acquisition system. The pulse shape discrimination parameters such as the widths of long and short gates could be set up by software. The Compton peaks of241Am (0.0595MeV),137Cs-60Co (0.662 MeV, 1.171MeV, 0.662 MeV) and40K (1.461 MeV) sources were used to obtain experimental data for pulse shape discrimination and the energy calibration of EJ301. Results: Experimental results show EJ301 detector has high efficiency, strong neutron/gamma-PSD ability. Conclusion: DT5720 and DPP-PSD control software have powerful function and are easy to use for both the PSD and energy calibration of EJ301. EJ301 organic liquid scintillation detector can be used for neutron measurement, and is suitable for measuring fast neutron energy spectrum and time of flight.

Scintillation detector, Compton scattering, Gamma sources, Energy calibration

TL812+.1

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.020501

中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項資助項目(No.XDA02010100)、973 項目(No.2013CB834405、No.2010CB833005)、國家自然科學基金

(No.11075195）、國家自然科學基金青年項目(No.11305239)、上海市粒子物理與宇宙學重點實驗室開放基金課題(No.11DZ2260700)和中國博士后科學基金項目(No.2012M520958)資助

常樂，男，1990年出生，2012年畢業(yè)于河南師范大學，現(xiàn)為中國科學院上海應(yīng)用物理研究所聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生

王宏偉，E-mail: wanghongwei@sinap.ac.cn

2014-06-09，

2014-07-18