几种用于n-γ甄别的有机闪烁体探测器性能评测∗

夏文明 节 帅， 王树林 隗 莲 逄海涛

（1.海军工程大学核科学技术学院 武汉 430033）（2.中国人民解放军92330部队 青岛 266100）

1 引言

2 有机闪烁体探测原理

有机闪烁体探测器近些年来逐渐成为研究应用的热点，它是闪烁体探测器的一种。有机闪烁体内因含有大量的氢，一般通过核反冲法探测快中子，为提高对低能中子的能量响应，还可将有机闪烁体内掺入硼、锂等物质探测热中子、慢中子等［3］。有机闪烁体探测器可应用于中子能谱精密测量、高强度中子注量率的测量，也用于测量中子飞行时间谱、测量中子剂量当量［4］。

有机闪烁体探测中子的原理是基于核反冲法和核反应法，当有机闪烁体探测器受中子源照射后，原理过程如下：

1）粒子入射到有机闪烁体内，将能量传送给闪烁体内的物质，并使这些物质的原子或分子处于电离或激发状态，这些原子和分子退激过程中产生荧光光子；

2）荧光光子发射到光电倍增管（PMT）的光阴极上，发生光电效应产生光电子；

3）光电子经过PMT的打拿级会层层进行倍增，由一个光电子倍增至104个～109个光电子，这些大量的光电子到达阳极负载后，引起电信号；

4）电子线路感应到电信号后会在回路中产生电流脉冲信号或电压脉冲信号，通过测量这些脉冲信号幅值或电荷即可间接测量中子［5～6］。

3 三种有机闪烁体探测器的性能指标

选择一个性能良好的有机闪烁体对探测中子至关重要，评价一个有机闪烁体的综合性能主要靠以下特征［2］：衰减时间要短、光输出高、光子收集效率高、n-γ甄别性能要好。本文选择的EJ-339、EJ-276、EJ-270三种有机闪烁体的规格参数和成分含量经查阅相关说明书，结果如表1所示。从表中可以看出EJ-339的光输出和闪烁效率都要优于EJ-276和EJ-270。

表1 几种EJ系列闪烁体性能参数

4 有机闪烁体探测器甄别性能测试

n-γ甄别性能是指闪烁体探测器对中子和γ射线的甄别效果，因为在中子探测中常常伴有γ射线，如果不加以区分，很难准确测量出中子的剂量当量，因而n-γ甄别性能是闪烁体探测器最重要的一项内容。通过实验的方法对三种闪烁体的甄别性能评价，用到的硬件和软件设备如下所示。

为了进一步讨论螺旋雨带中的对流单体是如何作用TC强度的,通过p坐标系下的涡度方程对各个螺旋雨带中的对流单体的涡度收支进行定量地分析。涡度的强迫项主要分为两项,右边的第一项是拉伸项,也称为散度项,即水平辐合会使得气旋性涡度增加,而水平辐散会使得气旋性涡度减小。第二项是倾斜项,也称为扭转项,意指水平涡度扭转为垂直涡度,即当水平风速随着高度发生变化的时候会产生径向向外或向内的水平涡度,径向的水平涡度遇到上升气流,就会发生水平涡度的倾斜,变为垂直涡度,在上升气流的两侧产生正负涡度对。丁治英等(2018)也曾指出,在螺旋雨带上,水平涡度在非均匀分布的垂直运动的抬升下向垂直涡度的转化。

1）探测器：EJ-339液闪探测器、EJ-276塑闪探测器、EJ-270塑闪探测器；2）放射源：Ra-Be中子源（中子发射率6.8×105n/s）和Am-Be中子源（中子发射率1.0×106n/s）；3）CAEN N6720数字化采样仪；4）ORTEC 556H高压模块；5）PC端数字CoMPASS软件、Matlab。实验装置的结构框图如图1所示。

图1 实验装置结构框图

4.1 甄别性能评价依据

中子探测时，一般通过n-γ脉冲形状甄别（Pulse Shape Discrimination，PSD）的方法进行n-γ甄别。脉冲形状甄别方法在当前已经被广泛研究应用，它的主要原理是利用在闪烁体探测器中产生光电信号形状的差异进行区分中子和γ射线［7～8］。区分n-γ甄别能力的定量参数是品质因子［9］（Figure of Merit，FOM）。品质因子的参考图一般是指通过对中子和γ射线的脉冲信号分析处理后，各自的PSD值数量分布图（本文简称PSD图），如图2所示。

图2 n-γ脉冲形状甄别品质因子示意图［4］

FOM的定义如下：

其中，s为两峰值之间的距离，FWHMn表示中子峰的半高宽，FWHMγ表示γ峰的半高宽［6］。通过对FOM计算，即可获知探测器甄别性能的好坏。一般FOM值越大，说明中子和γ射线的数量分布分离的越明显，则探测器对n-γ的甄别能力就越强，进而可实现对中子和γ射线的分别测量［10～11］。

4.2 甄别性能测试

本工作使用两种不同的中子源对三种不同的有机闪烁体的甄别性能进行了测试，得出各自的PSD图。所有探测器设置相同的触发阈值，触发时间均设置为信号开始的第100ns，而长门、短门的起始位置均设置在触发时间前24ns，经反复调试各个探测器最合适的测量条件如下：

1）EJ-339，高压2000V，最佳长门、短门分别为500ns、64ns；

2）EJ-276，高 压 1700，长 门 、短 门 分 别 为280ns、60ns；

3）EJ-270，高 压 1700，长 门 、短 门 分 别 为600ns、56ns。

如图3所示为用不同的中子源对闪烁体探测器进行甄别性能测试的实验装置。Ra-Be中子源由于γ射线较强远大于中子强度，本实验在对甄别性能进行测试时放置多层铅块对部分γ射线进行了屏蔽。

图3 两种中子源探测实验场景

使用CAEN数字化仪配套的脉冲信息处理分析软件CoMPASS对不同的闪烁体探测器输出的信号进行分析，测得各自的PSD图如图4所示，PSD较大的为中子，较小的为γ，图（a）、（b）、（c）为Am-Be中子源照射下的结果，图（d）、（e）、（f）为Ra-Be中子源照射下的结果。

图4 不同源照射下三种闪烁体探测器n-γ甄别效果图

从PSD图可以看出，对于两种中子源，三种有机闪烁体探测器将中子和γ射线区分程度较为明显的依次是EJ-339、EJ-270、EJ-276。根据PSD图中结果，求出各闪烁体探测器在不同源项条件下的n-γ甄别品质因子FOM如表2所示。由此可以看出EJ-339闪烁体探测器的FOM值大于其它两个探测器，因此EJ-339闪烁体探测器n-γ甄别效果最好。

表2 三种闪烁体探测器FOM值

5 有机闪烁体中子注量灵敏度测试

中子注量灵敏度是指射入探测器的单位中子注量率对应的中子探测器脉冲计数率，符号S，单位cps/nv，它也是衡量中子探测器好坏的一项指标。中子注量率是指每秒穿过1cm2面积的中子数，符号φ，单位n·cm-2·s-1。中子发射率为 Ṅ，探测器脉冲计数为P，闪烁体前端圆面积为A，探测器被照射时长为t。则探测器的注量灵敏度为

其中只有探测器的脉冲计数是未知的，探测器的脉冲计数求取可通过CoMPASS将每个闪烁体探测的脉冲波形数字数据存储下来，然后使用Matlab软件编程进行分析计算，得出脉冲计数。具体实现过程［10］如下：

1）CoMPASS保存的数据文件为.csv格式，每行有248个数值，代表一个脉冲波形每间隔4ns的脉冲幅度；2）将长门时间内脉冲幅值对时间进行积分累加得出长门积分值QL，短门时间结束位置至长门时间结束位置内脉冲幅值对时间进行积分累加得出QL-S；3）求出所有脉冲波形的PSD值：PSD=QL-S/QL；4）对PSD值进行统计分布，根据分布的分离中心确定PSD区分位置，PSD大于该位置区分值的数量即为中子的脉冲计数，如图5所示。

图5 PSD图中的n-γ区分位置示意图

经过Matlab计算，得出三个有机闪烁体探测器在Am-Be源照射600s，Ra-Be源照射1800s情况下的中子脉冲计数和计算的中子灵敏度结果如表3所示。显然EJ-270的脉冲计数和中子灵敏度要远高于其他两种闪烁体探测器，EJ-339次之，其中绝大部分原因是EJ-270对慢中子敏感，快中子进入EJ-270闪烁体内与物质发生作用产生闪烁光被探测后后，未损失掉全部能量的快中子会被慢化，进而与6Li发生核反应产生闪烁光再次被探测到［12］。

表3 三种闪烁体中子注量灵敏度

6 结语

本文重点对EJ-339液体闪烁体、EJ-276塑料闪烁体、EJ-270塑料闪烁体的规格成分、基本性能、n-γ甄别性能进行了研究比较。通过光输出、发光效率等基本性能比较来看，EJ-339液闪探测器优于其他两种探测器。使用两种不同的中子源三种有机闪烁体n-γ甄别性能进行了测验，并测量了中子注量灵敏度，结果表明EJ-339液闪n-γ甄别FOM值分别为1.53、1.50，明显高于其他其它两种闪烁体，注量灵敏度略低于EJ-270。相对来说，EJ-339液闪的综合性能更好，可用来下一步基于n-γ甄别的中子剂量当量测量仪的探测器。