基于MPD-4電子學插件的液體閃爍體中子光響應特性實驗研究

任 杰，阮錫超，黃翰雄，聶陽波，鮑 杰，李 霞

(中國原子能科學研究院 核數據重點實驗室，北京 102413)

在中子物理實驗和中子核技術應用中，中子能譜測量非常重要。目前常用的中子能譜探測器有中子飛行時間譜儀、3He/6Li夾心譜儀、反沖質子探測器、閾探測器、Bonner球等[1]。其中，中子飛行時間法是精度最高的中子能譜測量方法，但依賴脈沖中子源；3He/6Li夾心譜儀的探測效率太低，對2.5 MeV中子的探測效率僅為3×10-6；閾探測器需較多的活化片才能滿足測量精度；Bonner球需仔細優化慢化體厚度和材料，且十分依賴解譜算法。相比之下，反沖質子探測器具有系統簡單、中子探測效率高、粒子甄別能力強等優點，且n-p散射截面是標準截面，通過優化數據處理方法可得到較高的精度。液體閃爍體探測器是目前使用最廣泛的反沖質子探測器之一，常用于中子能譜測量。中子光響應是液體閃爍體探測器的重要參數，表征一定能量的反沖質子在閃爍體中產生的光強度。一般將中子能量En與產生相同光強度的電子能量Eee的對應關系作為中子光響應函數。一般認為，同一種探測器的光響應函數是不變的，可在不同實驗中使用相同的光響應函數。

近年來，一種專門用于液體閃爍體中子探測器的高集成度新型電子學插件(Mesytec公司的MPD-4)被廣泛應用于中子探測系統中[2]，該電子學插件集成了脈沖高度(PH)和脈沖形狀甄別(PSD)測量功能，且1個NIM插件即可實現4路探測器的同時測量，得到了廣泛的應用，尤其是在一些中子探測器個數較多的中子探測器陣列中，該電子學系統被廣泛使用。但多次實驗發現，使用該電子學系統與傳統電子學相比，光響應函數及探測效率存在明顯差異，因此需針對此電子學系統重新測量光響應函數，并對比不同類型的電子學對液體閃爍體光響應函數的影響。

1 實驗布局

圖1 實驗布局及電子學示意圖Fig.1 Experimental arrangement and electronic setup

實驗是在中國原子能科學研究院計量測試部的5SDH-2串列加速器上進行的。使用2.5 MeV的氘束轟擊3.0 mm厚的9Be靶，產生能量低于6.85 MeV的白光中子。實驗中，脈沖氘束頻率4.0 MHz，脈沖寬度3.2 ns，平均流強約4 μA。使用Saint-Gobain生產的BC501A液體閃爍體探測器[3]，直徑2.0 in(1 in=2.45 cm)，厚度2.0 in。閃爍體后端匹配Photonis生產的XP2020光電倍增管，光電倍增管配有Ortec公司的269分壓電路。實驗布局及電子學如圖1所示。探測器位于束流0°角方向，探測器表面距離靶面3.65 m。探測器有兩路輸出信號，一路為倍增極(Dynode)，從分壓電路中間一級引出，信號幅度正比于閃爍體的光輸出；另一路信號為陽極(Anode)，從分壓電路的最后一級引出，信號上升時間小于6 ns，信號積分電荷量正比于閃爍體的光輸出。Dynode信號經過前置放大器PreAmp進入主放大器(Ortec572A)[4]，主放大器的輸出信號代表脈沖高度(PH1)，PH1信號接入CAMAC數據獲取系統的ADC(ps7164)，此線路即采用了傳統電子學。Anode信號經線性扇出插件FanOut(ps744)一分為二，一路進入MPD-4中，另一路進入恒比定時器CFD(Ortec935)。MPD-4輸出2路信號至ADC，一路為脈沖高度信號(PH2)，另一路為粒子甄別信號PSD，即新型電子學。CFD輸出2路定時信號，其中一路進入門產生器Gate(Ortec-Co4020)作為ADC的觸發信號，另一路與脈沖拾取信號符合，作為飛行時間信號TOF。TOF信號由時幅轉換器TAC(Ortec567)輸出，其中探測器的定時信號為起始信號，脈沖束的拾取信號經過快前置放大器FastPA(Ortec-vt120)放大和CFD定時之后進入TAC作為停止信號，TAC輸出信號進入ADC。通過調節Gate寬度使同一事件的不同信號均在1個Gate內，保證數據的一致性，本次實驗使用的Gate的寬度為8 μs。

2 數據分析與討論

2.1 能量刻度

液體閃爍體探測器的能量刻度是測量光響應函數的基礎。一般使用單能伽馬射線源進行能量刻度，通過擬合脈沖高度譜(PH譜)中的康普頓邊確定最大康普頓電子的能量與ADC道值之間的關系[5]。本實驗使用的伽馬射線源為137Cs和22Na，對應的伽馬射線的能量為662、511、1 271 keV。為精確確定康普頓邊的位置，

需使用蒙特卡羅程序模擬單能伽馬射線在探測器中的能量沉積，并根據探測器的能量分辨率展寬模擬譜，然后使用模擬得到的能量沉積譜擬合實驗測量的PH譜，從而確定能量與ADC道數(Chn)的關系(式(1))。液體閃爍體的能量分辨率公式如式(2)所示，其中Eee為等效電子能量，A、B、C為影響能量分辨率的參數：參數A與光在閃爍體中的分布和傳輸有關，B與光產生、衰減、光電過程有關，C與光電倍增管和電子倍增的噪聲有關[6]。實驗中所用的探測器的A、B、C分別為9.17%、10.36%、0.5%。

Eee=aChn+b

(1)

(2)

采用Geant4程序構建探測器的幾何模型，包括BC501A液體閃爍體、探測器外殼、光導和光電倍增管端窗。程序中將伽馬射線源簡化為點源，距探測器表面20 cm，記錄探測器液體閃爍體內的能量沉積。使用ROOT程序展寬模擬譜并與實驗譜擬合，如圖2所示。

圖2 模擬譜與實驗譜擬合結果Fig.2 Fitting result of simulation spectrum and experimental spectrum

分別擬合Ortec572A得到的PH譜和MPD-4得到的PH譜，得到兩種放大器的能量刻度曲線，如圖3所示。能量刻度結果列于表1。從刻度結果可見，Ortec572A和MPD-4得到的等效電子能量與ADC道數的線性關系較好，滿足實驗測量的需求。

2.2 源中子能量測量

對于動能在20 MeV以下的中子，不需考慮相對論效應，中子飛行時間tn與源中子能量En的關系如式(3)所示，其中，l為中子飛行的距離，mn為中子的靜質量[7]。

圖3 能量刻度曲線Fig.3 Curve of energy calibration

(3)

表1 能量刻度結果Table 1 Energy calibration result

在實驗中，通常利用中子靶上產生的伽馬射線到達探測器的時刻確定中子飛行時間的零點，此時tn包括兩部分，一是伽馬射線從靶到探測器所經歷的時間tγ，由距離l和光速c確定；二是伽馬射線與中子到達探測器時刻的差值tγ-n，可根據TOF譜時間刻度的結果得到。一般使用精密脈沖發生器刻度TOF譜中ADC道數和時間的關系。實驗中TAC的量程為500 ns，精密脈沖發生器每隔40 ns產生1個信號，累計13個信號覆蓋TAC的整個量程，如圖4所示。時間刻度結果顯示，TOF譜中的ADC道數與時間具有較好的線性關系，平均每道為0.117 ns。

由于中子產生和輸運過程中均會產生伽馬射線，因此需在TOF譜中去掉伽馬射線的計數。實驗中使用MPD-4的粒子甄別功能，將PSD和PH信號做成雙維譜，可明顯區分中子和伽馬信號，如圖5所示。

根據TOF譜刻度結果和式(3)可得到源中子的能譜。圖6a為源中子的TOF譜，包括沒有粒子甄別條件的原始譜和包含粒子甄別條件的凈中子譜。圖6b為通過凈中子TOF譜得到的中子能譜，其中縱坐標計數的不確定度主要來源于統計不確定度；橫坐標能量的不確定度主要來源于3.2 ns的脈沖束時間寬度，在1 MeV處約為2.5%，在6 MeV處約為6%。

圖4 TAC時間刻度譜Fig.4 TAC time calibration spectrum

圖5 粒子甄別二維譜Fig.5 2D spectrum of particle discrimination

2.3 光響應函數計算

得到源中子能譜后，即可挑選不同能點得到單能中子的PH譜。根據PH譜上的能量邊界和能量刻度的結果可得到該中子能量En對應的等效電子能量Eee。為保證PH譜有足夠的統計，選取中子能量時增加了±2%的區間。選取1.78 MeV到6.41 MeV能區中的7個能點，分別得到Ortec572A和MPD-4的PH譜，如圖7所示。

圖6 源中子飛行時間譜(a)和源中子能譜(b)Fig.6 TOF spectrum of source neutron (a) and energy spectrum of source neutron (b)

圖7 Ortec572A(a)和MPD-4(b)的PH譜Fig.7 PH spectra of Ortec572A (a) and MPD-4 (b)

圖8 5.68 MeV中子的PH譜(a)和PH譜的一階導數(b)Fig.8 PH spectrum of 5.68 MeV neutron (a) and the first derivative of PH spectrum (b)

在單能中子的PH譜中，PH譜高能段的邊界即為反沖質子的最大能量，代表入射中子的能量。實驗中由于能量分辨率等因素，PH譜的邊界具有一定的展寬。確定反沖質子邊可采用蒙特卡羅模擬的方法，也可如Kornilov等[8]所述，通過PH譜的一階導數得到。本次實驗采用一階導數的方法得到反沖質子邊，以Ortec572A測得的5.68 MeV中子的PH譜(圖8a)為例，PH譜的一階導數如圖8b所示，對一階導數在質子邊附近高斯擬合即可得到質子邊的道數。

圖9 中子光響應函數測量結果Fig.9 Measurement results of neutron light output response

分別得到不同能量中子的PH譜中質子邊的值，即可給出相應的光響應函數曲線，如圖9所示。圖9中橫坐標為入射中子能量，其不確定度與圖7b中的能量不確定度一致，主要來源于脈沖束的時間寬度；縱坐標即為質子邊對應的等效電子能量，即光響應，其不確定度約5%，主要來源于質子邊道數的不確定度和伽馬刻度的不確定度。圖9中Previous代表實驗室曾經使用的BC501A的光響應函數，NE213為Lee等[9]測量得到的NE213的光響應函數。可見通過Ortec572A測到的光響應曲線與已有的光響應函數在不確定度范圍內較一致，而MPD-4得到的光響應函數曲線明顯偏低。

為了解MPD-4得到的光響應函數較其他數據偏低的原因，開展了對MPD-4電子學的研究。Ruben等[10]指出，為減少電子學死時間和提高能量分辨率，MPD-4使用新的方法得到信號的能量信息。其將PMT的陽極信號進行了6階梯形濾波，然后對成形后的信號進行電荷積分作為能量信號。但為節省電子學信號處理的時間，電荷積分的時間寬度只有20 ns，不能完全覆蓋探測器的信號，對獲取能量信息造成一定的影響。圖10引用自文獻[10]，給出了不同粒子的原始信號和經過MPD-4成形后的信號。對于同一類型的粒子，不完全的積分僅會改變能量刻度的結果。但當入射粒子種類不同時，由于不同粒子的探測器信號的慢成分比例不同，不完全的積分導致不同粒子損失的能量比例不同，此時不同粒子的能量刻度會有不同比例的改變。以中子和伽馬射線為例，中子(質子)信號的慢成分比例遠大于伽馬(電子)信號，不完全的積分使中子信號損失更多的能量，從而表現為對應的等效電子能量降低，即光響應降低，這與實驗結果一致。相比于MPD-4，傳統的前置放大器和Ortec572A放大器的成形時間為1 μs左右，可覆蓋完整的信號，因此不會改變探測器固有的光響應函數。需指出，在實驗組此前開展的實驗中，也曾使用波形采集或QDC對探測器陽極信號進行電荷積分得到BC501A的反沖質子譜，實驗中探測器信號寬度約120 ns，QDC的積分時間為200 ns。在這些實驗的數據處理過程中，可使用已有的光響應函數(圖9中的Previous)計算出合理的結果(如入射中子能量等)，因此認為使用探測器的Anode信號通過完整的電荷積分得到的光響應函數與使用Ortec572A類型的主放大器得到的光響應函數是一致的。

圖10 中子和伽馬的原始信號及成形信號[10]Fig.10 Original and shaped signals of neutron and gamma[10]

3 結論

對MPD-4這種新型的高集成度電子學插件開展了BC501A型探測器的光響應函數實驗研究，發現與傳統電子學相比，光響應函數有明顯的差異。分析認為差異的原因主要是放大器成形時間和積分時間不同，因此，對于采用此種電子學插件的中子探測系統，需要對中子的光響應函數進行測量，才能得到可靠的結果。

感謝中國原子能科學研究院計量測試部中子組的王志強研究員、劉毅娜副研究員和駱海龍工程師運行5SDH-2串列加速器，并提供了較好的脈沖中子束流。