ST 401塑料閃爍體的脈沖中子相對光產額評估方法?

姚志明段寶軍 宋顧周 嚴維鵬 馬繼明 韓長材 宋巖

(西北核技術研究所,強脈沖輻射環境模擬與效應國家重點實驗室,西安 710024)

(2016年10月24日收到;2016年11月22日收到修改稿)

ST 401塑料閃爍體的脈沖中子相對光產額評估方法?

姚志明?段寶軍 宋顧周 嚴維鵬 馬繼明 韓長材 宋巖

(西北核技術研究所,強脈沖輻射環境模擬與效應國家重點實驗室,西安 710024)

(2016年10月24日收到;2016年11月22日收到修改稿)

介紹了脈沖中子在ST401塑料閃爍體上的相對光產額評估方法.采用Geant4蒙特卡羅軟件模擬X射線和中子在閃爍體中的輸運行為,記錄產生的全部帶電粒子類型和能量,由公式計算得到相對光產額.給出了不同能量的單個中子和單個X射線入射到1 mm,3 mm,5 mm,1 cm,2 cm,3 cm,5 cm厚ST 401的平均相對光產額.在0.3 M eV脈沖X射線源和14 M eV脈沖中子源上開展驗證實驗,采用相同的圖像測量系統記錄相對光產額,給出了單個中子與X射線的平均相對光產額比值.模擬結果與實驗結果相對誤差小于10%.結果可以為寬能譜脈沖中子束圖像測量系統的量程安排提供依據.

脈沖射線測量,ST401塑料閃爍體,相對光產額,Geant4

1 引 言

ST 401塑料閃爍體[1]是脈沖中子束圖像測量系統[2,3]中的重要組成部分,其作用是將中子圖像轉換成熒光圖像,再由像增強器和電荷耦合器件(CCD)相機組成的光學記錄系統進行拍攝.由于脈沖中子產額是在一定范圍內變化的,需要對圖像測量系統靈敏度進行預估,依據塑料閃爍體的相對光產額,調整像增強器和CCD相機的增益為合適的大小,使CCD相機獲得合適曝光量的圖像.文獻[4,5]的工作中由于當時沒有可用的脈沖中子面源,采用脈沖X射線源進行標定,并建立了14.85 M eV恒流中子與0.3 M eV脈沖X射線之間的相對光產額轉換關系.然而,寬能譜脈沖中子束能譜范圍約為0.01—16MeV,僅有14.85MeV中子與X射線的相對光產額轉換關系是不夠的.本文基于蒙特卡羅模擬建立了一種相對光產額評估方法,給出了閃爍體對不同能量中子和0.3 M eV X射線之間的相對光產額轉換關系.此外,可用于圖像測量系統標定的高產額脈沖中子面源已建成[6],盡管使用成本較高,尚不能滿足大量的系統標定需求,然而通過少量實驗采用圖像測量系統直接標定脈沖中子與脈沖X射線的相對光產額轉換關系已成為可能,本文介紹了相關實驗工作,對給出的相對光產額評估方法進行了驗證.

2 相對光產額評估方法

ST401塑料閃爍體由聚苯乙烯作基質,加對聯三苯作為閃爍物質,主要由C,H兩種元素組成.中子入射到ST401上的反應機制包括:1)與H原子發生彈性散射產生質子(p);2)被C原子俘獲釋放α,Be,B,C等帶電粒子,或者釋放γ射線產生e?.帶電粒子沉積能量發光,不同粒子的相對光產額與能量的關系由(1)—(6)式描述[7].X射線入射到ST 401上發生光電效應、康普頓散射產生e?,相對光產額由(6)式描述.

其中,Ep,Eα,EBe,EB,EC,Ee?是各帶電離子的能量,單位為M eV;L(Ep),L(Eα),L(EBe), L(EB),L(EC),L(Ee?)分別是各帶電粒子在閃爍體中的相對光產額,單位為MeVee(electron energy equivalent),含義是1 M eV e?入射到ST 401上能量全部沉積的發光總量計為1MeVee.

Geant4軟件[8]是高能物理協會開發的蒙特卡羅通用程序包,涵蓋了γ射線、e?、中子(n)和p等多種粒子的物理過程.γ射線與X射線的區別僅為產生機制不同,它們在閃爍體中的光產額是一致的,本文無需對兩者進行區分.Geant4軟件中有光子輸運模塊,光子產額的精確計算建立在已知沉積能量與光子產額的轉換系數的基礎上,該轉換系數是未知的.因而本文通過模擬單個X射線或中子在ST 401中的輸運過程,并記錄產生的每個帶電粒子的類型和能量E0,由公式計算得到相對光產額.部分帶電粒子的射程較長,能量沒有全部沉積在閃爍體內部,以能量E1逃出閃爍體.由E0計算得到的光產額L(E0)與E1計算得到的光產額L(E1)相減為帶電粒子在閃爍體中的相對光產額L,由(7)式描述:

單個中子或X射線的輸運行為具有隨機性,相對光產額也具有隨機性,需要模擬大量的粒子輸運行為,得到單個粒子相對光產額的平均值.

3 模擬計算

Geant4軟件采用模塊化設計,由不同模塊分別實現探測器幾何結構定義、粒子與物質作用過程描述、粒子產生和粒子信息記錄.模擬程序參數設置為:1)DetectorConstruction類中設置ST 401塑料閃爍體的材料、幾何尺寸和位置,C, H原子個數比為1:1.1,密度為1.05 g/cm3,尺寸為20 cm×20 cm×h,閃爍體厚度h取值為1 mm, 3 mm,5 mm,1 cm,2 cm,3 cm,5 cm,閃爍體放在距離射線源2 m處,射線源與閃爍體之間由空氣填充;2)軟件中有多種物理過程列表,主函數調用了QGSP_BIC_HP,其中包括光電效應、康普頓散射等X射線與物質作用的全部物理過程,對于能量低于20M eV的中子,QGSP_BIC_HP采用的是高精度中子彈性碰撞和非彈性碰撞模型,與其他物理模型相比,可以更精確地模擬中子輸運過程;3)PrimaryGeneratorAction類中設置射線源參數,粒子類型分別為X射線和中子,X射線能量為0.3 MeV和0.75 MeV,中子能量如表1所列,射線源為2 cm×2 cm大小的面源,沿著垂直于閃爍體的方向均勻發射,每種射線能量下發射106個粒子; 4)SteppingAction類中記錄粒子信息,如果粒子是閃爍體中新產生的帶電粒子,在newpar文件中記錄粒子類型和能量,如果帶電粒子逃出閃爍體,在outpar文件中記錄粒子類型和能量.

由(1)—(6)式計算每個新產生帶電粒子的相對光產額和每個逃出帶電粒子的相對光產額,代入(7)式,可得106個粒子入射的總光產額,進而得到單個粒子的平均相對光產額.圖1是X射線的計算結果.5 mm厚閃爍體具有較好的分辨率和較高的光產額,在脈沖中子束圖像測量中應用最為廣泛,表1列出了不同能量中子與0.3 M eV X射線在5 mm厚ST 401中的相對光產額比值詳細數據.其他厚度閃爍體的相對光產額以曲線形式給出,如圖3所示.

圖1 0.3 M eV與0.75 M eV X射線相對光產額Fig.1.Light output of 0.3 M eV and 0.75 M eV X-ray.

圖2 2.5 M eV與14 M eV中子相對光產額Fig.2.Light output of 2.5 M eV and 14 M eV neutron.

圖1和圖2表明X射線和中子的相對光產額隨閃爍體厚度的增加近似為線性增加.圖3表明中子的相對光產額不隨能量的增大而線性增加.這是由中子的反應截面和帶電粒子沉積能量過程共同作用的結果.以1 mm閃爍體為例,隨著中子能量增大,反應截面增大,產生的帶電粒子能量增大,逃出閃爍體的帶電粒子個數增多.當中子能量小于8 MeV時,反應截面和帶電粒子能量的提高占主要作用,相對光產額逐漸增大;當中子能量高于8 MeV時,逃出閃爍體的帶電粒子數增多占主要作用,相對光產額逐漸減小.此外,圖3中低能端0.1 MeV和0.2 MeV中子的相對光產額出現跳變.原因是(1)式中質子能量適用范圍為Ep≥0.1 MeV,Ep＜0.1 MeV的相對光產額計算公式未見報道,而能量低于0.2 MeV的中子會產生大量Ep＜0.1 MeV的質子,造成計算結果失真, 0.01—0.2 M eV能量范圍內的中子相對光產額評估仍是一項待解決的問題.計算表明,0.3 MeV以上能量的中子產生的Ep＜0.1 MeV質子引入的相對光產額誤差小于5%,在脈沖中子束圖像測量中能夠滿足精度要求.

圖3 中子相對光產額隨能量的變化Fig.3.Light ou tput of neu tron vs.energy.

表1 中子與X射線在5 mm厚ST 401中的相對光產額比值Tab le 1.Ratio of neutron light output to X-ray in 5 mm thick ST 401.

4 標定實驗

4.1 脈沖X射線標定

脈沖X射線標定實驗在西北核技術研究所“晨光號”加速器[9]上進行.脈沖X射線等效單能為0.3 M eV,焦斑尺寸約為1.2 mm,距離源2 m處可以看作均勻面源,采用熱釋光劑量探測器測量閃爍體處的輻照劑量.實驗布局如圖4所示:以激光經緯儀和射線源中心為基準建立基準光軸,使閃爍體中心和反射鏡中心與基準光軸重合.脈沖中子面源的中子產額仍偏低,且實驗發次有限,僅對1 cm以上厚度的閃爍體進行標定.采用GCO-23型遠心成像鏡頭減小離軸圖像的畸變.Andor公司DH734型增強電荷耦合器件(ICCD)相機拍攝閃爍體發光圖像(圖5).暗箱由3 mm厚鋁材料經表面發黑處理制成,可以屏蔽電磁干擾并減弱箱內漫反射光的干擾.屏蔽體是10 cm厚的鉛墻,使X射線衰減4個量級,避免ICCD相機受到X射線的直接輻照.為了減小可見光在反射鏡和閃爍體出光面之間的多次反射,在200 mm×200 mm的閃爍體表面黏貼了吸光黑紙,僅在出光面保留4.5 cm×4.5 cm的區域出光,反射鏡距離閃爍體最小距離為14 cm.發光圖像中心500×500的像素區域的灰度平均值,扣除無射線照射時本底圖像灰度,得到相機對X射線的響應,如表2所列.

圖4 標定實驗布局Fig.4.Layou t of calibration experim ent.

圖5 脈沖X射線激發閃爍體發光圖像(500×500像素)Fig.5.Flash im age of scintillator irradiated by pu lsed X-ray.

4.2 脈沖中子標定

脈沖中子標定實驗在中國工程物理研究院激光聚變研究中心的神光-III主機上進行.實驗布局與脈沖X射線標定實驗相同.閃爍體處14 MeV中子照射劑量為106個/cm2量級.中子照射劑量由激光聚變研究中心采用銅活化法[10]監測.復合屏蔽體由15 cm鐵+10 cm聚乙烯+10 cm鉛材料組成,作用分別為慢化14 MeV中子,吸收低能中子和吸收次級射線,使14 M eV中子衰減3個量級.圖像記錄和數據處理方法與脈沖X射線實驗相同,結果如表2所列.

表2 標定實驗結果Tab le 2.Resu lts of calibration experim ent.

5 分析討論

由標定實驗結果計算可得單個14 M eV中子與0.3 M eV X射線的相對光產額比值,如表3所列.蒙特卡羅方法計算值與實驗測量值相對誤差小于10%.

實驗測量相對光產額比值的不確定度來源主要包括兩方面:一是脈沖中子個數監測的不確定度為5%[10],脈沖X射線劑量監測的不確定度為4.1%[5];二是脈沖X射線并不是理想單能,具有一定的能譜分布,引入的不確定度為5%[4].合成不確定度為8.17%.模擬計算相對光產額比值的不確定度來源主要包括三方面:一是帶電粒子相對光產額計算公式不確定度為5%[11];二是Ep＜0.1M eV的低能質子引入的不確定度為5%;三是蒙特卡羅軟件提供的數據庫截面引入的不確定度.

鑒于實驗測量不確定度較大且蒙特卡羅軟件的數據庫截面引入的不確定度不易評估,本文給出的相對光產額評估方法需要更多的比較驗證.表3給出了不同文獻的實驗測量結果.文獻給出的是由光電倍增管測得的靈敏度,相對靈敏度比值與相對光產額比值均無量綱,均可反映單個中子和X射線入射到閃爍體上光產額的相對強弱.文獻[4,5]中的單位能量的相對靈敏度需要乘以粒子能量進行轉換.模擬結果與文獻[4,5,12]的實驗結果平均相對誤差為22.16%,最大相對誤差為43.71%.文獻[13]的實驗結果與模擬結果相差2倍以上,10 mm閃爍體結果比文獻[12]中9 mm的結果高3倍,該文獻中未提及屏蔽措施,分析認為是空間散射中子和散射γ射線的干擾造成了數據失真.

表3 中子/X射線相對光產額比值對比Tab le 3.Com parison of experim ental and sim u lation resu lts.

6 結 論

本文給出了一種脈沖中子入射到ST401塑料閃爍體相對光產額的評估方法,該方法的計算結果與驗證實驗相對誤差小于10%,與文獻結果相對誤差小于44%.寬能譜脈沖中子束圖像測量系統的圖像灰度為量程的10%—90%時視為曝光量合適,可同時確保圖像具有較高的對比度并防止信息丟失.如果安排系統曝光量為量程的60%,按最大相對誤差計算,實際獲取的圖像灰度為量程的34%—86%.本文的理論方法可以作為寬能譜脈沖中子束圖像測量系統的量程安排依據.

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A m ethod of evaluating the relative ligh t y ield o f ST 401 irrad iated by pu lsed neu tron?

Yao Zhi-M ing?Duan Bao-Jun Song Gu-Zhou Yan Wei-Peng Ma Ji-M ing Han Chang-Cai Song Yan

(State K ey Laboratory of Intense Pu lsed Rad iation Sim u lation and Effect,Northw est Institu te of Nuclear Technology, X i’an 710024,China)
(Received 24 October 2016;revised m anuscript received 22 Novem ber 2016)

High speed im aging technique is an eff ectivem ethod to test the inform ation about pulsed neutron source.Im aging system is usually com posed of a pinhole,a scintillator,an im age intensifier and a charge-coup led device(CCD)cam era. ST 401 p lastic scintillator isw idely used to convert the neutron image into visible light image since it has features of high conversion effi ciency and fast tim e response.W hen testing a pu lsed neutron source of w ide energy spectrum,we shou ld evaluate the light yields of ST 401 irradiated by neutrons w ith diff erent energies and m ake the CCD cam era exposed to the light app ropriately.A 0.3 M eV pu lsed X-ray source is often used to calibrate the imaging system because of its low cost than the D-T fusion neutron source.In thiswork,am ethod of evaluating the relative light yield of ST 401 irradiated by 0.1–16 M eV neutron to 0.3 M eV X-ray is proposed.

Geant4Monte Carlo software is used to simulate the transport performances of neutrons and X-rays.The software package can simulate the transport process of photons.But the conversion factor of ray energy deposition into photons is unknown.It is diffi cult to calculate the number of photons generated in ST 401 accurately.In this article,we calculate the relative light yield according to the energy of charged particles produced in ST 401.Firstly,all in formation about the particle type,energy deposition,kinetic energy is m onitored on event-by-event basis in GEANT 4.Second ly,the com p lete history of the tracks is then used to calcu late the light output from the scintillator according to the neutron response functions.Third ly,the light output caused by charged particles going out of ST 401 is deducted.Ratios of average light yield of 1 mm,3 mm,5 mm,1 cm,2 cm,3 cm,5 cm thick ST 401 irradiated by 0.1–16 M eV neutron to 0.3M eV X-ray are given.To confi rm the correctness of the simu lated resu lt,validation experiment is carried out on IVA pu lsed X-ray source and SGIII pulsed neutron source.The simulated ratio of average light yield of ST 401 irradiated by one single 14 M eV neutron to 0.3 M eV X-ray has a discrepancy of less than 10%com pared w ith the m easured value. Com pared w ith the results of experiment conducted on a constant current source,the simulated results have amaximum discrepancy of less than 44%.If CCD cam era exposure 10%–90%of the full scale,the im age w ill have high contrast and inform ation loss can be avoided.According to the simulated results and the neutron yield,exposure can be easily set to be 60%of the fu ll scale by ad justing the gain of the image intensifier.Assume that the simulated results have a 44% discrepancy,the actual exposure w ill be in a range of 34%–86%of the fu ll scale.Underexposure and overexposure can be avoided by presetting the imaging system sensitivity approp riately based on the simulated results.It im p lies that the m ethod proposed is eff ective in predicting the im aging system response to pulsed neutron w ith w ide energy spectrum.

pulsed ray detection,ST 401 plastic scintillator,relative light yield,Geant4PACS:24.10.Lx,29.40.–n,29.40.M c

10.7498/aps.66.062401

:24.10.Lx,29.40.–n,29.40.M c DOI:10.7498/aps.66.062401

?國家自然科學基金(批準號:61171013)資助的課題.

?通信作者.E-m ail:yaozhim ing@nint.ac.cn

*Pro ject supported by the National Natural Science Foundation of China(G rant No.61171013).

?Corresponding author.E-m ail:yaozhim ing@nint.ac.cn