γ灵敏切伦科夫光纤阵列探测器的γ/n分辨能力研究

郑小海 鲍 杰 侯 龙 曹锦云 张子川

1（中国原子能科学研究院 核数据重点实验室 北京 102413）

2（西北核技术研究所 西安 710024）

γ灵敏切伦科夫光纤阵列探测器的γ/n分辨能力研究

郑小海1鲍 杰1侯 龙1曹锦云2张子川2

1（中国原子能科学研究院 核数据重点实验室 北京 102413）

2（西北核技术研究所 西安 710024）

在脉冲辐射混合场(n,γ)中进行γ射线参数测量，要求探测器系统必须有很快的时间响应，还应有很高的γ/n分辨能力。本文详述了切伦科夫(Cherenkov)辐射原理，用蒙特卡罗软件MCNP模拟计算了γ、中子在不同光纤阵列材料中的能量沉积，根据计算结果选择铅玻璃作为光纤阵列切伦科夫辐射体，配合常聚甲基丙烯甲酯(polymethylmethacrylate, PMMA)塑料光纤光导传输，由光电倍增管转换为电信号输出，研制了一种γ灵敏切伦科夫铅玻璃光纤阵列探测器。在中国原子能科学研究院的600kV高压倍加器上进行了14.1MeV中子灵敏度实验，又在西北核技术研究所60Co源上完成了1.25MeVγ灵敏度实验。实验数据与模拟结果推算得出的数据基本相符，表明该探测器系统具有较高的γ/n分辨能力，可满足在脉冲中子、γ辐射混合场中对γ射线参数测量的分辨能力要求。

切伦科夫，光纤阵列探测器，探测灵敏度，脉冲辐射混合场

γ射线参数能够准确地描述脉冲辐射场的变化特征，许多国家都在研制适用于脉冲辐射混合场中进行γ射线参数测量的探测器[1-2]。切伦科夫探测器具有良好的辐射分辨性能，被广泛地应用于生物学、医学、环境科学、天文学、宇宙射线探测及中微子探测等诸多前沿研究领域。然而，由于常规切伦科夫探测器的γ探测灵敏度较低，γ/n分辨能力也较差[3]，故其在脉冲辐射场参数诊断测量应用方面受到较大限制。

20世纪70年代开始，美国就致力于发展光纤切伦科夫探测器。经过多年的努力，到80年代中后期该方面技术已很成熟，主要有高探测灵敏度大动态范围和高带宽两种探测器系统。但是由于这些探测系统的应用属敏感领域，要找到它们在脉冲辐射场测量中应用的资料就很困难。关于光纤切伦科夫探测器在脉冲辐射场中测量和加速器射线束测量等应用方面的少量文献[4-5]还只是以研究报告形式面世。这些资料对研究光纤切伦科夫探测器在脉冲辐射场测量中的应用具有重要的参考价值。西北核技术研究所曾开展切伦科夫光纤探测器的实验研究，并取得过较好的结果[6]。本文基于对切伦科夫光纤探测器的研究，在利用蒙特卡罗软件MCNP开展模拟计算的基础上，研制了一种γ灵敏切伦科夫铅玻璃光纤阵列探测器，并对探测器进行了14.1MeV中子、1.25MeVγ灵敏度刻度实验。

1 探测器研制和MCNP模拟

1.1 原理简述

在中子、γ混合场中，存在着份额在同一量级的初始中子和初始γ射线。通常会由准直器让它们投射到作为切伦科夫辐射体的光纤上来实现探测。中子与物质的相互作用可大体分为两类：一类是散射，即中子与原子核发生弹性散射或非弹性散射；另一类是吸收，这时中子被原子核吸收进而产生其它种类的次级带电粒子和γ射线，包括辐射俘获(n,γ)，发射带电粒子的反应(n,p)、(n,α)及核裂变反应(n,f)等。由于切伦科夫辐射效应的发生存在阈能，故出射重带电粒子的反应和核散射形成的反冲核都对切伦科夫辐射光产额没有贡献。对切伦科夫辐射光产额贡献主要来源于非弹散射过程产生的非弹γ和辐射俘获过程产生的俘获γ。γ射线与物质相互作用的机制主要有光电效应、康普顿效应和电子对效应。对于初始γ射线，这些效应仅为次级效应，而对于初始中子，则已是二次过程了。这样，仅就效应级次来讲，在切伦科夫辐射光产额贡献中原始γ射线要比原始中子大。

初始中子虽也经准直器成为准直束，但其经与辐射体间的弹性散射和辐射俘获过程使得出射次级γ的角分布趋近均匀分布。次级γ再通过光电效应、康普顿散射和电子对效应产生电子与正电子则进一步趋向均匀化，即电子与正电子已可视为在4π立体角内呈均匀分布，从而它们激发的切伦科夫光也就可视为在4π立体角内呈均匀分布。

初始γ射线经准直后再与切伦科夫辐射体作用，则其产生的电子与正电子也具有一定的方向性。这样，由这些电子与正电子产生的切伦科夫光也保持着一定的方向性，故作为切伦科夫辐射体的光纤相对经准直的初始γ射线束必可取得一个有最高切伦科夫光输出的夹角。这种方向选择性可进一步抑制中子对切伦科夫辐射光总输出的贡献。

γ射线与物质相互作用的三种截面都随着物质原子序数Z增大，同时它们都与入射γ射线能量有关，在一定的能量区域会有一种效应占优势，对于不同能量的入射γ射线，占优势的效应不同。这样，制造材料光纤及其周边介质的选择也是提高探测器灵敏度需考虑的重要因素。这里周边介质可视为电子转换体，它可使进入光纤芯部的电子数大幅度提升。将光纤切伦科夫探测器设计成光纤阵列型，是基于提高探测器灵敏度的两方面考虑。一方面是光纤数目增加必然可以提高灵敏度，另一方面一根光纤周边其它光纤及填充物质可以充当电子转换体而提高每一根光纤的灵敏度。只不过光纤阵列须排列成尽可能薄的平板状，这样可以尽可能地抑制初始中子的次级γ射线产额，特别是俘获γ的产额。

总之，从阈能限制、方向选择、材料选择及电子转换体设置多个方面考虑光纤切伦科夫探测器设计问题，可实现具有高γ/n分辨能力的γ灵敏切伦科夫光纤阵列探测器的设计。

1.2 光纤阵列探测器

通过对中子、γ与物质作用产生切伦科夫光辐射原理的分析，切伦科夫光谱大部分在可见光区域，紫外区域也有而且光更强，为了使探测器有较高的γ探测效率，必须选择原子序数Z值高、切伦科夫辐射阈能低和紫外光透射系数较高的切伦科夫辐射体。针对这些要求，我们选择了一种含铅的重火石玻璃(ZF7)作为切伦科夫辐射体，折射率很高，达到1.8062，密度比较大，约为5.20 g·cm-3，透紫性能好，化学性能稳定，不潮解；选择了透紫性能很好、折射率合适、化学性能稳定的常聚甲基丙烯甲酯PMMA (polymethylmethacrylate)塑料光纤(分子式为C5H9O2，折射率为1.49，紫外透过率为73.5%)作为光导；选择了EMI公司生产的型号为9813B光电倍增管，其峰值半宽度FWHM (Full Width at Half Maximum)响应时间≤1ns，采用端窗蓝绿灵敏、双碱光阴极、线性聚焦设计，具有14级打拿极的快速、宽光谱响应。

研制出的γ灵敏铅玻璃切伦科夫光纤阵列探测器如图1所示，辐射体由约2000根ø1mm×100mm铅玻璃光纤排列为2cm×8cm截面的阵列，光纤之间的空隙用光学胶填充，前端面打毛涂黑以降低反射，整体用2mm厚铝壳封装，外层用黑色遮光材料包裹，光纤阵列后端面抛光，由PMMA光导部分转接、耦合到快速响应光电倍增管光阴极。阵列和光导之间的光耦合使用光学耦合剂以增加对光的收集和传输效率。光电倍增管外壁上使用了高压绝缘材料套筒，最外面用纯铁加工套筒屏蔽，减少地磁场对光电倍增管的影响。

图1 切伦科夫光纤阵列探测器结构示意图Fig.1 Structure schematic of the detector of Cherenkov plumbic-glass fiber matrix.

1.3 模拟计算γ/n分辨率

用MCNP计算得到的中子和γ在光纤阵列中的能量沉积结果如图2所示。在γ光子能量较低的范围内，光纤阵列中的沉积随着能量的增加而迅速减少，这是由于在γ光子能量较小的时候，起主要作用的是光电效应，而光电效应的截面是随着γ光子的能量增加而成指数减小的；当γ光子的能量增加到一定程度时，康普顿效应越来越明显，沉积能量减小的趋势变得缓慢；当γ光子的能量更高时，电子对效应越来越显著，其截面和随着γ光子能量而增加，所以沉积的能量增加。一个14.1MeV中子在光纤阵列中沉积的能量是一个1.25MeVγ沉积能量的2.1倍。

中子与光纤芯部铅玻璃物质原子核的非弹性散射截面很小，根据光纤材料中各成份比计算，只占反应总截面的5%左右，这样中子在光纤阵列中沉积的能量只有约5%能够产生切伦科夫光子，而来源于中子反应的电子激发出的切伦科夫光子在4π空间内又是均匀分布的，受光纤数值孔径限制，被光纤接收并传输到光导的只占总数的8%左右。γ射线产生的切伦科夫光具有较好的方向性，通过调整光纤阵列与准直初始γ射线方向间的角度，最多（45°左右）可以有约40%的切伦科夫光子被光纤接收并传输。这样，由计算数据可以推得光纤阵列探测器对1.25MeVγ和14.1MeV中子的分辨率D=(1×40%)/(2.1×5%×8%)≈48倍。

图2 中子和γ沉积能量相对值Fig.2 Relative value of the energy deposition to neutron and gamma.

2 灵敏度刻度实验

2.1 14.1MeV中子灵敏度

探测器的14.1MeV中子灵敏度实验是在中国原子能科学研究院核数据国家重点实验室的Ka400高压倍加器上进行的。实验中，探测器放置在一个由铁、聚四氟乙烯和铅组成的屏蔽性能良好的复合屏蔽体中，由氚靶打出的中子通过准直器孔道准直后照射到探测器的光纤阵列上，光纤阵列轴向与准直器孔道成45°角，使用STANFORD PS350数字高压电源为探测器供电，光电倍增管输出电流由低噪声信号电缆传送至测量间，并由KEITHLY6517A小信号电流计测量记录，在25°方向上用伴随粒子半导体靶室测量中子的通量率。由于半导体靶室计数率较低，以及D粒子束流强度的不稳定引起的中子源强涨落，对于中子计数进行了较长时间的测量记录（约300s），同时也对探测器的信号电流记录了多个数据（20个），取其平均值作为实际测量信号电流值，以减少探测器中子灵敏度实验的不确定度。

根据公式Sn=Id/Ψd可计算得到探测器的中子灵敏度。式中，Sn是中子灵敏度，A⋅MeV-1·cm2⋅s；Id是探测器的信号电流，A；Ψd是测点处的中子能注量率，MeV⋅cm-2⋅s-1。实验数据如表1所示，探测器的中子灵敏度随着光电倍增的高压而提高。

表1 探测器中子灵敏度实验数据Table 1 Neutron sensitivity experimental data.

2.2 1.25MeVγ灵敏度

探测器的1.25MeVγ灵敏度实验是在西北核技术研究所的钴(60Co)源上进行的。实验中，由60Co源发射出的经过准直后的γ与光纤阵列轴向所成角度分别为45°、30°和0°。根据公式Sγ=Id/Ψd可计算得到探测器的γ灵敏度。式中，Sγ是伽玛灵敏度，A⋅MeV-1·cm2⋅s。实验数据如表2所示，探测器的γ灵敏度随着高压而提高，同时入射γ与光纤阵列轴向所成角度不同，灵敏度也有变化。

表2 钴(60Co)源γ灵敏度实验数据Table 2 Cobalt (60Co) gamma sensitivity experiment data.

2.3 γ/n分辨

在对γ和中子实验刻度灵敏度数据进行归一化处理后，得到探测器与入射粒子成不同角度时的γ/n分辨率（PMT所加高压为1900V），如表3所示。光纤探测器相对入射准直γ射线束的夹角为45°时，灵敏度刻度实验得到γ/n分辨为42.3倍。

表3 光纤阵列探测器γ/中子分辨（相对单位）Table 3 Gamma/neutron discrimination of the optical fiber array detector (relative unit).

γ/n分辨实验值和模拟计算值存在一定的差异，这主要是由于在用MCNP模拟计算时，没有考虑二次散射对灵敏度的贡献；在实验中，源强监测的统计偏差、散射屏蔽效果及准直效果不理想等对灵敏度实验刻度数据造成了影响；另外，由于灵敏度刻度是在直流条件下完成的，中子灵敏度刻度实验中的活化放出的γ（包括俘获γ）的贡献也对实验数据有影响，这会使γ/n分辨降低。

3 结语

γ灵敏切伦科夫光纤阵列探测器的γ/n分辨，对于14.1MeV中子和1.25MeV伽玛射线，经灵敏度刻度实验验证表明其优于42.3倍，即在脉冲中子、

γ混合辐射场中进行γ参数测量时，若中子、γ强度相等，该探测器所输出的切伦科夫光信号中的中子贡献将可被抑制在2%左右，达到了在脉冲中子、γ

混合场中进行γ射线参数测量对分辨能力的要求。研究成果为脉冲辐射场射线参数测量提供了一种更好的探测器系统选择，可进一步完善脉冲辐射场参数测试技术。

致谢感谢西安交通大学胡华四教授对探测器研制和实验的指导。

1 刘庆兆. 脉冲辐射场诊断技术[M]. 北京: 科学出版社, 1994 LIU Qingzhao. Pulsed radiation field diagnosis technology[M]. Beijing: Science Press, 1994

2 安继刚. 电离辐射探测器[M]. 北京: 原子能出版社, 1995 AN Jigang. Detectors of ionizing radiation[M]. Beijing: Atomic Energy Press, 1995

3 段绍节. 实验核物理测量中的粒子分辨[M]. 北京: 国防工业出版社, 1999 DUAN Shaojie. Experimental nuclear physics measurements of particle identification[M]. Beijing: National Defence Industry Press, 1999

4 Cub J, Stengel G. A large-area scintillating fibre detector for relativistic heavy ions[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 1998, A402: 67-74

5 Bahr J, Nahnhauer R. A fiber detector radiation hardness test, DESY Zeuthen, 15738, Zeuthen, Germany[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 2000, A449: 260-267

6 胡华四, 蒲明辉, 宋朝晖, 等. 高剂量率脉冲X射线束时间谱探测系统及其应用[C]. 陕西省核学会2002年学术交流会论文集, 2002 HU Huasi, PU Minghui, SONG Zhaohui, et al. High dose rate pulsed X-ray spectrum detecting system and its application[C]. Shanxi Nuclear Society 2002 Academic Exchange Conference, 2002

CLCTL822

Experimental study of γ/n discrimination of Cherenkov fiber matrix detector sensitive to
gamma ray

ZHENG Xiaohai1BAO Jie1HOU Long1CAO Jinyun2ZHANG Zichuan2
1(Science and Technology on Nuclear Data Laboratory, China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413, China)
2(Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi'an 710024, China)

Background:To measure gamma ray in pulsed radiant hybrid field of gamma ray and neutron, the detector system is required to have a very fast time response, and a good γ/n discrimination.PurposeThe aim is to do experimental study on the detector of Cherenkov plumbic-glass fiber matrix sensitive to gamma ray.Methods:Based on the Cherenkov radiant theory, simulation calculation of energy deposition of the gamma, neutron in fiber arrays materials was done by using MCNP. According to the calculation data, plumbic-glass was selected as Cherenkov scintillated optical fiber, combining with the material of gathering and transmitting scintillated light, the photomultiplier (PMT), we designed detector of Cherenkov plumbic-glass fiber matrix sensitive to gamma ray. And then the 14.1-MeV neutron sensitivity experiments are performed on the Cockcroft-Walton generator in China Institute of Atomic Energy, the 1.25-MeV gamma sensitivity experiments on60Co source in Northwest Institute of Nuclear Technology.ResultsThe experimental γ/n discrimination is about 42.3 at incident angle of 45°, which is accord basically with the result of simulation calculation.ConclusionThe detector system has high γ/n discrimination, which can fulfill the requirements for gamma ray measurement in pulsed radiation hybrid field.

Cherenkov, Fiber matrix detector, Sensitivity, Pulsed radiant hybrid field of gamma ray and neutron

TL822

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.110402

郑小海，男，1974年出生，2005年于西北核技术研究所获硕士学位，现为博士研究生，原子核物理及粒子物理专业

鲍杰，E-mail: jie_bao_99@yahoo.com

2014-04-09，

2014-05-08