闪烁体大动态范围时间响应特性快速分析方法研究

黄展常 杨建伦 易 强 李名加 蒙世坚 梁 川 王文川

（中国工程物理研究院核物理与化学研究所 绵阳621900）

脉冲辐射探测作为核科学的基础技术之一，是核反应过程特性研究、核反应堆运行、监测与控制不可或缺的技术手段。原子核物理研究、大型核科学装置研制与运行等相关研究，需要发展先进的脉冲辐射探测技术［1］。脉冲辐射探测系统的时间响应特性是深入分析研究各种脉冲辐射场特征的关键因素。例如，在Z箍缩内爆关键技术研究过程中，早期研究表明，在8～10 MA负载电流的驱动水平下，丝阵负载内爆产生的γ辐射场强度在离靶心2 m处可到1010cm-2［2］。近期研究表明，在该驱动能力下开展含氘靶丸动态黑腔实验研究时，为探测比γ峰低3～4个量级的γ峰后中子信号，需要研制一种动态范围满足4个量级的门控脉冲辐射探测系统［3］。在该闪烁探测系统研制过程中，需要解决探测系统时间响应特性超过4个量级以上动态范围的分析需求。

目前，检测闪烁类脉冲辐射探测系统的时间响应特性的重点在于检测闪烁体单元的时间响应特性。常用的方法有：采用激光激发塑料闪烁体，用高时间分辨的条纹相机记录闪烁体的发光过程［4］，或者采用激光激发闪烁体，用高时间采样率的示波器记录探测器的输出波形［5］。因为单脉冲激光激发闪烁体产生的荧光有限，并且记录系统的动态范围有限，所以此类方法的动态范围约为1个量级，无法满足跨量级动态范围的分析需求，主要用于研究闪烁体的快成分。此外，脉冲激光激发闪烁体获得的时间响应特性与实际使用中辐射场射线激发闪烁体的时间响应特性也有一定偏差。目前，公开文献报道可以实现多个量级动态范围的测量方法为单光子计数法。对于单光子计数系统，常用放射源激发闪烁体，通过统计大量闪烁体发光事件实现时间的不连续测量，用多道统计谱表征闪烁体发光衰减曲线［6-9］。由于统计效率很低，该方法需要花费数天才能完成3个量级的探测系统时间响应性能检测。基于单光子计数法，前期也开展了部分探索性研究实验［10］。由于所需时间较长，核电子学噪声、电缆反射等因素带来的本底干扰使得该方法的动态范围很难超过4个量级。为解决上述问题，本文提出了一种基于脉冲X光源的闪烁体大动态范围时间响应特性快速分析新方法。

1 方法研究

根据在数小时内完成闪烁体超4个量级的时间响应特性快速检测的需求，需要解决大动态幅度范围和大动态时间范围两个方面的问题。新方法首先选用高增益电流型门控光电倍增管解决大动态幅度范围的检测问题；然后，采用高精度同步时间关联系统解决大动态时间范围的关联问题；最后，通过脉冲X光源激发闪烁体解决信噪比问题，并利用门控光电倍增管的本征因子（消光比）解决不同发次间的强度归一化关联问题。

该快速分析方法的主要流程为：把待测闪烁体与高增益电流型门控光电倍增管耦合后，利用脉冲X光源激发待测闪烁体，采用示波器分量程同时记录光电倍增管关门时的荧光主峰信号波形（Vc）以及开门后的信号波形（Vs）。由测定的消光比（η）以及关门时测得的荧光主峰信号强度（Vc），由式（1）推导其开门条件下的等效荧光主峰信号强度（Vo）。根据式（2）对信号强度归一化后，得到距离荧光主峰to之后的荧光衰减后沿曲线Vto。利用高精度同步系统改变门控光电倍增管开门时刻to，获得距离闪烁体荧光主峰不同时刻的衰减后沿波形Vto。把不同开门时刻的波形Vto绘制在一起，进行指数拟合得到待测闪烁体的时间响应特性。

1.1 消光比测量

消光比表征门控单元对输入信号的有效衰减程度。当输入光强相同时，消光比等于开门时光电倍增管输出信号峰值除以关门时光电倍增管输出信号峰值［11］。根据快速分析方法的处理流程，需要先检测高增益电流型门控光电倍增管的消光比。其测试示意图如图1所示。

图1 消光比测试示意图Fig.1 Schematic diagram of switch ratio measurement

皮秒脉冲激光器输出的激光脉冲半高宽约0.1 ns。激光脉冲经分光器后被分成两路，分路比例固定。一路激光脉冲输入带暗筒的光强监测探头，用于监测每发次激光脉冲的强度；另一路激光脉冲输入带暗筒的门控光电倍增管。光强监测探头和门控光电倍增管的信号用示波器记录。本研究采用的自研门控光电倍增管，在输入信号脉宽低于1μs时，其线性输出电流可达到1 A［12-13］。光强监测探头选用滨松R3809U-52型MCP-PMT，在输入脉冲半宽为20 ns时，其线性输出电流可达到0.15 A［14］。通过调节皮秒脉冲激光器的输出光强，保障光强监测探头和门控光电倍增管工作在线性响应区。当激光脉冲输入门控光电倍增管时，通过同步机调节门控光电倍增管的开门时刻使其处于开门状态。此时，重复输入1 500个激光脉冲，统计光强监测探头的输出信号平均峰值Vmo为17.4 mV（相对标准偏差15%）和门控光电倍增管的输出信号平均峰值Vso为4.814 V（相对标准偏差8%）。同样地，当激光脉冲输入门控光电倍增管时，改变门控光电倍增管的开门时刻使其处于关门状态。此时，重复输入1 500个激光脉冲，统计光强监测探头的输出信号平均峰值Vmc为6.271 V（相对标准偏差3%）和门控光电倍增管的输出信号平均峰值Vsc为1.457 V（相对标准偏差14%）。由式（3）可得该门控光电倍增管的消光比η约为1 190。

1.2 系统动态范围评估

基于电流型门控光电倍增管实现大动态范围的关键是门控光电倍增管与示波器结合的记录系统有足够的动态响应范围。因此，采用脉冲皮秒激光器开展该方法的动态范围检测研究，测试框图如图2所示。通过同步机改变门控光电倍增管的开门时刻，获得离激光主峰不同时刻的激光强度分布情况。保持激光脉冲输出光强不变，统计100次取平均值获得某一延时下的门控光电倍增管输出波形。

图2 系统动态范围测试示意图Fig.2 Schematic diagram of dynamic range measurement

把门控光电倍增管的输出信号进行分路后输入示波器的不同通道实现不同垂直灵敏度排布。当需要重点关注激光主峰信号时调节该通道垂直灵敏度至一个合适值来记录其波形Vc；当需要重点关注开门时刻的激光信号时调节该通道垂直灵敏度至一个合适值来记录其波形Vs。采用示波器不同垂直灵敏度记录同一信号的典型实验结果如图3所示。根据式（1），由激光主峰信号Vc（图3虚线）乘以消光比η外推门控光电倍增管完全开门条件下的主峰信号强度Vo。根据式（2），对激光强度归一化后，得到开门时刻to之后的强度曲线Vto（图4）。由图4的点划趋向线可得，该记录系统的有效动态范围可达5个量级。

图3 示波器不同垂直灵敏度时记录的同一波形Fig.3 The same signal was recorded by the oscilloscope with different vertical sensitivity

图4 不同开门时刻归一化信号强度变化曲线Fig.4 Normalized intensity at different gate time

2 快速分析方法的可行性研究

为检验该快速分析方法的可行性，开展了验证性实验。利用X光机作为脉冲激发源，激发某液体闪烁体产生荧光，采用上述快速检测方法研究该液体闪烁体的发光衰减特性。其主要实验框图如图5所示。圆柱形的液体闪烁体有效尺寸为：直径90 mm，高度200 mm。液体闪烁体与门控光电倍增管耦合后，侧放于铅屏蔽体内。正对束流入射方向铅屏蔽体厚度为150 mm，其余5个面铅屏蔽体厚度为100 mm。脉冲X光机电极充电电压450 kV。产生的X光脉宽约20 ns，平均能量约170 keV［15］。通过改变限束孔的直径以及铅衰减片的厚度来调节入射到液体闪烁体的X光强度。门控光电倍增管的输出信号经过功分器后，输入到示波器，根据记录的X光主峰强度以及记录的开门时刻X光信号强度进行垂直灵敏度量程排布。

图5 液体闪烁体时间响应特性实验研究框图Fig.5 Experimental studydiagram of time response characteristic of liquid scintillator

实验获得的典型波形如图6所示。由图6可知，门控光电倍增管测到了两个峰。其中，第1个峰为脉冲X光激发液体闪烁体产生的荧光信号主峰Vc。虽然门控光电倍增管在此刻处于关门状态，但是由于该倍增管的消光比有限，当脉冲X光峰激发液体闪烁体产生的荧光信号很强时仍会有部分荧光被倍增输出。第2个峰为门控光电倍增管开门后，荧光余辉产生的信号Vs。

图6 108发次门控光电倍增管探测器输出波形Fig.6 The output waveform of gated PMT of shot 108

鉴于该脉冲X光源的半高宽约为20 ns，因此靠近脉冲X光峰的附近荧光衰减时间信息较复杂，不利于荧光主峰附近的时间衰减特性分析。尤其是在此脉宽下无法分析闪烁体的超快成分（衰减常数≤5 ns）。对于自研的百纳秒时间跨度的脉冲辐射探测系统，在4个量级以上大动态范围分析过程中，重要考虑分析慢成分的时间响应特性。根据实验shot 107、shot 108、shot 109和shot 110发次获得的荧光输出波形，采用与图4相同的处理方法，根据式（2）对辐射源强度归一化后，得到距离荧光主峰to之后的荧光曲线Vto（图7）。由图7可得，采用该快速分析方法记录的荧光衰减曲线的动态范围大于4个量级。为了降低X光源脉宽对拟合的影响，取X光峰后25 ns的实验数据进行y-t双指数拟合［16］。在处理过程中，为了拟合方便，以25 ns处的幅值为1，对所有数据进行了整体归一化平移处理。拟合的fitting曲线表示为式（4），拟合的误差棒为10%。即该液体闪烁体至少存在两种发光成分，其快成分发光衰减常数约为20 ns。

图7 基于快速分析方法获得的液体闪烁体发光衰减曲线Fig.7 The decay curve of this liquid scintillator was diagnosed on this express analytical method

3 结语

本文提出了一种新的闪烁体大动态范围时间响应特性快速分析方法。利用皮秒脉冲激光检验了该方法的有效动态范围。研究表明，该方法分析闪烁体时间响应特性的有效动态范围可达5个量级。基于X光机产生的脉冲X光源，采用该方法分析了液体闪烁体的发光衰减曲线，实验结果大于4个量级，验证了该方法的可行性。但是，实验所用的脉冲X光源的脉宽较宽，在荧光主峰附近的时间信息较为复杂，不利于超快成分的准确分析。下一步，考虑基于核物理与化学研究所正在研制的脉冲皮秒X光源，采用上述新方法开展闪烁体时间响应特性的快速分析研究。

致谢感谢激光聚变研究中心刘红杰团队提供的液体闪烁体样品。