闪烁体光纤中子探测技术应用研究

万 波 熊帮平 黎 刚 李 昆 夏 源

（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610041）

0 引言

中子技术在核医学、核电站、材料研究、航空航天、辐射防护等领域均有广泛应用，而中子探测是实现中子技术应用的基础。 随着中子技术应用的发展，对中子的探测也提出了一些新的需求，例如：高能物理研究中需要掌握中子的入射方向、能量等信息，中子照相[1]技术需要针对研究对象的类型、 中子源能量设计位置分辨率高、时间响应快的中子成像装置，反应堆中子学物理实验研究过程中需要在堆芯内部、燃料空隙间布置中子探测器实现堆芯中子通量分布的实时测量。 传统的3He/BF3 正比计数管、 裂变电离室等中子探测器由于体积大、难以测量中子能量等原因不能满足以上要求。 近年来， 由于光纤技术的发展兴起一种新的中子探测技术，即将中子信号转换为闪烁光信号进行处理[2]。由于光纤直径小，可以插入堆芯燃料棒的空隙当中实现中子在线测量， 用于中子成像装置也具有较高的空间分辨率，此外，将中子转换为光信号在光纤内传输，抗外界环境干扰能力强，可实现中子远距离探测。 上述优点使得闪烁光纤中子探测技术具有巨大的应用潜力。

用于闪烁光纤中子探测技术的光纤主要有三种类型：普通光学光纤、塑料闪烁光纤和波移光纤。普通光学光纤构成的中子探测器结构如图1（a）所示，探头由闪烁体材料和中子转换材料组成，中子进入探头发生核反应生成带电粒子引起闪烁材料发光，闪烁光经普通光纤传输到光电倍增管转换为电信号从而实现中子探测。波移光纤构成的中子探测器结构与普通光纤相同，如图1（b）所示，差别在于闪烁光子进入波移光纤之后被光纤材料分子吸收引起二次发光，波长发生改变，其中部分二次发光光子满足全反射条件在光纤内继续传输。塑料闪烁光纤中子探测器主要用于快中子测量，结构如图1（c）所示，入射中子与光纤内的C、H 原子核发生散射生成反冲核，反冲核激发塑料闪烁光纤发光从而实现中子的探测。 目前，闪烁光纤中子探测技术主要应用于两个方面，一种是针对传统中子探测器不适用、狭小空间内的中子测量场合，另一个应用作为中子照相技术的成像装置。

图1 几种典型的光纤

1 中子探测

将中子转换材料和闪烁发光物质混合构成中子探头，再与光纤耦合构成的闪烁体光纤中子探测器在反应堆中子学物理特性研究领域具有广泛的应用。 目前研究较多的闪烁体光纤中子探测技术采用的中子转换材料为热中子截面较大的含6Li 的化合物， 发光材料为ZnS（Ag）或者有机闪烁体等，传输光纤为普通光学光纤或波移光纤。 试验测试表明，该中子探测器对于γ 射线和中子射线的脉冲幅度谱区别明显，可以通过设置脉冲幅度阈值的方式从输出信号中扣除γ射线的干扰，确保中子探测的准确性。 由于探测器的尺寸较小，可以将其布置在反应堆燃料棒间隙内实现堆芯中子的实时探测，实验研究结果表明该方法测量的堆芯中子通量密度分布情况与中子活化法的测量结果符合很好，但相对于活化法测量耗时较长（至少几个小时）的问题，闪烁体光纤中子探测器只需要十几分钟就能完成整个测量过程。 此外，选用不同的中子转换材料（每种材料具有不同的中子反应阈值）构成的闪烁体探头还能实现中子能谱的测量。

前面介绍的闪烁体光纤中子探测技术主要针对热中子的测量，对于快中子的测量国内外也有较多的研究报道。 快中子的探测通过闪烁光纤实现，研究人员[1，2]对闪烁光纤的快中子辐照特性进行了研究，利用蒙特卡洛工具GEANT4 对单根闪烁光纤建模，模拟计算光纤长度、半径以及入射中子能量等与闪烁光纤中的能量沉积效率（中子探测效率）之间的关系，研究了高能中子辐照下闪烁光纤内部的质子分布特性。模拟计算结果表明，对于低能快中子（＜500 keV），闪烁光纤的长度为6 cm 时光纤中的能量沉积效率即达到饱和，能量沉积率约为45%；对于14 MeV 高能中子，光纤长度为20 cm 时的能量沉积效率为17.5%，且未达到饱和；闪烁光纤半径大于0.05 cm 时能量沉积效率变化较大，当半径小于0.05 cm 时光子会从光纤侧面散射出去而对邻近的光纤产生干扰，因此在选用半径小于0.05 cm 的闪烁光纤组成光纤阵列时必须考虑光纤之间的串扰问题。 此外，在相同闪烁光纤几何尺寸条件下，入射中子能量小于2 MeV 时能量沉积效率基本没有较大变化；当中子能量大于2 MeV 时，随着入射中子能量增加，虽然产生的质子的最高能量逐渐变大，但总的反冲质子数却在减少，导致能量沉积效率随入射中子能量升高而下降。将闪烁光纤用于快中子成像技术，即要考虑成像的快速性和成像空间分辨率，又要根据所检测对象的实际情况选定特定能量的中子，本项研究成果对于快中子成像技术实际应用过程中的光纤参数选取、抗串扰装置设计以及入射中子源设定提供了理论依据和指导意义。图2 展示了一种用于核物理试验或空间中子射线探测的闪烁光纤快中子探测器，由多层纵横十字交叉排列的光纤阵列构成，通过探测反冲质子的径迹方向、长度以及闪烁光的强度可以推导入射中子的方向、能量等信息。 研究表明该类型的探测器实现15～100 MeV 中子能量和入射方向的测量，并用于空间站的中子射线探测。

图2 闪烁光纤快中子径迹探测器

2 中子成像

对于中子成像装置，要求闪烁光纤能够抵抗γ 射线的干扰，具有快的响应时间，从而确保成像的空间分辨率。研究人员采用蒙特卡洛方法研究闪烁光纤对不同能量的中子射线和γ 射线的相对灵敏度，并测量了几个能量点的中子/γ 灵敏度[3]。 研究结果表明实验测量的闪烁光纤探测器的中子/γ 能量响应曲线与模拟计算值符合较好，探测器对2.5 MeV 的中子和1.25 MeV的γ 射线的灵敏度比值为5.3，区别明显，因此可以方便地从闪烁光纤的输出信号中扣除γ 射线的影响。 文献[8]对闪烁光纤的发光时间特性进行了研究，采用单光子相关时间法测量了直径为0.1 cm 的光纤的发光时间。通过研究发现闪烁光纤对于单光子激发的闪烁发光由快、慢两种成分构成，快慢成分的比约为0.3， 其中， 快成分的上升时间和衰减时间分别为～1 ns 和～3ns，慢成分的衰减时间约15 ns。 由此可见闪烁光纤具有快的时间响应特性， 以及良好的中子/γ 甄别性能， 将其用于中子测量时时间分辨率高、抗γ 射线干扰能力强。

热中子成像屏由闪烁材料和波移光纤构成，结构如图3 所示，两层波移光纤交错排列位于两块闪烁屏的中间，闪烁屏材料为6LiF/ZnS（Ag），热中子首先与闪烁屏内的6Li 发生反应生成带电粒子， 再激发ZnS（Ag）发光，闪烁光进入波移光纤传输到光电倍增管收集处理，从而实现中子射线的探测。 该型成像屏的热中子探测器效率最， 且γ 抑制能力很强，γ 灵敏度小于10-5。 因此，信号处理过程中可以通过设置电子学线路的阈值实现中子/γ 甄别。中子成像空间位置分辨率随着波移光纤的间距以及光纤阵列与闪烁屏之间的距离的减小；此外，位置分辨率还与光纤阵列和闪烁屏之间填充的耦合材料有关，使用硅油作为耦合材料，增加了波移光纤俘获的闪烁光子数量，但由于波移光纤和硅油的折射率相当，导致闪烁光的临界角减小反而减弱了传输到光电倍增管的光子数。 因此，闪烁屏与光纤阵列之间采用空气耦合制成的成像屏的空间位置分辨率要好于硅油耦合的情况。

图3 热中子成像屏结构示意图

快中子成像屏主要有两种结构。 一种结构如图4所示，闪烁光纤平行布置构成光纤阵列，快中子从光纤端面入射，与光纤原子核碰撞生产带电粒子激发闪烁发光实现中子探测。这一类型的快中子成像装置进行了详细设计和实验研究，重点分析了中子源、屏蔽系统、光纤阵列装配工艺、光导材料等各种因素对中子成像分辨率的影响。实验研究结果表明以闪烁光纤作为中子辐射转换体的快中子成像装置抗γ 干扰能力强，结合相应的准直、屏蔽设计可以获得较好的图像质量。

图4 闪烁光纤阵列快中子成像屏

另一种高灵敏度快中子成像屏结构设计，将波移光纤布置在快中子转换屏内，结构如图5 所示。 中子转化屏由富含H 原子的材料与闪烁发光物质混压构成，快中子进入转换屏产生闪烁光，闪烁光经转换屏内的波移光纤导出实现中子的探测。由于波移光纤位于转换屏内部，可以及时将转换屏发出的闪烁光传输到光电倍增管， 减少了转换屏对闪烁光的自吸收，因此可以提高转换屏的厚度，最终实现快中子探测效率的提升。研究人员深入分析了转换屏内的光纤排列形状、光纤直径、间距、反射层等因素对于快中子成像效果的影响。

图5 高灵敏度快中子成像屏

3 结语

综上所述，闪烁体+光纤的中子探测器尺寸较小、中子/γ 甄别性能好、抗环境干扰能力强、具有较高的空间位置分辨率，且能够实现热中子～快中子的探测。这些优势使得闪烁体光纤中子探测器在反应堆堆芯中子通量测量、高能物理实验、中子照相等领域均有实际应用， 随着该新型中子探测技术的继续发展，其在中子探测领域的应用将更加广泛。