用反符合和热中子屏蔽降低γ谱仪本底

刁立军 侯铁栋 李 玮 孟 军

1（中国原子能科学研究院 北京 102413）

2（广西大学 南宁 530004）

低本底HPGe γ谱仪广泛应用于辐射防护、环境监测、科学研究(如暗物质探测、双 β衰变研究)等领域，其本底水平是影响其探测下限的重要因素。地面实验室的低本底HPGe γ谱仪，通常采取足够厚度和低放射性杂质的物质屏蔽(如百年以上的老铅)，同时样品室内充氮气，可完全消除建筑材料和空气中的天然放射性核素、以及次级宇宙射线中的电子、质子、低能光子等软成份对本底的影响。采取上述屏蔽和充气措施后，相对效率为40%的HPGe探测器在50–2000 keV能区内积分本底计数一般在1 s–1以下，此时本底的主要来源是次级宇宙射线硬成份μ子和中子。

μ子和中子产生本底的方式较为复杂。μ子的贯穿能力强，其衰减主要途径为电离、电子对产生、轫致辐射和核反应。它可以直接与探测器作用产生本底，还可与屏蔽材料作用间接影响本底，如与铅等材料作用产生中子、次级电子和湮灭光子，次级电子能引起轫致辐射，湮灭光子则会产生511 keV的湮灭峰和连续区本底。μ子不稳定，通过下式衰变，会增加511 keV的湮灭峰和连续区本底计数[1]。

不同能区的中子影响本底的方式不同，快中子与探测器和屏蔽材料发生非弹性散射使原子核激发，退激过程中产生瞬发γ射线，如与锗晶体作用产生596、691 keV等瞬发γ射线。热中子与物质主要为热中子俘获反应，探测器和屏蔽材料的物质原子核俘获热中子后生成各种放射性核素，如74Ge(n,γ)75mGe和70Ge(n,γ)71mGe[2]，这些核素衰变退激产生的γ射线可能被探测器记录；热中子俘获反应时还伴有瞬发γ射线，它们在较大的能区范围内对本底产生不同程度的影响。

与仅有物质屏蔽的常见低本底γ谱仪不同，反宇宙射线低本底γ谱仪在屏蔽室外又增加了反符合屏蔽探测器，用于探测μ子等宇宙射线硬成份，用反符合法可进一步大幅度降低测量装置本底。国外已建有多台反宇宙射线低本底γ谱仪测量装置[3–7]，我国尚未有相关报道。本工作基于一台新建的反宇宙射线低本底γ谱仪测量装置，测量并分析不同屏蔽条件下的本底能谱，对采用反符合和热中子屏蔽方法联合降低μ子和中子产生的本底进行了研究，得到具有重要意义的结论。

1 实验装置和方法

1.1 装置

该反宇宙射线低本底γ谱仪用HPGe探测器，美国ORTEC公司生产，超低本底“J”型结构，前置放大器远置，相对效率105%(灵敏体积400 cm3)，对60Co的1332.5 keV γ射线能量分辨率1.80 keV，配有数字化γ谱仪测量分析系统。图1为整套装置结构及电子学线路。装置结构由外而内依次为外屏蔽室(铅钢复合体)、塑料闪烁探测器、镉吸收片、内铅环和无氧铜内衬。

图1 反宇宙射线低本底γ谱仪测量装置结构图1.HPGe探测器; 2.铜内衬; 3.内铅环;4.镉片; 5.塑料闪烁探测器; 6.外屏蔽室; 7.前置放大器; 8.杜瓦瓶Fig.1 Schematics of the anti-cosmic low-background γ-ray spectrometer.1.HPGe detector; 2.copper lining; 3.inner lead shielding;4.cadmium absorber; 5.plastic scintillation detector;6.outer shielding; 7.preamplifier; 8.dewar

通过计算，9.4 cm的铅屏蔽可使208Tl的 2.6 MeV γ射线衰减至原来的百分之一；外屏蔽室厚11.5 cm，用于降低天然放射性核素和次级宇宙射线软成份对塑料闪烁探测器计数率和谱仪本底的影响；内铅环厚7.5 cm，进一步降低谱仪本底，同时阻止样品发出的γ射线被塑料闪烁探测器探测；无氧铜内衬厚2.5 cm，主要用于屏蔽210Pb子体210Bi的β射线产生的轫致辐射。上述电解铅、无氧铜和不锈钢等均经过仔细选择，内铅环所用电解铅中210Pb的比活度约为外屏蔽室电解铅的1/10。

塑料闪烁探测器作为反符合屏蔽，分为井型、底部和塞子三部分，可抑制宇宙射线μ子成份，还可慢化或热化快中子，厚度较大(10 cm)，有利于快中子和γ射线的探测。对置于中心的137Cs点源，井型探测器对661.66 keV γ射线的探测效率为53%。22支CR-135型低本底低噪声光电倍增管由统一的高压电源供电，输出信号直接相加后经放大器、单道、延时和门产生器作为反符合信号输入数字化 γ谱仪。镉吸收片作为热中子屏蔽，4π方向包围内铅环，厚度 1 mm，计算结果表明足以吸收各个方向入射的热中子。由环形铜内衬、顶部和底部铜板围成的严密样品室，底部设有小孔可充入杜瓦瓶内自然蒸发的氮气，有效驱逐样品室中的空气，消除空气中的氡气及子体对本底的影响。

1.2 方法

反符合门控信号宽度直接影响本底抑制效果和样品偶然反符合计数损失，2004年Schroettner等[8]研究了门控信号宽度的最优化问题。本装置采用简化的电子学线路，光电倍增管输出经图1线路产生一矩形门控脉冲信号，经调试，延迟时间设定为12 μs，门控宽度 10 μs。

表1 不同屏蔽条件下的本底数据测量结果(单位：10–3 s–1)Table 1 The background counting rate (in 10–3 s–1) measured in different shielding conditions.

选择如下4种屏蔽条件测量谱仪本底：(a) 仅物质屏蔽(外屏蔽室、内铅环和铜内衬)，无塑料闪烁体；(b) 对屏蔽条件(a)增加塑料闪烁体，但无反符合；(c) 对屏蔽条件(b)增加反符合；(d) 对屏蔽条件(c)增加镉吸收片。测量前，确保足够的充气时间(24 h以上)以消除氡气及其子体对本底的影响。为降低测量结果统计不确定度，测量时间在 5×105s以上。表1测得的主要本底数据。

2 结果与分析

相比于仅有物质屏蔽，增加塑料闪烁体(无反符合)后热中子俘获反应63Cu(n,γ)产生的278.3 keV瞬发γ射线峰本底增高4.6倍，而快中子非弹性散射反应63Cu(n,n,γ)产生的669.6 keV和962.1 keV瞬发γ射线峰本底明显降低，说明塑料闪烁体对快中子具有显著的慢化和热化作用。511 keV和2000–4000 keV积分本底增高可能与63Cu(n,γ)反应产生的高能瞬发γ射线有关。

2.1 反符合屏蔽降低μ子本底

μ子因衰减方式的不同，对本底的影响涵盖了低能到高能的广泛区间。条件b与c下的数据显示，反符合使 100–2000 keV能区的积分本底降低了 8倍，2000–4000 keV能区的本底降低了11.3倍，511 keV射线峰的本底降低了5.8倍。511 keV γ射线来源复杂，这里因反符合被降低的部分主要源自μ子在屏蔽物质里诱发的正负电子对湮灭及μ本身的衰变。图2比较了无反符合(条件b)和有反符合(条件c)两种屏蔽条件下的本底能谱。

图2 有、无反符合条件下的本底能谱比较Fig.2 Comparison of the background spectra measured with and without anticoincidence.

2.2 反符合屏蔽降低快中子本底

加入塑料闪烁体后，快中子与铜非弹性散射作用产生的669.6 keV和962.1 keV瞬发γ射线的计数率降低近50%，这主要是富氢塑料闪烁体使快中子慢化的缘故。采用反符合后，在本底谱上未观测到669.6 keV和962.1 keV峰，这是由于10 cm的塑料闪烁体对快中子具有较高的探测效率，采用反符合技术可抑制快中子产生的本底；也与塑料闪烁探测器对在内铅环等材料上产生快中子的μ子的探测效率较高有关。为进一步说明反符合屏蔽对快中子的抑制作用，图3比较了加入塑料闪烁体前和加入塑料闪烁体并采用反符合后快中子与 Ge晶体作用产生的本底能谱。

由图 3，快中子与锗发生非弹性散射作用，因锗原子核的反冲，在瞬发γ射线596 keV和691 keV峰位右侧会产生不对称的锯齿形展宽。对比图中的A、B本底能谱，可发现快中子在Ge晶体上引起的锯齿形本底在加入塑料闪烁体并采用反符合后完全消失。B能谱中596 keV射线峰来自锗热中子俘获瞬发γ射线，而并非快中子[2]，609.3 keV和661.6 keV两条射线峰则主要来自样品室内少量的氡子体214Bi和屏蔽材料中的137Cs杂质。

2.3 热中子屏蔽降低本底

由表 1数据可见，增加热中子屏蔽(镉吸收片)后，本底谱内各射线峰及积分本底均明显降低，其中降低幅度最为显著的是278.3 keV瞬发γ射线本底、511 keV湮灭峰本底和2000–4000 keV能区积分本底，分别达到8.2、3.5和3.6倍。主要原因是由于热中子俘获瞬发 γ射线源由铜内衬和锗晶体(主要是铜内衬)向镉吸收片转移，而镉吸收片与HPGe探测器之间具有较厚的物质屏蔽所致。此外，镉在俘获一个热中子后，平均放出约1.69个瞬发γ射线[9]，一次俘获“同时”发出的二条 γ射线有可能分别被HPGe和塑料闪烁探测器探测，因此反符合对降低热中子俘获后的瞬发γ射线本底也起到了一定的积极作用。表2列出了锗、铜、镉和铅等4种元素的热中子俘获截面和部分发射系数较大的瞬发γ射线数据[9]。

图3 两种屏蔽条件下快中子在Ge晶体上产生的本底能谱A.未加入塑料闪烁体; B.加入塑料闪烁体并采用反符合Fig.3 The background spectra generated by fast neutron on Ge in two shielding conditions.A.without the plastic scintillation detector; B.with the plastic scintillation detector and anticoincidence

表2 锗、铜、镉和铅的热中子俘获截面及瞬发γ射线(部分)Table 2 Thermal capture cross section and part of the prompt γ-rays of Ge, Cu, Cd and Pb.

锗、铜和镉的热中子俘获瞬发γ射线能量范围广，数量多，因此对本底的影响涵盖了很大的能量区间。发射系数较高的瞬发 γ射线，如铜的 278.3 keV、锗的596.4 keV γ射线，在本底谱上一般都可以观测到。发射系数较低的，同样会通过与探测器、屏蔽材料等发生光电效应、康普顿散射、电子对效应等作用增加谱仪的本底。加入镉吸收片后降低的511 keV射线峰本底主要来自铜热中子俘获高能瞬发γ射线的电子对效应，高能区2000–4000 keV的积分本底在未加入镉吸收片前2/3以上也是由热中子俘获高能瞬发γ射线引起的。热中子屏蔽不仅提高了反符合对511 keV本底峰的抑制系数，而且也提高了反符合对整个积分本底的抑制水平。

3 结论

以10 cm塑料闪烁体为反符合探测器、4π方向包围内屏蔽室和HPGe主探测器的反宇宙射线低本底γ谱仪，采用反符合技术可以大幅度降低次级宇宙射线μ子产生的本底, 同时经塑料闪烁体的慢化和反符合技术，亦可有效抑制快中子非弹性散射诱发的本底。通过有效的热中子屏蔽可大幅度降低屏蔽材料等热中子俘获反应产生的本底，提高反符合对511 keV γ射线峰本底以及谱仪整个积分本底的抑制水平。反符合屏蔽联合热中子屏蔽是降低μ子和中子本底的有效措施，对于已具备良好的物质屏蔽的低本底γ谱仪，可以进一步降低本底水平达一个量级以上。

致谢 谱仪装置建立过程中得到中国原子能科学研究院石宗仁、金惠民研究员和中科院高能物理研究所衡月昆博士的大力帮助，在此谨向他们致以衷心感谢。

1 Heusser G.Annu Rev Part Sci, 1995,45: 543–590

2 Michael F, Annunziata L.Handbook of radioactivity analysis.2nd ed.Vienna: International Atomic Energy Agency, 2003.273–280

3 Heusser G.Nucl Instrum Methods, 1991, B58: 79–84

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9 Lone M A, Leavitt R A, Harrison D A.Atomic Data and Nuclear Data Tables, 1981, 26(6): 512–557