一种新型探测器的特性测试

李建伟， 杜玉刚， 盛 佳， 任 熠， 乔敏娟， 郭喜荣

(1. 山东核电有限公司，山东 烟台 265116; 2. 山西中辐核仪器有限责任公司，山西 太原 030006)

0 引 言

辐射探测器是核相关企业的重要测试设备。目前，国内市场上可以同时测量两种射线类型探测器较少，而且现有探测器探测面积很难做大，价格也很昂贵，不易实用化。国外有同类型的探测器和生产技术，对国内技术保密，我们无法进行相关技术指标测试，国内除本次测试的生产厂家外，未发现有同类型的国产探测器生产厂家。本文针对国产新型NaI+6Li闪烁晶体探测器的特性进行测试，该探测器能同时测量中子和γ射线[1]，且晶体尺寸按要求做各种规格，价格相对便宜，应用前景广阔。

现阶段还没有对该类探测器特性测试的好方法，本文首先通过Geant4[2-5]进行探测器测试模拟计算，从理论层面预估晶体性能[6-7]；然后设计一套专用测试软件，对晶体中子、γ性能和γ抑制比进行测试，并对中子和γ射线进行线性刻度[8-9]，确定晶体性能能否达到同时测量n/γ的水平；根据测试结果确定该探测器经过改进后可以提高性能，满足核企业辐射探测需求。

1 测量原理及测量电路设计

1.1 测量原理

闪烁晶体是一种将能量转换为光的透明发光材料转换体，可以将高能光子(X射线、Y射线)、粒子的电离能转化成光。要实现对X射线、Y射线的测量，通过闪烁体将电离能转化为光即可。要实现对热中子的探测，需要在闪烁体内加入6Li、10B、113Cd、155Gd等对热中子吸收截面大的材料，有能量沉积才能把电离能转化为光。本次测试所用探测器为新型设计掺杂含6Li的化合物的闪烁晶体。

1.2 测量电路设计

测试装置的测试系统结构结如图1所示。

图1 测试系统结构图

电源系统给前置放大电路、晶体探头和后续电路供电，然后晶体探头通过光电转换得到的电信号，通过前置放大电路转换为脉冲信号，脉冲信号传输至多道分析器进行脉冲幅度信号处理，处理完的信号及数据在上位机端软件界面显示和处理。

1.2.1 电源设计

电源部分为整套测试系统提供所有电源电压，包括高压电源部分，高压电源电路采用国产高精度高压模块，通过电位器可进行高压调整。

1.2.2 前置放大电路

前置放大器电路包括低压电源电路、高压电源电路、光电倍增管和复合闪烁晶体探头、前置放大电路几部分。以上各单元组合构成一个整体，光电倍增管经过分压电路将光信号转化成电信号，电信号经过前置放大器完成I-U转换，转换成电压信号，就可以传输到多道分析器进行脉冲分析。前置放大电路采用高带宽高增益运算放大器，以确保电路谱图输出稳定。

1.2.3 多道分析器

多道分析器将前置放大器输出的脉冲信号处理成每道的计数值，传输到上位机进行数据处理[10]。

多道分析器是一种用于脉冲幅度分析的重要设备，一般有 1024、2048、4096以及更高道数。它是由ADC进行脉冲幅度捕捉，然后经过FPGA等进行幅度采集，然后再有嵌入式系统进行数据处理，处理完的数据通过串口、网口或者USB等通信方式传输到上位机软件进行进一步数据处理。多道分析器可以连接各类辐射探测器经前置放大部分的输出，构成能谱测量系统。

利用多道分析器测量中子场和伽马场谱图。本实验方案主要利用中子和γ射线所产生的脉冲信号幅度不同来进行射线类型甄别，一般γ射线信号脉冲幅度较低，中子信号脉冲幅度较高。前置放大器输出的模拟脉冲信号，用同轴电缆与多道分析器连接，多道分析器通过USB数据线连接上位机计算机进行数据通信，多道分析器将采集到的探测器信号转换成每道的数据，通过数据线传输到上位机软件进行数据分析，上位机软件可以直观的显示谱图，确定峰位和道址等信息，进而确定不同射线的信号幅度信息。

1.2.4 上位机

上位机软件实现多道分析器处理后的数据在界面上的显示、处理、存储等功能。

1.2.5 晶体探头

晶体探头部分为光电倍增管和晶体。光电倍增管和晶体之间采用透明硅油进行耦合，减少光衰，晶体将射线信号转换成光信号，由光电倍增管进行光收集。

2 G4模拟

Geant4[5]是欧洲核子中心(CERN)开发出的一套基于C++的开源工具包，其主要用途是模拟粒子在物质中的物理过程。相比于蒙特卡洛模拟[4]软件Geant3，Geant4因为基于C++, 可以灵活处理规模更庞大、结构更复杂的物理环境[8-11]。Geant4几乎可以模拟所有物理过程，包括电磁相互作用、中子散射、光学过程等[7]。除了在高能物理方面有广泛应用，Geant4还被应用于核物理、空间和天体物理、医用物理、辐射防护和探测等领域[12]。

以下使用G4建立了N闪烁体模型[13]，晶体直径 50 mm，高 50 mm，铝壳厚度 1.5 mm，玻璃窗光导为硅胶光导。绿色为伽马射线，黄色为可见光子在探测器内部的传播，如图2所示。

图2 碘化钠闪烁体模型

模拟过程为γ射线在空气中入射到NaI复合晶体探测器，入射后的γ射线与探测器作用，在晶体内部产生光信号，光信号理想状态下完全收集转换为计数信号，经过数据处理显示出模拟计算的谱图。

模拟结果如下：

在探测器前方 5 cm 设置了137Cs，60Co，241Am，152Eu点源，分别模拟衰变 3000万次，500万次，900万次，得到能谱图如图3所示。

图3 G4模拟能谱图

241Am 的 γ 能量为 59.5 keV，137Cs 的 γ能量为662 keV，60Co 的 γ能量为 1.17 MeV 和 1.33 MeV，152Eu 的 γ 最高能量为 1.408 MeV。

根据模拟结果，由各核素的γ射线能量和峰位位置，可以看出各种γ能量峰的峰位跟能量基本呈线性关系，后续测试验证时可以根据热中子照射产生的峰位与152Eu的最高能量峰位对比结果，初步判定中子和γ射线是否可以通过幅度甄别阈值方式进行甄别。

3 试验验证

3.1 中子测试试验

3.1.1 试验条件

在中子源实验室用Am-Be中子源照射组装好的探测器[6-7]：用多道分析器连接前置放大电路的输出信号，然后多道分析器连接电脑，利用上位机软件进行中子谱图测试。

3.1.2 试验过程

用Am-Be中子源照射已连接好的能谱测试装置，调整好高压（高压500 V）输入后，用上位机软件调整增益微调为0.4倍，获取的测试图如图4所示。

图4 中子测试能谱图

结合谱图显示，由中子和6Li反应式知，中子产生两个峰位，峰位的道址与脉冲幅度成对应关系，两个峰位均在720道以上，低端峰的起始位置在680道左右，如果要通过幅度甄别方式区分中子脉冲和γ源脉冲，γ射线峰位尾端应低于680道，才可实现中子和γ射线通过幅度进行甄别[12]。

3.2 伽马能谱测试试验

3.2.1 试验条件

在γ源实验室用豁免放射源照射组装好的探测器[6-7]：用多道分析器连接前置放大电路的输出信号，然后多道分析器连接电脑，利用上位机软件进行γ谱图测试。

3.2.2 试验过程

用241Am，137Cs，60Co，152Eu等放射源能谱测试，将安装好的探测器固定在桌面上，用以上放射源分别放置的晶体的前端面，高压电压500 V，上位机软件微调增益为0.4倍（与上述中子测试条件保持一致），测试所得几种放射源能谱图[13]如图5～ 图8所示。

图5 241Am放射源能谱图

图6 60Co放射源能谱图

图7 137Cs放射源能谱图

图8 152Eu 放射源能谱图

根据以上谱图分析，137Cs（γ能量为 662 keV）放射源峰位位于270道左右，60Co（γ能量为1.17 MeV和1.33 MeV）放射源两个峰的峰位分别位于473道和 530道，152Eu（γ最高能量为 1.408 MeV）放射源最高能量的峰位位于560道，峰尾位置位于600道，由以上3种放射源的能量和道址关系，将以上关系通过线性图显示，得出探测器对γ的能量幅度响应基本成线性关系，线性关系见表1，线性图如图9所示。

图9 能量幅度线性图

表1 能量幅度线性关系

按γ射线能量线性关系计算，结合152Eu最高能量1.408 MeV位于560道，相应在680道位置时，粗略计算出的γ信号能量值为1.71 MeV左右，即γ信号能量超过1.71 MeV会和中子信号幅度产生重合，所以对1.71 MeV能量以下的γ射线[14]，以目前的测试电路，可以通过脉冲幅度甄别方式进行信号甄别，区分出中子和γ射线，对于1.71 MeV以上的γ射线，中子信号和γ信号无法通过幅度区别，后续把相关测试问题反馈给厂家，对探测器进行相关改进，比如将晶体厚度变薄，减少能量沉积等方式，以便能达到更好测量效果。

3.3 剂量率线性测试

将晶体耦合光电倍增管，通过前置放大电路，输出的脉冲信号配合幅度甄别电路和后端电子学计数电路，在实验室的137Cs放射源 γ辐射场和Am-Be放射源中子辐射场中进行剂量率线性关系测试，根据γ射线和中子的模拟信号脉冲幅度不同，设定两个电压阈值，高电压阈值用来测量中子计数，低电压阈值计数为中子和γ射线的计数和，所以低电压阈值通道的计数扣除高电压阈值通道的计数即为γ射线的计数值，测试数据如表2和表3所示，线性曲线分别如图10和图11所示。

根据以上表2，表3和图10，图11数据显示，137Cs放射源 γ剂量率的线性关系在92 µSv/h以下时有良好的线性关系，92～ 150 µSv/h之间线性关系变差，但仍可以通过非线性拟合进行修正，测量137Cs时，137Cs的γ计数对中子通道计数无影响；用中子源照射时，中子剂量率和计数率之间的线性关系很好，可以通过线性拟合直接标定。

表2 137Cs 放射源γ辐射场测量数据

表3 中子辐射场测量数据

图10 γ辐射场剂量率曲线

图11 中子辐射场剂量率曲线

4 结束语

通过对探测器性能进行一系列模拟和试验验证，测试出该新型晶体探测器在γ射线能量低于1.71 MeV时可以通过幅度甄别的方式实现中子和γ射线的甄别，在γ射线能量超过1.71 MeV的高能γ部分存在γ射线信号幅度与中子信号幅度重合的问题，对于这部分高能γ射线目前的晶体探测器无法进行甄别。后续针对高能γ和中子无法甄别的问题，建议通过将晶体厚度变薄来降低γ能量沉积，使得高能γ射线产生的脉冲幅度变低，然后再进行进一步验证实验，还可以通过改变元素配比的方式制作新晶体，改善中子、γ甄别效果。

目前测量结果显示，只有在低于1.71 MeV的γ辐射场和中子辐射场混合场中，才可以利用该晶体探测器可以作为中子、γ一体化探头的实际应用，后续经过改进后的闪烁晶体探测器可以进一步提高n、γ甄别能力，拓展其在中子、γ混合辐射场的应用范围。