關聯α粒子探測器設計和性能研究

張 凱，欒廣源，陳紅濤，趙 芳，鮑 杰，蘇 明，阮念壽，趙單鵬,3，侯 龍,*

(1.中國原子能科學研究院 核數據重點實驗室，北京 102413；2.中國工程物理研究院 特種材料研究所，四川 綿陽 621000；3.火箭軍工程大學 核工程學院，陜西 西安 710025)

快中子的關聯粒子成像技術(API)[1]主要利用D-T聚變反應時出射α粒子和n具有時間關聯和位置關聯特性，通過對α粒子時間和位置信息的探測，可跟蹤特定方向的中子，實現出射中子的自準直，有效降低散射中子對實驗的干擾。通過α-γ關聯，可實現對待測物的元素分析，進而通過C、H、O、N元素比可實現爆炸物檢測[2]。通過α-n關聯，可實現對核材料的無損檢測分析，如核材料的中子透射成像、透射斷層掃描成像和裂變映射成像[3-4]。目前國內的關聯粒子探測裝置主要依托進口設備[5-6]，不能實現關聯成像。API技術中對關聯α粒子位置和時間信息的準確測量至關重要，本文依托中國原子能科學研究院核數據重點實驗室的小型高壓倍加器中子源，提出關聯α粒子靶管設計方案，并對伴隨探測器時間分辨和空間分辨進行研究。

1 關聯α粒子探測設計

1.1 結構設計

中國原子能科學研究院核數據重點實驗室小型高壓倍加器是利用D-T聚變產生14 MeV的單能中子源，反應如下：

D-T聚變反應在產生14 MeV中子的同時，會在中子反方向產生1個α粒子。中子和α粒子一一對應產生，出射時間相同、出射方向完全相反。利用伴隨法技術可實現對中子源強度的監測；通過對伴隨α粒子位置和時間的高精度監測可實現對出射中子的跟蹤與甄別。為同時達到這兩個目的，進行了特殊的靶管設計(圖1)。

D+束漂移管、產額測量管和關聯測量管三軸交于靶心，T-Ti靶與入射D+束呈45°，主要考慮便于關聯α粒子束的探測。Au-Si面壘探測器探測與D+束入射方向呈150°的伴隨α粒子，通過α粒子強度和立體角反推可計算靶位置中子強度。該探測器距靶頭50 cm，Au-Si面壘探測器和靶之間設置2個內徑為8 mm的反散射光闌用來減少散射α粒子對束流監測的影響。

圖1 關聯α粒子探測器系統設計示意圖Fig.1 Schematic diagram of associated alpha particle detector system design

關聯α粒子探測器主要由閃爍型探測器、藍寶石玻璃和多陽極光電倍增管(PSPMT)H13700組成，整體放置于D+入射的90°方向。α粒子探測器中心距靶中心約50 mm，探測器面積為50 mm×50 mm，所以理論上可監測約50°范圍內中子。D+束轟擊靶面時放出光，同時靶附近會存在大量散射D離子，這些都會對關聯探測器造成不利影響。所以在α粒子探測器前覆蓋了1 μm厚的鋁膜進行光隔離，同時可降低散射D粒子對探測器的影響，同時鋁膜接地可避免閃爍體表面的電荷沉積放電，降低干擾信號的影響。通過SRIM計算可得到，3.5 MeV α粒子在1 μm鋁膜中的能量損失約200 keV，能損不到總能量的10%，不影響對關聯粒子的探測。藍寶石玻璃具有高強度、高透光率的特點，所以用2 mm厚的藍寶石玻璃進行真空密封，同時也作為光導連接閃爍體和光電倍增管。閃爍型探測器和藍寶石玻璃之間、藍寶石玻璃和H13700玻璃窗之間均采用光學硅脂進行耦合，以提高光透過率。

關聯探測器關鍵之一就是要有高時間分辨性能(<1 ns)，所以在探測器選擇上首先要選擇具有快時間響應的探測器。ZnO：Ga閃爍體具有快的上升時間和下降沿，是比較理想的選擇。由于大面積的ZnO：Ga價格昂貴且不易獲得，所以本探測器先采用25 mm×25 mm×1 mm的ZnO：Ga作為關聯粒子探測器。

1.2 PSPMT讀出電路設計與測試

位置靈敏光電倍增管H13700[7]是適用于進行高分辨模塊化的成像探測器，光感面積為49 mm×49 mm，具有256個分立陽極，組成16×16的探測像素陣列，每個探測像素為3 mm×3 mm。對256路信號進行單獨讀出采集的系統龐大且昂貴，常用的方法是利用離散位置讀出電路(DPC網絡)或均衡電荷分配電路(SCDC網絡)進行簡化[8]。DPC網絡結構簡單，將256路信號直接簡化為4路，對后端信號采集與處理較易，但有較明顯的邊界壓縮效應，不利于大面積探測。SCDC網絡是將陽極收集來的電荷信號均衡分配到X和Y兩個方向上，每個方向16路信號。結合局域重心法(TCOG)可將32路信號進一步簡化為X+、X-和Y+、Y-4路信號，再經過式(1)、(2)算法進行位置重建。通過散點圖響應圖像[8]結果對比(圖2)可看出，SCDC-TCOG邊界壓縮效應大為降低，可獲得較好的空間分辨和成像性能。

a——DPC；b——SCDC-TCOG圖2 散點圖響應圖像對比Fig.2 Contract of scatter point response image

(1)

(2)

對設計的SCDC讀出電路的X和Y方向進行單獨測試。用脈沖發生器作為信號源，依次輸入每個通道，監測每路通道對應的位置線性度，測試結果如圖3所示。

圖3 X、Y軸通道與位置線性關系Fig.3 X/Y-axis channel and position linear relationship

從圖3可看出，X軸和Y軸通道計算出來的相對位置和通道數具有非常好的位置線性度。其中X軸讀出的最大偏差為通道讀出間距的7.14%，平均偏差為1.46%。Y軸讀出的最大偏差為通道讀出間距的5.44%，平均偏差為0.99%。

2 關聯α粒子探測器性能

2.1 空間分辨性能

關聯粒子技術中，對α粒子空間位置測量的精度是衡量探測系統分辨的重要指標。因此對該關聯探測系統的空間分辨性能進行研究。設計具有關聯探測系統接口的真空腔室，將上述設計好的關聯探測器接到真空腔室上，241Am作為α發射源，模擬靶頭出射的α粒子。雖然241Am放出的5.48 MeV的α粒子較聚變反應放出的3.5 MeVα粒子能量更高，但不影響空間分辨的測量。空間分辨測試示意圖如圖4所示，實驗時通過對不同形狀樣品的測量來檢驗該探測系統的空間分辨能力。用8通道數字化儀DT5730(14-bit @ 500 MS/s)實現對SCDC-TCOG網絡4路輸出的信號時間和全波形采集，通過Matlab程序對數據進行篩選和圖像重建。

實驗前先利用X光機誘發ZnO：Ga發光，通過CCD相機拍照的方法對ZnO：Ga的發光均勻性進行測試，發光均勻性的標準偏差好于7.5%，可用于測量實驗。實驗時通過改變ZnO：Ga前不同的樣品形狀，可獲得不同的圖像，測試樣品都是由厚度為0.3 mm的不銹鋼板制作而成。圖5為2.5 cm方形孔測得的發光平場，除右邊緣由于耦合硅脂中有少許氣泡造成圖像缺失外，其他部分均具有很好的發光均勻性，未發生圖像扭曲，證明數據采集電路、數據篩選和圖像重建算法的可靠性。

圖4 空間分辨測量示意圖Fig.4 Schematic diagram of position resolution measurement

利用刀口法[9]測量該系統的空間分辨性能，將圖6中的圖像分辨進行X方向投影和Y方向投影，并對邊界進行擬合及求導，求導曲線的半高寬(FWHM)即對應空間分辨率。處理結果如圖7所示，圖中每格代表0.25 mm，Y方向投影的邊界求導曲線半高寬為3.74，所以X方向的空間分辨約為0.935 mm；X方向投影的邊界求導曲線半高寬為3.77，所以Y方向的空間分辨約為0.942 mm，兩個方向分辨非常接近，也證明電路設計的對稱性，有利于對空間分辨的判別，避免圖像扭曲。

圖5 方形孔響應圖像Fig.5 Square hole response image

隨后利用關聯系統對狹縫和柵條樣品進行了成像測試，結果分辨如圖8a、b所示。從圖8a、b可分辨出0.3 mm寬的狹縫和柵條樣品，從柵條樣品可看出，對比度大于50%的情況下可達到0.8 mm的空間分辨能力，與刀口法測得的0.9 mm左右分辨接近。最后對復雜圖形“CIAE”字樣進行了成像測試，結果發現還原度高，且圖像未出現扭曲變形，再次證明圖像重建的可靠性(圖8c、d)。

2.2 時間分辨性能

API技術用于核查領域時，不僅需高空間分辨能力，還需良好的時間性能。因此，對該關聯系統的時間分辨性能進行研究。圖9為測試布置示意圖。

圖6 X軸和Y軸空間分辨率分析Fig.6 X-axis and Y-axis position resolution analyses

圖7 狹縫響應圖像Fig.7 Slit response image

圖9 時間分辨測量示意圖Fig.9 Schematic diagram of time resolution measurement

圖10 時間分辨測量結果Fig.10 Time resolution measure result

時間分辨測試布局圖與空間分辨測試布局圖類似，將252Cf裂變源替代空間分辨測試時的241Am源，并加入1組γ探測器作為關聯信號探測器。從H13700出來的陽極信號經過SCDC-TCOG網絡進行信號簡化，簡化后的A、B、C、D 4路信號已丟失了時間信息，所以用H13700的打拿極信號作為定時T信號。塑料閃爍體探測器測得的信號(n,γ)與ZnO:Ga測得的裂變信號通過數字化儀采集，通過內部的CFD算法對兩個入射信號進行定時，通過內部時間窗對兩路信號進行初步篩選甄別，最后通過MATLAB對符合信號進行分析，得到的關聯信號符合時間譜如圖10所示。從圖10可明顯看到裂變碎片-瞬發伽馬符合時間峰，通過高斯擬合得到半高寬即時間分辨為Δt=1.09 ns。該時間分辨由塑料閃爍體探測器時間分辨Δt1和ZnO：Ga時間分辨Δt2兩部分構成，如式(3)所示。可見ZnO：Ga的時間分辨好于1 ns，滿足后期測量的需求。裂變碎片-瞬發伽馬符合時間峰的左側峰位是瞬發中子與裂變碎片的符合信號，由于瞬發中子具有一定的能量展寬，且會有部分散射中子，所以中子符合峰較寬。

(3)

3 結論

根據移動中子發生器的實際需求，設計了多功能的關聯探測器系統，并對其空間分辨性能和時間分辨性能進行測試，空間分辨好于1 mm，時間分辨好于1 ns，達到了預期效果。但在實際操作過程中還存在一些問題，如該系統中ZnO：Ga與藍寶石玻璃采用光學硅脂進行耦合，由于ZnO：Ga處在真空中，其中很小的氣泡會被放大，從而影響光傳輸和位置重建，所以后期考慮改用光學膠進行連接以避免氣泡產生。在大尺寸的ZnO：Ga不能獲得的情況下，考慮后續采用4塊拼接的方式實現PSPMT全面積探測。