基于MPD-4電子學(xué)插件的液體閃爍體中子光響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)研究

任 杰，阮錫超，黃翰雄，聶陽波，鮑 杰，李 霞

(中國原子能科學(xué)研究院 核數(shù)據(jù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102413)

在中子物理實(shí)驗(yàn)和中子核技術(shù)應(yīng)用中，中子能譜測量非常重要。目前常用的中子能譜探測器有中子飛行時(shí)間譜儀、3He/6Li夾心譜儀、反沖質(zhì)子探測器、閾探測器、Bonner球等[1]。其中，中子飛行時(shí)間法是精度最高的中子能譜測量方法，但依賴脈沖中子源；3He/6Li夾心譜儀的探測效率太低，對2.5 MeV中子的探測效率僅為3×10-6；閾探測器需較多的活化片才能滿足測量精度；Bonner球需仔細(xì)優(yōu)化慢化體厚度和材料，且十分依賴解譜算法。相比之下，反沖質(zhì)子探測器具有系統(tǒng)簡單、中子探測效率高、粒子甄別能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且n-p散射截面是標(biāo)準(zhǔn)截面，通過優(yōu)化數(shù)據(jù)處理方法可得到較高的精度。液體閃爍體探測器是目前使用最廣泛的反沖質(zhì)子探測器之一，常用于中子能譜測量。中子光響應(yīng)是液體閃爍體探測器的重要參數(shù)，表征一定能量的反沖質(zhì)子在閃爍體中產(chǎn)生的光強(qiáng)度。一般將中子能量En與產(chǎn)生相同光強(qiáng)度的電子能量Eee的對應(yīng)關(guān)系作為中子光響應(yīng)函數(shù)。一般認(rèn)為，同一種探測器的光響應(yīng)函數(shù)是不變的，可在不同實(shí)驗(yàn)中使用相同的光響應(yīng)函數(shù)。

近年來，一種專門用于液體閃爍體中子探測器的高集成度新型電子學(xué)插件(Mesytec公司的MPD-4)被廣泛應(yīng)用于中子探測系統(tǒng)中[2]，該電子學(xué)插件集成了脈沖高度(PH)和脈沖形狀甄別(PSD)測量功能，且1個NIM插件即可實(shí)現(xiàn)4路探測器的同時(shí)測量，得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在一些中子探測器個數(shù)較多的中子探測器陣列中，該電子學(xué)系統(tǒng)被廣泛使用。但多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用該電子學(xué)系統(tǒng)與傳統(tǒng)電子學(xué)相比，光響應(yīng)函數(shù)及探測效率存在明顯差異，因此需針對此電子學(xué)系統(tǒng)重新測量光響應(yīng)函數(shù)，并對比不同類型的電子學(xué)對液體閃爍體光響應(yīng)函數(shù)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)布局

圖1 實(shí)驗(yàn)布局及電子學(xué)示意圖Fig.1 Experimental arrangement and electronic setup

實(shí)驗(yàn)是在中國原子能科學(xué)研究院計(jì)量測試部的5SDH-2串列加速器上進(jìn)行的。使用2.5 MeV的氘束轟擊3.0 mm厚的9Be靶，產(chǎn)生能量低于6.85 MeV的白光中子。實(shí)驗(yàn)中，脈沖氘束頻率4.0 MHz，脈沖寬度3.2 ns，平均流強(qiáng)約4 μA。使用Saint-Gobain生產(chǎn)的BC501A液體閃爍體探測器[3]，直徑2.0 in(1 in=2.45 cm)，厚度2.0 in。閃爍體后端匹配Photonis生產(chǎn)的XP2020光電倍增管，光電倍增管配有Ortec公司的269分壓電路。實(shí)驗(yàn)布局及電子學(xué)如圖1所示。探測器位于束流0°角方向，探測器表面距離靶面3.65 m。探測器有兩路輸出信號，一路為倍增極(Dynode)，從分壓電路中間一級引出，信號幅度正比于閃爍體的光輸出；另一路信號為陽極(Anode)，從分壓電路的最后一級引出，信號上升時(shí)間小于6 ns，信號積分電荷量正比于閃爍體的光輸出。Dynode信號經(jīng)過前置放大器PreAmp進(jìn)入主放大器(Ortec572A)[4]，主放大器的輸出信號代表脈沖高度(PH1)，PH1信號接入CAMAC數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的ADC(ps7164)，此線路即采用了傳統(tǒng)電子學(xué)。Anode信號經(jīng)線性扇出插件FanOut(ps744)一分為二，一路進(jìn)入MPD-4中，另一路進(jìn)入恒比定時(shí)器CFD(Ortec935)。MPD-4輸出2路信號至ADC，一路為脈沖高度信號(PH2)，另一路為粒子甄別信號PSD，即新型電子學(xué)。CFD輸出2路定時(shí)信號，其中一路進(jìn)入門產(chǎn)生器Gate(Ortec-Co4020)作為ADC的觸發(fā)信號，另一路與脈沖拾取信號符合，作為飛行時(shí)間信號TOF。TOF信號由時(shí)幅轉(zhuǎn)換器TAC(Ortec567)輸出，其中探測器的定時(shí)信號為起始信號，脈沖束的拾取信號經(jīng)過快前置放大器FastPA(Ortec-vt120)放大和CFD定時(shí)之后進(jìn)入TAC作為停止信號，TAC輸出信號進(jìn)入ADC。通過調(diào)節(jié)Gate寬度使同一事件的不同信號均在1個Gate內(nèi)，保證數(shù)據(jù)的一致性，本次實(shí)驗(yàn)使用的Gate的寬度為8 μs。

2 數(shù)據(jù)分析與討論

2.1 能量刻度

液體閃爍體探測器的能量刻度是測量光響應(yīng)函數(shù)的基礎(chǔ)。一般使用單能伽馬射線源進(jìn)行能量刻度，通過擬合脈沖高度譜(PH譜)中的康普頓邊確定最大康普頓電子的能量與ADC道值之間的關(guān)系[5]。本實(shí)驗(yàn)使用的伽馬射線源為137Cs和22Na，對應(yīng)的伽馬射線的能量為662、511、1 271 keV。為精確確定康普頓邊的位置，

需使用蒙特卡羅程序模擬單能伽馬射線在探測器中的能量沉積，并根據(jù)探測器的能量分辨率展寬模擬譜，然后使用模擬得到的能量沉積譜擬合實(shí)驗(yàn)測量的PH譜，從而確定能量與ADC道數(shù)(Chn)的關(guān)系(式(1))。液體閃爍體的能量分辨率公式如式(2)所示，其中Eee為等效電子能量，A、B、C為影響能量分辨率的參數(shù)：參數(shù)A與光在閃爍體中的分布和傳輸有關(guān)，B與光產(chǎn)生、衰減、光電過程有關(guān)，C與光電倍增管和電子倍增的噪聲有關(guān)[6]。實(shí)驗(yàn)中所用的探測器的A、B、C分別為9.17%、10.36%、0.5%。

Eee=aChn+b

(1)

(2)

采用Geant4程序構(gòu)建探測器的幾何模型，包括BC501A液體閃爍體、探測器外殼、光導(dǎo)和光電倍增管端窗。程序中將伽馬射線源簡化為點(diǎn)源，距探測器表面20 cm，記錄探測器液體閃爍體內(nèi)的能量沉積。使用ROOT程序展寬模擬譜并與實(shí)驗(yàn)譜擬合，如圖2所示。

圖2 模擬譜與實(shí)驗(yàn)譜擬合結(jié)果Fig.2 Fitting result of simulation spectrum and experimental spectrum

分別擬合Ortec572A得到的PH譜和MPD-4得到的PH譜，得到兩種放大器的能量刻度曲線，如圖3所示。能量刻度結(jié)果列于表1。從刻度結(jié)果可見，Ortec572A和MPD-4得到的等效電子能量與ADC道數(shù)的線性關(guān)系較好，滿足實(shí)驗(yàn)測量的需求。

2.2 源中子能量測量

對于動能在20 MeV以下的中子，不需考慮相對論效應(yīng)，中子飛行時(shí)間tn與源中子能量En的關(guān)系如式(3)所示，其中，l為中子飛行的距離，mn為中子的靜質(zhì)量[7]。

圖3 能量刻度曲線Fig.3 Curve of energy calibration

(3)

表1 能量刻度結(jié)果Table 1 Energy calibration result

在實(shí)驗(yàn)中，通常利用中子靶上產(chǎn)生的伽馬射線到達(dá)探測器的時(shí)刻確定中子飛行時(shí)間的零點(diǎn)，此時(shí)tn包括兩部分，一是伽馬射線從靶到探測器所經(jīng)歷的時(shí)間tγ，由距離l和光速c確定；二是伽馬射線與中子到達(dá)探測器時(shí)刻的差值tγ-n，可根據(jù)TOF譜時(shí)間刻度的結(jié)果得到。一般使用精密脈沖發(fā)生器刻度TOF譜中ADC道數(shù)和時(shí)間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中TAC的量程為500 ns，精密脈沖發(fā)生器每隔40 ns產(chǎn)生1個信號，累計(jì)13個信號覆蓋TAC的整個量程，如圖4所示。時(shí)間刻度結(jié)果顯示，TOF譜中的ADC道數(shù)與時(shí)間具有較好的線性關(guān)系，平均每道為0.117 ns。

由于中子產(chǎn)生和輸運(yùn)過程中均會產(chǎn)生伽馬射線，因此需在TOF譜中去掉伽馬射線的計(jì)數(shù)。實(shí)驗(yàn)中使用MPD-4的粒子甄別功能，將PSD和PH信號做成雙維譜，可明顯區(qū)分中子和伽馬信號，如圖5所示。

根據(jù)TOF譜刻度結(jié)果和式(3)可得到源中子的能譜。圖6a為源中子的TOF譜，包括沒有粒子甄別條件的原始譜和包含粒子甄別條件的凈中子譜。圖6b為通過凈中子TOF譜得到的中子能譜，其中縱坐標(biāo)計(jì)數(shù)的不確定度主要來源于統(tǒng)計(jì)不確定度；橫坐標(biāo)能量的不確定度主要來源于3.2 ns的脈沖束時(shí)間寬度，在1 MeV處約為2.5%，在6 MeV處約為6%。

圖4 TAC時(shí)間刻度譜Fig.4 TAC time calibration spectrum

圖5 粒子甄別二維譜Fig.5 2D spectrum of particle discrimination

2.3 光響應(yīng)函數(shù)計(jì)算

得到源中子能譜后，即可挑選不同能點(diǎn)得到單能中子的PH譜。根據(jù)PH譜上的能量邊界和能量刻度的結(jié)果可得到該中子能量En對應(yīng)的等效電子能量Eee。為保證PH譜有足夠的統(tǒng)計(jì)，選取中子能量時(shí)增加了±2%的區(qū)間。選取1.78 MeV到6.41 MeV能區(qū)中的7個能點(diǎn)，分別得到Ortec572A和MPD-4的PH譜，如圖7所示。

圖6 源中子飛行時(shí)間譜(a)和源中子能譜(b)Fig.6 TOF spectrum of source neutron (a) and energy spectrum of source neutron (b)

圖7 Ortec572A(a)和MPD-4(b)的PH譜Fig.7 PH spectra of Ortec572A (a) and MPD-4 (b)

圖8 5.68 MeV中子的PH譜(a)和PH譜的一階導(dǎo)數(shù)(b)Fig.8 PH spectrum of 5.68 MeV neutron (a) and the first derivative of PH spectrum (b)

在單能中子的PH譜中，PH譜高能段的邊界即為反沖質(zhì)子的最大能量，代表入射中子的能量。實(shí)驗(yàn)中由于能量分辨率等因素，PH譜的邊界具有一定的展寬。確定反沖質(zhì)子邊可采用蒙特卡羅模擬的方法，也可如Kornilov等[8]所述，通過PH譜的一階導(dǎo)數(shù)得到。本次實(shí)驗(yàn)采用一階導(dǎo)數(shù)的方法得到反沖質(zhì)子邊，以O(shè)rtec572A測得的5.68 MeV中子的PH譜(圖8a)為例，PH譜的一階導(dǎo)數(shù)如圖8b所示，對一階導(dǎo)數(shù)在質(zhì)子邊附近高斯擬合即可得到質(zhì)子邊的道數(shù)。

圖9 中子光響應(yīng)函數(shù)測量結(jié)果Fig.9 Measurement results of neutron light output response

分別得到不同能量中子的PH譜中質(zhì)子邊的值，即可給出相應(yīng)的光響應(yīng)函數(shù)曲線，如圖9所示。圖9中橫坐標(biāo)為入射中子能量，其不確定度與圖7b中的能量不確定度一致，主要來源于脈沖束的時(shí)間寬度；縱坐標(biāo)即為質(zhì)子邊對應(yīng)的等效電子能量，即光響應(yīng)，其不確定度約5%，主要來源于質(zhì)子邊道數(shù)的不確定度和伽馬刻度的不確定度。圖9中Previous代表實(shí)驗(yàn)室曾經(jīng)使用的BC501A的光響應(yīng)函數(shù)，NE213為Lee等[9]測量得到的NE213的光響應(yīng)函數(shù)?？梢娡ㄟ^Ortec572A測到的光響應(yīng)曲線與已有的光響應(yīng)函數(shù)在不確定度范圍內(nèi)較一致，而MPD-4得到的光響應(yīng)函數(shù)曲線明顯偏低。

為了解MPD-4得到的光響應(yīng)函數(shù)較其他數(shù)據(jù)偏低的原因，開展了對MPD-4電子學(xué)的研究。Ruben等[10]指出，為減少電子學(xué)死時(shí)間和提高能量分辨率，MPD-4使用新的方法得到信號的能量信息。其將PMT的陽極信號進(jìn)行了6階梯形濾波，然后對成形后的信號進(jìn)行電荷積分作為能量信號。但為節(jié)省電子學(xué)信號處理的時(shí)間，電荷積分的時(shí)間寬度只有20 ns，不能完全覆蓋探測器的信號，對獲取能量信息造成一定的影響。圖10引用自文獻(xiàn)[10]，給出了不同粒子的原始信號和經(jīng)過MPD-4成形后的信號。對于同一類型的粒子，不完全的積分僅會改變能量刻度的結(jié)果。但當(dāng)入射粒子種類不同時(shí)，由于不同粒子的探測器信號的慢成分比例不同，不完全的積分導(dǎo)致不同粒子損失的能量比例不同，此時(shí)不同粒子的能量刻度會有不同比例的改變。以中子和伽馬射線為例，中子(質(zhì)子)信號的慢成分比例遠(yuǎn)大于伽馬(電子)信號，不完全的積分使中子信號損失更多的能量，從而表現(xiàn)為對應(yīng)的等效電子能量降低，即光響應(yīng)降低，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。相比于MPD-4，傳統(tǒng)的前置放大器和Ortec572A放大器的成形時(shí)間為1 μs左右，可覆蓋完整的信號，因此不會改變探測器固有的光響應(yīng)函數(shù)。需指出，在實(shí)驗(yàn)組此前開展的實(shí)驗(yàn)中，也曾使用波形采集或QDC對探測器陽極信號進(jìn)行電荷積分得到BC501A的反沖質(zhì)子譜，實(shí)驗(yàn)中探測器信號寬度約120 ns，QDC的積分時(shí)間為200 ns。在這些實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理過程中，可使用已有的光響應(yīng)函數(shù)(圖9中的Previous)計(jì)算出合理的結(jié)果(如入射中子能量等)，因此認(rèn)為使用探測器的Anode信號通過完整的電荷積分得到的光響應(yīng)函數(shù)與使用Ortec572A類型的主放大器得到的光響應(yīng)函數(shù)是一致的。

圖10 中子和伽馬的原始信號及成形信號[10]Fig.10 Original and shaped signals of neutron and gamma[10]

3 結(jié)論

對MPD-4這種新型的高集成度電子學(xué)插件開展了BC501A型探測器的光響應(yīng)函數(shù)實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)電子學(xué)相比，光響應(yīng)函數(shù)有明顯的差異。分析認(rèn)為差異的原因主要是放大器成形時(shí)間和積分時(shí)間不同，因此，對于采用此種電子學(xué)插件的中子探測系統(tǒng)，需要對中子的光響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行測量，才能得到可靠的結(jié)果。

感謝中國原子能科學(xué)研究院計(jì)量測試部中子組的王志強(qiáng)研究員、劉毅娜副研究員和駱海龍工程師運(yùn)行5SDH-2串列加速器，并提供了較好的脈沖中子束流。