新型亚纳秒有机闪烁纤维中子探测器

2014-02-07刘亚南谢鸿志

中国电子科学研究院学报 2014年1期

丁楠,刘亚南,吴静,谢鸿志,陈亮

(1.中国电子科技集团公司第八研究所，合肥 230000；2.西北核技术研究所，西安 710024)

0 引言

脉冲中子辐射场是由脉冲中子、γ射线及电磁脉冲等组成的混合辐射场，具有强度大、动态范围宽、时间快等特点。脉冲中子时间谱测量除要求探测器满足脉冲探测的基本要求外还需要解决以下几个突出难点：空间距离限制、γ射线干扰、散射本底等。

闪烁型探测器是辐射探测领域较为常见的一类探测器，工作在电流模式，可实现灵敏度调节，比较适合脉冲辐射场探测。但是普通的闪烁型探测器不适合脉冲中子测量，因为其对γ射线的响应灵敏度强于对中子的响应灵敏度。闪烁薄膜和有机闪烁纤维阵列中子探测器是用于脉冲中子测量的闪烁型探测器，它们优化了结构设计使探测器具有抑制γ射线干扰的能力，但其光电转换装置需要安置在闪烁体附近收集闪烁体发光，为了降低散射中子和γ射线对光电转换器的干扰，要对光电转换器进行严格的准直和屏蔽，受空间距离的限制使准直和屏蔽难以达到要求，故此类探测器也难以满足中子时间谱测量的要求。因此，研制具有强抗电磁干扰能力、高n/γ灵敏度比值、低屏蔽要求、快时间响应的中子探测器是实现脉冲中子时间谱测量的重要内容。所论述的亚纳秒有机闪烁纤维探测器就是具有以上特点的可以实现脉冲中子时间谱测量的新型探测器。

1 探测原理

由于中子不带电不能直接测量，常采用核反冲法、切仑可夫发光原理进行测量。脉冲中子辐射场发出的中子通过由有机闪烁纤维阵列制成探测器灵敏区时，引起闪烁纤维发光，闪烁纤维阵列将发出的光耦合进与之相连的耐辐照光纤传光束，耐辐照光纤传光束再将光耦合进后端的光电倍增管，进而分析脉冲中子的时间谱特性。

探测器的灵敏度与灵敏区发射荧光的大小有关，而发光的大小又直接与粒子在灵敏区沉积的能量相关。闪烁纤维探测器灵敏区的主要成分为碳氢化合物，中子与其相互作用，部分中子能量沉积其中引起发光，对发光贡献的主要相互作用过程为(n，P)弹性散射。中子与聚苯乙烯中的氢发生弹性散射产生反冲质子示意图,如图1所示。根据质心系中系统的动量和能量守恒求得散射中子和反冲质子的能量分别如式(1)和式(2)所示[1]。

对于散射中子

En=Encos2θ

(1)

对于反冲质子

Ep=E0cos2φ

(2)

式中，E0为入射中子；En为散射中子能量；Ep为反冲质子能量；θ为散射中子与中子入射方向之间的夹角；φ为反冲质子的运动方向与中子入射方向之间的夹角。

图1 中子与有机闪烁纤维作用沉积能量过程示意图

2 探测器结构设计

有机闪烁纤维具有侧面垂直入射中子灵敏度强于γ射线灵敏度的特性，因此可制作具有高n/γ灵敏度比值的有机闪烁纤维探测器，从而满足抗γ射线干扰的能力。这里,采用细直径的有机闪烁纤维单层平行排列成的阵列作为中子辐射灵敏单元。单层排列的有机闪烁纤维阵列在不降低n/γ灵敏度比值的情况下，提高了探测器的探测效率。

为了避免中子和γ射线对光电转换器的影响，需要对光电转换器进行准直和屏蔽，这需要将光电转换器放置在距离源比较远的地方。我们在结构设计上采取将闪烁体与光电转换器分离，由耐辐照的传光光纤束收集、传输有机闪烁纤维阵列发出的光信号，这样探测器的传感探头可以放在距离源很近的位置，光电转换器则放在距离源较远的容易屏蔽的屏蔽腔内。

传光光纤束与有机闪烁纤维阵列通过毛细玻璃管一一对接耦合，在不影响有机闪烁纤维阵列正常工作的情况下保证了两种不同纤维之间的耦合效率和连接强度。传光束与光电转换器连接的一端，采用发散设计，使光纤束出射光均匀的照射到光电转换器阴极上，可有效避免光电转换器局部饱和。探测器结构示意图，如图2所示。

图2 探测器结构示意图

3 探测器制作工艺

3.1 有机闪烁纤维制作工艺

探测器要具有亚纳秒的时间响应半宽，要求作为探测器敏感材料的有机闪烁纤维具有快时间响应半宽，而目前没有如此快响应的闪烁纤维成熟产品。

对市面上比较成熟的闪烁纤维产品研究，如美国BICRON公司的塑料闪烁纤维BCF-20。它的纤芯材料为聚苯乙烯(单体分子式为C6H5CH=CH2，密度为1.032 g/cm3,折射率为1.6)，包层材料为聚乙烯醇(单体分子式为CH2=CHOH，密度为1.26 g/cm3，折射率为1.49)，包层材料厚度为纤芯直径的3%～5%[2]，参考BCF-20的参数选择具有快时间响应的塑料闪烁体EJ232Q拉制闪烁纤维，EJ232Q的主要成分也是聚苯乙烯(折射率为1.60)。由于制作探测器敏感区的闪烁纤维长度很短，不必考虑其损耗问题，因此，制作突变型(SI型)闪烁纤维，即纤维芯径部分折射率保持不变，而在纤芯和包层的界面处折射率发生突变。选择聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，折射率为1.49[3])作为包层材料。

为了获得更好的纤维芯径的均匀性，采用预制棒拉丝然后再涂覆包层的方法来制作闪烁纤维。拉丝装置,如图3所示，是在普通的光纤拉丝塔的基础上改造而成。预制棒由加热装置加热后由牵引装置拉伸成纤，再由激光测径仪测量纤维的直径，然后把信息反馈给供料夹，控制供料速度[4]。最后将拉制好的纤芯经过包层溶液，在去除溶剂后，包层包覆于纤芯形成完整的纤维,其工艺流程，如图4所示[5]。最终拉制的闪烁纤维与闪烁体的时间响应特性指标对比，如图5所示。

图3 拉丝装置示意图

图4 包层涂覆工艺流程图

图5 拉丝前后EJ232Q时间响应特性

3.2 闪烁纤维阵列制作工艺

闪烁纤维阵列采用专用光纤绕排线设备示意图，如图6所示。该设备解决了阵列制作过程中的纤维排列不齐、张力不均匀、不同纤维内部存在大小不同的轴向应力使纤维扭曲变形，以及绕线时存在静电使纤维扭曲变形等问题。设备采用计算机控制，下位机采用PLC控制，张力控制中使用舞蹈器控制张力，收线时张力精度可控制到5 g以下，可以避免断纤的发生。排线和收线精确同步，收线电机采用交流伺服电机，排线电机采用步进电机，用收线电机编码器的脉冲控制步进电机可保证排线精度。在收线盘附近安装除静电装置，去除纤维上的静电，解决静电影响排线精度的问题。

图6 单层光纤阵列排线设备示意图

制作阵列过程中首先把纤维的一端固定在收线盘上，随着收线盘均匀旋转，纤维在排线机构的作用下一根挨一根的紧密排列在圆周表面。每转一圈就自动记数，到规定的圈数时停止转动，然后将光学纤维的另一端也固定好。待一层排好之后，检查纤维是否完好并确认没有压纤现象，然后进行涂胶操作。

选择的光学胶是成都晨光化工研究院生产的Gc-06型滴塑型水晶胶，滴塑型水晶胶是一种专用于粘接光学器件和各种光纤的双组份透明环氧树脂，其折射率与闪烁纤维接近，并且具有初始液相，固化时具有一定的弹性。使用前按一定比例(质量比3∶1)对胶进行配制，配制时首先对混合后的胶液进行充分的搅拌，使两种组分分布均匀，搅拌过程中会产生气泡及沸腾现象[6]，这将影响其使用效果，必须用负压除去其中的气泡才能使用，采用抽真空的办法来除气泡，真空度为0.1个标准大气压。

涂胶过程中需要控制胶层的厚度，胶涂的太薄或太厚都容易导致固化后的阵列开裂变形，同时不同固化温度和固化时间，也会影响固化后的性能。通过实验确定了滴塑型水晶胶固化温度为18℃，固化时间为16 h时，此阵列未完全固化，具有弹性，在切片过程中不容易开裂。涂胶的阵列长度根据需要确定，待光学胶固化后可按需要长度进行切割。切割好的阵列压在两面贴有聚四氟乙烯薄膜的玻璃平板下24 h后(常温)即可完全固化。当阵列完全固化后，用专用研磨夹具将阵列夹持好，然后按粗磨—精磨—抛光的顺序对阵列需要对接的端面进行研磨抛光。

3.3 耦合对接及传光束制作工艺

阵列选用的是有机闪烁纤维，传光束为耐辐照石英光纤，两种不同类型的光纤耦合需要采用特殊的工艺来增加耦合效率。通过多次实验，确定用外径0.7 mm、内径0.5 mm的毛细玻璃管作为准直套管，对闪烁纤维和耐辐照光纤进行耦合连接，实验表明这种耦合工艺可以保证耦合效率在30%以上。

闪烁纤维阵列和耐辐照光纤端面经过处理后，涂上匹配液，外套毛细玻璃管，如图7所示，这样基本可以保证两种不同类型的光纤能够同心，然后将阵列的一端和耐辐照光纤的一端分别通过裸纤适配器连接激光光源和光功率计，如图8所示，通过移动毛细玻璃管中的闪烁纤维和耐辐照光纤，找出耦合效率最高的位置，用Gc-06型水晶胶固定。

图7 耦合示意图

图8 光纤耦合监控示意图

这种规格的毛细玻璃管可以保证在阵列宽度范围内容纳与闪烁纤维数目相同玻璃管，同时玻璃材料的毛细管对探测器的性能也不会产生影响。通过裸纤适配器连接激光光源和光功率计监测两种光纤的耦合效率，可以保证不同类型光纤耦合时其耦合效率的可控性。

通过以上的耦合工艺将所有的耐辐照石英光纤和阵列中的闪烁纤维一一对接，对接好的阵列装入金属外壳中并在耦合对接区域灌入Gc-06水晶胶固定。将所有的耐辐照石英光纤收成束穿入不锈钢金属软管中，然后在尾端将光纤穿入图8所示的端头中，端头一端为蜂窝状圆孔，光纤在圆孔中均匀分布，这种结构可以使光纤束出射光均匀的照射到光电转换器阴极上，有效避免了光电转换器局部饱和。将穿好光纤的端头灌入Gc-06水晶胶，待胶完全固化后，按粗磨—中磨—精磨—抛光的顺序进行研磨抛光，经过抛光后的传光束精确地修正了表面的几何形状，使其具有了较高的透光能力。