基于硅光电倍增管的闪烁体中子探测器

岳秀萍 黄河* 唐彬 朱志甫 万志勇

（1.核技术应用教育部工程研究中心（东华理工大学）江西省南昌市 330013）

（2.散裂中子源科学中心 广东省东莞市 523803）

1 引言

中子散射技术作为研究物质结构和动力学特性的理想探针，已被广泛应用于凝聚态物理、化学、生命科学、材料科学等领域[1,2]。中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source，CSNS) 于2018年11月顺利打靶并出束[3]。在CSNS 谱仪建设计划中，预计在2022年12月将安装能量分辨成像谱仪。本文所研制的探测器将应用于能量分辨成像谱仪。

3He 管因探测效率高、性能稳定等特点被广泛地应用于各类中子谱仪中，但目前，由于3He 气体短缺导致其价格昂贵，急需要采用其他类型的中子探测器来代替3He 管[4,5]。闪烁体中子探测器由于探测效率高、时间分辨能力强、n/γ 甄别能力良好、易于大面积制作且价格便宜等独特的优点开始逐渐取代3He 管应用于很多中子仪器中，例如ISIS 的IMAT、J-PARC 的TAKUMI、SNS 的POWGEN 和CSNS 的ERNI[6-8]。

目前许多用于中子谱仪的闪烁体探测器都采用多阳极光电倍增管将光信号转换成电信号然后传输到后续的分立电子系统中[9,10]。中国散裂中子源GPPD 谱仪的主探测器采用的自主研发的大面积闪烁体探测器阵列，其位置分辨率达到了4 mm×4 mm，热中子探测效率高于45%[11]。各项指标均满足谱仪的要求，但从样品的衍射环来看，探测效率的均匀性较差。多阳极光电倍增管虽然性能稳定，增益高，但存在探测效率均匀性差、工作电压高、体积大、抗磁场干扰能力差等问题。近年来，硅光电倍增管（SiPM）由于单光子分辨率高、易集成和低工作电压等特点，引起了越来越多的关注[12]。在本研究中，我们采用SiPM 代替多阳极光电倍增管进行光电转换，并采用ASIC 电子器件来读出信号，以实现低成本、死区小和探测效率均匀性好等优异性能。

在这项工作中，我们研制了一个中子敏感区域为50 mm×200 mm 的探测器原型样机，采用SiPM 进行光电转换和ASIC 电子学读出信号。在 CSNS 的20 号中子束线上测试了该探测器样机的探测器效率、计数率及均匀性等基本性能参数。

2 探测器的原理及其及结构

基于SiPM 读出的闪烁体中子探测器主要由闪烁体、等距排布的光纤阵列、SiPM 阵列及其读出电子学系统构成。其工作原理为入射中子与闪烁屏中的中子灵敏材料（如6Li、10B）发生核反应产生α 粒子与氚核，次级粒子在闪烁材料中沉积能量并发射出闪烁光子，ZnS 闪烁材料为粒度十到几十微米的多晶粉末，对α 粒子发光效率较高，对γ 的灵敏度低，n/γ 比高。发光光谱在400-600 nm，峰值在412 nm，ZnS 发射光谱峰值与光收集器件（SiPM）的探测光谱并不重合，需要通过波移光纤对闪烁屏的发射光子波长进行转换并对光信号进行定位。SiPM 将探测到的光信号转换成电信号经过后端的电子学系统放大、滤波、整形后进入数据获取系统（FPGA）对数据进行解析。数据通过在线及离线程序进行分析，以获取探测器测得的入射中子的位置与时间信息。

探测器的头部由ZnS/6LiF闪烁屏和波移光纤阵列组成。闪烁屏的探测效率取决于中子在闪烁屏中的能量沉积和光子发射概率，通过GEANT4 对探测器不同结构进行模拟，随着闪烁屏与入射中子角度的减小，闪烁屏的探测效率逐渐增加，在入射角度为20°时，在1 Å 的中子波长下探测效率可以达到78%。因此我们改变传统的中子垂直入射结构将该探测器设计为斜入射百叶窗结构增加中子入射途径以此提高中子探测效率。考虑到像素尺寸为3 mm、排布光纤的机械结构限制，探测器闪烁屏的倾斜角度确定为17°。探测器原理示意图如图1所示。

图1：探测器原理示意图

探测器的电子学系统采集探测器输出的微弱电信号，甄别出中子信号，对信号的放大、整形、模数转换、数据压缩及打包。为了获取中子的位置信息与时间信息，需要将中子信号传输到上位机进行分析计算。数据获取系统分为前置放大电路系统和数据采集电路系统。前放电路将模拟信号转换为数字信号送入数据采集系统。数据采集系统主要由FPGA控制。FPGA 控制电荷测量电路、温度传感电路、模数变换电路以及前放板标定电路，对探测器每个通道信号的采集、数字化、筛选、缓存和组包，最后将数据包上传到后端上位机。数据采集系统框图如图2所示。

图2：数据采集系统框图

3 探测器性能测试

为了验证读出电子学的性能，我们在实验室进行了测试。将α 源放置在探测器的某一个通道表面，用示波器观测其信号。测试结果如图3所示，可以看出，在探测器的第二通道有很高的计数。该信号经过FPGA 的处理传输给上位机，经上位机分析后，其信号脉宽谱如图4所示。

图3：α 源测试信号

图4：α 信号脉宽谱

探测器的探测效率也是一个很重要的指标之一。探测效率的测试原理主要是通过待测探测器与3He 计数管（20atm）进行比较，高气压的3He 管在2.868Å 的波长下的探测效率可以达到100%，在1.434Å 波长下的探测效率也可以达到99.8%，将二者的计数与束流出口的束流监测器进行归一即可得到待测探测器在不同能量下中子的探测效率。测试原理框图如图5所示，由于BL20 的中子波长分布较宽，采用云母 (0 0 10) (0 0 8) 单色仪提取特定波长的中子，并降低中子强度，且云母单色仪与中子束夹角为45°时，可以提取出特定波长的中子。使用具有 20atm 压力和 1 英寸直径的标准3He 管（252315，LND）来测量来自宽度为 1 mm 的屏蔽狭缝的入射中子强度。然后将标准3He 管移开，在相同条件下用探测器原型测量中子强度。

图5：探测效率测试原理图

图6 分别为3He 管和闪烁体探测器的TOF(Time Of Flight)谱，从图中可以清楚地看到对应于 1.2 Å 、1.59 Å、2.39 Å 和 2.87 Å 中子波长的峰。通过计算，我们得到探测器的第9 通道在中子波长为1.2Å 时探测效率为53.3%，1.59 Å 时探测效率为63.3%，2.39Å 时探测效率为68%。由于在探测器制作过程中，每个通道的光纤的端面平整度以及光纤与SIPM 的耦合程度有一些微小的差别，故每个通道的探测效率并不完全相同。此外，我们还测试了探测器的其他两个通道，通过拟合，探测器每个通道在中子波长为1Å 时探测效率均高于40%。

图6：3He 管和闪烁体探测器的TOF 谱

基于ZnS 的闪烁体探测器测得的中子信号有着较长的光衰减，信号的脉冲宽度一般在10 us 左右，导致该类型的闪烁体探测器的应用受限于较低的计数率，因此我们对探测器的最高线性计数率进行了测试。测试方法是将探测器置于束线直通方向，在探测器灵敏面前放置开狭缝宽度为1 mm 的含硼铝板，1 mm 宽的狭缝可以使入射的中子都击中到一个像素上，通过更换不同狭缝长度的硼铝合金板来控制入射到探测器上的中子通量。根据测试结果可得到图7 中的计数率曲线，从图中可以看出，探测器计数率随着狭缝尺寸的增加而增加，当狭缝尺寸大于6 mm×1 mm 时，计数率曲线为非线性曲线，计数趋于饱和，当狭缝尺寸达到6 mm×1 mm 时，其最高线性计数率为75 kHz。

图7：探测器计数率曲线

此外，我们还测试了探测器的横向像素的均匀性，设置好阈值后，首先测试探测器的原始数据，探测器每个通道的本身的不均匀性带来的效率的差异清晰可见，我们需要对其差异进行刻度。通过调节各个通道的阈值及脉冲宽度设置，可以对探测器的效率均匀性有很好的改善。如图8所示。

图8：刻度前（上）与刻度后（下）探测器均匀性

4 总结

我们为ERNI 开发了基于6LiF/ZnS(Ag) 闪烁屏、SiPM线列读出的线性闪烁体中子探测器原型样机，采用基于CSNS 自主研发的ASIC 和FPGA 的专用数字信号处理系统进行信号处理。在CSNS 的20 号束线对探测器样机进行了测试，探测器最高线性计数率为75 kHz，在1.59 Å 的中子波长下探测效率达到63.3%，通过调节SiPM 的阈值，探测器均匀性良好，测试结果符合ERNI 的指标需求，该探测器将在2023年安装在ERNI。