摘要： 托克馬克約束等離子體在破裂期間，會(huì)產(chǎn)生高能硬X 射線，對(duì)這些高能硬X 射線的探測(cè)有助于理解聚變裝置中約束等離子體破裂變化情況. 針對(duì)核工業(yè)西南物理研究院中國(guó)環(huán)流三號(hào)（HL-3）裝置上對(duì)高能量硬X 射線診斷的需求，本文開展了溴化鑭探測(cè)系統(tǒng)的研制工作.研制的溴化鑭探測(cè)器系統(tǒng)晶體尺寸為φ76 mm×76 mm，對(duì)研制的溴化鑭探測(cè)器進(jìn)行了性能測(cè)試：該探測(cè)器在屏蔽體中本底計(jì)數(shù)率為455 cps；采用標(biāo)準(zhǔn)源137Cs 測(cè)量得到的對(duì)662 keV γ 射線的能量分辨率為3%；采用標(biāo)準(zhǔn)源137Cs、152Eu 進(jìn)行了2 MeV 以下γ 能區(qū)的能量刻度和全能峰探測(cè)效率刻度工作；2 MeV 以上γ 能區(qū)，由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)γ 源，因此采用熱中子活化14N 等輕元素產(chǎn)生的2～11 MeV 能區(qū)的高能量γ 射線，完成了在該能區(qū)的能量刻度和效率刻度. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：研制的溴化鑭探測(cè)器在0. 1～11 MeV γ 能區(qū)有良好的能量線性，標(biāo)準(zhǔn)源刻度得到的全能峰探測(cè)效率典型誤差小于1. 89%. 采用MCNP5 對(duì)研制的溴化鑭探測(cè)器的全能峰探測(cè)效率進(jìn)行了模擬計(jì)算，并與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析.

關(guān)鍵詞： 溴化鑭探測(cè)器；效率刻度；能量刻度；蒙特卡羅

中圖分類號(hào)： TL812 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10. 19907/j. 0490-6756. 240121

1引言

托卡馬克等離子體破裂過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生從幾MeV 到幾十MeV 能量范圍的高能逃逸電子.這些高能逃逸電子轟擊裝置第一壁產(chǎn)生的厚靶軔致輻射，能量可高達(dá)幾十MeV，能譜極其復(fù)雜. 對(duì)這些硬X 射線的探測(cè)有助于理解聚變裝置中約束等離子破裂變化情況［1，2］.

常用的γ 射線探測(cè)器（硬X 射線探測(cè)原理與γ射線完全一樣）有高純鍺探測(cè)器、碘化鈉探測(cè)器及溴化鑭探測(cè)器. 高純鍺探測(cè)器能量分辨率高［3］，時(shí)間響應(yīng)快，但使用時(shí)需要冷卻，在有中子輻射的環(huán)境中易受損傷. 溴化鑭探測(cè)器和碘化鈉探測(cè)器均屬于閃爍體探測(cè)器，可以在常溫下使用，但溴化鑭探測(cè)器有更好的能量分辨率、更高的探測(cè)效率以及更快的時(shí)間響應(yīng)，更適合在高計(jì)數(shù)率下使用［4-7］.

針對(duì)核工業(yè)西南物理研究院HL-3 裝置上對(duì)高能量硬X 射線診斷的需求，本文開展了溴化鑭探測(cè)系統(tǒng)的研制工作，對(duì)研制的溴化鑭探測(cè)器的本底計(jì)數(shù)率、能量分辨率進(jìn)行了測(cè)定，特別是對(duì)重點(diǎn)關(guān)注的0. 1～11 MeV γ 能區(qū)進(jìn)行了能量刻度和效率刻度研究.

2溴化鑭探測(cè)器系統(tǒng)

2. 1溴化鑭探測(cè)器探頭結(jié)構(gòu)

研制的溴化鑭探頭結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由溴化鑭晶體、光電倍增管、前置電子學(xué)三部分組成.溴化鑭晶體為法國(guó)圣戈班生產(chǎn)，晶體尺寸為φ 76 mm×76 mm；光電倍增管為日本濱松產(chǎn)品，型號(hào)為R-6233-100，工作電壓為450 V.

前置電子學(xué)系統(tǒng)中，前置放大器成形時(shí)間常數(shù)為500 ns. 高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)中數(shù)模轉(zhuǎn)換（ADC）選用ADS5500EP 芯片，最大采樣率為125 MHz.

采集到的數(shù)字核脈沖信號(hào)進(jìn)入FPGA 中進(jìn)行數(shù)字濾波成形處理后，生成γ 能譜，最后通過(guò)數(shù)據(jù)線上傳至計(jì)算機(jī)系統(tǒng). FPGA 選用Actel 的A3P1000-1FGG144M 型芯片. 用數(shù)據(jù)線連接電腦和溴化鑭探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)探頭供電和數(shù)據(jù)傳輸.

2. 2 溴化鑭探測(cè)器本底測(cè)量

將探測(cè)器放置在體積為40 cm×30 cm×30 cm 蔽室內(nèi)進(jìn)行本底測(cè)量，屏蔽體為多層結(jié)構(gòu)，由外向內(nèi)依次為10 cm 厚的鉛、1 mm 厚的鎘、1 mm 厚的銅和5 mm 厚的有機(jī)玻璃. 測(cè)量時(shí)間為3 h，測(cè)得的能譜如圖2 所示. 在道址11、 323 和585處有明顯的峰位存在，它們是溴化鑭晶體中包含的放射性核素138La 衰變放出的32、788 和1436 keV γ 射線，以及光電倍增管材料中包含的40K 衰變產(chǎn)生的1461 keV γ 射線的貢獻(xiàn)；在1000道左右的峰是由晶體內(nèi)的天然放射性元素227Ac 和它的子體α 衰變形成的［8-11］. 本底全譜計(jì)數(shù)率為455 cps，可見(jiàn)溴化鑭探測(cè)器本底計(jì)數(shù)率高，不適用于低水平放射性測(cè)量，尤其是當(dāng)待分析γ 射線能量與上述峰位能量較為接近時(shí).

2. 3能量分辨率測(cè)定

在屏蔽室中，將137Cs 源放置于溴化鑭探測(cè)器前端面，對(duì)137Cs 源出射662 keV γ 射線進(jìn)行測(cè)量.從測(cè)得的能譜中確定出662 keV γ 射線全能峰峰位道數(shù)及全能峰半高寬，計(jì)算得到的對(duì)662 keV γ射線的能量分辨率為3%，如圖3 所示.

3能量刻度和全能峰效率刻度

對(duì)研制的溴化鑭探測(cè)器進(jìn)行了能量刻度和效

率刻度. 對(duì)于2 MeV 以下γ 射線能區(qū)，采用標(biāo)準(zhǔn)源刻度法；而對(duì)于2 MeV 以上γ 能區(qū)，由于缺乏相應(yīng)γ 能量的標(biāo)準(zhǔn)源，利用輕元素中子俘獲反應(yīng)產(chǎn)生高能量γ 射線來(lái)進(jìn)行刻度.

3. 1 0. 1～2. 0 MeV 的能量刻度與效率刻度

采用德國(guó)PTB 公司生產(chǎn)的¹⁵²Eu、¹³⁷Cs 標(biāo)準(zhǔn)源進(jìn)行2 MeV 以下γ 射線能區(qū)的能量刻度與效率刻度. ¹⁵²Eu 源的活度為9. 07×10⁴ Bq（2012年4月1日測(cè)定值），源活度誤差為1. 06%；¹³⁷Cs 源的活度為1. 888×10⁵ Bq（2012年4 月1 日測(cè)定值），活度誤差為1. 23%.

將標(biāo)準(zhǔn)源¹³⁷Cs、¹⁵²Eu 分別放置在距離探測(cè)器前表面20 cm 處，與探測(cè)器中心同一水平線上，測(cè)量時(shí)間為3600 s.

從測(cè)得的能譜上確定出各能量γ 射線對(duì)應(yīng)的全能峰峰位道數(shù)以及全能峰面積，則不同能量γ 射線的全能峰探測(cè)效率可由式（1）確定.

相關(guān)數(shù)據(jù)如表1 所示. 表1 中使用的標(biāo)準(zhǔn)放射性點(diǎn)源其γ 射線能量和對(duì)應(yīng)的發(fā)射強(qiáng)度取自法國(guó)貝克勒爾實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)庫(kù)（Laboratoire NationalHenri Becquerel，LNHB）.

表1 中能量1. 1 MeV 是¹⁵²Eu 發(fā)出的1. 0866、1. 096、1. 1096和1. 112 6 MeV γ 射線按強(qiáng)度加權(quán)得到的能量，在測(cè)得的γ 能譜中，上述4 條γ 射線的全能峰重疊在一起，因此把它當(dāng)1個(gè)峰處理.

3. 2. 2實(shí)驗(yàn)布局 實(shí)驗(yàn)布局如圖4 所示. 慢化體為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，材料為石蠟，厚度為16 cm；放置Am-Be 中子源的空腔大小為3 cm×3 cm×3 cm；尿素樣品尺寸長(zhǎng)23. 5 cm、高32 cm、厚6 cm，放置于以空腔尺寸為中心，貼近石蠟表面處，如圖4所示.

之所以采用這種尺寸，是基于Monte Carlo 模擬計(jì)算結(jié)果. Monte Carlo 建模時(shí)首先設(shè)置放置中子源的空腔大小，針對(duì)實(shí)際使用的Am-Be 中子源尺寸，確定空腔尺寸為3 cm×3 cm×3 cm. 中子源設(shè)置為點(diǎn)源、位于空腔中心、中子各向同性出射，中子能譜按Am-Be 中子源的實(shí)際能譜設(shè)置［13］. 采用MCNP 中的SI、SP 卡定義Am-Be 中子源的中子能譜，其中SI 為源信息卡，定義中子能量，SP為源概率卡，定義對(duì)應(yīng)能量的中子強(qiáng)度. 聯(lián)合F2、E2 計(jì)數(shù)卡來(lái)記錄通過(guò)靠近石蠟的尿素表面的平均中子通量，其中F2 記錄穿過(guò)指定界面的平均中子通量，E2 用來(lái)劃分能量箱. 這里重點(diǎn)關(guān)心慢、熱中子能區(qū)，設(shè)置能區(qū)范圍為0. 025～0. 5 eV. 改變慢化體厚度，計(jì)算出慢化體不同厚度下在指定界面指定能區(qū)的平均中子通量，結(jié)果表明當(dāng)石蠟厚度為16 cm 時(shí)，尿素樣品所在位置能量為0. 025～0. 5 eV范圍的中子通量最高.

由于所用Am-Be 中子源源強(qiáng)不高，為了保證有好的計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)性，使用了3500g尿素樣品. 計(jì)算了在尿素樣品不同厚度處的中子通量密度，以便對(duì)出射的不同能量γ 射線在樣品中的自吸收差異進(jìn)行修正.

3. 2. 3實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析 將溴化鑭探測(cè)器放置于距尿素樣品20 cm 處，測(cè)量中子與¹⁴N 反應(yīng)生成γ 射線的能譜，測(cè)量時(shí)間為100 h. 測(cè)得的γ 能譜如圖5 所示. 由圖5可見(jiàn)，測(cè)得的能譜結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜. 除了來(lái)自于氮元素活化產(chǎn)生的高能γ 射線，還有來(lái)自于慢化體和尿素樣品中包含的C、H、O元素被中子活化后出射的高能γ 射線. 當(dāng)γ 射線能量大于8 MeV 時(shí)，還可以看到明顯的單逃逸峰和雙逃逸峰. 能譜中最明顯的全能峰有H 元素活化產(chǎn)生的2. 223 MeV γ 射線、C 元素活化產(chǎn)生的4. 44 MeV γ 射線（其中有Am-Be 中子源本身發(fā)射的4. 438 MeV γ 射線貢獻(xiàn)）、N 元素活化產(chǎn)生的1. 678、3. 532、3. 678、4. 509、5. 269、5. 561、6. 322、8. 31 和10. 829 MeV γ 射線. 在上述全能峰對(duì)應(yīng)γ射線能量證認(rèn)過(guò)程中，借助了用標(biāo)準(zhǔn)源得到的能量道址關(guān)系.

表3給出了清晰可辨的全能峰的峰位道數(shù)及其證認(rèn)出的對(duì)應(yīng)γ 射線能量. 結(jié)合表2 和表3，采用一次函數(shù)對(duì)0. 1～11 MeV 進(jìn)行能量與道址的擬合，如圖6 所示. 從圖中可以看出溴化鑭探測(cè)器在0. 1～11 MeV 表現(xiàn)出良好的能量線性.

對(duì)¹⁵N 退激產(chǎn)生的能量為1. 678、5. 269、6. 322和10. 829 MeV 特征γ 射線，其全能峰峰形完整，沒(méi)有其他γ 射線干擾，采用ORTEC 公司的γ 解譜軟件，通過(guò)手動(dòng)設(shè)置感興趣區(qū)域確定出其全能峰面積，感興趣區(qū)域?qū)挾仍O(shè)置為所包含γ 射線全能峰半高寬的3 倍. 由于上述γ 射線均來(lái)自于同一尿素樣品中活化后的氮元素，定義相對(duì)探測(cè)效率來(lái)表征探測(cè)效率隨能量的變化趨勢(shì)，以1. 678 MeV γ 射線的全能峰探測(cè)效率為標(biāo)準(zhǔn)，則其他能量（5. 269、6. 322、10. 829 MeV）相對(duì)于它的探測(cè)效率為

其中，ε ₀ 表示對(duì)尿素樣品出射1. 678 MeV γ 射線的全能峰探測(cè)效率，ε _i 表示對(duì)尿素樣品出射的其他能量γ 射線的探測(cè)效率，I₀、N₀ 分別為1. 678 MeV 射線強(qiáng)度及全能峰面積，I_i、N_i 分別為5. 269、6. 322、10. 829 MeV 的γ 射線強(qiáng)度及對(duì)應(yīng)的全能峰面積.

相對(duì)探測(cè)效率誤差由全能峰面積誤差、γ 射線強(qiáng)度誤差決定.

由于所用尿素樣品尺寸大，上述能量γ 射線在尿素樣品中的自吸收差異需要修正. 為此用Monte Carlo 設(shè)置了與尿素樣品同樣大小的單能體源，體源中不同厚度出射γ 射線強(qiáng)度分布由該厚度處的中子通量密度決定. 利用MCNP 中SI、SP 卡設(shè)置了尿素不同厚度的γ 射線強(qiáng)度，用F5 卡記錄通過(guò)溴化鑭探測(cè)器前表面的γ 射線通量. 在體源材料設(shè)置為置空及尿素兩種條件下分別計(jì)算出對(duì)應(yīng)的γ 射線通量φ₁、φ₂，則γ 射線能量為1. 678、5. 269、6. 322、10. 829 MeV 時(shí)的自吸收修正因子可根據(jù)下式計(jì)算.

利用自吸收修正因子對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的全能峰面積進(jìn)行修正.

由于相對(duì)探測(cè)效率表征的探測(cè)效率隨能量變化的趨勢(shì)受源尺寸大小和源距變化的影響不大，因此利用標(biāo)準(zhǔn)源刻度得到的2 MeV 以下能區(qū)全能峰探測(cè)效率公式計(jì)算出對(duì)1.678MeV 的全能峰效率，再利用相對(duì)探測(cè)效率作轉(zhuǎn)換，確定出5. 269、6. 322、10. 829 MeV 能點(diǎn)的全能峰效率.

探測(cè)效率誤差主要來(lái)源于全能峰面積的確定. 相關(guān)計(jì)算結(jié)果如表4所示.

4全能峰效率的蒙卡模擬計(jì)算

4. 1探測(cè)效率與蒙卡模擬

對(duì)溴化鑭探測(cè)器的全能峰探測(cè)效率進(jìn)行了模擬計(jì)算. 采用Monte Carlo 程序?qū)Ζ?射線在晶體中的輸運(yùn)過(guò)程進(jìn)行模擬，聯(lián)合使用F8、E8 計(jì)數(shù)卡對(duì)γ射線在溴化鑭晶體中的能量沉積進(jìn)行記錄，F(xiàn)8 卡為脈沖幅度卡，用以記錄脈沖能量分布，E8 用以劃分能量箱，對(duì)應(yīng)能量箱的數(shù)值就是模擬能量的探測(cè)效率，計(jì)算了不同γ 能量的全能峰探測(cè)效率.

4. 2計(jì)算模型

根據(jù)廠家提供的溴化鑭探頭尺寸結(jié)構(gòu)，用Monte Carlo 建立溴化鑭模型，整個(gè)探頭為圓柱體結(jié)構(gòu)，其中溴化鑭晶體為直徑7. 62 cm、長(zhǎng)7. 62 cm的圓柱體，晶體前端Al 層厚度0. 05 cm，側(cè)面Al 筒厚度0. 315 cm，長(zhǎng)度13. 2 cm；設(shè)置單能點(diǎn)源，放置在距離探測(cè)器前端20 cm 處，各向同性發(fā)射，能量分別設(shè)置0.122、0. 245、0. 344、0. 667、0. 779、0. 964、1. 678、3. 000、4. 000、5. 269、6. 322、7. 000、8. 000、9. 000 和10. 829 MeV，模擬計(jì)算得到溴化鑭探測(cè)器對(duì)上述能量的全能峰效率值.

4. 3模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值的比對(duì)

Monte Carlo 模擬計(jì)算出的全能峰探測(cè)效率相較于實(shí)驗(yàn)測(cè)量值系統(tǒng)偏高，這可能是源于建模過(guò)程中對(duì)探頭結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化. 為此以實(shí)驗(yàn)測(cè)定的單能源¹³⁷Cs 在662 keV γ 射線能量的全能峰探測(cè)效率為基準(zhǔn)，對(duì)Monte Carlo模擬的探測(cè)效率進(jìn)行歸一. 歸一后的模擬全能峰探測(cè)效率與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值如圖7 所示，二者隨能量的變化趨勢(shì)基本一致.

5結(jié)論

本文研制的溴化鑭探測(cè)器系統(tǒng)，對(duì)662 keV γ射線的能量分辨率為3%；本底計(jì)數(shù)率高，在特殊設(shè)計(jì)的鉛屏蔽室中測(cè)得的本底計(jì)數(shù)率為455 cps，遠(yuǎn)高于同尺寸的高純鍺探測(cè)器的本底計(jì)數(shù)率. 利用輕元素中子俘獲反應(yīng)中出射的高能量γ 射線，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)源¹³⁷Cs、¹⁵²Eu 的特征γ 射線，實(shí)現(xiàn)了溴化鑭探測(cè)器在0. 1～11 MeV γ 能區(qū)的能量刻度. 結(jié)果表明，該溴化鑭探測(cè)器在0. 1～11 MeV γ 能區(qū)都具有很好的能量線性. 采用標(biāo)準(zhǔn)源¹³⁷Cs、¹⁵²Eu 完成了溴化鑭探測(cè)器在2 MeV 以下γ 能區(qū)的全能峰探測(cè)效率刻度；利用中子活化14N 出射的高能量γ 射線之間的強(qiáng)度比例關(guān)系；采用相對(duì)全能峰探測(cè)效率作轉(zhuǎn)換，得到了在2 MeV 以上γ 能區(qū)的全能峰探測(cè)效率測(cè)量值；實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Monte Carlo 模擬計(jì)算的全能峰探測(cè)效率值進(jìn)行了對(duì)比分析. 在利用Am-Be 中子源激發(fā)輕元素出射高能量γ 射線刻度實(shí)驗(yàn)中，慢化體的尺寸和形狀以及尿素樣品的用量和位置都直接影響出射γ 射線的強(qiáng)度，這方面還可以作進(jìn)一步的優(yōu)化改進(jìn).