穩(wěn)態(tài)輻射源電流法評估無機(jī)閃爍體抗中子干擾能力

胡孟春，馮璟華,周 剛，李忠寶，唐登攀，張建華，司粉妮，黃 雁

（中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所，四川 綿陽 621900）

0 引 言

有機(jī)閃爍體一般含有氫元素，含氫物質(zhì)對中子較敏感，比較適合于中子測量;無機(jī)閃爍體密度大，平均原子系數(shù)高，對γ、X射線有較大的阻止本領(lǐng)，比較適合于γ測量。γ輻射探測器的抗中子干擾能力是判斷γ測量信號(hào)質(zhì)量的重要依據(jù)之一。γ輻射探測器在γ輻射靈敏度相同的情況下，對中子干擾輻射靈敏度越低的探測器抗中子干擾能力越強(qiáng)；γ輻射探測器在中子干擾輻射靈敏度相同的情況下，對γ輻射靈敏度越高的探測器抗中子干擾能力越強(qiáng)。抗中子干擾能力越強(qiáng)的γ輻射探測器，在n、γ混合輻射場中，測量的γ輻射數(shù)據(jù)可靠性越高。在n、γ混合輻射場中近距離直接測量γ輻射時(shí)，使用的探測器必須對γ輻射較靈敏而對中子相對不靈敏。CeF3[1-5]、YAP∶Ce[6-11]、LaCl3∶Ce[12-14]等均為新型快響應(yīng)無機(jī)晶體，這些無機(jī)閃爍體發(fā)光衰減時(shí)間短，近年越來越引起人們的關(guān)注，一些研究者對它們的發(fā)光衰減時(shí)間特性、發(fā)光產(chǎn)額、抗輻射特性等方面進(jìn)行了一些研究[1-14]。而這些新型無機(jī)閃爍體構(gòu)成探測器的抗中子干擾能力研究數(shù)據(jù)報(bào)道較少。由于中子與物質(zhì)作用總要形成γ，無機(jī)閃爍體對γ輻射靈敏而對中子輻射相對不靈敏，因而在中子場中對無機(jī)閃爍體的中子絕對靈敏度進(jìn)行精確標(biāo)定是很困難的。本工作目的是通過簡單的分析和推導(dǎo)，使用新型無機(jī)晶體探測器，據(jù)此能夠應(yīng)用穩(wěn)態(tài)中子源和60Co放射性γ源，在不用測量測點(diǎn)注量率的情況下，也可以得到無機(jī)閃爍體抗中子干擾能力的數(shù)據(jù)。

1 γ輻射探測器抗中子干擾能力的物理表征

γ輻射探測器的抗中子干擾能力Kn，可以用探測器對應(yīng)γ輻射的靈敏度Sγ與對應(yīng)中子輻射的靈敏度Sn的比值來表征[15-17]：

如果能夠直接得到探測器對應(yīng)γ輻射的靈敏度和對應(yīng)中子輻射的靈敏度，應(yīng)用式（1）就可以得到探測器的抗中子干擾能力數(shù)據(jù)。

2 探測器靈敏度穩(wěn)態(tài)輻射源電流標(biāo)定法

穩(wěn)態(tài)輻射源標(biāo)定法是實(shí)驗(yàn)測定閃爍探測器對輻射靈敏度的一種較簡單的方法。對于電流輸出型探測器，單能穩(wěn)態(tài)源情況下，探測器的靈敏度可以直接用探測器輸出電流I與探測器位置處引起探測器電流輸出的輻射粒子注量率φ的比值來表示[15-17]即：

將探測器放置在輻射場中，直接測量I和φ，應(yīng)用式（2）計(jì)算就可以得到探測器對輻射的靈敏度。離源點(diǎn)距離L處的注量率φ也可以按式（3）計(jì)算得到：

其中，源的強(qiáng)度J是通過監(jiān)測測量得到，如果是放射性源也可以根據(jù)出廠源的活度推算出來，該方法適用單能穩(wěn)態(tài)中子源和穩(wěn)態(tài)γ源情況的靈敏度標(biāo)定。

3 γ輻射探測器抗中子干擾能力直接測量的困難

由上面測量原理分析初步來看：在單能輻射源的情況下，穩(wěn)態(tài)源應(yīng)用式（2）和式（3），就可以得到探測器對γ輻射的靈敏度Sγ或者對中子輻射的靈敏度Sn，結(jié)合式（1）就能夠得到γ輻射探測器的抗中子干擾能力Kn。但實(shí)際應(yīng)用時(shí)，穩(wěn)態(tài)情況下需要準(zhǔn)確知道測點(diǎn)的輻射粒子注量率φ或輻射源的強(qiáng)度J。對于穩(wěn)態(tài)γ輻射源來說這些比較容易實(shí)現(xiàn)，而對穩(wěn)態(tài)中子輻射就相對比較難，因?yàn)橹凶优c物質(zhì)作用常常伴隨著γ產(chǎn)生，探測器的電流輸出中除了中子源直接作用的貢獻(xiàn)外，還有這些伴隨γ等本底輻射引起的電流貢獻(xiàn)。一般情況下無機(jī)閃爍體對γ輻射相對靈敏而對中子輻射相對不靈敏，如果不采取措施直接測量，在無機(jī)閃爍探測器測量中子源的電流輸出中，中子引起的貢獻(xiàn)反而可能比例小一些，這樣應(yīng)用上面公式得到的無機(jī)閃爍體的中子靈敏度不確定度就會(huì)很大，由此得到的探測器抗中子干擾能力數(shù)據(jù)也就很難有實(shí)際參考價(jià)值。

4 γ輻射探測器抗中子干擾能力的間接獲取方法

4.1 間接獲取γ輻射探測器抗中子干擾能力的計(jì)算公式

應(yīng)用一個(gè)已刻度好的基準(zhǔn)探測器，基準(zhǔn)探測器的抗中子干擾能力、對應(yīng)γ輻射和中子輻射的靈敏度分別為 Kn0、Sγ0、Sn0。根據(jù)式（1）同樣可以有下面關(guān)系

結(jié)合式（1）～式（4）可以得到：就可以得到Kn。

4.2 穩(wěn)態(tài)輻射源情況下獲取的方法

根據(jù)式（2）和式（3）可以得到：

S0、I0、L0分別為作為基準(zhǔn)的探測器靈敏度、輸出電流和測點(diǎn)至源中心的距離，S、I、L分別為被測探測器靈敏度、輸出電流和測點(diǎn)至源中心的距離。實(shí)際測量中，一般可以將兩探測器放在離源中心相同位置處，這樣L0=L，進(jìn)入兩個(gè)探測器的輻射注量率也應(yīng)當(dāng)是相同的。如果光電倍增管特性也幾乎相同（或相對靈敏度已刻度好），通過比較兩探測器扣除本底后的電流輸出就可以得到無機(jī)閃爍體探測器相對基準(zhǔn)閃爍體探測器的相對靈敏度。這樣式（6）可以變?yōu)?/p>

因此，在上述條件下，不用測量測點(diǎn)注量率，直接采用式（7）的電流比較法，就能夠用穩(wěn)態(tài)輻射源測量獲取，從而根據(jù)式（4）和式（5）得到被測無機(jī)閃爍體探測器的抗中子干擾能力。

5 評估CeF3閃爍探測器抗14 MeV中子干擾能力時(shí)的應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)式（2）和式（3），在60Co或137Csγ 放射源場中，用電流法能夠從實(shí)驗(yàn)中直接測得約為0.55[1-5]，由于ST401塑料閃爍對中子相對靈敏，根據(jù)式（2）、式（3）和式（4）應(yīng)用60Coγ 放射源和 DT（14 MeV）中子源，用電流法可以從實(shí)驗(yàn)中直接測得Kn0約為1/4[15-17]。

5.2 穩(wěn)態(tài)輻射源情況下獲取的應(yīng)用實(shí)例

本測量在中國原子能研究院國防科工委放射性計(jì)量一級站5SDH2型加速器中子源場中進(jìn)行[4]，基準(zhǔn)探測器的閃爍體是ST401，尺寸為φ50mm×10mm，被測探測器閃爍體是CeF3，尺寸為φ45mm×10mm，光電器件為同一T5型光電倍增管，探測器離源位置完全相同。采用影錐法測量CeF3閃爍體構(gòu)成的閃爍探測器信噪比約為6，ST401閃爍體構(gòu)成閃爍探測器的信噪比大于16。表1是對能量為14 MeV中子下，測量得到的兩探測器扣除本底后的電流凈輸出數(shù)據(jù)。

表1 CeF3和ST401兩探測器扣除本底后的電流凈輸出數(shù)據(jù)

5.3 初步評估CeF3閃爍探測器抗14 MeV中子干擾能力Kn的應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)式（5）和表1及5.1節(jié)數(shù)據(jù)，可以得到，穩(wěn)態(tài)電流法測量的CeF3閃爍探測器抗14 MeV中子干擾能力：

6 結(jié)束語

在無機(jī)閃爍體對中子的絕對靈敏度很難精確標(biāo)定的情況下，采用本文介紹的穩(wěn)態(tài)源電流法，不用測量測點(diǎn)注量率，就可以初步評估無機(jī)閃爍探測器抗中子干擾能力，該結(jié)果對于n、γ混合場中測量γ輻射的情況，可以為評估應(yīng)用無機(jī)閃爍體探測器的n、γ分辨能力、信噪比提供直接的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)依據(jù)。

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