三種有機(jī)閃爍體探測(cè)器n-γ甄別性能評(píng)測(cè)?

節(jié) 帥 夏文明 姜榮濤 鄭三強(qiáng) 王 麗

（1.海軍工程大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 武漢 430033）（2.中國(guó)人民解放軍92330部隊(duì) 青島 266100）

1 引言

中子劑量測(cè)量裝置常常采用的是“慢化體+吸收體+3He正比計(jì)數(shù)管”等結(jié)構(gòu)形式，存在體積重量大、靈敏度低等問題，且其關(guān)鍵器件所需3He氣體需從國(guó)外進(jìn)口，近年來被美國(guó)列為戰(zhàn)略儲(chǔ)備物資，供應(yīng)量受到限制。而有機(jī)閃爍體中子探測(cè)器不需要慢化體，體積小易攜帶、材料價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)便，探測(cè)效率高、時(shí)間響應(yīng)快［1］，逐漸成為研究使用的熱點(diǎn)。在中子探測(cè)中往往中子和伽馬射線并存，一般是通過n-γ脈沖形狀甄別進(jìn)行中子劑量監(jiān)測(cè)。本文結(jié)合科研和工作實(shí)際，選擇了對(duì)可用于中子探測(cè)的EJ254塑料閃爍體、EJ339液體閃爍體和EJ276塑料閃爍體通過脈沖形狀甄別的方法進(jìn)行n-γ甄別性能研究評(píng)測(cè)。

2 有機(jī)閃爍體探測(cè)器

有機(jī)閃爍體探測(cè)器由閃爍體、光導(dǎo)、光電倍增管和電子學(xué)線路組成，如圖1所示。

圖1 基于有機(jī)閃爍體探頭的結(jié)構(gòu)組成

閃爍探測(cè)器的工作過程［2］：1）粒子入射并在閃爍體內(nèi)產(chǎn)生閃光；2）所產(chǎn)生的閃爍光子經(jīng)光導(dǎo)傳輸?shù)焦怆姳对龉艿墓怅帢O上轉(zhuǎn)換成光電子；3）光陰極上產(chǎn)生的電子經(jīng)光電倍增管打拿極系統(tǒng)的多次倍增產(chǎn)生足夠大小的輸出信號(hào)；4）光電倍增管輸出電信號(hào)經(jīng)配套電子儀器放大、處理而提供所需要的信息。

常見的有機(jī)閃爍體的種類［3］為有機(jī)晶體閃爍體、液體閃爍體、塑料閃爍體等。有機(jī)晶體閃爍體最主要的是蒽晶體、茋晶體等，這些有機(jī)晶體發(fā)光衰減時(shí)間很快，一般都是探測(cè)快速高注量率的粒子，但缺點(diǎn)是有機(jī)晶體不易制造，很多性能都比較差，價(jià)格昂貴，因此用的不多。塑料閃爍體主要用來測(cè)量快中子，可塑性強(qiáng)，制作簡(jiǎn)便，發(fā)光時(shí)間短，透明度高，性能穩(wěn)定，主要用于強(qiáng)度、技術(shù)測(cè)量。液體閃爍體也常用來測(cè)量快中子，液閃透明度好容易制造，發(fā)光衰減時(shí)間很短。

本文所研究比較的閃爍體分別是EJ公司生產(chǎn)的EJ276塑料閃爍體、EJ339液體閃爍體、EJ254塑料閃爍體，三個(gè)閃爍體相關(guān)信息如表1所示。

表1 三種閃爍體性能參數(shù)

3 電荷比較法脈沖形狀甄別原理

脈沖形狀甄別（PSD）是利用中子和γ射線在閃爍體中產(chǎn)生的閃爍光脈沖形狀存在差異［4］實(shí)現(xiàn)信號(hào)的甄別，是研究和應(yīng)用最為廣泛的一種方法。粒子進(jìn)入閃爍體后產(chǎn)生熒光，電子學(xué)儀器測(cè)得的熒光脈沖具有快、慢成分之分，但中子和γ射線與閃爍體產(chǎn)生熒光脈沖的快慢成分［5］是不同的，一般中子產(chǎn)生的脈沖信號(hào)衰減速度慢而γ射線產(chǎn)生的脈沖信號(hào)衰減速度較快［6］，這就使得電子學(xué)儀器中獲得的中子、γ射線脈沖形狀不一樣，通過兩者脈沖形狀的差異即可對(duì)兩者進(jìn)行區(qū)分。

利用脈沖形狀甄別進(jìn)行試驗(yàn)研究的主要方法有上升時(shí)間法、電荷比較法等，這些方法雖然是傳統(tǒng)方法，一般需要連接復(fù)雜笨重的電學(xué)插件，但目前已實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化實(shí)時(shí)甄別系統(tǒng)，極大地方便了使用。其中電荷比較法計(jì)算簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、甄別效果好，可以自由選擇不同區(qū)間脈沖信號(hào)積分值的比值作為甄別依據(jù)，比上升時(shí)間法實(shí)現(xiàn)過程更具靈活性。故本系統(tǒng)采用電荷比較法進(jìn)行脈沖形狀甄別。

電荷比較法［7］的原理如下：閃爍體發(fā)射的熒光經(jīng)光電倍增管收集放大，之后進(jìn)入電子學(xué)儀器的電流脈沖形狀反映了閃爍體發(fā)射的光脈沖形狀，即電流脈沖可表示為

其中τf、τs是快、慢成分的衰減時(shí)間，If(ρ)、Is(ρ)是快慢成分電流脈沖最大值，用一個(gè)時(shí)間常數(shù)很大的積分回路對(duì)電流脈沖積分可得總電荷［8］：

即電荷脈沖也是快、慢兩部分組成，它們都是帶電粒子在閃爍體中形成電力密度ρ的函數(shù)。不同帶電粒子形成的 Qf/Qs、Q/Qs、Q/Qf都不一樣，因此可以通過比較不同帶電粒子所形成的這些比值中任何一種來鑒別粒子［9］，這種方法即電荷比較法。

4 實(shí)驗(yàn)裝置的搭建

如圖2所示，搭建的實(shí)驗(yàn)裝置主要組成為實(shí)驗(yàn)室鐳-鈹中子源、有機(jī)閃爍體探測(cè)器、數(shù)字化系統(tǒng)、PC端。實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示，入射粒子進(jìn)入到閃爍體后產(chǎn)生熒光，后經(jīng)光電倍增管內(nèi)多級(jí)放大，在光電倍增管陰極形成光電子，此時(shí)光電倍增管末端的前置放大器，對(duì)接收到光電倍增管陰極輸出的光電信號(hào)進(jìn)行處理，形成快速的指數(shù)衰減脈沖信號(hào)，再經(jīng)過交流耦合，送到數(shù)字化甄別系統(tǒng)中的ADC進(jìn)行快速采樣。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖3 實(shí)驗(yàn)流程系統(tǒng)框圖

4.1 數(shù)字化甄別系統(tǒng)

數(shù)字化甄別系統(tǒng)［10］由高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA和MCU嵌入式系組成。ADC主要用于將前端電路輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過ADC采樣的指數(shù)衰減脈沖信號(hào)如圖4所示?？删幊涕T陣列FPGA用于處理ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)，同時(shí)在FPGA內(nèi)部完成電荷累加運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果通過UART串口傳送給MCU嵌入式系統(tǒng)。MCU嵌入式系統(tǒng)通過分析FPGA獲取的電荷結(jié)果，甄別出中子和γ粒子信號(hào)，最后連接PC終端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和結(jié)果顯示。PC端采用自編軟件收集系統(tǒng)采集粒子事件數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以實(shí)現(xiàn)觸發(fā)閾值調(diào)節(jié)、高壓調(diào)節(jié)、長(zhǎng)門（Long Gate）和短門（Short Gate）設(shè)置等，即時(shí)測(cè)量顯示出Wave（脈沖波形）、PSD-gram（PSD二維圖）、Splot（PSD散點(diǎn)圖）等。

圖4 脈沖信號(hào)及長(zhǎng)門短門

4.2 實(shí)驗(yàn)裝置的調(diào)試

在數(shù)字化系統(tǒng)處理過程中，F(xiàn)PGA獲取到ADC實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)之后，首先判斷信號(hào)幅度，當(dāng)幅度超過設(shè)定觸發(fā)閾值，系統(tǒng)認(rèn)為這是一次有效的粒子脈沖事件，并根據(jù)設(shè)定好的長(zhǎng)門和短門，計(jì)算一次粒子事件中所對(duì)應(yīng)的電荷量QLong、QShort。MCU系統(tǒng)接收到一次事件的計(jì)算結(jié)果之后，計(jì)算出這次事件的PSD值，再根據(jù)PSD值確定該次事件是γ粒子事件還是中子事件。PSD值的計(jì)算方法［11］為PSD=（Qlong-Qshort）/Qlong。

觸發(fā)閾值一般設(shè)定為100mV。長(zhǎng)門的積分時(shí)間一般選取完整脈沖信號(hào)的長(zhǎng)度，短門的積分時(shí)間一般選取信號(hào)波形的前沿（如圖4所示）。輸入信號(hào)積分之后得到Qlong、Qshort，所以通過改變長(zhǎng)門、短門的數(shù)值，可以改變PSD的值。

在進(jìn)行閃爍體探測(cè)器脈沖形狀甄別性能實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)需針對(duì)不同探測(cè)器的性能進(jìn)行高壓、長(zhǎng)門、短門等參數(shù)的設(shè)置，經(jīng)實(shí)驗(yàn)摸索，三種探測(cè)器的最佳工作條件是EJ339液體閃爍體探測(cè)器：高壓為負(fù)1700V，長(zhǎng)門為700ns，短門為120ns；EJ276塑料閃爍體探測(cè)器：高壓為負(fù)1500V，長(zhǎng)門為700ns，短門為120ns；EJ254塑料閃爍體探測(cè)器：高壓為負(fù)1400V，長(zhǎng)門為500ns，短門為80ns。

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)室鐳-鈹中子源中子發(fā)射率6.98×105n/s，因該源γ射線劑量率較大，實(shí)驗(yàn)中采用了多個(gè)鉛塊進(jìn)行屏蔽。根據(jù)調(diào)試設(shè)定值，利用實(shí)驗(yàn)室鐳-鈹中子源分別對(duì)各個(gè)閃爍體探測(cè)器照射時(shí)長(zhǎng)約30min。

經(jīng)測(cè)量得出三種閃爍體的PSD散點(diǎn)圖如圖5所示，其中橫坐標(biāo)為射線能量強(qiáng)度單位eV，縱坐標(biāo)為PSD值。從圖5（a）中可以很明顯地看到兩部分的分布，其中PSD值較大部分的是γ峰，PSD較小的部分是中子峰。在圖5（b）中，可以看到中子和伽馬兩部分在尾部分開，分開的也不明顯，該閃爍體探測(cè)器甄別性能有待進(jìn)一步確定。圖5（c）中則看不到分開的兩部分PSD區(qū)域，說明該探測(cè)器甄別性能比較差。

圖5 三種閃爍體PSD散點(diǎn)圖

測(cè)量三種閃爍體的PSD二維圖如圖6所示，其中橫坐標(biāo)為PSD值，縱坐標(biāo)為事件數(shù)。

圖6 三種閃爍體PSD二維圖

圖6中PSD值大的為γ峰，因中子源γ射線強(qiáng)度大，所以探測(cè)到的粒子事件數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中子。矮一點(diǎn)峰為中子峰，也即PSD值小的峰。從圖6中可以看出，顯然EJ339液體閃爍體探測(cè)器的中子和γ射線的分離程度比較大，而EJ254中子和γ射線沒有分離。雖然從中子和伽馬兩部分區(qū)域的分離程度可以直觀的判斷探測(cè)器n-γ甄別能力的大小，但是總是有肉眼分辨不出來的情況。n-γ甄別能力的定量分析則需要通過計(jì)算品質(zhì)因子FOM值來進(jìn)行判定和比較，F(xiàn)OM值越大，探測(cè)器的分辨能力越強(qiáng)。FOM的定義如下：

其中，S為兩峰值之間的距離，F(xiàn)WHMn表示中子峰的半高寬，F(xiàn)WHMγ表示γ峰的半高寬。

根據(jù)圖6所示值，在CAD制圖上精確測(cè)量得到EJ339、EJ276的相關(guān)數(shù)據(jù)如圖7所示。由FOM值的計(jì)算公式可以計(jì)算出EJ339的FOM值為1.0，EJ276的FOM值為0.8，EJ254無FOM值。從圖5、圖6和FOM計(jì)算結(jié)果得知，EJ254并不能甄別出中子和γ射線，甄別性能最差。EJ339液體閃爍體探測(cè)器能很好的區(qū)分開中子和γ射線，甄別性能最好，EJ276甄別性能次之。

圖7 測(cè)得EJ339、EJ276中子和γ峰的半高寬和峰距

6 結(jié)語

本次試驗(yàn)對(duì)三種有機(jī)閃爍體的n-γ甄別性能進(jìn)行了評(píng)測(cè)分析，其中EJ339液體閃爍體探測(cè)器n-γ甄別性能是最好的，優(yōu)于EJ276、EJ254塑料閃爍體探測(cè)器。在試驗(yàn)過程中考慮的因素還不是很全面，可能導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)存在一定偏差，特別是EJ254的性能測(cè)試，出現(xiàn)了令人意外的結(jié)果。因條件有限，未將三種閃爍體與EJ301等比較典型的有機(jī)閃爍體探測(cè)器進(jìn)行測(cè)量比較，在下一步的研究中逐步改善條件，獲取更精確的結(jié)果。