稳态辐射源电流法评估无机闪烁体抗中子干扰能力

胡孟春，冯璟华,周 刚，李忠宝，唐登攀，张建华，司粉妮，黄 雁

（中国工程物理研究院核物理与化学研究所，四川 绵阳 621900）

0 引 言

有机闪烁体一般含有氢元素，含氢物质对中子较敏感，比较适合于中子测量;无机闪烁体密度大，平均原子系数高，对γ、X射线有较大的阻止本领，比较适合于γ测量。γ辐射探测器的抗中子干扰能力是判断γ测量信号质量的重要依据之一。γ辐射探测器在γ辐射灵敏度相同的情况下，对中子干扰辐射灵敏度越低的探测器抗中子干扰能力越强；γ辐射探测器在中子干扰辐射灵敏度相同的情况下，对γ辐射灵敏度越高的探测器抗中子干扰能力越强。抗中子干扰能力越强的γ辐射探测器，在n、γ混合辐射场中，测量的γ辐射数据可靠性越高。在n、γ混合辐射场中近距离直接测量γ辐射时，使用的探测器必须对γ辐射较灵敏而对中子相对不灵敏。CeF3[1-5]、YAP∶Ce[6-11]、LaCl3∶Ce[12-14]等均为新型快响应无机晶体，这些无机闪烁体发光衰减时间短，近年越来越引起人们的关注，一些研究者对它们的发光衰减时间特性、发光产额、抗辐射特性等方面进行了一些研究[1-14]。而这些新型无机闪烁体构成探测器的抗中子干扰能力研究数据报道较少。由于中子与物质作用总要形成γ，无机闪烁体对γ辐射灵敏而对中子辐射相对不灵敏，因而在中子场中对无机闪烁体的中子绝对灵敏度进行精确标定是很困难的。本工作目的是通过简单的分析和推导，使用新型无机晶体探测器，据此能够应用稳态中子源和60Co放射性γ源，在不用测量测点注量率的情况下，也可以得到无机闪烁体抗中子干扰能力的数据。

1 γ辐射探测器抗中子干扰能力的物理表征

γ辐射探测器的抗中子干扰能力Kn，可以用探测器对应γ辐射的灵敏度Sγ与对应中子辐射的灵敏度Sn的比值来表征[15-17]：

如果能够直接得到探测器对应γ辐射的灵敏度和对应中子辐射的灵敏度，应用式（1）就可以得到探测器的抗中子干扰能力数据。

2 探测器灵敏度稳态辐射源电流标定法

稳态辐射源标定法是实验测定闪烁探测器对辐射灵敏度的一种较简单的方法。对于电流输出型探测器，单能稳态源情况下，探测器的灵敏度可以直接用探测器输出电流I与探测器位置处引起探测器电流输出的辐射粒子注量率φ的比值来表示[15-17]即：

将探测器放置在辐射场中，直接测量I和φ，应用式（2）计算就可以得到探测器对辐射的灵敏度。离源点距离L处的注量率φ也可以按式（3）计算得到：

其中，源的强度J是通过监测测量得到，如果是放射性源也可以根据出厂源的活度推算出来，该方法适用单能稳态中子源和稳态γ源情况的灵敏度标定。

3 γ辐射探测器抗中子干扰能力直接测量的困难

由上面测量原理分析初步来看：在单能辐射源的情况下，稳态源应用式（2）和式（3），就可以得到探测器对γ辐射的灵敏度Sγ或者对中子辐射的灵敏度Sn，结合式（1）就能够得到γ辐射探测器的抗中子干扰能力Kn。但实际应用时，稳态情况下需要准确知道测点的辐射粒子注量率φ或辐射源的强度J。对于稳态γ辐射源来说这些比较容易实现，而对稳态中子辐射就相对比较难，因为中子与物质作用常常伴随着γ产生，探测器的电流输出中除了中子源直接作用的贡献外，还有这些伴随γ等本底辐射引起的电流贡献。一般情况下无机闪烁体对γ辐射相对灵敏而对中子辐射相对不灵敏，如果不采取措施直接测量，在无机闪烁探测器测量中子源的电流输出中，中子引起的贡献反而可能比例小一些，这样应用上面公式得到的无机闪烁体的中子灵敏度不确定度就会很大，由此得到的探测器抗中子干扰能力数据也就很难有实际参考价值。

4 γ辐射探测器抗中子干扰能力的间接获取方法

4.1 间接获取γ辐射探测器抗中子干扰能力的计算公式

应用一个已刻度好的基准探测器，基准探测器的抗中子干扰能力、对应γ辐射和中子辐射的灵敏度分别为 Kn0、Sγ0、Sn0。根据式（1）同样可以有下面关系

结合式（1）～式（4）可以得到：就可以得到Kn。

4.2 稳态辐射源情况下获取的方法

根据式（2）和式（3）可以得到：

S0、I0、L0分别为作为基准的探测器灵敏度、输出电流和测点至源中心的距离，S、I、L分别为被测探测器灵敏度、输出电流和测点至源中心的距离。实际测量中，一般可以将两探测器放在离源中心相同位置处，这样L0=L，进入两个探测器的辐射注量率也应当是相同的。如果光电倍增管特性也几乎相同（或相对灵敏度已刻度好），通过比较两探测器扣除本底后的电流输出就可以得到无机闪烁体探测器相对基准闪烁体探测器的相对灵敏度。这样式（6）可以变为

因此，在上述条件下，不用测量测点注量率，直接采用式（7）的电流比较法，就能够用稳态辐射源测量获取，从而根据式（4）和式（5）得到被测无机闪烁体探测器的抗中子干扰能力。

5 评估CeF3闪烁探测器抗14 MeV中子干扰能力时的应用实例

根据式（2）和式（3），在60Co或137Csγ 放射源场中，用电流法能够从实验中直接测得约为0.55[1-5]，由于ST401塑料闪烁对中子相对灵敏，根据式（2）、式（3）和式（4）应用60Coγ 放射源和 DT（14 MeV）中子源，用电流法可以从实验中直接测得Kn0约为1/4[15-17]。

5.2 稳态辐射源情况下获取的应用实例

本测量在中国原子能研究院国防科工委放射性计量一级站5SDH2型加速器中子源场中进行[4]，基准探测器的闪烁体是ST401，尺寸为φ50mm×10mm，被测探测器闪烁体是CeF3，尺寸为φ45mm×10mm，光电器件为同一T5型光电倍增管，探测器离源位置完全相同。采用影锥法测量CeF3闪烁体构成的闪烁探测器信噪比约为6，ST401闪烁体构成闪烁探测器的信噪比大于16。表1是对能量为14 MeV中子下，测量得到的两探测器扣除本底后的电流净输出数据。

表1 CeF3和ST401两探测器扣除本底后的电流净输出数据

5.3 初步评估CeF3闪烁探测器抗14 MeV中子干扰能力Kn的应用实例

根据式（5）和表1及5.1节数据，可以得到，稳态电流法测量的CeF3闪烁探测器抗14 MeV中子干扰能力：

6 结束语

在无机闪烁体对中子的绝对灵敏度很难精确标定的情况下，采用本文介绍的稳态源电流法，不用测量测点注量率，就可以初步评估无机闪烁探测器抗中子干扰能力，该结果对于n、γ混合场中测量γ辐射的情况，可以为评估应用无机闪烁体探测器的n、γ分辨能力、信噪比提供直接的实验数据依据。

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