效率增強型真空康普頓探測器Y/n鑒別本領評估

摘要：采用復合金屬收集極設計的真空康普頓探測器，使伽馬探測靈敏度有效提高。為表征探測器測量信號的質量和可靠性，需要對探測器的y/n鑒別本領進行評估。應用強鈷源（能量1.25MeV）伽馬和DT（能量14MeV）中子源對這種探測效率增強的新型真空探測器靈敏度進行實驗測量，采用蒙特卡羅模擬法（MC）模擬統計收集極輸出凈電子數的方法，對其在裂變能量區幾個特征能量點的伽馬、中子靈敏度進行模擬計算。結果表明：對于中子、伽馬能量為1.25MeV的情況，這種新型真空康普頓探測器的y/n鑒別本領，理論模擬計算值為40.94，綜合理論計算和實驗測量結果的實驗推算評估值為28.3l；屬于適合中子、伽馬混合場中測量伽馬的可選探測器。

關鍵詞：康普頓探測器；輻射探測；y/n鑒別本領；靈敏度；蒙特卡羅模擬法

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2015）02-0011-04

引 言

康普頓探測器是利用y輻射與物質相互作用產生電子發射進而形成電流原理制成的y射線探測器，康普頓探測器響應時間短，對中子基本上不靈敏，可輸出線性電流大。傳統康普頓探測器有介質型和真空型兩類，真空型康普頓探測器能夠輸jlH的線性電流比介質型的大，能量響應相對平坦性也優于介質型，但靈敏度比介質型的低。為了充分利用真空型康普頓探測器的優勢，克服靈敏度低的不足，已開發出靈敏度接近介質康普頓的效率增強型真空康普頓探測器（vacuum Compton's detector，VCD）；這種新型探測器采用Au、W或Ta等復合金屬取代傳統的Fe收集極，研究表明：把這種復合金屬當作發射極總的電子出射效率接近10-2量級，在相同條件下，比Fe發射極的出射效率高約60%，可以明顯提高探測器靈敏度。為了表征這種新型探測器測量信號的質量和可靠性，需要對該類探測器的y/n鑒別本領進行評估。本文以這種新型真空康普頓探測器為對象，應用強鈷源伽馬和DT中子源對其靈敏度進行實驗測量；采用蒙特卡羅模擬法（Monce Carlo simula-tion，MC），對其在裂變能量區幾個特征能量點的伽馬、中子靈敏度進行模擬計算；綜合理論計算和實驗測量結果對該探測器在裂變能量區內的y/n鑒別本領進行評估，為這種新型探測器應用者判斷測量信號質量和可靠性提供了技術支持。

1.增強型真空康普頓探測器的結構和材料參數

伽馬或中子輻射通過準直器以平行束方式垂直入射到探測器前端面，射線穿過入射窗、收集極、出射窗等部分時，與各部分的材料發生作用，發射和收集電子。由于收集極發射和收集的電子不平衡，將產生靜電荷差，從而在回路中形成電信號輸出。設計的增強型新型真空康普頓探測器的結構見圖l，其材料構成和尺寸見表1。

2.增強型真空康普頓探測器在裂變能量區內y/n鑒別本領的評估方法

探測器的y/n鑒別本領可用下式表示：式中Sy，Sn分別為探測器對伽馬和中子的靈敏度。一般裂變輻射源，中子、伽馬平均能量均為1.25MeV，對增強型真空康普頓探測器在裂變能量區內的^y/n鑒別本領進行評估最簡潔的方法是：先分別得到這種新型探測器對能量約為1.25MeV的中子、伽馬的靈敏度，再按式（l）進行計算。1.25MeV伽馬有相應的輻射源鈷源對應，可以進行相應標定；而1.25MeV中子很少有相應的輻射源對應，很難進行相應實驗標定，常見的是能量為2.45MeV的DD、能量為14MeV的DT中子源。由于增強型真空康普頓探測器對中子靈敏度非常低，根據DD中子源的產額情況，即使貼近靶頭也無法得到有效輸出，本文將通過應用DT中子源測量得到增強型真空康普頓探測器14MeV中子靈敏度，再應用MC模擬的方法對其相應靈敏度進行同比例推算，得到增強型真空康普頓探測器對1.25 MeV中子靈敏度。

3 增強型真空康普頓探測器伽馬（能量1.25MeV）靈敏度測量

3.1 1.25MeV伽馬輻射源參數和探測系統布局

測量增強型真空康普頓探測器伽馬靈敏度使用的輻射源為強鈷源（能量1.25MeV）輻射場，實驗大廳長12.5m，寬4.5m，高4.5m。鈷源為平放的φ19mmX23mm的圓柱體，類似點源。對源準直屏蔽后，100cm測點光斑為10cmxl0cm.200Cm處的光斑為20cmX20cm。測量時采取前端準直（見圖2），探測器布置在離源中心115cm處，探測器前準直器孔徑φ40mm，長度10cm，測點注量率為2.47E+09s-l/cm2。

3.2 1.25MeV伽馬靈敏度測量結果

用Keithley 6517A靜電計，分別對無源和有源情況下的探測器和裸電纜暗電流與輸出信號電流進行測量，扣除裸電纜對輸出的貢獻后得到探測器凈電流輸出，將其除以測點伽馬注量率，得到增強型真空康普頓探測器伽馬靈敏度，見表2。

4 增強型真空康普頓探測器DT（能量14MeV）中子靈敏度測量

4.1 14MeV中子輻射源參數和探測系統布局

測量增強型真空康普頓探測器中子靈敏度使用的DT（能量14MeV）中子輻射源為K400加速器產生的中子輻射場，靶頭為半球狀，外半徑35mm，厚2mm，中子源產額約為3E108-1，由于探測器輸出非常小，只能將探測器貼近DT靶頭半球布置，離源中心約3.8cm，30s監測計數為54392，中子產額與監測記數之間的轉換系數為1.60E+07，可得測點注量率約為1.6E+08 s-l/cm2。

4.2 14MeV中子靈敏度測量結果

用Keirhley 6517A靜電計，分無源和有源情況對探測器和裸電纜的暗電流與輸出信號電流進行測量，扣除裸電纜對輸出的貢獻后得到探測器凈電流輸出，將其除以測點中子注量率，得到增強型真空康普頓探測器14MeV中子靈敏度，見表3。

5 增強型真空康普頓探測器伽馬、中子靈敏 度計算

5.1 探測器靈敏度與收集極上產生凈電子數的關系真空康普頓探測器對輻射的靈敏度計算為式中：e——電子電荷，l.602xl0-19C；

N（E）——收集極凈電子數；

Acff——探測器工作面積。

5.2 收集極凈電子數的統計

電子進入收集極和從收集極出來的路線如圖3所示。依據路線圖可以按下式得到收集極凈電子數。

N（E）=N21+N23+N20-N12-N32-N.2

（3）

5.3 裂變能量區幾個特征能量點的伽馬、中子靈敏

度計算結果

采用MCNPX程序中的Fl：e卡和+F8：e卡對式（3）中各種進出電子數進行統計，對于不同能量的伽馬（中子）源，結合式（2）和式（3）可以得到探測器相應的靈敏度。表4和表5是對裂變能量區幾個特征能量點的伽馬（能量約1.25MeV）、中子（能量約1.25，2.45，14.1MeV）靈敏度進行模擬計算。由于收集極的厚度很薄，在伽馬、中子靈敏度模擬計算中，N02、N20統計結果均為0，表中沒有列出。

6 增強型真空康普頓探測器在裂變能量區內y/n鑒別本領的評估

將表2、表3實驗測量值與表4、表5理論模擬計算值進行對比分析可以看出：對于能量為1.25MeV伽馬，理論計算和實驗測量值基本沒有差異；對于能量為14.1MeV中子，實驗測量值比理論模擬計算高約50%。由于中子輻射與物質發生作用，往往伴隨伽馬等次級輻射的產生，對探測器輸出的貢獻包括信號中子直接作用、實驗大廳散射中子的貢獻以及部分中子輻射與其他物質發生作用伴隨產生的伽馬等次級輻射貢獻。伽馬輻射包括中子在實驗大廳物質上產生的y射線，以及加速器產生的帶電粒子（質子、氘）在靶頭上與靶底襯材料及靶管材料作用下產生的y射線。依據擋錐法測量有關數據可以推算評估：該輻射場下，信號中子之外的其他輻射貢獻對本新型探測器輸出增加可能超過20%，因此直接測量的靈敏度結果比實際中子絕對靈敏度可能要高20%以上。同時由于實驗測量的信號電流只有1.38pA，是非常小的值，也會帶來較大的測量相對不確定度。根據式（l）和理論模擬計算數據可得到模擬計算y/n鑒別本領評估值，見表6第4列；依據14.1MeV中子靈敏度理論實驗測量值差異，按同比例可得到實驗推算靈敏度參考值，見表6第6列；根據式（1）和實驗推算靈敏度參考值數據可以得到實驗推算評估y/n鑒別本領評估值，見表6第7列。

7 結束語

在裂變能量區內，按中子、伽馬平均能量約125 MeV考慮，本文研究的增強型真空康普頓探測器的y/n鑒別本領，理論模擬計算值40.94，實驗推算評估值28.31；由于該新型探測器主要用于y輻射測量而非中子測量，人們并不特別關心該探測器對中子的絕對靈敏度，而更關心該新型探測器在中子、y混合輻射場中測量y輻射的y/n鑒別本領。綜合理論計算和實驗測量結果，考慮其可能不確定度，預留2倍的余量，盡管實驗測量值與理論模擬計算相差約50%，仍然可以明確得H：這種新型真空康普頓探測器的y/n鑒別本領提高了10倍，屬于對中子相對不靈敏對伽馬靈敏，適合中子、伽馬混合場中測量伽馬的可選探測器。