劉伏龍，吳 笛，魏繼紅，楊婉莎，賀創(chuàng)業(yè)，郭 冰,*，王乃彥,*

(1.北京師范大學 核科學與技術(shù)學院 射線束技術(shù)教育部重點實驗室，北京 100875；2.中國原子能科學研究院 核物理研究所，北京 102413)

高能γ射線在爆炸物檢測、醫(yī)學影像成像、核廢料嬗變、核天體物理p-過程的關(guān)鍵核反應研究及核共振熒光研究等方面有著廣泛的應用[1-3]。目前高能γ射線的產(chǎn)生方式主要有高能電子的韌致輻射、飛行中正電子湮沒、共振核反應(p,γ)或(n,γ)、激光康普頓散射(LCS)等[4]。其中LCS-γ源憑借其單色性好、能量連續(xù)可調(diào)及亮度高等優(yōu)勢被世界各地廣泛建造使用，其中最具代表性的LCS裝置——HIGS(美國)可產(chǎn)生60 MeV的高能γ射線，國內(nèi)對此方式產(chǎn)生高能γ射線的研究也在積極地進行中[5-6]。另外，中國原子能科學研究院依托2×1.7 MeV串列加速器開展了(p,γ)共振核反應高能γ源的研究工作，其可產(chǎn)生能量為6～17.6 MeV的高能γ射線[7]。為更好地利用高能γ射線，精確測量其產(chǎn)額是非常必要的工作。在有限的探測器體積和實驗條件下，高能γ射線的產(chǎn)額測量會存在如何才能準確的問題。一般高純鍺探測器(HPGe)在測量10 MeV以下的γ射線時被認為是可靠的[8]；而閃爍晶體探測器NaI探測器和BGO探測器在測量9.17 MeV高能γ射線時會有嚴重的能量非線性效應，以及由于康普頓坪太高引起的能譜復雜等問題[7]；電磁量能器雖可測量百兆級別的高能γ射線，但能量分辨率低，在精確測量高能γ射線產(chǎn)額方面有一定的弱勢[9]。

用單一的小體積探測器測量高能γ射線時會由于探測器體積太小不能完全收集光子能量，導致單一能量的高能γ射線在譜形上會出現(xiàn)多個峰(如全能峰、單逃逸峰、雙逃逸峰)和與之對應的康普頓坪，這樣會使單一γ探測器測量的能譜變得較復雜，同時對于包含多種能量的復雜γ譜的分析極其困難。若利用兩個或多個晶體使用符合或反符合技術(shù)，使得每個能量僅產(chǎn)生1個峰或增強某個關(guān)注峰的強度而抑制能譜的其他部分，測量的能譜則會變得較簡單，特別適用于多種核素的高能γ能譜分析和復雜本底的高能γ能譜分析，電子對譜儀便由此應運而生。除閃爍晶體類的電子對譜儀外，電子對磁譜儀也是一種測量高能γ射線的譜儀，雖然測量精度較高，但是整個測量系統(tǒng)復雜且造價昂貴，難以實現(xiàn)[10-11]。因此，本文基于自主研發(fā)的閃爍晶體探測器研制一套三晶電子對譜儀(以下簡稱電子對譜儀)，對56Co產(chǎn)生的1.5～4 MeV的高能γ射線進行測量研究，為研制能精確測量(p,γ)共振核反應γ源強度的電子對譜儀奠定基礎(chǔ)。

1 電子對譜儀原理

高能γ射線與物質(zhì)相互作用時主要發(fā)生電子對效應從而產(chǎn)生正負電子對，其中當正電子的動量衰減至接近零時，會與附近的負電子發(fā)生湮滅，從而背向發(fā)射兩條0.511 MeV的γ射線(運動方向的夾角接近180°)，電子對譜儀利用這兩條0.511 MeV γ射線與入射高能γ射線的三重符合來測量入射高能γ射線[12]。圖1為電子對譜儀示意圖，1個小體積的中心探測器被夾在兩個大體積的外圍探測器中間，當兩個外圍探測器同時探測到0.511 MeV γ信號時與中心小體積探測器的信號進行符合，這時所獲得的能譜中僅包含所測特征峰的雙逃逸峰，而過濾掉其全能峰、單逃逸峰及康普頓坪等。因此，電子對譜儀的探測效率雖大幅降低，但簡化了所測能譜，提高了峰與連續(xù)本底之比，有利于準確測量高能γ射線的強度，進而可精確得到γ射線的產(chǎn)額。

A、C——外圍探測器；B——中心探測器圖1 電子對譜儀示意圖Fig.1 Schematic diagram of electron-pair spectrometer

20世紀60年代初，Tavendale[13]和Ewan等[14]利用Ge(Li)探測器作為中心探測器，φ2英寸×2英寸的NaI探測器作為外圍探測器研制了最早的電子對譜儀，通過對14N(d,p)15N的γ能譜測量，發(fā)現(xiàn)極大地改善了測量能譜的峰康比。Auble等[15]對電子對譜儀進行了改進，外圍探測器換成大體積的環(huán)形NaI晶體，從而提高了0.511 MeV γ射線的探測效率。1994年，孔祥忠[16]用高純鍺作為中心探測器、兩塊環(huán)形塑料閃爍體作為外圍探測器組成電子對譜儀，測量了22Na放射源特征峰，電子對譜儀測量的22Na特征峰雙逃逸峰能譜相比于使用中心探測器直接測量特征峰的全能峰能譜，峰與附近本底比改進了50倍。

與HPGe探測器作為中心探測器相比，LaBr3探測器作為中心探測器不僅可保證較好的能量分辨率，還可較大地提高電子對譜儀的探測效率。因此，本工作利用LaBr3探測器作為中心探測器，兩個大體積的NaI探測器作為外圍探測器研制一套電子對譜儀。

2 電子對譜儀的研制

2.1 閃爍晶體探測器的研制

本次實驗的測量對象為56Co、22Na等放射源。選擇中心晶體LaBr3的尺寸時，既需保證其對放射源高能特征峰的探測效率，又要保持其對0.511 MeV γ射線的穿透率。通過對0.511 MeV γ射線在LaBr3晶體中的半值厚度計算，LaBr3晶體尺寸選擇為φ1.5英寸×1.5英寸[17]。在LaBr3中心探測器的外圍放置兩個自主研制的φ5英寸×3英寸的NaI探測器用來探測0.511 MeV γ射線，NaI探測器采用了濱松公司R877型號的光電倍增管。對應于NaI晶體的熒光衰減時間(230 ns)[12]，分壓器電路采用能譜型分壓電路，其中阻抗RC=50 kΩ。

2.2 閃爍探測器工作電壓的選擇

光電倍增管只有工作在最佳狀態(tài)，閃爍探測器才能獲得最好的信噪比，因此需進行光電倍增管的坪特性測量。坪特性測量是指緩慢增加光電倍增管的工作電壓時，測量到超過一定閾值的脈沖數(shù)目，當電壓增加到一定值時，超過一定閾值的脈沖數(shù)趨于飽和。通過改變光電倍增管的工作電壓，可得到脈沖數(shù)與光電倍增管工作電壓的變化關(guān)系曲線，即坪曲線。選擇坪區(qū)對應的電壓范圍作為工作電壓，這時，即使工作電壓稍有變化，計數(shù)率也不會受到影響[18]。坪區(qū)越廣，光電倍增管性能越不易受暗電流變化的影響，探測器的能量分辨也較好，由此可確定光電倍增管的工作電壓。

使用40K 1 460 keV特征峰進行坪曲線測量的測試線路如圖2所示，其中多道分析器可設(shè)定獲取的閾值，只有當探測器輸入到多道分析器的信號幅度大于某一數(shù)值時才會被獲取。坪曲線測試結(jié)果如圖3所示。

圖2 坪曲線測試線路Fig.2 Diagram of experiment for plateau curve

由光電倍增管的坪特性可知，探測器的工作電壓應設(shè)定在坪區(qū)開始電壓(V0)與光電倍增管最大允許電壓之間。測試1號NaI探測器時，當工作電壓高于1 000 V時，探測器的輸出脈沖數(shù)趨于坪區(qū)(圖3a)，因此1號NaI探測器的工作電壓應選擇為1 000～1 500 V；同樣，2號NaI探測器在1 300～1 500 V之間出現(xiàn)了坪區(qū)，因此2號NaI探測器的工作電壓應選擇為1 300～1 500 V之間。為保證兩個NaI探測器1 460 keV特征峰的輸出幅度一致，選擇1號NaI探測器的工作電壓為1 050 V，2號NaI探測器的工作電壓為1 350 V，LaBr3探測器的工作電壓選擇為探測器生產(chǎn)廠商的推薦值-1 700 V。

3 電子對譜儀的測試

使用22Na放射源測試兩個大體積NaI探測器對511 keV γ射線的能量響應，確定511 keV γ射線脈沖幅度的輸出范圍。1號和2號NaI探測器測量的22Na能譜如圖4所示，可看出，兩個探測器測量的511 keV和1 274.5 keV特征峰的道址基本一致，且兩者的計數(shù)率也較接近。其中，1號NaI探測器511 keV全能峰的凈計數(shù)率約為164 s-1，對511 keV的分辨率為8.7%；2號NaI探測器511 keV全能峰的凈計數(shù)率為170 s-1，對511 keV的分辨率為8.8%。根據(jù)兩個NaI探測器對511 keV γ射線的信號輸出范圍，確定符合線路中外圍NaI探測器的上、下閾值。

a——1號NaI探測器坪曲線；b——1號NaI探測器道址選擇曲線；c——2號NaI探測器坪曲線；d——2號NaI探測器道址選擇曲線圖3 不同探測器光電倍增管的坪曲線 Fig.3 Plateau curve of PMT for different detectors

a——1號NaI探測器；b——2號NaI探測器圖4 NaI探測器測量的22Na能譜Fig.4 22Na energy spectrum measured by NaI detector

電子對譜儀的符合測試線路如圖5所示，3個探測器的輸出脈沖先經(jīng)前置放大器放大后，進入主放大器。為保證3路信號的同時性，3路主放大器信號輸入到單道分析器，可根據(jù)能譜的測量范圍，調(diào)節(jié)單道的上、下閾值。此后，3路探測器的信號可進行符合，并用符合信號給獲取系統(tǒng)開門，獲取中心探測器的能譜。

相對其他放射源，56Co放射源可放出3 MeV能量以上的γ射線，其特征γ射線電子對效應更明顯，因此本實驗選用56Co放射源對電子對譜儀進行測試，電子對譜儀測試實驗設(shè)置圖如圖6所示。

點狀的56Co放射源放置在距離中心探測器中心位置的23.3 cm處，在兩個NaI探測器距離放射源近的一側(cè)前放置了足夠厚的鉛磚用來防止56Co放射源放出的γ射線進入外圍NaI探測器。中心探測器前準直器的開孔大小為φ2.5 cm。

圖5 電子對譜儀的符合測試線路Fig.5 Diagram of coincidence measurement for electron-pair spectrometer

圖6 電子對譜儀測試實驗設(shè)置圖Fig.6 Schematic of experimental setup of electron-pair spectrometer

4 電子對譜儀測試結(jié)果

為了確定偶然符合的計數(shù)率，在未放置56Co源的情況下，3個探測器符合測量17 900 s，得到的能譜如圖7所示，最左邊的小峰是天然本底40K特征峰1 460 keV雙逃逸峰(峰周圍120道總計數(shù)約為60)。對于56Co特征峰能區(qū)的500～2 500道，每道偶然符合的平均本底計數(shù)小于1(區(qū)間內(nèi)120道總計數(shù)約為16)。

圖7 偶然符合能譜Fig.7 Energy spectrum of accidental coincidence

電子對譜儀測量前，采用LaBr3探測器對56Co源進行481 s的能譜測量(圖8a)，由圖8a可看出56Co源中發(fā)射率較高的特征γ射線。其中，計數(shù)最高峰為846.8 keV全能峰，其次是511 keV的全能峰。未進行符合時，由于峰周圍連續(xù)本底較高導致發(fā)射率較低的其他特征峰較難清晰辨認，對于某些不易清晰辨認的峰，精確得到它們的絕對強度變得十分困難。使用電子對譜儀對56Co源進行65 600 s的能譜測量得到的結(jié)果如圖8b所示，能譜中僅包含了56Co特征峰的雙逃逸峰。其中，最高峰為2 598.5 keV雙逃逸峰。由圖8可知，電子對譜儀的符合測量不僅可減少連續(xù)本底，而且還能簡化能譜的峰形分析。

a——LaBr3探測器；b——電子對譜儀圖8 電子對譜儀與LaBr3探測器的能譜Fig.8 Energy spectraof electron-pair spectrometer and LaBr3 detector

圖9為LaBr3探測器測量56Co源特征峰計數(shù)率與電子對譜儀符合測量56Co源特征峰計數(shù)率的比，可看出，對于低能量γ射線，LaBr3探測器的計數(shù)率遠大于電子對譜儀，而對于高能量γ射線，LaBr3探測器的計數(shù)率則僅約為電子對譜儀的35倍。這與電子對效應的反應截面理論相符合，低能量γ射線的電子對效應的反應截面較低，使得電子對譜儀的計數(shù)率偏低；而高能量γ射線電子對效應的反應截面較高，因此電子對譜儀的計數(shù)率較高。因此，對于能量較高的γ射線的測量，電子對譜儀的優(yōu)勢更明顯。

圖9 LaBr3探測器與電子對譜儀的計數(shù)率比Fig.9 Ratio of count rate between electron-pair spectrometer and LaBr3 detector

圖10 電子對譜儀和LaBr3探測器所測能譜中峰的凈計數(shù)與總計數(shù)之比Fig.10 Ratio of net count to total count of peak in energy spectrum measured by electron-pair spectrometer and LaBr3 detector

圖10為LaBr3探測器和電子對譜儀測量56Co源能譜中特征峰的凈計數(shù)與總計數(shù)的比，可看出，電子對譜儀所測能譜中的特征峰周圍連續(xù)本底較少，凈計數(shù)與總計數(shù)的比接近1，只有在測量1 771.4 keV特征峰的凈計數(shù)與總計數(shù)之比時，電子對譜儀所測結(jié)果與LaBr3探測器相當；這是由于在較低能量時峰周圍出現(xiàn)了連續(xù)本底，其產(chǎn)生原因是低能γ射線電子對效應的反應截面低，造成該能量段雙逃逸峰的計數(shù)偏少，而且該能量段會受天然40K特征峰的微弱雙逃逸峰的影響。相比而言，LaBr3探測器只有測量56Co最高能量(3 253.5 keV)的特征γ射線時，峰周圍連續(xù)本底才會較低。因此，電子對譜儀在測量復雜本底或多峰的高能γ射線能譜時，具有絕對優(yōu)勢，可有效避免峰周圍連續(xù)本底的影響，使測量結(jié)果更為準確。

5 結(jié)論

本文基于小體積LaBr3探測器和自主研制的大體積NaI探測器研制了一套用于測量高能γ射線的電子對譜儀。在電子對譜儀的本底測量中并未出現(xiàn)明顯的符合峰。使用56Co放射源分別對LaBr3探測器及電子對譜儀進行了測試。結(jié)果表明，電子對譜儀探測到了56Co 能量大于1.5 MeV的γ射線雙逃逸峰能譜，電子對譜儀測量2 598.5 keV高能量γ射線時的計數(shù)率較測量1 771.4 keV高能量γ射線時提高約26倍，表明電子對譜儀在測量高能γ射線時有較大優(yōu)勢；電子對譜儀測量2 598.5 keV及更高能量γ射線時，峰周圍連續(xù)本底幾乎為0，測量2 034.9 keV γ射線時，峰周圍連續(xù)本底較LaBr3探測器測量的峰周圍連續(xù)本底小5倍。這套譜儀測量1.5～4 MeV能量范圍內(nèi)的γ射線，可得到更簡單的能譜，使得讀出的峰計數(shù)可更加精確，本工作為準確測量加速器共振核反應(p,γ)及LCS產(chǎn)生的高能γ射線奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

感謝北京師范大學核科學與技術(shù)學院蘇俊、中國原子能科學研究院核物理研究所的顏勝權(quán)、陳雄軍、諶陽平和韓治宇在電子學和探測器方面的幫助，感謝黨永樂和付光永在探測器研制和探測器模擬方面的幫助。