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        基于MPD-4電子學(xué)插件的液體閃爍體中子光響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)研究

        2020-02-25 03:33:26阮錫超黃翰雄聶陽(yáng)波
        原子能科學(xué)技術(shù) 2020年2期
        關(guān)鍵詞:響應(yīng)函數(shù)伽馬射線電子學(xué)

        任 杰,阮錫超,黃翰雄,聶陽(yáng)波,鮑 杰,李 霞

        (中國(guó)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)

        在中子物理實(shí)驗(yàn)和中子核技術(shù)應(yīng)用中,中子能譜測(cè)量非常重要。目前常用的中子能譜探測(cè)器有中子飛行時(shí)間譜儀、3He/6Li夾心譜儀、反沖質(zhì)子探測(cè)器、閾探測(cè)器、Bonner球等[1]。其中,中子飛行時(shí)間法是精度最高的中子能譜測(cè)量方法,但依賴脈沖中子源;3He/6Li夾心譜儀的探測(cè)效率太低,對(duì)2.5 MeV中子的探測(cè)效率僅為3×10-6;閾探測(cè)器需較多的活化片才能滿足測(cè)量精度;Bonner球需仔細(xì)優(yōu)化慢化體厚度和材料,且十分依賴解譜算法。相比之下,反沖質(zhì)子探測(cè)器具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、中子探測(cè)效率高、粒子甄別能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),且n-p散射截面是標(biāo)準(zhǔn)截面,通過(guò)優(yōu)化數(shù)據(jù)處理方法可得到較高的精度。液體閃爍體探測(cè)器是目前使用最廣泛的反沖質(zhì)子探測(cè)器之一,常用于中子能譜測(cè)量。中子光響應(yīng)是液體閃爍體探測(cè)器的重要參數(shù),表征一定能量的反沖質(zhì)子在閃爍體中產(chǎn)生的光強(qiáng)度。一般將中子能量En與產(chǎn)生相同光強(qiáng)度的電子能量Eee的對(duì)應(yīng)關(guān)系作為中子光響應(yīng)函數(shù)。一般認(rèn)為,同一種探測(cè)器的光響應(yīng)函數(shù)是不變的,可在不同實(shí)驗(yàn)中使用相同的光響應(yīng)函數(shù)。

        近年來(lái),一種專門(mén)用于液體閃爍體中子探測(cè)器的高集成度新型電子學(xué)插件(Mesytec公司的MPD-4)被廣泛應(yīng)用于中子探測(cè)系統(tǒng)中[2],該電子學(xué)插件集成了脈沖高度(PH)和脈沖形狀甄別(PSD)測(cè)量功能,且1個(gè)NIM插件即可實(shí)現(xiàn)4路探測(cè)器的同時(shí)測(cè)量,得到了廣泛的應(yīng)用,尤其是在一些中子探測(cè)器個(gè)數(shù)較多的中子探測(cè)器陣列中,該電子學(xué)系統(tǒng)被廣泛使用。但多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),使用該電子學(xué)系統(tǒng)與傳統(tǒng)電子學(xué)相比,光響應(yīng)函數(shù)及探測(cè)效率存在明顯差異,因此需針對(duì)此電子學(xué)系統(tǒng)重新測(cè)量光響應(yīng)函數(shù),并對(duì)比不同類型的電子學(xué)對(duì)液體閃爍體光響應(yīng)函數(shù)的影響。

        1 實(shí)驗(yàn)布局

        圖1 實(shí)驗(yàn)布局及電子學(xué)示意圖Fig.1 Experimental arrangement and electronic setup

        實(shí)驗(yàn)是在中國(guó)原子能科學(xué)研究院計(jì)量測(cè)試部的5SDH-2串列加速器上進(jìn)行的。使用2.5 MeV的氘束轟擊3.0 mm厚的9Be靶,產(chǎn)生能量低于6.85 MeV的白光中子。實(shí)驗(yàn)中,脈沖氘束頻率4.0 MHz,脈沖寬度3.2 ns,平均流強(qiáng)約4 μA。使用Saint-Gobain生產(chǎn)的BC501A液體閃爍體探測(cè)器[3],直徑2.0 in(1 in=2.45 cm),厚度2.0 in。閃爍體后端匹配Photonis生產(chǎn)的XP2020光電倍增管,光電倍增管配有Ortec公司的269分壓電路。實(shí)驗(yàn)布局及電子學(xué)如圖1所示。探測(cè)器位于束流0°角方向,探測(cè)器表面距離靶面3.65 m。探測(cè)器有兩路輸出信號(hào),一路為倍增極(Dynode),從分壓電路中間一級(jí)引出,信號(hào)幅度正比于閃爍體的光輸出;另一路信號(hào)為陽(yáng)極(Anode),從分壓電路的最后一級(jí)引出,信號(hào)上升時(shí)間小于6 ns,信號(hào)積分電荷量正比于閃爍體的光輸出。Dynode信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大器PreAmp進(jìn)入主放大器(Ortec572A)[4],主放大器的輸出信號(hào)代表脈沖高度(PH1),PH1信號(hào)接入CAMAC數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的ADC(ps7164),此線路即采用了傳統(tǒng)電子學(xué)。Anode信號(hào)經(jīng)線性扇出插件FanOut(ps744)一分為二,一路進(jìn)入MPD-4中,另一路進(jìn)入恒比定時(shí)器CFD(Ortec935)。MPD-4輸出2路信號(hào)至ADC,一路為脈沖高度信號(hào)(PH2),另一路為粒子甄別信號(hào)PSD,即新型電子學(xué)。CFD輸出2路定時(shí)信號(hào),其中一路進(jìn)入門(mén)產(chǎn)生器Gate(Ortec-Co4020)作為ADC的觸發(fā)信號(hào),另一路與脈沖拾取信號(hào)符合,作為飛行時(shí)間信號(hào)TOF。TOF信號(hào)由時(shí)幅轉(zhuǎn)換器TAC(Ortec567)輸出,其中探測(cè)器的定時(shí)信號(hào)為起始信號(hào),脈沖束的拾取信號(hào)經(jīng)過(guò)快前置放大器FastPA(Ortec-vt120)放大和CFD定時(shí)之后進(jìn)入TAC作為停止信號(hào),TAC輸出信號(hào)進(jìn)入ADC。通過(guò)調(diào)節(jié)Gate寬度使同一事件的不同信號(hào)均在1個(gè)Gate內(nèi),保證數(shù)據(jù)的一致性,本次實(shí)驗(yàn)使用的Gate的寬度為8 μs。

        2 數(shù)據(jù)分析與討論

        2.1 能量刻度

        液體閃爍體探測(cè)器的能量刻度是測(cè)量光響應(yīng)函數(shù)的基礎(chǔ)。一般使用單能伽馬射線源進(jìn)行能量刻度,通過(guò)擬合脈沖高度譜(PH譜)中的康普頓邊確定最大康普頓電子的能量與ADC道值之間的關(guān)系[5]。本實(shí)驗(yàn)使用的伽馬射線源為137Cs和22Na,對(duì)應(yīng)的伽馬射線的能量為662、511、1 271 keV。為精確確定康普頓邊的位置,

        需使用蒙特卡羅程序模擬單能伽馬射線在探測(cè)器中的能量沉積,并根據(jù)探測(cè)器的能量分辨率展寬模擬譜,然后使用模擬得到的能量沉積譜擬合實(shí)驗(yàn)測(cè)量的PH譜,從而確定能量與ADC道數(shù)(Chn)的關(guān)系(式(1))。液體閃爍體的能量分辨率公式如式(2)所示,其中Eee為等效電子能量,A、B、C為影響能量分辨率的參數(shù):參數(shù)A與光在閃爍體中的分布和傳輸有關(guān),B與光產(chǎn)生、衰減、光電過(guò)程有關(guān),C與光電倍增管和電子倍增的噪聲有關(guān)[6]。實(shí)驗(yàn)中所用的探測(cè)器的A、B、C分別為9.17%、10.36%、0.5%。

        Eee=aChn+b

        (1)

        (2)

        采用Geant4程序構(gòu)建探測(cè)器的幾何模型,包括BC501A液體閃爍體、探測(cè)器外殼、光導(dǎo)和光電倍增管端窗。程序中將伽馬射線源簡(jiǎn)化為點(diǎn)源,距探測(cè)器表面20 cm,記錄探測(cè)器液體閃爍體內(nèi)的能量沉積。使用ROOT程序展寬模擬譜并與實(shí)驗(yàn)譜擬合,如圖2所示。

        圖2 模擬譜與實(shí)驗(yàn)譜擬合結(jié)果Fig.2 Fitting result of simulation spectrum and experimental spectrum

        分別擬合Ortec572A得到的PH譜和MPD-4得到的PH譜,得到兩種放大器的能量刻度曲線,如圖3所示。能量刻度結(jié)果列于表1。從刻度結(jié)果可見(jiàn),Ortec572A和MPD-4得到的等效電子能量與ADC道數(shù)的線性關(guān)系較好,滿足實(shí)驗(yàn)測(cè)量的需求。

        2.2 源中子能量測(cè)量

        對(duì)于動(dòng)能在20 MeV以下的中子,不需考慮相對(duì)論效應(yīng),中子飛行時(shí)間tn與源中子能量En的關(guān)系如式(3)所示,其中,l為中子飛行的距離,mn為中子的靜質(zhì)量[7]。

        圖3 能量刻度曲線Fig.3 Curve of energy calibration

        (3)

        表1 能量刻度結(jié)果Table 1 Energy calibration result

        在實(shí)驗(yàn)中,通常利用中子靶上產(chǎn)生的伽馬射線到達(dá)探測(cè)器的時(shí)刻確定中子飛行時(shí)間的零點(diǎn),此時(shí)tn包括兩部分,一是伽馬射線從靶到探測(cè)器所經(jīng)歷的時(shí)間tγ,由距離l和光速c確定;二是伽馬射線與中子到達(dá)探測(cè)器時(shí)刻的差值tγ-n,可根據(jù)TOF譜時(shí)間刻度的結(jié)果得到。一般使用精密脈沖發(fā)生器刻度TOF譜中ADC道數(shù)和時(shí)間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中TAC的量程為500 ns,精密脈沖發(fā)生器每隔40 ns產(chǎn)生1個(gè)信號(hào),累計(jì)13個(gè)信號(hào)覆蓋TAC的整個(gè)量程,如圖4所示。時(shí)間刻度結(jié)果顯示,TOF譜中的ADC道數(shù)與時(shí)間具有較好的線性關(guān)系,平均每道為0.117 ns。

        由于中子產(chǎn)生和輸運(yùn)過(guò)程中均會(huì)產(chǎn)生伽馬射線,因此需在TOF譜中去掉伽馬射線的計(jì)數(shù)。實(shí)驗(yàn)中使用MPD-4的粒子甄別功能,將PSD和PH信號(hào)做成雙維譜,可明顯區(qū)分中子和伽馬信號(hào),如圖5所示。

        根據(jù)TOF譜刻度結(jié)果和式(3)可得到源中子的能譜。圖6a為源中子的TOF譜,包括沒(méi)有粒子甄別條件的原始譜和包含粒子甄別條件的凈中子譜。圖6b為通過(guò)凈中子TOF譜得到的中子能譜,其中縱坐標(biāo)計(jì)數(shù)的不確定度主要來(lái)源于統(tǒng)計(jì)不確定度;橫坐標(biāo)能量的不確定度主要來(lái)源于3.2 ns的脈沖束時(shí)間寬度,在1 MeV處約為2.5%,在6 MeV處約為6%。

        圖4 TAC時(shí)間刻度譜Fig.4 TAC time calibration spectrum

        圖5 粒子甄別二維譜Fig.5 2D spectrum of particle discrimination

        2.3 光響應(yīng)函數(shù)計(jì)算

        得到源中子能譜后,即可挑選不同能點(diǎn)得到單能中子的PH譜。根據(jù)PH譜上的能量邊界和能量刻度的結(jié)果可得到該中子能量En對(duì)應(yīng)的等效電子能量Eee。為保證PH譜有足夠的統(tǒng)計(jì),選取中子能量時(shí)增加了±2%的區(qū)間。選取1.78 MeV到6.41 MeV能區(qū)中的7個(gè)能點(diǎn),分別得到Ortec572A和MPD-4的PH譜,如圖7所示。

        圖6 源中子飛行時(shí)間譜(a)和源中子能譜(b)Fig.6 TOF spectrum of source neutron (a) and energy spectrum of source neutron (b)

        圖7 Ortec572A(a)和MPD-4(b)的PH譜Fig.7 PH spectra of Ortec572A (a) and MPD-4 (b)

        圖8 5.68 MeV中子的PH譜(a)和PH譜的一階導(dǎo)數(shù)(b)Fig.8 PH spectrum of 5.68 MeV neutron (a) and the first derivative of PH spectrum (b)

        在單能中子的PH譜中,PH譜高能段的邊界即為反沖質(zhì)子的最大能量,代表入射中子的能量。實(shí)驗(yàn)中由于能量分辨率等因素,PH譜的邊界具有一定的展寬。確定反沖質(zhì)子邊可采用蒙特卡羅模擬的方法,也可如Kornilov等[8]所述,通過(guò)PH譜的一階導(dǎo)數(shù)得到。本次實(shí)驗(yàn)采用一階導(dǎo)數(shù)的方法得到反沖質(zhì)子邊,以O(shè)rtec572A測(cè)得的5.68 MeV中子的PH譜(圖8a)為例,PH譜的一階導(dǎo)數(shù)如圖8b所示,對(duì)一階導(dǎo)數(shù)在質(zhì)子邊附近高斯擬合即可得到質(zhì)子邊的道數(shù)。

        圖9 中子光響應(yīng)函數(shù)測(cè)量結(jié)果Fig.9 Measurement results of neutron light output response

        分別得到不同能量中子的PH譜中質(zhì)子邊的值,即可給出相應(yīng)的光響應(yīng)函數(shù)曲線,如圖9所示。圖9中橫坐標(biāo)為入射中子能量,其不確定度與圖7b中的能量不確定度一致,主要來(lái)源于脈沖束的時(shí)間寬度;縱坐標(biāo)即為質(zhì)子邊對(duì)應(yīng)的等效電子能量,即光響應(yīng),其不確定度約5%,主要來(lái)源于質(zhì)子邊道數(shù)的不確定度和伽馬刻度的不確定度。圖9中Previous代表實(shí)驗(yàn)室曾經(jīng)使用的BC501A的光響應(yīng)函數(shù),NE213為L(zhǎng)ee等[9]測(cè)量得到的NE213的光響應(yīng)函數(shù)??梢?jiàn)通過(guò)Ortec572A測(cè)到的光響應(yīng)曲線與已有的光響應(yīng)函數(shù)在不確定度范圍內(nèi)較一致,而MPD-4得到的光響應(yīng)函數(shù)曲線明顯偏低。

        為了解MPD-4得到的光響應(yīng)函數(shù)較其他數(shù)據(jù)偏低的原因,開(kāi)展了對(duì)MPD-4電子學(xué)的研究。Ruben等[10]指出,為減少電子學(xué)死時(shí)間和提高能量分辨率,MPD-4使用新的方法得到信號(hào)的能量信息。其將PMT的陽(yáng)極信號(hào)進(jìn)行了6階梯形濾波,然后對(duì)成形后的信號(hào)進(jìn)行電荷積分作為能量信號(hào)。但為節(jié)省電子學(xué)信號(hào)處理的時(shí)間,電荷積分的時(shí)間寬度只有20 ns,不能完全覆蓋探測(cè)器的信號(hào),對(duì)獲取能量信息造成一定的影響。圖10引用自文獻(xiàn)[10],給出了不同粒子的原始信號(hào)和經(jīng)過(guò)MPD-4成形后的信號(hào)。對(duì)于同一類型的粒子,不完全的積分僅會(huì)改變能量刻度的結(jié)果。但當(dāng)入射粒子種類不同時(shí),由于不同粒子的探測(cè)器信號(hào)的慢成分比例不同,不完全的積分導(dǎo)致不同粒子損失的能量比例不同,此時(shí)不同粒子的能量刻度會(huì)有不同比例的改變。以中子和伽馬射線為例,中子(質(zhì)子)信號(hào)的慢成分比例遠(yuǎn)大于伽馬(電子)信號(hào),不完全的積分使中子信號(hào)損失更多的能量,從而表現(xiàn)為對(duì)應(yīng)的等效電子能量降低,即光響應(yīng)降低,這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。相比于MPD-4,傳統(tǒng)的前置放大器和Ortec572A放大器的成形時(shí)間為1 μs左右,可覆蓋完整的信號(hào),因此不會(huì)改變探測(cè)器固有的光響應(yīng)函數(shù)。需指出,在實(shí)驗(yàn)組此前開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)中,也曾使用波形采集或QDC對(duì)探測(cè)器陽(yáng)極信號(hào)進(jìn)行電荷積分得到BC501A的反沖質(zhì)子譜,實(shí)驗(yàn)中探測(cè)器信號(hào)寬度約120 ns,QDC的積分時(shí)間為200 ns。在這些實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理過(guò)程中,可使用已有的光響應(yīng)函數(shù)(圖9中的Previous)計(jì)算出合理的結(jié)果(如入射中子能量等),因此認(rèn)為使用探測(cè)器的Anode信號(hào)通過(guò)完整的電荷積分得到的光響應(yīng)函數(shù)與使用Ortec572A類型的主放大器得到的光響應(yīng)函數(shù)是一致的。

        圖10 中子和伽馬的原始信號(hào)及成形信號(hào)[10]Fig.10 Original and shaped signals of neutron and gamma[10]

        3 結(jié)論

        對(duì)MPD-4這種新型的高集成度電子學(xué)插件開(kāi)展了BC501A型探測(cè)器的光響應(yīng)函數(shù)實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)電子學(xué)相比,光響應(yīng)函數(shù)有明顯的差異。分析認(rèn)為差異的原因主要是放大器成形時(shí)間和積分時(shí)間不同,因此,對(duì)于采用此種電子學(xué)插件的中子探測(cè)系統(tǒng),需要對(duì)中子的光響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行測(cè)量,才能得到可靠的結(jié)果。

        感謝中國(guó)原子能科學(xué)研究院計(jì)量測(cè)試部中子組的王志強(qiáng)研究員、劉毅娜副研究員和駱海龍工程師運(yùn)行5SDH-2串列加速器,并提供了較好的脈沖中子束流。

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