EJ301液体闪烁体探测器的波形甄别和能量刻度

常 乐 刘应都 杜 龙 王玉廷 曹喜光 张国强王宏伟,4 马春旺 张 松 钟 晨 李 琛

EJ301液体闪烁体探测器的波形甄别和能量刻度

常 乐1,2刘应都1,3杜 龙1,3王玉廷1,3曹喜光1,4张国强1,4王宏伟1,3,4马春旺2张 松1,4钟 晨1,4李 琛1,4

1（中国科学院上海应用物理研究所 嘉定园区 上海 201800）
2（河南师范大学物理与电子工程学院 新乡 453007）
3（中国科学院大学 北京 100049）
4（中国科学院核辐射与核能技术重点实验室 上海 201800）

EJ301有机液体闪烁体探测器具有较好的时间特性、脉冲形状甄别能力和中子探测效率。使用CAEN公司的DT5720波形数字采样器和DPP-PSD (Digital Pulse Processing-Pulse Shape Discrimination)控制软件，可以通过软件设置实现长、短门和脉冲形状甄别。利用241Am源(0.059 5MeV)、137Cs-60Co (0.662MeV、1.171MeV、1.333 MeV)源和40K源(1.461MeV)等的康普顿峰，对EJ301探测器进行了电子等效能量刻度、脉冲形状甄别分析、FOM (Figure of Merit)值计算等。研究表明，DT5720波形数字采样器和DPP-PSD控制软件功能完善、简单易用；EJ301探测器中子测量效率高，具有较强的中子/伽马脉冲形状甄别能力，适合快中子的能谱和飞行时间测量。

闪烁体探测器，康普顿散射，伽马源，能量刻度

钍基熔盐堆(Thorium-based Molten Salt Reactor, TMSR)核能系统是第四代反应堆六种候选堆型之一，在钍基熔盐堆中钍和铀都是核燃料，但232Th不能直接使用，需要通过核反应将其转换成233U再使用，所以称为钍铀核燃料循环。TMSR的研究涉及到大量的、不同于铀-钚循环的钍-铀循环链核素，以及高温状态下的熔盐材料、包壳材料、控制棒材料、反应堆毒素/产物等。它们中很多核素的中子截面还不完备，或者精确度较低，例如，232Th的俘获截面精度在20%–30%，对于TMSR的堆芯设计和安全评估影响甚大，232Pa的截面数据较少，评价数据分歧显著等，因此需要高精度的中子截面测量和数据评价。宽能量范围的中子源是开展中子截面测量的基础。对于中子能谱的测量，最常用和最有效率的是反冲质子法和飞行时间法。液体闪烁体具有良好的n-γ甄别性能和快的时间响应，被广泛地用于中子能谱的测量中。

目前，国内国际上对于液体闪烁体探测器的性能研究，特别是对液体闪烁体探测器n-γ甄别的研究持续不断，尤其是快速波形数据采样器及新型液体闪烁体材料的开发，使得具有脉冲形状甄别功能的软、硬件技术快速发展。例如，BC501A液体闪烁体探测器对不同能量范围的中子的n-γ甄别能力的实验分析[1−2]、EJ301有机液体闪烁体相关性质的Monte Carlo模拟研究[3]、EJ301和EJ309闪烁体性能对比研究[4]、EJ309液体闪烁体探测器的Capture-Gated性能研究[5]等。在闪烁体性能研究过程中，无论是模拟计算还是实验测量，探测器的能量刻度和n-γ甄别都是不可或缺的一步。在能量刻度中，有机液体闪烁体对电子的光输出响应是线性的[6–9]，因此常用等效电子能量作为能量标度单位，再根据光输出响应曲线转换得到等效的中子能量。液体闪烁体实际上测量到的是γ射线的康普顿边缘，由于探测器分辨率的影响导致边缘展宽，形成了康普顿峰。

本文主要研究CAEN的DT5720数字波形采样器(Waveform Digitizer)及其DPP-PSD (Digital Pulse Processing-Pulse Shape Discrimination)控制软件的使用，利用标准伽马源对EJ301液体闪烁体探测器进行能量刻度及脉冲形状甄别性能的实验测量和分析等。

1 EJ301、波形数字采样器及DPP-PSD控制软件

EJ301为美国Eljen公司[10]生产的液体闪烁体探测器（其性能等价于BC501A、NE213，已经被广泛地研究和分析过），具有较好的时间分辨率、脉冲形状甄别能力和较高的中子探测效率。EJ301光输出为蒽晶体的78%，最大发射波长为425nm，氢与碳的原子比例为1.212:1，快信号衰减时间为3.2ns，慢信号衰减时间为32.3ns和270ns。DT5720是意大利CAEN公司生产的4通道12bit，采样率为250MS·s−1的桌面型数字波形采样器[11]，输入信号峰值动态范围为2.5V，可以直接接收来自于光电倍增管的脉冲信号，节省了前置放大器、主放大器、恒分甄别器和QDC (Charge-Integrating Analog-to-Digital Converter)等大量的电子学插件。DPP-PSD为CAEN开发的用于x720、x751系列数字波形采样器的固件程序和控制软件，实现软件设置记录长度、波形倒相、触发阈值调节、外部触发及自触发模式、长短门设置、脉冲形状甄别等功能；具有Histogram和Oscilloscope显示；可以根据探测器波形设定积分长短门(Qlong、Qshort)、脉冲形状甄别(Pulse Shape Discrimination, PSD)值等；输出信号有波形谱、能量谱、时间谱和PSD谱，可以通过USB端口和Optical link-PCI卡连接到上位机进行数据获取和记录。采用数字化波形采样器可避免使用复杂的脉冲形状甄别电子学线路，对于少量的探测器数据获取来说，具有线路简单和获取便捷的特点。在我们的实验研究中主要用到的仪器设备有：EJ301液体闪烁体探测器（直径7.62 cm ，厚度7.62 cm），高压电源CAEN N1470，DT5720数字波形采样器(Waveform Digitizer)，伽马源。实验测量电子学线路和波形采样原理见图1。

图1 实验中使用的电子学连接图和波形采样原理图[12]Fig.1 Electronics connection diagram and waveform sampling principle diagram used in the experiment[12].

波形数字化采样器DT5720及其DPP-PSD固件可以在线显示脉冲的波形、能量谱、PSD二维谱等，还可以通过对信号设置长门、短门和阈值等参数(图1)，对获取到的积分数据计算直接给出PSD值，在线显示Qlong-PSD散点图，PSD的定义[12−13]：

一般选取完整脉冲信号的长度为长门的积分时间，选取信号波形的前沿设定为短门的信号积分时间，如图2所示。图2中短门为120ns，长门为600ns，波形为EJ301的PMT阳极信号。积分得到脉冲波形的面积Qlong和Qshort，然后根据式(1)计算得到PSD值（或者用其它计算方式得到类似的二维谱图）。从Qlong-PSD图中可以清晰地分辨出n-γ（图3(d)所示），而从其能谱图中(图3(b)所示)则很难直观地分辨n和γ。

图2 实验测量的脉冲波形及长、短门设置Fig.2 Experimental measurement of pulse waveform and the settings of long and short gates.

图3 DPP-PSD积分能量谱及PSD谱图 (a) 40K能谱，(b) 252Cf能谱，(c) 40K PSD谱，(d) 252Cf PSD谱Fig.3 DPP-PSD integral energy and PSD spectrum. (a) 40K histogram, (b) 252Cf histogram, (c) 40K PSD, (d) 252Cf PSD

2 康普顿峰和能量刻度

由于组成有机闪烁体的元素主要为碳和氢，原子量低，因而发生光电效应的概率很低。当伽马射线进入闪烁体中，主要发生康普顿散射和电子对效应，所发生相互作用主要是单个或多个康普顿散射，部分入射伽马射线的能量沉积，形成康普顿边缘[14]。而中子则主要通过和氢原子、碳原子的弹性散射损失能量，因此两个不同的过程产生的脉冲形状不同，这就是PSD的原理。由于产生的电子能谱在0.04MeV≤Ee≤1.6MeV是线性的[15]，可以使用由伽马射线所产生的康普顿峰进行能量刻度。根据式(2)可计算出康普顿电子的最大能量[14]，即康普顿边(Campton Edge)的能量Eemax：

式中，Eγ是伽马射线能量；m0c2是电子静止质量，=0.511MeV 。

在闪烁体中，由于多次发生康普顿散射，电子散射产生锐截止陡直的康普顿边由于探测器的分辨原因形成康普顿峰，由式(3)可计算出康普顿边的道数位置为[16]：

式中，nc是康普顿边对应道数值；np是康普顿峰值对应道数；σ是康普顿峰的标准偏差。其中np和σ由康普顿峰的高斯拟合中得到。

对EJ301液体闪烁探测器进行能量刻度所使用的伽马射线分别来自于241Am源，能量为59.5keV；137Cs-60Co源，其中137Cs释放的伽马射线的能量为662keV，60Co释放的伽马射线的能量为1.173MeV和1.333MeV；以及40K源，能量为1.461MeV。图4是测量不同源得到的能谱图及能量刻度，表1为测量得到的实验数据的处理结果。

图4 不同伽马放射源的康普顿峰能谱图(a)及能量刻度拟合曲线(b)Fig.4 Energy spectrum of Compton peaks by different gamma sources (a) and the fitting of energy calibration spectrum (b).

根据表1中数据对EJ301液体闪烁探测器进行能量刻度[2−3]，由于EJ301对60Co源的两个1.17MeV和1.33MeV能量的康普顿峰分辨较差，峰位不容易确定，因此线性拟合中只选择了241Am、137Cs和40K的单能峰实验数据进行了能量刻度拟合，结果见图4(b)，图中60Co源的两个1.17MeV和1.33MeV能量峰位拟合点是采用反向插值推算出来的。

表1 康普顿峰及康普顿边缘计算结果Table 1 Calculation results of Compton peaks and Compton edges.

经过能量刻度以后，可以对EJ301测量的能谱和PSD值进行定量的分析计算。

图5中的竖线（从右至左）分别对应两倍137Cs源能量(954keVee)、137Cs源能量(477keVee)、1/2137Cs源能量(239keVee)、1/4137Cs源能量(119keVee)和1/8137Cs源能量(60keVee)。从图5可以明显看到两块PSD分布区域，其中PSD值较大的是中子峰，PSD值较小的是伽马峰。从两块区域的分离程度可以直观地判断探测器n-γ甄别能力的大小。甄别能力的定量分析可通过计算FOM (Figure of Merit)值[2,17]来进行判定和比较，FOM值越大，探测器的分辨能力越强。对PSD谱进行能量刻度后，就可以进行不同能量值的能量截断，从而计算出不同能量值处的FOM值。

图5 刻度后的EJ301的脉冲等效能量-PSD谱(252Cf源)Fig.5 EJ301 pulse equivalent energy - PSD distribution after energy calibration (252Cf source).

图6 是将PSD谱中曲线向y轴投影而得出的，通过对图6中两个峰进行拟合、计算，可以得到两峰间距和各自的半高全宽，由式(4)可计算出EJ301有机液体闪烁体探测器的FOM值[2]：

式中，S为两峰间距离；FWHMn为中子峰的半高全宽；FWHMγ为γ峰的半高全宽。由所有事件投影值计算得出FOM值为0.85。相近能量范围下BC501A、NE213和本次实验中所使用的EJ301的FOM值的对比见表2。

图6 252Cf源的FOM值拟合和计算结果Fig.6 Fitting and calculation of FOM value by 252Cf source.

表2 相近能量范围下不同探测器的FOM值Table 2 FOM values of different detectors in the same energy range.

从表2中可以看出，在选取相近的能量范围进行能量截断计算FOM值时，EJ301的FOM值远大于BC501，接近NE213[1,2,18]。因此可以看出，EJ301有机液体闪烁体探测器具有较强的n-γ鉴别能力，在性能上和BC501A和NE213类似。

3 结语

本文研究和使用了CAEN DT5720波形数字化采样器，节省了前置放大器、主放大器、甄别器、QDC等常规脉冲形状甄别所需的复杂电子学插件。对于少量的探测器数据获取实验来说，具有线路简单、获取便捷的特点。通过使用标准伽马源241Am、Co-Cs、40K和裂变中子源252Cf，对EJ301有机液体闪烁体探测器进行了电子等效能量刻度和n-γ鉴别能力分析；利用DT5720波形数字化采样器输出能谱和PSD谱数据，拟合得到了EJ301有机液体闪烁体探测器的道数与能量的对应关系，成功地对EJ301有机液体闪烁体探测器进行了能量刻度；通过测量252Cf裂变中子源，拟合计算出EJ301有机液体闪烁体探测器的总FOM值为0.85，说明EJ301有机液体闪烁体探测器具有较强的n-γ鉴别能力。

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CLC TL812+.1

Pulse shape discrimination and energy calibration of EJ301 liquid scintillation detector

CHANG Le1,2LIU Yingdu1,3DU Long1,3WANG Yuting1,3CAO Xiguang1,4ZHANG Guoqiang1,4WANG Hongwei1,3,4MA Chunwang2ZHANG Song1,4ZHONG Chen1,4LI Chen1,4
1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)
2(Institute of Particle Physics and Nuclear Physics, Henan Normal University, Xinxiang 453007, China)
3(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
4(Key Laboratory of Nuclear Radiation and Nuclear Energy Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China)

Background: EJ301 liquid scintillation detector has good time characteristics, pulse shape discrimination ability and the neutron detection efficiency. Purpose: This study aims to achieve the energy calibration, the pulse shape discrimination (PSD) ability etc. of EJ301 organic liquid scintillation detector. Methods: The waveform digital sampler DT5720 and digital pulse processing-pulse shape discrimination (DPP-PSD) control software were employed to simplify the data acquisition system. The pulse shape discrimination parameters such as the widths of long and short gates could be set up by software. The Compton peaks of241Am (0.0595MeV),137Cs-60Co (0.662 MeV, 1.171MeV, 0.662 MeV) and40K (1.461 MeV) sources were used to obtain experimental data for pulse shape discrimination and the energy calibration of EJ301. Results: Experimental results show EJ301 detector has high efficiency, strong neutron/gamma-PSD ability. Conclusion: DT5720 and DPP-PSD control software have powerful function and are easy to use for both the PSD and energy calibration of EJ301. EJ301 organic liquid scintillation detector can be used for neutron measurement, and is suitable for measuring fast neutron energy spectrum and time of flight.

Scintillation detector, Compton scattering, Gamma sources, Energy calibration

TL812+.1

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.020501

中国科学院战略性先导科技专项资助项目(No.XDA02010100)、973 项目(No.2013CB834405、No.2010CB833005)、国家自然科学基金

(No.11075195）、国家自然科学基金青年项目(No.11305239)、上海市粒子物理与宇宙学重点实验室开放基金课题(No.11DZ2260700)和中国博士后科学基金项目(No.2012M520958)资助

常乐，男，1990年出生，2012年毕业于河南师范大学，现为中国科学院上海应用物理研究所联合培养硕士研究生

王宏伟，E-mail: wanghongwei@sinap.ac.cn

2014-06-09，

2014-07-18