EJ339A俘获门控中子探测器双脉冲特性

常 乐 刘龙祥 王宏伟 马春旺 曹喜光 张国强 刘应都

1（河南师范大学 物理与电子工程学院 新乡 453007）

2（中国科学院上海应用物理研究所 嘉定园区 上海 201800）

3（中国科学院核辐射与核能技术重点实验室 上海 201800）

4（中国科学院大学 北京 100049）

EJ339A俘获门控中子探测器双脉冲特性

常 乐1,2刘龙祥2,3王宏伟2,3马春旺1曹喜光2,3张国强2,3刘应都2,4

1（河南师范大学 物理与电子工程学院 新乡 453007）

2（中国科学院上海应用物理研究所 嘉定园区 上海 201800）

3（中国科学院核辐射与核能技术重点实验室 上海 201800）

4（中国科学院大学 北京 100049）

实验研究了俘获门控中子探测器EJ339A的双脉冲波形特性，利用波形采样器进行波形记录，分析双脉冲时间差和PSD (Pulse Shape Discrimination)脉冲形状甄别和脉冲幅度谱。实验测量了EJ339A探测器中子俘获时间约为0.44 μs，同经验公式计算结果一致。数据分析表明，EJ339A俘获门控中子探测器对中子及伽玛射线的PSD甄别能力要弱于EJ301常规液闪探测器；通过分析PSD谱开窗后的中子和伽玛能谱，发现EJ339A能够分析n-p反冲脉冲和中子俘获脉冲的关联特性及入射中子能量信息，EJ339A探测器的中子探测效率和双脉冲测量效率较低。

俘获门控，闪烁体探测器，EJ339A，中子

俘获门控中子探测器(Capture-gated neutron detector)是掺杂了具有较高热中子吸收截面的6Li、10B、natGd等元素的闪烁体探测器。对于一个入射的快中子而言，探测器的信号具有n-p反冲脉冲和中子俘获脉冲的关联特性。该探测器在快中子能量准确测量方面具有巨大的应用潜力，例如地下实验室快中子能量的测量[1]，国际安全检测，特别是防止核扩散方面，鉴别特殊核材料等都需要快中子鉴别及测量技术。近些年，自主研制或商业化产品的掺杂闪烁体中子探测器及谱仪陆续出现，其探测器双脉冲时间分布、中子俘获时间等已经做了大量的实验研究和分析[2−7]，但快中子能量的准确测量还未真正的实现，例分立型Capture-gated闪烁体探测器（塑闪探测器+3He正比计数器）[1]、掺硼塑料闪烁体探测器Capture-gated性能研究[8]、6Li快中子探测器性能研究[9]、EJ254俘获门控中子探测器性能研究[10]等。美国ELJEN公司的EJ339A液体闪烁体探测器因掺杂10B元素而具有n-p反冲脉冲和中子俘获脉冲的双脉冲特性，至今尚未见到有关EJ339A双脉冲时间谱分布和中子俘获时间的测量结果的文献。

本文主要运用DT5720波形数字采样器(Waveform Digitizer)，对EJ339A和EJ301液体闪烁体探测器的波形及能谱进行了对比研究。DT5720是意大利CAEN公司生产的4通道、12 bit、采样率为250 MS·s−1的桌面型波形数字采样器[11]，输入信号动态范围为2 Vpp，可以直接记录来自于光电倍增管的脉冲信号，节省了大量的电子学插件。在数据获取时可以进行记录长度、触发阈值调节等参数设置，在数据分析时可以实现长短门积分设置、脉冲形状甄别PSD (Pulse Shape Discrimination)等功能。EJ339A为掺杂了4.6%的10B（提纯到95%以上）的液体闪烁体探测器（主要成分为C、O、H、10B，其性能等价于BC523A和NE321A）；EJ301是用于脉冲形状甄别测量的液体闪烁体探测器（主要成分为C、H，其性能等价于BC501A和NE213）[12]，具有较好的时间分辨率、脉冲形状甄别能力和较高的中子探测效率[5,13−16]。在本次实验研究中主要用到的仪器设备有：EJ339A掺硼液体闪烁体探测器(ø3"×3")，EJ301液体闪烁体探测器(ø3"×3")，高压电源CAEN N1470，DT5720数字波形采样器，252Cf裂变中子源(9.857 kBq)等[5]。

1 俘获门控中子探测器双脉冲波形测量

俘获门控(Capture-gated)方法是基于快中子在同一闪烁体中产生的两个相继信号的测量，或是独立探测器中的两个相继信号的测量。由于吸收截面小、探测器体积有限，快中子不会轻易地被探测器俘获，在穿越探测器时中子会经过多次碰撞散射（主要是氢核）产生反冲质子，形成第一个脉冲信号。在微秒时间内，中子逐渐被慢化，能量降低(图1(a))，这时它具有非常高的几率被探测器掺杂材料俘获。一旦中子被俘获，将会有俘获脉冲出现，两个脉冲具有时间关联性(图1(b))，通过俘获脉冲为反冲质子脉冲开门，只有当俘获脉冲被探测到才能接受反冲脉冲是真实的中子脉冲，反冲脉冲的幅度与入射中子能量相关，利用这一方法能够测量入射快中子的能量。

图1 俘获门控探测器测量原理图(a)和EJ339A的双脉冲波形图(b)Fig.1 Capture-gated detector measuring principle diagram (a) and double pulse waveform figure of EJ339A (b).

中子的俘获时间与探测器掺杂以及探测器材料相关，两个脉冲的时间差分布可由经验公式(1)计算得到[17]：

式中，τ为中子俘获时间(μs)，由探测器中掺杂的10B材料决定；σ为10B热中子截面，σ=3842 bar；v为中子飞行速度，v=2.2 km·s−1；10BN为闪烁体中10B的原子数密度，对于EJ339A，=0.254×1022atom·cm−3。EJ339和BC523系列由经验公式理论计算的τ值和探测器生产厂家给出的τ值如表1所示。

表1 理论计算得到EJ339和BC523系列液闪探测器的中子俘获时间τ值Table 1 τ values of EJ339 & BC523 serials liquid scintillation detectors in theoretic calculation.

利用252Cf裂变中子源和DT5720记录了EJ339A和EJ301的脉冲波形，分析双脉冲波形时间差分布谱如图2所示。对于EJ301主要为偶然符合，EJ339A在250 道以上的双脉冲也主要为偶然符合事件。

对图2中EJ339A的双波形时间差分布谱进行指数拟合，利用式(2)计算得到中子的俘获时间τ[8−10]：

式中，τ为中子俘获时间；Slope Value为指数拟合斜率值；t为DT5720波形采样时间间隔，t=4 ns。实验给出了EJ339A的中子俘获时间的测量值约为0.44 μs (表2)。由表2可见，对于不同类型的探测器（液体、塑料闪烁体），掺杂元素不同(10B、6Li)、掺杂比例不同(1%、5%等)，中子俘获时间都有差别。

表2 不同俘获门控探测器的τ值结果（理论和实验）Table 2 τ values of different capture-gated detectors (theory and experiment).

图2 EJ339A和EJ301的双波形时间分布谱Fig.2 Time difference spectrum of EJ339A and EJ301.

2 探测器幅度谱分析

EJ339A和EJ301对252Cf裂变中子源和环境伽玛本底的脉冲形状甄别PSD谱如图3所示。PSD值根据式(3)由脉冲波形积分计算得到（短门积分值Qshort积分时间80 ns；长门积分值Qlong积分时间120ns）[5]：

图3(a)为252Cf裂变源的PSD谱，图3(b)为本底条件(Background, BKG)下的PSD谱，在本底条件下对γ射线开窗，将开窗条件用于图3(a)中扣除γ事例得到中子计数及幅度谱（包含单脉冲和双脉冲中子事例）。另外从双脉冲波形分析中也可以确定出中子事件（仅双脉冲事例），反冲脉冲积分后得到幅度谱分布如图4所示。

图4(a)为EJ339A的PSD开窗的γ能谱结果(252Cf和BKG)；图4(b)为EJ339A和EJ301的PSD开窗后γ能谱(252Cf源)的比较；图4(c)为EJ339A和EJ301的PSD开窗后选出的中子能谱(252Cf源)；图4(d)为EJ339A测量到的双脉冲波形信号分析的中子能谱结果，分别给出了反冲和俘获脉冲能谱。图4给出的均为等效电子能量，刻度方法参见文献[5]。

由图4(a)、(b)可确认，等效电子能谱中对应的两个低能峰，主要来自于40K (1.641 MeV)和208Tl (2.614 MeV)的康普顿峰，从对137Cs-60Co源测量中可以得到探测器的幅度阈值设定在约250 keV，因此10B俘获反应的γ射线482 keV（康普顿边能量为315 keV）可以测量到。如图4(d)中的峰（实线）所示，Q值能量2.31 MeV（对应等效电子能量为90 keV）在阈值以下，没有测量到。图4(a)中，12−13 MeV γ可能为高能宇宙射线。从图4(b)可以看到，相对于常规的液闪探测器，低能段γ峰位置一致，但高能峰的幅度有较明显的差异。根据理论计算，宇宙射线在EJ339A中沉积的能量约为13.69 MeV，EJ301的能量沉积约为13 MeV，但实验能谱的峰位差别显著，其原因有待进一步实验分析确认。图4(d)为双脉冲波形分析给出的第一个脉冲（反冲）的积分谱和第二个脉冲（俘获）的积分谱，俘获脉冲的能量单一(315 keV)，因此表现为单峰分布。实验测量的相对计数率如表3所示。PSD中子甄别计数率EJ301约为EJ339A的3.5倍，双脉冲探测器效率EJ339A约为EJ301的2.9倍，在相同测量时间(15 h)的条件下，EJ339A的总事件数约为EJ301的65%。EJ339A测量到的双脉冲波形事件数远大于EJ301的测量结果，说明掺杂10B后的俘获效果比较明显。

图3 EJ339A的实验测量PSD谱 (a) 252Cf源，(b) 本底Fig.3 Experiment results of EJ339A with 252Cf neutron source (a) and BKG (b).

图4 EJ339A和EJ301的实验测量的脉冲幅度谱Fig.4 Pulse amplitude spectrum of EJ339A and EJ301.

表3 EJ339A和EJ301事件数测量和双脉冲波形事件数测量效率比较Table 3 Comparison of total events and double peak numbers of EJ339A and EJ301.

3 结语

通过对比分析EJ339A俘获门控探测器和EJ301常规PSD探测器的脉冲波形、PSD谱和双脉冲波形时间差结果，可以得到如下一些结论：

(1) 通过测量双脉冲波形时间谱分析EJ339A和EJ301液闪探测器，拟合提取EJ339A中子俘获时间的实验测量值约为0.44 μs，和经验公式估算一致。

(2) EJ339A掺硼液闪探测器的n-γ甄别能力(PSD)较弱。同样测量条件，同样探测器尺寸下EJ339A对中子的探测效率约为EJ301的1/3，表明掺杂以后液闪的光输出能力降低，中子γ分辨能力变弱。

(3) 从PSD开窗得到的EJ339A和EJ301的γ谱高能段有差别，这一能量应该为宇宙射线在探测器中的沉积能量，造成差异的原因有待进一步研究。

(4) 从双脉冲分析得到的俘获脉冲积分为单一能量分布，反冲脉冲积分值对应快中子弹性散射损失动能之和，应该为252Cf源标准裂变中子谱，从目前提取的中子能谱上看还不能完全对应起来，特别是中子能量的计算还需要进一步分析研究解决。

EJ339A具有俘获门控探测器的双脉冲相关特性，其中子俘获时间约为0.44 μs，同理论计算结果符合。较短的中子俘获时间，可以使脉冲波形记录长度缩短，有利于计数率的提高，降低获取文件的大小。EJ339A的n-γ甄别特性不强，中子探测效率较低，从中子能谱提取入射中子能量还有待进一步研究。

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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

中国科学院战略性先导科技专项项目(No.XDA02010100)、国家自然科学基金(No.11075195、No.11475245)、国家自然科学基金青年项目(No.11305239)、上海市粒子物理与宇宙学重点实验室开放基金课题(No.11DZ2260700)及中国博士后科学基金项目(No.2012M520958)资助

常乐，男，1990年出生，现为河南师范大学和中国科学院上海应用物理研究所联合培养硕士研究生，粒子物理与原子核物理专业

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

2015-02-05，

2015-03-10