塑料闪烁体探测器中子/伽马甄别能力研究

秦 茜 李 玮 焦听雨 李晓博 肖凯歌 李世垚 刘毅娜 王志强 刘蕴韬

(中国原子能科学研究院，计量与校准技术重点实验室，北京 102413)

1 引 言

中子能谱的测量非常重要，它是中子探测学的重要组成部分，在生活及许多辐射研究中发挥着关键作用[1]。由于中子源本身存在γ本底，中子与其它材料发生反应也会产生γ射线，因此中子辐射场往往是一个存在中子伽马的混合辐射场，又因为塑料闪烁体探测器对中子和γ射线都很灵敏，所以必须进行n/γ甄别才能实现中子探测。

目前，国内外学者对闪烁体探测器n/γ甄别能力及甄别方法的研究持续不断。传统的n/γ甄别方法主要有上升时间法、电荷比较法、脉冲梯度法和过零定时法[2]，近年来，随着DSP(数字信号处理器)、高速ADC(模数转换器)和FPGA(现场可编程门阵列)的高速发展，n/γ甄别方法正朝着数字化的方向发展。此外，国内外学者提出了神经网络法[3]、脉冲梯度法[4]、小波变换法[5]和相关法[6]等基于数字技术的甄别方法，并研制了相关集成电子学仪器，大大提高了n/γ甄别能力[7]。

选择研究的塑料闪烁体探测器型号为EJ276，闪烁体尺寸为直径2英寸，长2英寸，光电倍增管型号为R7724，直径为2英寸，推荐电压为-1200V。EJ276是基于EJ-299-33A塑料闪烁体新推出的改进版本。EJ-299-33A是由美国ELJEN公司于2013年推出的一款新型塑料闪烁体，它具有n/γ甄别能力。在2017年，ELJEN公司推出EJ276塑料闪烁体，与EJ-299-33A相比，EJ276各方面特性都更好，包括n/γ甄别能力更好[8]。目前，国内外学者针对EJ-299-33A塑料闪烁体探测器及液闪做过许多n/γ甄别实验。例如：利用长短积分时间窗的方法对塑料闪烁体探测器n/γ甄别能力的研究。用到的标准源分别有137Cs、54Mn、22Na和Pu-Be源，并计算得出不同长短门设置下对Pu-Be源进行n/γ甄别的FOM[9]。目前，国内还缺少针对EJ276塑料闪烁体探测器性能的研究，本文利用线性延迟法和长短积分时间窗的方法分别对EJ276塑料闪烁体探测器n/γ甄别能力进行研究，验证上述EJ276比EJ-299-33A n/γ甄别能力更好观点的可靠性，同时，为后续基于EJ276塑料闪烁体探测器n/γ甄别性能研究及比较相关闪烁体探测器n/γ甄别效果的研究提供参考。

2 塑料闪烁体探测器

2.1 塑料闪烁体探测器探测原理

塑料闪烁体探测器主要包括塑料闪烁体、光导、光电倍增管、射极跟随器和相应电子学仪器五个重要组成部分。塑料闪烁体探测器组成及工作原理如图1所示[8]。通常将塑料闪烁体、光导、光电倍增管和射极跟随器都安装在同一暗盒中，组成塑料闪烁体探测器的探头，高压电源为整个探头供电，多道脉冲幅度分析器主要用于采集中子和γ射线引起的脉冲信号并对信号进行处理等功能。

图1 塑料闪烁体探测器工作原理示意图

塑料闪烁体探测器的探测过程可以分为以下几个部分。

1)当射线入射到塑料闪烁体中，与之发生相互作用，中子或γ射线损失部分或全部能量，闪烁体吸收带电粒子的能量使原子、分子发生电离和激发；

2)受激原子、分子不稳定，会发生退激现象，退激时发射荧光光子；

3)在光导或反射层的作用下，荧光光子尽可能多地被收集到光电倍增管的光阴极上，由于光电效应，荧光光子在光阴极上击出光电子；

4)在光电倍增管中，光电子打在各倍增电极上进行电子倍增，倍增后的电子流在阳极负载上产生电压或电流脉冲的电信号；

5)从阳极负载上采集的电信号通过射极跟随器引出，然后使用多道脉冲幅度分析器进行信号的分析处理，从而实现n/γ甄别等功能。

2.2 塑料闪烁体探测器n/γ甄别原理

塑料闪烁体探测器具有较好的n/γ甄别能力，这是因为其闪烁体特性决定了闪烁体光输出成分有快成分、慢成分两种，分别约为3ns和270ns。辐射粒子类型决定快成分、慢成分有不同的占比，入射粒子越重，慢成分比例越高，入射粒子越轻，则快成分比例越高。因此，当光子入射时，快成分比例大；反之，当中子入射时，慢成分比例大，利用此特性就可以进行粒子的鉴别。典型的闪烁体探测器输出的中子、γ电流波形(已归一化)如图2所示，可以看出两种信号的差异主要体现在脉冲后沿。

图2 闪烁体探测器输出的中子、γ电流波形图(已归一化)

通常用FOM来衡量n/γ甄别效果[2,10]，FOM值越大，n/γ甄别性能越好，反之，FOM值越小，n/γ甄别性能越差。FOM值的表达式为

(1)

式中：S——n/γ甄别谱中中子峰和γ峰之间的距离；

FWHMγ——γ峰的半高宽；FWHMn——中子峰的半高宽。

上述参数可表示为如图3所示。

图3 n/γ甄别谱

3 实验过程及结果分析

3.1 线性延迟法

传统上升时间法是将不同带电粒子激发产生的电压脉冲上升时间的差异转化成脉冲幅度的差异来实现n/γ甄别。但由于其上升时间非常短，一般为ns量级，因此不易进行甄别。线性延迟法就可以弥补这点不足，它能将脉冲上升时间的差异转化成下降时间的差异，再利用时间-幅度转换器转换成脉冲幅度的不同来实现n/γ甄别，因为脉冲的下降时间比上升时间长，一般为μs量级，更容易进行n/γ甄别。

线性延迟法进行n/γ甄别的电子学框图如图4所示。该方法的工作原理和过程如下。

图4 线性延迟法进行n/γ甄别的电子学框图

1)前置放大器113连接闪烁体探测器打拿极的输出端，将累积电荷量转化成电压脉冲；

2)线性延迟放大器460将不同粒子产生的电压脉冲上升时间的不同反映在脉冲后沿上；

3)脉冲形状甄别器552在脉冲后沿分别设置两个定时甄别器，例如在脉冲高度为10%和90%或20%和80%时给出定时脉冲输出，两个定时脉冲输出之间的时间间隔就能反映下降时间的长短；

4)时间-幅度转换器567连接脉冲形状甄别器两个定时甄别器的输出端，将定时脉冲输出的时间间隔转变成幅度的差异；

5)最后通过多道脉冲幅度分析器将信号引出，对产生的脉冲进行分析，从而实现n/γ甄别。

利用上述线性延迟法对241Am-Be中子源进行n/γ甄别后的结果如图5所示，定时甄别器设置于脉冲高度20%和80%时给出定时脉冲输出，测量时间为700s，计算得出FOM约等于1.16。

图5 线性延迟法进行n/γ甄别的实验结果图

3.2 长短积分时间窗的方法

长短积分时间窗方法的工作原理是利用中子和γ引起的脉冲在不同时间段的积分电荷不同实现n/γ甄别。甄别过程如图6所示，分别设置长门和短门[11]，并对长门和短门的信号进行积分得出Qlong和Qshort，通过式(2)即可计算求得PSD值[12]。由于中子信号和γ信号脉冲后沿的差异，算得的PSD值不同，CEAN DT5790配套软件可在线显示Qlong-PSD散点图，即可实现n/γ甄别。

图6 长门与短门的设置图

(2)

利用上述长短积分时间窗的方法对241Am-Be中子源进行n/γ甄别的电子学框图如图7所示。

图7 长短积分时间窗的方法进行n/γ甄别的电子学框图

通过反复调整长短门门宽，来获得最佳的n/γ甄别效果。不同长短门设置下得到的FOM见表1，可以看出，第4组实验的FOM最佳，此时，积分时间窗的长门为400ns，短门为60ns，其甄别结果如图8和图9所示。

表1 不同长短门设置下得到的FOMTab.1 Figure of merit obtained under different length gate settings序号测量时间/s长门/ns短门/nsFOM11200300681.1421200400681.0931200400641.2441200400601.2951200400481.13

图8 长门宽为400ns，短门宽为60ns时的甄别结果图

图9 长门宽为400ns，短门宽为60ns时进行甄别得出的PSD散点图

3.3 两种方法的比较

根据上述实验原理、过程及n/γ甄别实验结果，从成本、操作难易程度及甄别效果三个方面对线性延迟法和长短积分时间窗法进行比较，见表2。线性延迟法是传统电子学的方法，所用电子学插件较多，成本较高，且多个插件之间的连接及参数调整较复杂，n/γ甄别效果较差；长短积分时间窗的方法所用的电子学仪器仅有数字波形采样器DT5790，是集成电子学的方法，成本较低，且仪器与探测器之间的连接、参数调整都较简单，n/γ甄别效果较好。因此，利用长短积分时间窗的方法进行n/γ甄别比线性延迟法更占优势。

表2 两种n/γ甄别方法的比较Tab.2 Result comparison of two neutron/gamma discrimination methods甄别方法成本操作难易成度甄别效果线性延迟法插件较多,价格昂贵插件之间的连接及参数的调整较复杂较差长短积分时间窗的方法较低简单较好

3.4 n/γ甄别漏率的测量

n/γ甄别漏率是指在进行n/γ甄别的过程中，n/γ甄别系统没有识别出所有γ信号或错将γ信号当成中子信号进行甄别的情况，即n/γ甄别的误判率。n/γ甄别漏率测量的工作原理是对γ源进行测量并进行n/γ甄别，将n/γ甄别系统认为的中子计数除以总计数即为n/γ甄别的误判率。

采用下述方法确定n/γ甄别漏率：①使用探测器测量γ源的计数；②在相同探测器、测量时间、测量距离及放大倍数下，使用n/γ甄别方法测量得到甄别后的计数；③将步骤②得到的计数除以步骤①得到的计数即n/γ甄别漏率。

实验所用γ源为60Co源，长门宽为400ns，短门宽为60ns，测量时间为1200s，其甄别结果如图10和图11所示。

图10 长短积分时间窗的方法对60Co源进行n/γ甄别的结果图

图11 长短积分时间窗的方法对60Co源进行n/γ甄别的PSD散点图

实验的总粒子计数约为4.46×104个，n/γ甄别后的粒子计数，即系统认为是中子的计数为292，算得n/γ甄别漏率约为6.5×10-3，表明利用长短积分时间窗的方法进行n/γ甄别可行且甄别结果可信。

4 结束语

本文用到的塑料闪烁体探测器EJ276能够很容易地加工为所需形状，且无毒、不易燃，使用较安全，同时，具有较好的光学特性、响应快、衰减时间短等特点，并且n/γ甄别能力较强，因此在中子探测方面具有较大的应用潜力，能广泛应用于高能物理实验研究中。利用塑料闪烁体探测器EJ276开展了两种n/γ甄别方法研究。塑料闪烁体的尺寸为直径2英寸、长2英寸、配有长2英寸的光电倍增管。以241Am-Be源作为中子伽马混合源，分别用线性延迟法和长短积分时间窗的方法对塑料闪烁体探测器进行n/γ甄别性能研究，利用PSD图及计算得出的FOM，比较了这两种方法的n/γ甄别效果。结果表明：线性延迟法将定时甄别器设置于脉冲高度20%和80%时给出定时脉冲输出，FOM约等于1.16，甄别效果较差。长短积分时间窗的方法甄别效果较好，当积分时间窗的长门为400ns，短门为60ns时，塑料闪烁体探测器EJ276的n/γ甄别效果最好且n/γ甄别的误判率最低，此时，FOM约等于1.29，n/γ甄别漏率约为6.5×10-3。