常 樂(lè) 劉龍祥 王宏偉 馬春旺 曹喜光 張國(guó)強(qiáng) 劉應(yīng)都

1（河南師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院 新鄉(xiāng) 453007）

2（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

3（中國(guó)科學(xué)院核輻射與核能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201800）

4（中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

EJ339A俘獲門(mén)控中子探測(cè)器雙脈沖特性

常 樂(lè)1,2劉龍祥2,3王宏偉2,3馬春旺1曹喜光2,3張國(guó)強(qiáng)2,3劉應(yīng)都2,4

1（河南師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院 新鄉(xiāng) 453007）

2（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

3（中國(guó)科學(xué)院核輻射與核能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201800）

4（中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

實(shí)驗(yàn)研究了俘獲門(mén)控中子探測(cè)器EJ339A的雙脈沖波形特性，利用波形采樣器進(jìn)行波形記錄，分析雙脈沖時(shí)間差和PSD (Pulse Shape Discrimination)脈沖形狀甄別和脈沖幅度譜。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了EJ339A探測(cè)器中子俘獲時(shí)間約為0.44 μs，同經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果一致。數(shù)據(jù)分析表明，EJ339A俘獲門(mén)控中子探測(cè)器對(duì)中子及伽瑪射線的PSD甄別能力要弱于EJ301常規(guī)液閃探測(cè)器；通過(guò)分析PSD譜開(kāi)窗后的中子和伽瑪能譜，發(fā)現(xiàn)EJ339A能夠分析n-p反沖脈沖和中子俘獲脈沖的關(guān)聯(lián)特性及入射中子能量信息，EJ339A探測(cè)器的中子探測(cè)效率和雙脈沖測(cè)量效率較低。

俘獲門(mén)控，閃爍體探測(cè)器，EJ339A，中子

俘獲門(mén)控中子探測(cè)器(Capture-gated neutron detector)是摻雜了具有較高熱中子吸收截面的6Li、10B、natGd等元素的閃爍體探測(cè)器。對(duì)于一個(gè)入射的快中子而言，探測(cè)器的信號(hào)具有n-p反沖脈沖和中子俘獲脈沖的關(guān)聯(lián)特性。該探測(cè)器在快中子能量準(zhǔn)確測(cè)量方面具有巨大的應(yīng)用潛力，例如地下實(shí)驗(yàn)室快中子能量的測(cè)量[1]，國(guó)際安全檢測(cè)，特別是防止核擴(kuò)散方面，鑒別特殊核材料等都需要快中子鑒別及測(cè)量技術(shù)。近些年，自主研制或商業(yè)化產(chǎn)品的摻雜閃爍體中子探測(cè)器及譜儀陸續(xù)出現(xiàn)，其探測(cè)器雙脈沖時(shí)間分布、中子俘獲時(shí)間等已經(jīng)做了大量的實(shí)驗(yàn)研究和分析[2?7]，但快中子能量的準(zhǔn)確測(cè)量還未真正的實(shí)現(xiàn)，例分立型Capture-gated閃爍體探測(cè)器（塑閃探測(cè)器+3He正比計(jì)數(shù)器）[1]、摻硼塑料閃爍體探測(cè)器Capture-gated性能研究[8]、6Li快中子探測(cè)器性能研究[9]、EJ254俘獲門(mén)控中子探測(cè)器性能研究[10]等。美國(guó)ELJEN公司的EJ339A液體閃爍體探測(cè)器因摻雜10B元素而具有n-p反沖脈沖和中子俘獲脈沖的雙脈沖特性，至今尚未見(jiàn)到有關(guān)EJ339A雙脈沖時(shí)間譜分布和中子俘獲時(shí)間的測(cè)量結(jié)果的文獻(xiàn)。

本文主要運(yùn)用DT5720波形數(shù)字采樣器(Waveform Digitizer)，對(duì)EJ339A和EJ301液體閃爍體探測(cè)器的波形及能譜進(jìn)行了對(duì)比研究。DT5720是意大利CAEN公司生產(chǎn)的4通道、12 bit、采樣率為250 MS·s?1的桌面型波形數(shù)字采樣器[11]，輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍為2 Vpp，可以直接記錄來(lái)自于光電倍增管的脈沖信號(hào)，節(jié)省了大量的電子學(xué)插件。在數(shù)據(jù)獲取時(shí)可以進(jìn)行記錄長(zhǎng)度、觸發(fā)閾值調(diào)節(jié)等參數(shù)設(shè)置，在數(shù)據(jù)分析時(shí)可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)短門(mén)積分設(shè)置、脈沖形狀甄別PSD (Pulse Shape Discrimination)等功能。EJ339A為摻雜了4.6%的10B（提純到95%以上）的液體閃爍體探測(cè)器（主要成分為C、O、H、10B，其性能等價(jià)于BC523A和NE321A）；EJ301是用于脈沖形狀甄別測(cè)量的液體閃爍體探測(cè)器（主要成分為C、H，其性能等價(jià)于BC501A和NE213）[12]，具有較好的時(shí)間分辨率、脈沖形狀甄別能力和較高的中子探測(cè)效率[5,13?16]。在本次實(shí)驗(yàn)研究中主要用到的儀器設(shè)備有：EJ339A摻硼液體閃爍體探測(cè)器(?3"×3")，EJ301液體閃爍體探測(cè)器(?3"×3")，高壓電源CAEN N1470，DT5720數(shù)字波形采樣器，252Cf裂變中子源(9.857 kBq)等[5]。

1 俘獲門(mén)控中子探測(cè)器雙脈沖波形測(cè)量

俘獲門(mén)控(Capture-gated)方法是基于快中子在同一閃爍體中產(chǎn)生的兩個(gè)相繼信號(hào)的測(cè)量，或是獨(dú)立探測(cè)器中的兩個(gè)相繼信號(hào)的測(cè)量。由于吸收截面小、探測(cè)器體積有限，快中子不會(huì)輕易地被探測(cè)器俘獲，在穿越探測(cè)器時(shí)中子會(huì)經(jīng)過(guò)多次碰撞散射（主要是氫核）產(chǎn)生反沖質(zhì)子，形成第一個(gè)脈沖信號(hào)。在微秒時(shí)間內(nèi)，中子逐漸被慢化，能量降低(圖1(a))，這時(shí)它具有非常高的幾率被探測(cè)器摻雜材料俘獲。一旦中子被俘獲，將會(huì)有俘獲脈沖出現(xiàn)，兩個(gè)脈沖具有時(shí)間關(guān)聯(lián)性(圖1(b))，通過(guò)俘獲脈沖為反沖質(zhì)子脈沖開(kāi)門(mén)，只有當(dāng)俘獲脈沖被探測(cè)到才能接受反沖脈沖是真實(shí)的中子脈沖，反沖脈沖的幅度與入射中子能量相關(guān)，利用這一方法能夠測(cè)量入射快中子的能量。

圖1 俘獲門(mén)控探測(cè)器測(cè)量原理圖(a)和EJ339A的雙脈沖波形圖(b)Fig.1 Capture-gated detector measuring principle diagram (a) and double pulse waveform figure of EJ339A (b).

中子的俘獲時(shí)間與探測(cè)器摻雜以及探測(cè)器材料相關(guān)，兩個(gè)脈沖的時(shí)間差分布可由經(jīng)驗(yàn)公式(1)計(jì)算得到[17]：

式中，τ為中子俘獲時(shí)間(μs)，由探測(cè)器中摻雜的10B材料決定；σ為10B熱中子截面，σ=3842 bar；v為中子飛行速度，v=2.2 km·s?1；10BN為閃爍體中10B的原子數(shù)密度，對(duì)于EJ339A，=0.254×1022atom·cm?3。EJ339和BC523系列由經(jīng)驗(yàn)公式理論計(jì)算的τ值和探測(cè)器生產(chǎn)廠家給出的τ值如表1所示。

表1 理論計(jì)算得到EJ339和BC523系列液閃探測(cè)器的中子俘獲時(shí)間τ值Table 1 τ values of EJ339 & BC523 serials liquid scintillation detectors in theoretic calculation.

利用252Cf裂變中子源和DT5720記錄了EJ339A和EJ301的脈沖波形，分析雙脈沖波形時(shí)間差分布譜如圖2所示。對(duì)于EJ301主要為偶然符合，EJ339A在250 道以上的雙脈沖也主要為偶然符合事件。

對(duì)圖2中EJ339A的雙波形時(shí)間差分布譜進(jìn)行指數(shù)擬合，利用式(2)計(jì)算得到中子的俘獲時(shí)間τ[8?10]：

式中，τ為中子俘獲時(shí)間；Slope Value為指數(shù)擬合斜率值；t為DT5720波形采樣時(shí)間間隔，t=4 ns。實(shí)驗(yàn)給出了EJ339A的中子俘獲時(shí)間的測(cè)量值約為0.44 μs (表2)。由表2可見(jiàn)，對(duì)于不同類(lèi)型的探測(cè)器（液體、塑料閃爍體），摻雜元素不同(10B、6Li)、摻雜比例不同(1%、5%等)，中子俘獲時(shí)間都有差別。

表2 不同俘獲門(mén)控探測(cè)器的τ值結(jié)果（理論和實(shí)驗(yàn)）Table 2 τ values of different capture-gated detectors (theory and experiment).

圖2 EJ339A和EJ301的雙波形時(shí)間分布譜Fig.2 Time difference spectrum of EJ339A and EJ301.

2 探測(cè)器幅度譜分析

EJ339A和EJ301對(duì)252Cf裂變中子源和環(huán)境伽瑪本底的脈沖形狀甄別PSD譜如圖3所示。PSD值根據(jù)式(3)由脈沖波形積分計(jì)算得到（短門(mén)積分值Qshort積分時(shí)間80 ns；長(zhǎng)門(mén)積分值Qlong積分時(shí)間120ns）[5]：

圖3(a)為252Cf裂變?cè)吹腜SD譜，圖3(b)為本底條件(Background, BKG)下的PSD譜，在本底條件下對(duì)γ射線開(kāi)窗，將開(kāi)窗條件用于圖3(a)中扣除γ事例得到中子計(jì)數(shù)及幅度譜（包含單脈沖和雙脈沖中子事例）。另外從雙脈沖波形分析中也可以確定出中子事件（僅雙脈沖事例），反沖脈沖積分后得到幅度譜分布如圖4所示。

圖4(a)為EJ339A的PSD開(kāi)窗的γ能譜結(jié)果(252Cf和BKG)；圖4(b)為EJ339A和EJ301的PSD開(kāi)窗后γ能譜(252Cf源)的比較；圖4(c)為EJ339A和EJ301的PSD開(kāi)窗后選出的中子能譜(252Cf源)；圖4(d)為EJ339A測(cè)量到的雙脈沖波形信號(hào)分析的中子能譜結(jié)果，分別給出了反沖和俘獲脈沖能譜。圖4給出的均為等效電子能量，刻度方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[5]。

由圖4(a)、(b)可確認(rèn)，等效電子能譜中對(duì)應(yīng)的兩個(gè)低能峰，主要來(lái)自于40K (1.641 MeV)和208Tl (2.614 MeV)的康普頓峰，從對(duì)137Cs-60Co源測(cè)量中可以得到探測(cè)器的幅度閾值設(shè)定在約250 keV，因此10B俘獲反應(yīng)的γ射線482 keV（康普頓邊能量為315 keV）可以測(cè)量到。如圖4(d)中的峰（實(shí)線）所示，Q值能量2.31 MeV（對(duì)應(yīng)等效電子能量為90 keV）在閾值以下，沒(méi)有測(cè)量到。圖4(a)中，12?13 MeV γ可能為高能宇宙射線。從圖4(b)可以看到，相對(duì)于常規(guī)的液閃探測(cè)器，低能段γ峰位置一致，但高能峰的幅度有較明顯的差異。根據(jù)理論計(jì)算，宇宙射線在EJ339A中沉積的能量約為13.69 MeV，EJ301的能量沉積約為13 MeV，但實(shí)驗(yàn)?zāi)茏V的峰位差別顯著，其原因有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)分析確認(rèn)。圖4(d)為雙脈沖波形分析給出的第一個(gè)脈沖（反沖）的積分譜和第二個(gè)脈沖（俘獲）的積分譜，俘獲脈沖的能量單一(315 keV)，因此表現(xiàn)為單峰分布。實(shí)驗(yàn)測(cè)量的相對(duì)計(jì)數(shù)率如表3所示。PSD中子甄別計(jì)數(shù)率EJ301約為EJ339A的3.5倍，雙脈沖探測(cè)器效率EJ339A約為EJ301的2.9倍，在相同測(cè)量時(shí)間(15 h)的條件下，EJ339A的總事件數(shù)約為EJ301的65%。EJ339A測(cè)量到的雙脈沖波形事件數(shù)遠(yuǎn)大于EJ301的測(cè)量結(jié)果，說(shuō)明摻雜10B后的俘獲效果比較明顯。

圖3 EJ339A的實(shí)驗(yàn)測(cè)量PSD譜 (a) 252Cf源，(b) 本底Fig.3 Experiment results of EJ339A with 252Cf neutron source (a) and BKG (b).

圖4 EJ339A和EJ301的實(shí)驗(yàn)測(cè)量的脈沖幅度譜Fig.4 Pulse amplitude spectrum of EJ339A and EJ301.

表3 EJ339A和EJ301事件數(shù)測(cè)量和雙脈沖波形事件數(shù)測(cè)量效率比較Table 3 Comparison of total events and double peak numbers of EJ339A and EJ301.

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比分析EJ339A俘獲門(mén)控探測(cè)器和EJ301常規(guī)PSD探測(cè)器的脈沖波形、PSD譜和雙脈沖波形時(shí)間差結(jié)果，可以得到如下一些結(jié)論：

(1) 通過(guò)測(cè)量雙脈沖波形時(shí)間譜分析EJ339A和EJ301液閃探測(cè)器，擬合提取EJ339A中子俘獲時(shí)間的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值約為0.44 μs，和經(jīng)驗(yàn)公式估算一致。

(2) EJ339A摻硼液閃探測(cè)器的n-γ甄別能力(PSD)較弱。同樣測(cè)量條件，同樣探測(cè)器尺寸下EJ339A對(duì)中子的探測(cè)效率約為EJ301的1/3，表明摻雜以后液閃的光輸出能力降低，中子γ分辨能力變?nèi)酢?/p>

(3) 從PSD開(kāi)窗得到的EJ339A和EJ301的γ譜高能段有差別，這一能量應(yīng)該為宇宙射線在探測(cè)器中的沉積能量，造成差異的原因有待進(jìn)一步研究。

(4) 從雙脈沖分析得到的俘獲脈沖積分為單一能量分布，反沖脈沖積分值對(duì)應(yīng)快中子彈性散射損失動(dòng)能之和，應(yīng)該為252Cf源標(biāo)準(zhǔn)裂變中子譜，從目前提取的中子能譜上看還不能完全對(duì)應(yīng)起來(lái)，特別是中子能量的計(jì)算還需要進(jìn)一步分析研究解決。

EJ339A具有俘獲門(mén)控探測(cè)器的雙脈沖相關(guān)特性，其中子俘獲時(shí)間約為0.44 μs，同理論計(jì)算結(jié)果符合。較短的中子俘獲時(shí)間，可以使脈沖波形記錄長(zhǎng)度縮短，有利于計(jì)數(shù)率的提高，降低獲取文件的大小。EJ339A的n-γ甄別特性不強(qiáng)，中子探測(cè)效率較低，從中子能譜提取入射中子能量還有待進(jìn)一步研究。

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CLC TL812+.2, TL816+.3, O571.53

Double pulse waveform spectrum of EJ339A capture-gated neutron detector

CHANG Le1,2LIU Longxiang2,3WANG Hongwei2,3MA Chunwang1CAO Xiguang2,3ZHANG Guoqiang2,3LIU Yingdu2,4

1(Institute of Particle Physics and Nuclear Physics, Henan Normal University, Xinxiang 453007, China)
2(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)
3(Key Laboratory of Nuclear Radiation and Nuclear Energy Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China)
4(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

s Background: Capture-gated neutron detector has been doped by the higher thermal cross section elements, such as6Li,10B ornatGd, for a fast neutron incident detector signal with n-p recoil impulse and pulse neutron capture associated characteristics. Purpose: The aim is to study the double pulse waveform spectra and to analyze the n-p recoil impulse of the EJ339A capture-gated neutron detector. Methods: Through the analysis of energy spectra and the double pulse waveform spectra, the characteristics of EJ339A capture-gated detector are studied. Results: Capture-gated detector from the energy spectra and PSD spectra measurement is effective for neutron and gamma ray. The wave of digital technology could well analyze the n-p recoil impulse and give the τ value of the EJ339A in the experiment. Conclusion: EJ339A really has captured-gated detector characteristics, pulse neutron capture and n-p associated characteristics of recoil impulse. The capture time of EJ339A is 0.44 μs, which is consistent with the theoretical calculation results.

Capture-gated, Scintillator detector, EJ339A, Neutrons

TL812+.2，TL816+.3，O571.53

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.050403

中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(No.XDA02010100)、國(guó)家自然科學(xué)基金(No.11075195、No.11475245)、國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(No.11305239)、上海市粒子物理與宇宙學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金課題(No.11DZ2260700)及中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(No.2012M520958)資助

常樂(lè)，男，1990年出生，現(xiàn)為河南師范大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生，粒子物理與原子核物理專(zhuān)業(yè)

馬春旺，E-mail: machunwang@126.com；王宏偉，E-mail: wanghongwei@sinap.ac.cn

2015-02-05，

2015-03-10