锂玻璃探测器辐射特性的试验研究

王登辉，赵宗方，何振林，刘安林，郭俊材，施敏懿，梁 魁，陈 亮

（中国核动力研究设计院，成都 610213）

常见的中子探测器类型有闪烁体探测器[1-3]、气体探测器[4-6]、半导体探测器[7-9]等，最常见的工作模式为脉冲模式。由于目前探测器受电子学时间分辨的限制，在较高中子注量率条件下，工作在脉冲模式下的中子探测器易引起中子脉冲信号的堆积，造成测量结果明显偏差，而工作于电流模式下的中子探测器不会使测量结果产生偏差[10-12]。

锂玻璃探测器具有中子探测效率较高，闪烁光衰减时间较短以及n∕γ抑制比较好等优点。6Li(n,t)4He反应会放出4.786 MeV的反应能，此能量远大于热中子能区的能量。因此，热中子能区不同能量的中子反应产生的产物动能基本一致，即光能输出基本一致。锂玻璃探测器更适合在电流模式下工作，用于测量高中子注量率条件下的热中子通量[13,14]。

为了较全面地掌握锂玻璃中子探测器辐射性能，从而利用其精确测量辐射值，本文对锂玻璃探测器样机的基本特性开展了试验研究，对锂玻璃探头+R329－02 型PMT 的锂玻璃探测器进行了试验测试，获得了探测器输出的中子和γ射线脉冲信号。通过对脉冲信号进行计算处理，本文获得了对应中子的信号平均电荷量，得出锂玻璃探测器输出的平均电荷量与锂玻璃厚度及PMT 增益有关的变化特性，为后续深入开展锂玻璃探测器研究及应用提供了试验支撑。

1 锂玻璃探头的出射光产额

1.1 锂玻璃样品

锂玻璃的成分是LiO2·2SiO2（Ce），是一种由Ce激活的闪烁体。入射中子与6Li发生6Li（n，t）4He反应，反应的Q 值为4.786 MeV。锂玻璃发射光谱的最强波长是395.9 nm，发光衰减时间短[14]。表1给出了锂玻璃探头的参数。

表1 锂玻璃探头的参数Table 1 Parameters of lithium glass probe

1.2 实验方案

锂玻璃探头（厚度为1 mm）和R329-02PMT直接耦合制作成了锂玻璃探测器。本文在252Cf中子源上进行了测试，利用252Cf 中子源产生的中子，经厚度为10 cm的聚乙烯慢化后，轰击锂玻璃探测器，然后测量慢化后的热中子和γ射线脉冲谱。试验装置示意图如图1所示。

图1 252Cf中子源和探测器示意图Fig.1 Schematic diagram of252Cf neutron source and detector

2 实验结果

2.1 脉冲谱及电荷量分布测量

本文通过示波器数据获取系统在线测得中子和γ数值。探测器在-1 300 V 高压工作条件下输出的脉冲波形图如图2所示。由图2可知，锂玻璃探测器产生的中子信号和γ射线信号的衰减时间很相近，中子信号和γ射线信号的宽度基本相同，大约为200 ns（1 ns=10-9s），但二者信号高度不同，中子信号的高度大于γ射线信号的高度。

探测器探测到一个粒子输出信号即为阳极电压信号，其中数据采集点时间间隔为1 μs。连续时间的积分表示为：

图2 锂玻璃探测器探测的中子信号和γ射线信号Fig.2 Neutron signal and gamma ray signal detected by lithium glass detector

式中，dt=1 μs。

本文利用matlab 程序计算得到所有粒子信号产生的电荷量后，绘制出电荷分布频率直方图，图3 显示了电荷量谱分布，即利用电荷量和信号高度的大小可以对中子和γ信号进行甄别。

图3 锂玻璃探测器测量的电荷量谱Fig.3 Charge spectrum measured by lithium glass detector

2.2 平均电荷量计算

本文利用origin 软件对电荷量分布谱进行高斯拟合，得到的平均电荷量数据如图4和图5所示。图4 和图5 分别显示了PMT 工作在-950 V和-1 000 V电压条件下的电荷量分布谱及对应的高斯拟合曲线。

图4 积分电荷量谱及高斯拟合曲线（PMT@-950V）Fig.4 Integral charge spectrum and Gaussian fitting curve(PMT@-950V)

图5 积分电荷量谱及高斯拟合曲线（PMT@-1 000V）Fig.5 Integral charge spectrum and Gaussian fitting curve(PMT@-1 000V)

同理，本文分别测量了工作电压为-1300 V、-1400 V 的电荷量谱，得到了平均电荷量数据，见表2。

表2 PMT工作电压对应的平均电荷量Table 2 Average charge amount corresponding to PMT working voltage

表2 数据表明，随着PMT 工作电压的升高，中子平均电荷量增加且分辨率逐渐减小。说明PMT 工作电压越高，中子平均电荷量可信度越高。因此，在辐射测量中，在测量条件允许的情况下，应尽可能地选取较高的PMT 工作电压。

2.3 平均电荷量与锂玻璃厚度关系分析

为进一步验证锂玻璃探测器平均电荷量与锂玻璃厚度的关系，对厚度为5 mm 的锂玻璃探测器进行了电荷量测量，得到的平均电荷量见表3。

表3 PMT工作电压对应的平均电荷量Table 3 Average charge amount corresponding to PMT working voltage

将表2 和表3 进行对比可以看出，在相同PMT 工作电压条件下，厚度为1 mm 的锂玻璃对应的中子平均电荷量略大于厚度为5 mm 锂玻璃的中子平均电荷量，这是因为闪烁光在透过锂玻璃传输至PMT 阴极的过程中，在较厚的锂玻璃中损失稍小。此外，较薄的锂玻璃相对较厚的锂玻璃虽然在中子探测效率上有所偏低[15]，但是有较强的n-γ甄别能力[16]，综合考虑上述因素，选用厚度为1 mm 较薄的锂玻璃片是最佳的。

2.4 平均电荷量与PMT增益关系分析

PMT 的输入电压不同可直接影响光电子经倍增至PMT 输出信号的大小。粒子平均电荷量与PMT 对应工作电压下的增益相对应。因此，为了验证PMT 的工作特性，本文分别将不同电压下的平均电荷量与PMT 对应的增益进行了比较与分析。同时，为了更直观地比较二者随电压变化的趋势，本文将平均电荷量放大5×104倍，统一绘制在图6中。

图6表明，中子平均电荷量和PMT增益随工作电压基本成比例增加。此结论为得到在任意PMT 工作电压条件下的平均电荷量提供了方法，也为利用锂玻璃探测器测量不同中子注量率的中子辐射场时选择适宜的PMT 工作电压提供了依据。

图6 平均电荷量与PMT增益随电压变化曲线Fig.6 Average charge amount and PMT gain versus voltage curve

3 结论

本文主要开展了锂玻璃探测器的性能测试实验，得到了6种不同PMT工作电压下的中子和γ射线脉冲谱，计算得到了对应条件下的电荷量分布谱。结果表明，在相同PMT 工作电压条件下，锂玻璃探头厚度越大中子平均电荷量越小，中子平均电荷量和PMT 增益随电压变化的比例系数基本一致，且PMT 在较高工作电压条件下获得的中子平均电荷量更精确，可信度更高。本研究结果为利用锂玻璃探测器测量不同中子注量率的中子辐射场时选择适宜的PMT 工作电压提供了依据。