用于测量高能γ射线的三晶电子对谱仪的研制

刘伏龙，吴 笛，魏继红，杨婉莎，贺创业，郭 冰,*，王乃彦,*

(1.北京师范大学 核科学与技术学院 射线束技术教育部重点实验室，北京 100875；2.中国原子能科学研究院 核物理研究所，北京 102413)

高能γ射线在爆炸物检测、医学影像成像、核废料嬗变、核天体物理p-过程的关键核反应研究及核共振荧光研究等方面有着广泛的应用[1-3]。目前高能γ射线的产生方式主要有高能电子的韧致辐射、飞行中正电子湮没、共振核反应(p,γ)或(n,γ)、激光康普顿散射(LCS)等[4]。其中LCS-γ源凭借其单色性好、能量连续可调及亮度高等优势被世界各地广泛建造使用，其中最具代表性的LCS装置——HIGS(美国)可产生60 MeV的高能γ射线，国内对此方式产生高能γ射线的研究也在积极地进行中[5-6]。另外，中国原子能科学研究院依托2×1.7 MeV串列加速器开展了(p,γ)共振核反应高能γ源的研究工作，其可产生能量为6～17.6 MeV的高能γ射线[7]。为更好地利用高能γ射线，精确测量其产额是非常必要的工作。在有限的探测器体积和实验条件下，高能γ射线的产额测量会存在如何才能准确的问题。一般高纯锗探测器(HPGe)在测量10 MeV以下的γ射线时被认为是可靠的[8]；而闪烁晶体探测器NaI探测器和BGO探测器在测量9.17 MeV高能γ射线时会有严重的能量非线性效应，以及由于康普顿坪太高引起的能谱复杂等问题[7]；电磁量能器虽可测量百兆级别的高能γ射线，但能量分辨率低，在精确测量高能γ射线产额方面有一定的弱势[9]。

用单一的小体积探测器测量高能γ射线时会由于探测器体积太小不能完全收集光子能量，导致单一能量的高能γ射线在谱形上会出现多个峰(如全能峰、单逃逸峰、双逃逸峰)和与之对应的康普顿坪，这样会使单一γ探测器测量的能谱变得较复杂，同时对于包含多种能量的复杂γ谱的分析极其困难。若利用两个或多个晶体使用符合或反符合技术，使得每个能量仅产生1个峰或增强某个关注峰的强度而抑制能谱的其他部分，测量的能谱则会变得较简单，特别适用于多种核素的高能γ能谱分析和复杂本底的高能γ能谱分析，电子对谱仪便由此应运而生。除闪烁晶体类的电子对谱仪外，电子对磁谱仪也是一种测量高能γ射线的谱仪，虽然测量精度较高，但是整个测量系统复杂且造价昂贵，难以实现[10-11]。因此，本文基于自主研发的闪烁晶体探测器研制一套三晶电子对谱仪(以下简称电子对谱仪)，对56Co产生的1.5～4 MeV的高能γ射线进行测量研究，为研制能精确测量(p,γ)共振核反应γ源强度的电子对谱仪奠定基础。

1 电子对谱仪原理

高能γ射线与物质相互作用时主要发生电子对效应从而产生正负电子对，其中当正电子的动量衰减至接近零时，会与附近的负电子发生湮灭，从而背向发射两条0.511 MeV的γ射线(运动方向的夹角接近180°)，电子对谱仪利用这两条0.511 MeV γ射线与入射高能γ射线的三重符合来测量入射高能γ射线[12]。图1为电子对谱仪示意图，1个小体积的中心探测器被夹在两个大体积的外围探测器中间，当两个外围探测器同时探测到0.511 MeV γ信号时与中心小体积探测器的信号进行符合，这时所获得的能谱中仅包含所测特征峰的双逃逸峰，而过滤掉其全能峰、单逃逸峰及康普顿坪等。因此，电子对谱仪的探测效率虽大幅降低，但简化了所测能谱，提高了峰与连续本底之比，有利于准确测量高能γ射线的强度，进而可精确得到γ射线的产额。

A、C——外围探测器；B——中心探测器图1 电子对谱仪示意图Fig.1 Schematic diagram of electron-pair spectrometer

20世纪60年代初，Tavendale[13]和Ewan等[14]利用Ge(Li)探测器作为中心探测器，φ2英寸×2英寸的NaI探测器作为外围探测器研制了最早的电子对谱仪，通过对14N(d,p)15N的γ能谱测量，发现极大地改善了测量能谱的峰康比。Auble等[15]对电子对谱仪进行了改进，外围探测器换成大体积的环形NaI晶体，从而提高了0.511 MeV γ射线的探测效率。1994年，孔祥忠[16]用高纯锗作为中心探测器、两块环形塑料闪烁体作为外围探测器组成电子对谱仪，测量了22Na放射源特征峰，电子对谱仪测量的22Na特征峰双逃逸峰能谱相比于使用中心探测器直接测量特征峰的全能峰能谱，峰与附近本底比改进了50倍。

与HPGe探测器作为中心探测器相比，LaBr3探测器作为中心探测器不仅可保证较好的能量分辨率，还可较大地提高电子对谱仪的探测效率。因此，本工作利用LaBr3探测器作为中心探测器，两个大体积的NaI探测器作为外围探测器研制一套电子对谱仪。

2 电子对谱仪的研制

2.1 闪烁晶体探测器的研制

本次实验的测量对象为56Co、22Na等放射源。选择中心晶体LaBr3的尺寸时，既需保证其对放射源高能特征峰的探测效率，又要保持其对0.511 MeV γ射线的穿透率。通过对0.511 MeV γ射线在LaBr3晶体中的半值厚度计算，LaBr3晶体尺寸选择为φ1.5英寸×1.5英寸[17]。在LaBr3中心探测器的外围放置两个自主研制的φ5英寸×3英寸的NaI探测器用来探测0.511 MeV γ射线，NaI探测器采用了滨松公司R877型号的光电倍增管。对应于NaI晶体的荧光衰减时间(230 ns)[12]，分压器电路采用能谱型分压电路，其中阻抗RC=50 kΩ。

2.2 闪烁探测器工作电压的选择

光电倍增管只有工作在最佳状态，闪烁探测器才能获得最好的信噪比，因此需进行光电倍增管的坪特性测量。坪特性测量是指缓慢增加光电倍增管的工作电压时，测量到超过一定阈值的脉冲数目，当电压增加到一定值时，超过一定阈值的脉冲数趋于饱和。通过改变光电倍增管的工作电压，可得到脉冲数与光电倍增管工作电压的变化关系曲线，即坪曲线。选择坪区对应的电压范围作为工作电压，这时，即使工作电压稍有变化，计数率也不会受到影响[18]。坪区越广，光电倍增管性能越不易受暗电流变化的影响，探测器的能量分辨也较好，由此可确定光电倍增管的工作电压。

使用40K 1 460 keV特征峰进行坪曲线测量的测试线路如图2所示，其中多道分析器可设定获取的阈值，只有当探测器输入到多道分析器的信号幅度大于某一数值时才会被获取。坪曲线测试结果如图3所示。

图2 坪曲线测试线路Fig.2 Diagram of experiment for plateau curve

由光电倍增管的坪特性可知，探测器的工作电压应设定在坪区开始电压(V0)与光电倍增管最大允许电压之间。测试1号NaI探测器时，当工作电压高于1 000 V时，探测器的输出脉冲数趋于坪区(图3a)，因此1号NaI探测器的工作电压应选择为1 000～1 500 V；同样，2号NaI探测器在1 300～1 500 V之间出现了坪区，因此2号NaI探测器的工作电压应选择为1 300～1 500 V之间。为保证两个NaI探测器1 460 keV特征峰的输出幅度一致，选择1号NaI探测器的工作电压为1 050 V，2号NaI探测器的工作电压为1 350 V，LaBr3探测器的工作电压选择为探测器生产厂商的推荐值-1 700 V。

3 电子对谱仪的测试

使用22Na放射源测试两个大体积NaI探测器对511 keV γ射线的能量响应，确定511 keV γ射线脉冲幅度的输出范围。1号和2号NaI探测器测量的22Na能谱如图4所示，可看出，两个探测器测量的511 keV和1 274.5 keV特征峰的道址基本一致，且两者的计数率也较接近。其中，1号NaI探测器511 keV全能峰的净计数率约为164 s-1，对511 keV的分辨率为8.7%；2号NaI探测器511 keV全能峰的净计数率为170 s-1，对511 keV的分辨率为8.8%。根据两个NaI探测器对511 keV γ射线的信号输出范围，确定符合线路中外围NaI探测器的上、下阈值。

a——1号NaI探测器坪曲线；b——1号NaI探测器道址选择曲线；c——2号NaI探测器坪曲线；d——2号NaI探测器道址选择曲线图3 不同探测器光电倍增管的坪曲线 Fig.3 Plateau curve of PMT for different detectors

a——1号NaI探测器；b——2号NaI探测器图4 NaI探测器测量的22Na能谱Fig.4 22Na energy spectrum measured by NaI detector

电子对谱仪的符合测试线路如图5所示，3个探测器的输出脉冲先经前置放大器放大后，进入主放大器。为保证3路信号的同时性，3路主放大器信号输入到单道分析器，可根据能谱的测量范围，调节单道的上、下阈值。此后，3路探测器的信号可进行符合，并用符合信号给获取系统开门，获取中心探测器的能谱。

相对其他放射源，56Co放射源可放出3 MeV能量以上的γ射线，其特征γ射线电子对效应更明显，因此本实验选用56Co放射源对电子对谱仪进行测试，电子对谱仪测试实验设置图如图6所示。

点状的56Co放射源放置在距离中心探测器中心位置的23.3 cm处，在两个NaI探测器距离放射源近的一侧前放置了足够厚的铅砖用来防止56Co放射源放出的γ射线进入外围NaI探测器。中心探测器前准直器的开孔大小为φ2.5 cm。

图5 电子对谱仪的符合测试线路Fig.5 Diagram of coincidence measurement for electron-pair spectrometer

图6 电子对谱仪测试实验设置图Fig.6 Schematic of experimental setup of electron-pair spectrometer

4 电子对谱仪测试结果

为了确定偶然符合的计数率，在未放置56Co源的情况下，3个探测器符合测量17 900 s，得到的能谱如图7所示，最左边的小峰是天然本底40K特征峰1 460 keV双逃逸峰(峰周围120道总计数约为60)。对于56Co特征峰能区的500～2 500道，每道偶然符合的平均本底计数小于1(区间内120道总计数约为16)。

图7 偶然符合能谱Fig.7 Energy spectrum of accidental coincidence

电子对谱仪测量前，采用LaBr3探测器对56Co源进行481 s的能谱测量(图8a)，由图8a可看出56Co源中发射率较高的特征γ射线。其中，计数最高峰为846.8 keV全能峰，其次是511 keV的全能峰。未进行符合时，由于峰周围连续本底较高导致发射率较低的其他特征峰较难清晰辨认，对于某些不易清晰辨认的峰，精确得到它们的绝对强度变得十分困难。使用电子对谱仪对56Co源进行65 600 s的能谱测量得到的结果如图8b所示，能谱中仅包含了56Co特征峰的双逃逸峰。其中，最高峰为2 598.5 keV双逃逸峰。由图8可知，电子对谱仪的符合测量不仅可减少连续本底，而且还能简化能谱的峰形分析。

a——LaBr3探测器；b——电子对谱仪图8 电子对谱仪与LaBr3探测器的能谱Fig.8 Energy spectraof electron-pair spectrometer and LaBr3 detector

图9为LaBr3探测器测量56Co源特征峰计数率与电子对谱仪符合测量56Co源特征峰计数率的比，可看出，对于低能量γ射线，LaBr3探测器的计数率远大于电子对谱仪，而对于高能量γ射线，LaBr3探测器的计数率则仅约为电子对谱仪的35倍。这与电子对效应的反应截面理论相符合，低能量γ射线的电子对效应的反应截面较低，使得电子对谱仪的计数率偏低；而高能量γ射线电子对效应的反应截面较高，因此电子对谱仪的计数率较高。因此，对于能量较高的γ射线的测量，电子对谱仪的优势更明显。

图9 LaBr3探测器与电子对谱仪的计数率比Fig.9 Ratio of count rate between electron-pair spectrometer and LaBr3 detector

图10 电子对谱仪和LaBr3探测器所测能谱中峰的净计数与总计数之比Fig.10 Ratio of net count to total count of peak in energy spectrum measured by electron-pair spectrometer and LaBr3 detector

图10为LaBr3探测器和电子对谱仪测量56Co源能谱中特征峰的净计数与总计数的比，可看出，电子对谱仪所测能谱中的特征峰周围连续本底较少，净计数与总计数的比接近1，只有在测量1 771.4 keV特征峰的净计数与总计数之比时，电子对谱仪所测结果与LaBr3探测器相当；这是由于在较低能量时峰周围出现了连续本底，其产生原因是低能γ射线电子对效应的反应截面低，造成该能量段双逃逸峰的计数偏少，而且该能量段会受天然40K特征峰的微弱双逃逸峰的影响。相比而言，LaBr3探测器只有测量56Co最高能量(3 253.5 keV)的特征γ射线时，峰周围连续本底才会较低。因此，电子对谱仪在测量复杂本底或多峰的高能γ射线能谱时，具有绝对优势，可有效避免峰周围连续本底的影响，使测量结果更为准确。

5 结论

本文基于小体积LaBr3探测器和自主研制的大体积NaI探测器研制了一套用于测量高能γ射线的电子对谱仪。在电子对谱仪的本底测量中并未出现明显的符合峰。使用56Co放射源分别对LaBr3探测器及电子对谱仪进行了测试。结果表明，电子对谱仪探测到了56Co 能量大于1.5 MeV的γ射线双逃逸峰能谱，电子对谱仪测量2 598.5 keV高能量γ射线时的计数率较测量1 771.4 keV高能量γ射线时提高约26倍，表明电子对谱仪在测量高能γ射线时有较大优势；电子对谱仪测量2 598.5 keV及更高能量γ射线时，峰周围连续本底几乎为0，测量2 034.9 keV γ射线时，峰周围连续本底较LaBr3探测器测量的峰周围连续本底小5倍。这套谱仪测量1.5～4 MeV能量范围内的γ射线，可得到更简单的能谱，使得读出的峰计数可更加精确，本工作为准确测量加速器共振核反应(p,γ)及LCS产生的高能γ射线奠定了技术基础。

感谢北京师范大学核科学与技术学院苏俊、中国原子能科学研究院核物理研究所的颜胜权、陈雄军、谌阳平和韩治宇在电子学和探测器方面的帮助，感谢党永乐和付光永在探测器研制和探测器模拟方面的帮助。