黃展常 楊建倫 易 強(qiáng) 李名加 蒙世堅(jiān) 梁 川 王文川

（中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所 綿陽621900）

脈沖輻射探測(cè)作為核科學(xué)的基礎(chǔ)技術(shù)之一，是核反應(yīng)過程特性研究、核反應(yīng)堆運(yùn)行、監(jiān)測(cè)與控制不可或缺的技術(shù)手段。原子核物理研究、大型核科學(xué)裝置研制與運(yùn)行等相關(guān)研究，需要發(fā)展先進(jìn)的脈沖輻射探測(cè)技術(shù)［1］。脈沖輻射探測(cè)系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)特性是深入分析研究各種脈沖輻射場(chǎng)特征的關(guān)鍵因素。例如，在Z箍縮內(nèi)爆關(guān)鍵技術(shù)研究過程中，早期研究表明，在8～10 MA負(fù)載電流的驅(qū)動(dòng)水平下，絲陣負(fù)載內(nèi)爆產(chǎn)生的γ輻射場(chǎng)強(qiáng)度在離靶心2 m處可到1010cm-2［2］。近期研究表明，在該驅(qū)動(dòng)能力下開展含氘靶丸動(dòng)態(tài)黑腔實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，為探測(cè)比γ峰低3～4個(gè)量級(jí)的γ峰后中子信號(hào)，需要研制一種動(dòng)態(tài)范圍滿足4個(gè)量級(jí)的門控脈沖輻射探測(cè)系統(tǒng)［3］。在該閃爍探測(cè)系統(tǒng)研制過程中，需要解決探測(cè)系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)特性超過4個(gè)量級(jí)以上動(dòng)態(tài)范圍的分析需求。

目前，檢測(cè)閃爍類脈沖輻射探測(cè)系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)特性的重點(diǎn)在于檢測(cè)閃爍體單元的時(shí)間響應(yīng)特性。常用的方法有：采用激光激發(fā)塑料閃爍體，用高時(shí)間分辨的條紋相機(jī)記錄閃爍體的發(fā)光過程［4］，或者采用激光激發(fā)閃爍體，用高時(shí)間采樣率的示波器記錄探測(cè)器的輸出波形［5］。因?yàn)閱蚊}沖激光激發(fā)閃爍體產(chǎn)生的熒光有限，并且記錄系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍有限，所以此類方法的動(dòng)態(tài)范圍約為1個(gè)量級(jí)，無法滿足跨量級(jí)動(dòng)態(tài)范圍的分析需求，主要用于研究閃爍體的快成分。此外，脈沖激光激發(fā)閃爍體獲得的時(shí)間響應(yīng)特性與實(shí)際使用中輻射場(chǎng)射線激發(fā)閃爍體的時(shí)間響應(yīng)特性也有一定偏差。目前，公開文獻(xiàn)報(bào)道可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)量級(jí)動(dòng)態(tài)范圍的測(cè)量方法為單光子計(jì)數(shù)法。對(duì)于單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)，常用放射源激發(fā)閃爍體，通過統(tǒng)計(jì)大量閃爍體發(fā)光事件實(shí)現(xiàn)時(shí)間的不連續(xù)測(cè)量，用多道統(tǒng)計(jì)譜表征閃爍體發(fā)光衰減曲線［6-9］。由于統(tǒng)計(jì)效率很低，該方法需要花費(fèi)數(shù)天才能完成3個(gè)量級(jí)的探測(cè)系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)性能檢測(cè)?；趩喂庾佑?jì)數(shù)法，前期也開展了部分探索性研究實(shí)驗(yàn)［10］。由于所需時(shí)間較長，核電子學(xué)噪聲、電纜反射等因素帶來的本底干擾使得該方法的動(dòng)態(tài)范圍很難超過4個(gè)量級(jí)。為解決上述問題，本文提出了一種基于脈沖X光源的閃爍體大動(dòng)態(tài)范圍時(shí)間響應(yīng)特性快速分析新方法。

1 方法研究

根據(jù)在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成閃爍體超4個(gè)量級(jí)的時(shí)間響應(yīng)特性快速檢測(cè)的需求，需要解決大動(dòng)態(tài)幅度范圍和大動(dòng)態(tài)時(shí)間范圍兩個(gè)方面的問題。新方法首先選用高增益電流型門控光電倍增管解決大動(dòng)態(tài)幅度范圍的檢測(cè)問題；然后，采用高精度同步時(shí)間關(guān)聯(lián)系統(tǒng)解決大動(dòng)態(tài)時(shí)間范圍的關(guān)聯(lián)問題；最后，通過脈沖X光源激發(fā)閃爍體解決信噪比問題，并利用門控光電倍增管的本征因子（消光比）解決不同發(fā)次間的強(qiáng)度歸一化關(guān)聯(lián)問題。

該快速分析方法的主要流程為：把待測(cè)閃爍體與高增益電流型門控光電倍增管耦合后，利用脈沖X光源激發(fā)待測(cè)閃爍體，采用示波器分量程同時(shí)記錄光電倍增管關(guān)門時(shí)的熒光主峰信號(hào)波形（Vc）以及開門后的信號(hào)波形（Vs）。由測(cè)定的消光比（η）以及關(guān)門時(shí)測(cè)得的熒光主峰信號(hào)強(qiáng)度（Vc），由式（1）推導(dǎo)其開門條件下的等效熒光主峰信號(hào)強(qiáng)度（Vo）。根據(jù)式（2）對(duì)信號(hào)強(qiáng)度歸一化后，得到距離熒光主峰to之后的熒光衰減后沿曲線Vto。利用高精度同步系統(tǒng)改變門控光電倍增管開門時(shí)刻to，獲得距離閃爍體熒光主峰不同時(shí)刻的衰減后沿波形Vto。把不同開門時(shí)刻的波形Vto繪制在一起，進(jìn)行指數(shù)擬合得到待測(cè)閃爍體的時(shí)間響應(yīng)特性。

1.1 消光比測(cè)量

消光比表征門控單元對(duì)輸入信號(hào)的有效衰減程度。當(dāng)輸入光強(qiáng)相同時(shí)，消光比等于開門時(shí)光電倍增管輸出信號(hào)峰值除以關(guān)門時(shí)光電倍增管輸出信號(hào)峰值［11］。根據(jù)快速分析方法的處理流程，需要先檢測(cè)高增益電流型門控光電倍增管的消光比。其測(cè)試示意圖如圖1所示。

圖1 消光比測(cè)試示意圖Fig.1 Schematic diagram of switch ratio measurement

皮秒脈沖激光器輸出的激光脈沖半高寬約0.1 ns。激光脈沖經(jīng)分光器后被分成兩路，分路比例固定。一路激光脈沖輸入帶暗筒的光強(qiáng)監(jiān)測(cè)探頭，用于監(jiān)測(cè)每發(fā)次激光脈沖的強(qiáng)度；另一路激光脈沖輸入帶暗筒的門控光電倍增管。光強(qiáng)監(jiān)測(cè)探頭和門控光電倍增管的信號(hào)用示波器記錄。本研究采用的自研門控光電倍增管，在輸入信號(hào)脈寬低于1μs時(shí)，其線性輸出電流可達(dá)到1 A［12-13］。光強(qiáng)監(jiān)測(cè)探頭選用濱松R3809U-52型MCP-PMT，在輸入脈沖半寬為20 ns時(shí)，其線性輸出電流可達(dá)到0.15 A［14］。通過調(diào)節(jié)皮秒脈沖激光器的輸出光強(qiáng)，保障光強(qiáng)監(jiān)測(cè)探頭和門控光電倍增管工作在線性響應(yīng)區(qū)。當(dāng)激光脈沖輸入門控光電倍增管時(shí)，通過同步機(jī)調(diào)節(jié)門控光電倍增管的開門時(shí)刻使其處于開門狀態(tài)。此時(shí)，重復(fù)輸入1 500個(gè)激光脈沖，統(tǒng)計(jì)光強(qiáng)監(jiān)測(cè)探頭的輸出信號(hào)平均峰值Vmo為17.4 mV（相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差15%）和門控光電倍增管的輸出信號(hào)平均峰值Vso為4.814 V（相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差8%）。同樣地，當(dāng)激光脈沖輸入門控光電倍增管時(shí)，改變門控光電倍增管的開門時(shí)刻使其處于關(guān)門狀態(tài)。此時(shí)，重復(fù)輸入1 500個(gè)激光脈沖，統(tǒng)計(jì)光強(qiáng)監(jiān)測(cè)探頭的輸出信號(hào)平均峰值Vmc為6.271 V（相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差3%）和門控光電倍增管的輸出信號(hào)平均峰值Vsc為1.457 V（相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差14%）。由式（3）可得該門控光電倍增管的消光比η約為1 190。

1.2 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍評(píng)估

基于電流型門控光電倍增管實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍的關(guān)鍵是門控光電倍增管與示波器結(jié)合的記錄系統(tǒng)有足夠的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍。因此，采用脈沖皮秒激光器開展該方法的動(dòng)態(tài)范圍檢測(cè)研究，測(cè)試框圖如圖2所示。通過同步機(jī)改變門控光電倍增管的開門時(shí)刻，獲得離激光主峰不同時(shí)刻的激光強(qiáng)度分布情況。保持激光脈沖輸出光強(qiáng)不變，統(tǒng)計(jì)100次取平均值獲得某一延時(shí)下的門控光電倍增管輸出波形。

圖2 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試示意圖Fig.2 Schematic diagram of dynamic range measurement

把門控光電倍增管的輸出信號(hào)進(jìn)行分路后輸入示波器的不同通道實(shí)現(xiàn)不同垂直靈敏度排布。當(dāng)需要重點(diǎn)關(guān)注激光主峰信號(hào)時(shí)調(diào)節(jié)該通道垂直靈敏度至一個(gè)合適值來記錄其波形Vc；當(dāng)需要重點(diǎn)關(guān)注開門時(shí)刻的激光信號(hào)時(shí)調(diào)節(jié)該通道垂直靈敏度至一個(gè)合適值來記錄其波形Vs。采用示波器不同垂直靈敏度記錄同一信號(hào)的典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。根據(jù)式（1），由激光主峰信號(hào)Vc（圖3虛線）乘以消光比η外推門控光電倍增管完全開門條件下的主峰信號(hào)強(qiáng)度Vo。根據(jù)式（2），對(duì)激光強(qiáng)度歸一化后，得到開門時(shí)刻to之后的強(qiáng)度曲線Vto（圖4）。由圖4的點(diǎn)劃趨向線可得，該記錄系統(tǒng)的有效動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)5個(gè)量級(jí)。

圖3 示波器不同垂直靈敏度時(shí)記錄的同一波形Fig.3 The same signal was recorded by the oscilloscope with different vertical sensitivity

圖4 不同開門時(shí)刻歸一化信號(hào)強(qiáng)度變化曲線Fig.4 Normalized intensity at different gate time

2 快速分析方法的可行性研究

為檢驗(yàn)該快速分析方法的可行性，開展了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。利用X光機(jī)作為脈沖激發(fā)源，激發(fā)某液體閃爍體產(chǎn)生熒光，采用上述快速檢測(cè)方法研究該液體閃爍體的發(fā)光衰減特性。其主要實(shí)驗(yàn)框圖如圖5所示。圓柱形的液體閃爍體有效尺寸為：直徑90 mm，高度200 mm。液體閃爍體與門控光電倍增管耦合后，側(cè)放于鉛屏蔽體內(nèi)。正對(duì)束流入射方向鉛屏蔽體厚度為150 mm，其余5個(gè)面鉛屏蔽體厚度為100 mm。脈沖X光機(jī)電極充電電壓450 kV。產(chǎn)生的X光脈寬約20 ns，平均能量約170 keV［15］。通過改變限束孔的直徑以及鉛衰減片的厚度來調(diào)節(jié)入射到液體閃爍體的X光強(qiáng)度。門控光電倍增管的輸出信號(hào)經(jīng)過功分器后，輸入到示波器，根據(jù)記錄的X光主峰強(qiáng)度以及記錄的開門時(shí)刻X光信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行垂直靈敏度量程排布。

圖5 液體閃爍體時(shí)間響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)研究框圖Fig.5 Experimental studydiagram of time response characteristic of liquid scintillator

實(shí)驗(yàn)獲得的典型波形如圖6所示。由圖6可知，門控光電倍增管測(cè)到了兩個(gè)峰。其中，第1個(gè)峰為脈沖X光激發(fā)液體閃爍體產(chǎn)生的熒光信號(hào)主峰Vc。雖然門控光電倍增管在此刻處于關(guān)門狀態(tài)，但是由于該倍增管的消光比有限，當(dāng)脈沖X光峰激發(fā)液體閃爍體產(chǎn)生的熒光信號(hào)很強(qiáng)時(shí)仍會(huì)有部分熒光被倍增輸出。第2個(gè)峰為門控光電倍增管開門后，熒光余輝產(chǎn)生的信號(hào)Vs。

圖6 108發(fā)次門控光電倍增管探測(cè)器輸出波形Fig.6 The output waveform of gated PMT of shot 108

鑒于該脈沖X光源的半高寬約為20 ns，因此靠近脈沖X光峰的附近熒光衰減時(shí)間信息較復(fù)雜，不利于熒光主峰附近的時(shí)間衰減特性分析。尤其是在此脈寬下無法分析閃爍體的超快成分（衰減常數(shù)≤5 ns）。對(duì)于自研的百納秒時(shí)間跨度的脈沖輻射探測(cè)系統(tǒng)，在4個(gè)量級(jí)以上大動(dòng)態(tài)范圍分析過程中，重要考慮分析慢成分的時(shí)間響應(yīng)特性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)shot 107、shot 108、shot 109和shot 110發(fā)次獲得的熒光輸出波形，采用與圖4相同的處理方法，根據(jù)式（2）對(duì)輻射源強(qiáng)度歸一化后，得到距離熒光主峰to之后的熒光曲線Vto（圖7）。由圖7可得，采用該快速分析方法記錄的熒光衰減曲線的動(dòng)態(tài)范圍大于4個(gè)量級(jí)。為了降低X光源脈寬對(duì)擬合的影響，取X光峰后25 ns的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行y-t雙指數(shù)擬合［16］。在處理過程中，為了擬合方便，以25 ns處的幅值為1，對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行了整體歸一化平移處理。擬合的fitting曲線表示為式（4），擬合的誤差棒為10%。即該液體閃爍體至少存在兩種發(fā)光成分，其快成分發(fā)光衰減常數(shù)約為20 ns。

圖7 基于快速分析方法獲得的液體閃爍體發(fā)光衰減曲線Fig.7 The decay curve of this liquid scintillator was diagnosed on this express analytical method

3 結(jié)語

本文提出了一種新的閃爍體大動(dòng)態(tài)范圍時(shí)間響應(yīng)特性快速分析方法。利用皮秒脈沖激光檢驗(yàn)了該方法的有效動(dòng)態(tài)范圍。研究表明，該方法分析閃爍體時(shí)間響應(yīng)特性的有效動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)5個(gè)量級(jí)?；赬光機(jī)產(chǎn)生的脈沖X光源，采用該方法分析了液體閃爍體的發(fā)光衰減曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果大于4個(gè)量級(jí)，驗(yàn)證了該方法的可行性。但是，實(shí)驗(yàn)所用的脈沖X光源的脈寬較寬，在熒光主峰附近的時(shí)間信息較為復(fù)雜，不利于超快成分的準(zhǔn)確分析。下一步，考慮基于核物理與化學(xué)研究所正在研制的脈沖皮秒X光源，采用上述新方法開展閃爍體時(shí)間響應(yīng)特性的快速分析研究。

致謝感謝激光聚變研究中心劉紅杰團(tuán)隊(duì)提供的液體閃爍體樣品。