关联α粒子探测器设计和性能研究

张 凯，栾广源，陈红涛，赵 芳，鲍 杰，苏 明，阮念寿，赵单鹏,3，侯 龙,*

(1.中国原子能科学研究院 核数据重点实验室，北京 102413；2.中国工程物理研究院 特种材料研究所，四川 绵阳 621000；3.火箭军工程大学 核工程学院，陕西 西安 710025)

快中子的关联粒子成像技术(API)[1]主要利用D-T聚变反应时出射α粒子和n具有时间关联和位置关联特性，通过对α粒子时间和位置信息的探测，可跟踪特定方向的中子，实现出射中子的自准直，有效降低散射中子对实验的干扰。通过α-γ关联，可实现对待测物的元素分析，进而通过C、H、O、N元素比可实现爆炸物检测[2]。通过α-n关联，可实现对核材料的无损检测分析，如核材料的中子透射成像、透射断层扫描成像和裂变映射成像[3-4]。目前国内的关联粒子探测装置主要依托进口设备[5-6]，不能实现关联成像。API技术中对关联α粒子位置和时间信息的准确测量至关重要，本文依托中国原子能科学研究院核数据重点实验室的小型高压倍加器中子源，提出关联α粒子靶管设计方案，并对伴随探测器时间分辨和空间分辨进行研究。

1 关联α粒子探测设计

1.1 结构设计

中国原子能科学研究院核数据重点实验室小型高压倍加器是利用D-T聚变产生14 MeV的单能中子源，反应如下：

D-T聚变反应在产生14 MeV中子的同时，会在中子反方向产生1个α粒子。中子和α粒子一一对应产生，出射时间相同、出射方向完全相反。利用伴随法技术可实现对中子源强度的监测；通过对伴随α粒子位置和时间的高精度监测可实现对出射中子的跟踪与甄别。为同时达到这两个目的，进行了特殊的靶管设计(图1)。

D+束漂移管、产额测量管和关联测量管三轴交于靶心，T-Ti靶与入射D+束呈45°，主要考虑便于关联α粒子束的探测。Au-Si面垒探测器探测与D+束入射方向呈150°的伴随α粒子，通过α粒子强度和立体角反推可计算靶位置中子强度。该探测器距靶头50 cm，Au-Si面垒探测器和靶之间设置2个内径为8 mm的反散射光阑用来减少散射α粒子对束流监测的影响。

图1 关联α粒子探测器系统设计示意图Fig.1 Schematic diagram of associated alpha particle detector system design

关联α粒子探测器主要由闪烁型探测器、蓝宝石玻璃和多阳极光电倍增管(PSPMT)H13700组成，整体放置于D+入射的90°方向。α粒子探测器中心距靶中心约50 mm，探测器面积为50 mm×50 mm，所以理论上可监测约50°范围内中子。D+束轰击靶面时放出光，同时靶附近会存在大量散射D离子，这些都会对关联探测器造成不利影响。所以在α粒子探测器前覆盖了1 μm厚的铝膜进行光隔离，同时可降低散射D粒子对探测器的影响，同时铝膜接地可避免闪烁体表面的电荷沉积放电，降低干扰信号的影响。通过SRIM计算可得到，3.5 MeV α粒子在1 μm铝膜中的能量损失约200 keV，能损不到总能量的10%，不影响对关联粒子的探测。蓝宝石玻璃具有高强度、高透光率的特点，所以用2 mm厚的蓝宝石玻璃进行真空密封，同时也作为光导连接闪烁体和光电倍增管。闪烁型探测器和蓝宝石玻璃之间、蓝宝石玻璃和H13700玻璃窗之间均采用光学硅脂进行耦合，以提高光透过率。

关联探测器关键之一就是要有高时间分辨性能(<1 ns)，所以在探测器选择上首先要选择具有快时间响应的探测器。ZnO：Ga闪烁体具有快的上升时间和下降沿，是比较理想的选择。由于大面积的ZnO：Ga价格昂贵且不易获得，所以本探测器先采用25 mm×25 mm×1 mm的ZnO：Ga作为关联粒子探测器。

1.2 PSPMT读出电路设计与测试

位置灵敏光电倍增管H13700[7]是适用于进行高分辨模块化的成像探测器，光感面积为49 mm×49 mm，具有256个分立阳极，组成16×16的探测像素阵列，每个探测像素为3 mm×3 mm。对256路信号进行单独读出采集的系统庞大且昂贵，常用的方法是利用离散位置读出电路(DPC网络)或均衡电荷分配电路(SCDC网络)进行简化[8]。DPC网络结构简单，将256路信号直接简化为4路，对后端信号采集与处理较易，但有较明显的边界压缩效应，不利于大面积探测。SCDC网络是将阳极收集来的电荷信号均衡分配到X和Y两个方向上，每个方向16路信号。结合局域重心法(TCOG)可将32路信号进一步简化为X+、X-和Y+、Y-4路信号，再经过式(1)、(2)算法进行位置重建。通过散点图响应图像[8]结果对比(图2)可看出，SCDC-TCOG边界压缩效应大为降低，可获得较好的空间分辨和成像性能。

a——DPC；b——SCDC-TCOG图2 散点图响应图像对比Fig.2 Contract of scatter point response image

(1)

(2)

对设计的SCDC读出电路的X和Y方向进行单独测试。用脉冲发生器作为信号源，依次输入每个通道，监测每路通道对应的位置线性度，测试结果如图3所示。

图3 X、Y轴通道与位置线性关系Fig.3 X/Y-axis channel and position linear relationship

从图3可看出，X轴和Y轴通道计算出来的相对位置和通道数具有非常好的位置线性度。其中X轴读出的最大偏差为通道读出间距的7.14%，平均偏差为1.46%。Y轴读出的最大偏差为通道读出间距的5.44%，平均偏差为0.99%。

2 关联α粒子探测器性能

2.1 空间分辨性能

关联粒子技术中，对α粒子空间位置测量的精度是衡量探测系统分辨的重要指标。因此对该关联探测系统的空间分辨性能进行研究。设计具有关联探测系统接口的真空腔室，将上述设计好的关联探测器接到真空腔室上，241Am作为α发射源，模拟靶头出射的α粒子。虽然241Am放出的5.48 MeV的α粒子较聚变反应放出的3.5 MeVα粒子能量更高，但不影响空间分辨的测量。空间分辨测试示意图如图4所示，实验时通过对不同形状样品的测量来检验该探测系统的空间分辨能力。用8通道数字化仪DT5730(14-bit @ 500 MS/s)实现对SCDC-TCOG网络4路输出的信号时间和全波形采集，通过Matlab程序对数据进行筛选和图像重建。

实验前先利用X光机诱发ZnO：Ga发光，通过CCD相机拍照的方法对ZnO：Ga的发光均匀性进行测试，发光均匀性的标准偏差好于7.5%，可用于测量实验。实验时通过改变ZnO：Ga前不同的样品形状，可获得不同的图像，测试样品都是由厚度为0.3 mm的不锈钢板制作而成。图5为2.5 cm方形孔测得的发光平场，除右边缘由于耦合硅脂中有少许气泡造成图像缺失外，其他部分均具有很好的发光均匀性，未发生图像扭曲，证明数据采集电路、数据筛选和图像重建算法的可靠性。

图4 空间分辨测量示意图Fig.4 Schematic diagram of position resolution measurement

利用刀口法[9]测量该系统的空间分辨性能，将图6中的图像分辨进行X方向投影和Y方向投影，并对边界进行拟合及求导，求导曲线的半高宽(FWHM)即对应空间分辨率。处理结果如图7所示，图中每格代表0.25 mm，Y方向投影的边界求导曲线半高宽为3.74，所以X方向的空间分辨约为0.935 mm；X方向投影的边界求导曲线半高宽为3.77，所以Y方向的空间分辨约为0.942 mm，两个方向分辨非常接近，也证明电路设计的对称性，有利于对空间分辨的判别，避免图像扭曲。

图5 方形孔响应图像Fig.5 Square hole response image

随后利用关联系统对狭缝和栅条样品进行了成像测试，结果分辨如图8a、b所示。从图8a、b可分辨出0.3 mm宽的狭缝和栅条样品，从栅条样品可看出，对比度大于50%的情况下可达到0.8 mm的空间分辨能力，与刀口法测得的0.9 mm左右分辨接近。最后对复杂图形“CIAE”字样进行了成像测试，结果发现还原度高，且图像未出现扭曲变形，再次证明图像重建的可靠性(图8c、d)。

2.2 时间分辨性能

API技术用于核查领域时，不仅需高空间分辨能力，还需良好的时间性能。因此，对该关联系统的时间分辨性能进行研究。图9为测试布置示意图。

图6 X轴和Y轴空间分辨率分析Fig.6 X-axis and Y-axis position resolution analyses

图7 狭缝响应图像Fig.7 Slit response image

图9 时间分辨测量示意图Fig.9 Schematic diagram of time resolution measurement

图10 时间分辨测量结果Fig.10 Time resolution measure result

时间分辨测试布局图与空间分辨测试布局图类似，将252Cf裂变源替代空间分辨测试时的241Am源，并加入1组γ探测器作为关联信号探测器。从H13700出来的阳极信号经过SCDC-TCOG网络进行信号简化，简化后的A、B、C、D 4路信号已丢失了时间信息，所以用H13700的打拿极信号作为定时T信号。塑料闪烁体探测器测得的信号(n,γ)与ZnO:Ga测得的裂变信号通过数字化仪采集，通过内部的CFD算法对两个入射信号进行定时，通过内部时间窗对两路信号进行初步筛选甄别，最后通过MATLAB对符合信号进行分析，得到的关联信号符合时间谱如图10所示。从图10可明显看到裂变碎片-瞬发伽马符合时间峰，通过高斯拟合得到半高宽即时间分辨为Δt=1.09 ns。该时间分辨由塑料闪烁体探测器时间分辨Δt1和ZnO：Ga时间分辨Δt2两部分构成，如式(3)所示。可见ZnO：Ga的时间分辨好于1 ns，满足后期测量的需求。裂变碎片-瞬发伽马符合时间峰的左侧峰位是瞬发中子与裂变碎片的符合信号，由于瞬发中子具有一定的能量展宽，且会有部分散射中子，所以中子符合峰较宽。

(3)

3 结论

根据移动中子发生器的实际需求，设计了多功能的关联探测器系统，并对其空间分辨性能和时间分辨性能进行测试，空间分辨好于1 mm，时间分辨好于1 ns，达到了预期效果。但在实际操作过程中还存在一些问题，如该系统中ZnO：Ga与蓝宝石玻璃采用光学硅脂进行耦合，由于ZnO：Ga处在真空中，其中很小的气泡会被放大，从而影响光传输和位置重建，所以后期考虑改用光学胶进行连接以避免气泡产生。在大尺寸的ZnO：Ga不能获得的情况下，考虑后续采用4块拼接的方式实现PSPMT全面积探测。