一種新型探測(cè)器的特性測(cè)試

李建偉， 杜玉剛， 盛 佳， 任 熠， 喬敏娟， 郭喜榮

(1. 山東核電有限公司，山東 煙臺(tái) 265116; 2. 山西中輻核儀器有限責(zé)任公司，山西 太原 030006)

0 引 言

輻射探測(cè)器是核相關(guān)企業(yè)的重要測(cè)試設(shè)備。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上可以同時(shí)測(cè)量?jī)煞N射線類型探測(cè)器較少，而且現(xiàn)有探測(cè)器探測(cè)面積很難做大，價(jià)格也很昂貴，不易實(shí)用化。國(guó)外有同類型的探測(cè)器和生產(chǎn)技術(shù)，對(duì)國(guó)內(nèi)技術(shù)保密，我們無法進(jìn)行相關(guān)技術(shù)指標(biāo)測(cè)試，國(guó)內(nèi)除本次測(cè)試的生產(chǎn)廠家外，未發(fā)現(xiàn)有同類型的國(guó)產(chǎn)探測(cè)器生產(chǎn)廠家。本文針對(duì)國(guó)產(chǎn)新型NaI+6Li閃爍晶體探測(cè)器的特性進(jìn)行測(cè)試，該探測(cè)器能同時(shí)測(cè)量中子和γ射線[1]，且晶體尺寸按要求做各種規(guī)格，價(jià)格相對(duì)便宜，應(yīng)用前景廣闊。

現(xiàn)階段還沒有對(duì)該類探測(cè)器特性測(cè)試的好方法，本文首先通過Geant4[2-5]進(jìn)行探測(cè)器測(cè)試模擬計(jì)算，從理論層面預(yù)估晶體性能[6-7]；然后設(shè)計(jì)一套專用測(cè)試軟件，對(duì)晶體中子、γ性能和γ抑制比進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)中子和γ射線進(jìn)行線性刻度[8-9]，確定晶體性能能否達(dá)到同時(shí)測(cè)量n/γ的水平；根據(jù)測(cè)試結(jié)果確定該探測(cè)器經(jīng)過改進(jìn)后可以提高性能，滿足核企業(yè)輻射探測(cè)需求。

1 測(cè)量原理及測(cè)量電路設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)量原理

閃爍晶體是一種將能量轉(zhuǎn)換為光的透明發(fā)光材料轉(zhuǎn)換體，可以將高能光子(X射線、Y射線)、粒子的電離能轉(zhuǎn)化成光。要實(shí)現(xiàn)對(duì)X射線、Y射線的測(cè)量，通過閃爍體將電離能轉(zhuǎn)化為光即可。要實(shí)現(xiàn)對(duì)熱中子的探測(cè)，需要在閃爍體內(nèi)加入6Li、10B、113Cd、155Gd等對(duì)熱中子吸收截面大的材料，有能量沉積才能把電離能轉(zhuǎn)化為光。本次測(cè)試所用探測(cè)器為新型設(shè)計(jì)摻雜含6Li的化合物的閃爍晶體。

1.2 測(cè)量電路設(shè)計(jì)

測(cè)試裝置的測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)結(jié)如圖1所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

電源系統(tǒng)給前置放大電路、晶體探頭和后續(xù)電路供電，然后晶體探頭通過光電轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)，通過前置放大電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)傳輸至多道分析器進(jìn)行脈沖幅度信號(hào)處理，處理完的信號(hào)及數(shù)據(jù)在上位機(jī)端軟件界面顯示和處理。

1.2.1 電源設(shè)計(jì)

電源部分為整套測(cè)試系統(tǒng)提供所有電源電壓，包括高壓電源部分，高壓電源電路采用國(guó)產(chǎn)高精度高壓模塊，通過電位器可進(jìn)行高壓調(diào)整。

1.2.2 前置放大電路

前置放大器電路包括低壓電源電路、高壓電源電路、光電倍增管和復(fù)合閃爍晶體探頭、前置放大電路幾部分。以上各單元組合構(gòu)成一個(gè)整體，光電倍增管經(jīng)過分壓電路將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過前置放大器完成I-U轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，就可以傳輸?shù)蕉嗟婪治銎鬟M(jìn)行脈沖分析。前置放大電路采用高帶寬高增益運(yùn)算放大器，以確保電路譜圖輸出穩(wěn)定。

1.2.3 多道分析器

多道分析器將前置放大器輸出的脈沖信號(hào)處理成每道的計(jì)數(shù)值，傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[10]。

多道分析器是一種用于脈沖幅度分析的重要設(shè)備，一般有 1024、2048、4096以及更高道數(shù)。它是由ADC進(jìn)行脈沖幅度捕捉，然后經(jīng)過FPGA等進(jìn)行幅度采集，然后再有嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理完的數(shù)據(jù)通過串口、網(wǎng)口或者USB等通信方式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)軟件進(jìn)行進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理。多道分析器可以連接各類輻射探測(cè)器經(jīng)前置放大部分的輸出，構(gòu)成能譜測(cè)量系統(tǒng)。

利用多道分析器測(cè)量中子場(chǎng)和伽馬場(chǎng)譜圖。本實(shí)驗(yàn)方案主要利用中子和γ射線所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)幅度不同來進(jìn)行射線類型甄別，一般γ射線信號(hào)脈沖幅度較低，中子信號(hào)脈沖幅度較高。前置放大器輸出的模擬脈沖信號(hào)，用同軸電纜與多道分析器連接，多道分析器通過USB數(shù)據(jù)線連接上位機(jī)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，多道分析器將采集到的探測(cè)器信號(hào)轉(zhuǎn)換成每道的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，上位機(jī)軟件可以直觀的顯示譜圖，確定峰位和道址等信息，進(jìn)而確定不同射線的信號(hào)幅度信息。

1.2.4 上位機(jī)

上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)多道分析器處理后的數(shù)據(jù)在界面上的顯示、處理、存儲(chǔ)等功能。

1.2.5 晶體探頭

晶體探頭部分為光電倍增管和晶體。光電倍增管和晶體之間采用透明硅油進(jìn)行耦合，減少光衰，晶體將射線信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，由光電倍增管進(jìn)行光收集。

2 G4模擬

Geant4[5]是歐洲核子中心(CERN)開發(fā)出的一套基于C++的開源工具包，其主要用途是模擬粒子在物質(zhì)中的物理過程。相比于蒙特卡洛模擬[4]軟件Geant3，Geant4因?yàn)榛贑++, 可以靈活處理規(guī)模更龐大、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的物理環(huán)境[8-11]。Geant4幾乎可以模擬所有物理過程，包括電磁相互作用、中子散射、光學(xué)過程等[7]。除了在高能物理方面有廣泛應(yīng)用，Geant4還被應(yīng)用于核物理、空間和天體物理、醫(yī)用物理、輻射防護(hù)和探測(cè)等領(lǐng)域[12]。

以下使用G4建立了N閃爍體模型[13]，晶體直徑 50 mm，高 50 mm，鋁殼厚度 1.5 mm，玻璃窗光導(dǎo)為硅膠光導(dǎo)。綠色為伽馬射線，黃色為可見光子在探測(cè)器內(nèi)部的傳播，如圖2所示。

圖2 碘化鈉閃爍體模型

模擬過程為γ射線在空氣中入射到NaI復(fù)合晶體探測(cè)器，入射后的γ射線與探測(cè)器作用，在晶體內(nèi)部產(chǎn)生光信號(hào)，光信號(hào)理想狀態(tài)下完全收集轉(zhuǎn)換為計(jì)數(shù)信號(hào)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理顯示出模擬計(jì)算的譜圖。

模擬結(jié)果如下：

在探測(cè)器前方 5 cm 設(shè)置了137Cs，60Co，241Am，152Eu點(diǎn)源，分別模擬衰變 3000萬(wàn)次，500萬(wàn)次，900萬(wàn)次，得到能譜圖如圖3所示。

圖3 G4模擬能譜圖

241Am 的 γ 能量為 59.5 keV，137Cs 的 γ能量為662 keV，60Co 的 γ能量為 1.17 MeV 和 1.33 MeV，152Eu 的 γ 最高能量為 1.408 MeV。

根據(jù)模擬結(jié)果，由各核素的γ射線能量和峰位位置，可以看出各種γ能量峰的峰位跟能量基本呈線性關(guān)系，后續(xù)測(cè)試驗(yàn)證時(shí)可以根據(jù)熱中子照射產(chǎn)生的峰位與152Eu的最高能量峰位對(duì)比結(jié)果，初步判定中子和γ射線是否可以通過幅度甄別閾值方式進(jìn)行甄別。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 中子測(cè)試試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)條件

在中子源實(shí)驗(yàn)室用Am-Be中子源照射組裝好的探測(cè)器[6-7]：用多道分析器連接前置放大電路的輸出信號(hào)，然后多道分析器連接電腦，利用上位機(jī)軟件進(jìn)行中子譜圖測(cè)試。

3.1.2 試驗(yàn)過程

用Am-Be中子源照射已連接好的能譜測(cè)試裝置，調(diào)整好高壓（高壓500 V）輸入后，用上位機(jī)軟件調(diào)整增益微調(diào)為0.4倍，獲取的測(cè)試圖如圖4所示。

圖4 中子測(cè)試能譜圖

結(jié)合譜圖顯示，由中子和6Li反應(yīng)式知，中子產(chǎn)生兩個(gè)峰位，峰位的道址與脈沖幅度成對(duì)應(yīng)關(guān)系，兩個(gè)峰位均在720道以上，低端峰的起始位置在680道左右，如果要通過幅度甄別方式區(qū)分中子脈沖和γ源脈沖，γ射線峰位尾端應(yīng)低于680道，才可實(shí)現(xiàn)中子和γ射線通過幅度進(jìn)行甄別[12]。

3.2 伽馬能譜測(cè)試試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)條件

在γ源實(shí)驗(yàn)室用豁免放射源照射組裝好的探測(cè)器[6-7]：用多道分析器連接前置放大電路的輸出信號(hào)，然后多道分析器連接電腦，利用上位機(jī)軟件進(jìn)行γ譜圖測(cè)試。

3.2.2 試驗(yàn)過程

用241Am，137Cs，60Co，152Eu等放射源能譜測(cè)試，將安裝好的探測(cè)器固定在桌面上，用以上放射源分別放置的晶體的前端面，高壓電壓500 V，上位機(jī)軟件微調(diào)增益為0.4倍（與上述中子測(cè)試條件保持一致），測(cè)試所得幾種放射源能譜圖[13]如圖5～ 圖8所示。

圖5 241Am放射源能譜圖

圖6 60Co放射源能譜圖

圖7 137Cs放射源能譜圖

圖8 152Eu 放射源能譜圖

根據(jù)以上譜圖分析，137Cs（γ能量為 662 keV）放射源峰位位于270道左右，60Co（γ能量為1.17 MeV和1.33 MeV）放射源兩個(gè)峰的峰位分別位于473道和 530道，152Eu（γ最高能量為 1.408 MeV）放射源最高能量的峰位位于560道，峰尾位置位于600道，由以上3種放射源的能量和道址關(guān)系，將以上關(guān)系通過線性圖顯示，得出探測(cè)器對(duì)γ的能量幅度響應(yīng)基本成線性關(guān)系，線性關(guān)系見表1，線性圖如圖9所示。

圖9 能量幅度線性圖

表1 能量幅度線性關(guān)系

按γ射線能量線性關(guān)系計(jì)算，結(jié)合152Eu最高能量1.408 MeV位于560道，相應(yīng)在680道位置時(shí)，粗略計(jì)算出的γ信號(hào)能量值為1.71 MeV左右，即γ信號(hào)能量超過1.71 MeV會(huì)和中子信號(hào)幅度產(chǎn)生重合，所以對(duì)1.71 MeV能量以下的γ射線[14]，以目前的測(cè)試電路，可以通過脈沖幅度甄別方式進(jìn)行信號(hào)甄別，區(qū)分出中子和γ射線，對(duì)于1.71 MeV以上的γ射線，中子信號(hào)和γ信號(hào)無法通過幅度區(qū)別，后續(xù)把相關(guān)測(cè)試問題反饋給廠家，對(duì)探測(cè)器進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)，比如將晶體厚度變薄，減少能量沉積等方式，以便能達(dá)到更好測(cè)量效果。

3.3 劑量率線性測(cè)試

將晶體耦合光電倍增管，通過前置放大電路，輸出的脈沖信號(hào)配合幅度甄別電路和后端電子學(xué)計(jì)數(shù)電路，在實(shí)驗(yàn)室的137Cs放射源 γ輻射場(chǎng)和Am-Be放射源中子輻射場(chǎng)中進(jìn)行劑量率線性關(guān)系測(cè)試，根據(jù)γ射線和中子的模擬信號(hào)脈沖幅度不同，設(shè)定兩個(gè)電壓閾值，高電壓閾值用來測(cè)量中子計(jì)數(shù)，低電壓閾值計(jì)數(shù)為中子和γ射線的計(jì)數(shù)和，所以低電壓閾值通道的計(jì)數(shù)扣除高電壓閾值通道的計(jì)數(shù)即為γ射線的計(jì)數(shù)值，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2和表3所示，線性曲線分別如圖10和圖11所示。

根據(jù)以上表2，表3和圖10，圖11數(shù)據(jù)顯示，137Cs放射源 γ劑量率的線性關(guān)系在92 μSv/h以下時(shí)有良好的線性關(guān)系，92～ 150 μSv/h之間線性關(guān)系變差，但仍可以通過非線性擬合進(jìn)行修正，測(cè)量137Cs時(shí)，137Cs的γ計(jì)數(shù)對(duì)中子通道計(jì)數(shù)無影響；用中子源照射時(shí)，中子劑量率和計(jì)數(shù)率之間的線性關(guān)系很好，可以通過線性擬合直接標(biāo)定。

表2 137Cs 放射源γ輻射場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)

表3 中子輻射場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)

圖10 γ輻射場(chǎng)劑量率曲線

圖11 中子輻射場(chǎng)劑量率曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)探測(cè)器性能進(jìn)行一系列模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)試出該新型晶體探測(cè)器在γ射線能量低于1.71 MeV時(shí)可以通過幅度甄別的方式實(shí)現(xiàn)中子和γ射線的甄別，在γ射線能量超過1.71 MeV的高能γ部分存在γ射線信號(hào)幅度與中子信號(hào)幅度重合的問題，對(duì)于這部分高能γ射線目前的晶體探測(cè)器無法進(jìn)行甄別。后續(xù)針對(duì)高能γ和中子無法甄別的問題，建議通過將晶體厚度變薄來降低γ能量沉積，使得高能γ射線產(chǎn)生的脈沖幅度變低，然后再進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，還可以通過改變?cè)嘏浔鹊姆绞街谱餍戮w，改善中子、γ甄別效果。

目前測(cè)量結(jié)果顯示，只有在低于1.71 MeV的γ輻射場(chǎng)和中子輻射場(chǎng)混合場(chǎng)中，才可以利用該晶體探測(cè)器可以作為中子、γ一體化探頭的實(shí)際應(yīng)用，后續(xù)經(jīng)過改進(jìn)后的閃爍晶體探測(cè)器可以進(jìn)一步提高n、γ甄別能力，拓展其在中子、γ混合輻射場(chǎng)的應(yīng)用范圍。