用于聚變裝置的溴化鑭探測器在0.1~11MeVγ能區的能量刻度和效率刻度研究
2025-04-11 00:00:00葉茜羅小兵祝家俊等
四川大學學報(自然科學版) 2025年2期
摘要： 托克馬克約束等離子體在破裂期間，會產生高能硬X 射線，對這些高能硬X 射線的探測有助于理解聚變裝置中約束等離子體破裂變化情況. 針對核工業西南物理研究院中國環流三號（HL-3）裝置上對高能量硬X 射線診斷的需求，本文開展了溴化鑭探測系統的研制工作.研制的溴化鑭探測器系統晶體尺寸為φ76 mm×76 mm，對研制的溴化鑭探測器進行了性能測試：該探測器在屏蔽體中本底計數率為455 cps；采用標準源137Cs 測量得到的對662 keV γ 射線的能量分辨率為3%；采用標準源137Cs、152Eu 進行了2 MeV 以下γ 能區的能量刻度和全能峰探測效率刻度工作；2 MeV 以上γ 能區，由于缺乏標準γ 源，因此采用熱中子活化14N 等輕元素產生的2～11 MeV 能區的高能量γ 射線，完成了在該能區的能量刻度和效率刻度. 實驗結果表明：研制的溴化鑭探測器在0. 1～11 MeV γ 能區有良好的能量線性，標準源刻度得到的全能峰探測效率典型誤差小于1. 89%. 采用MCNP5 對研制的溴化鑭探測器的全能峰探測效率進行了模擬計算，并與實驗測量結果進行了對比分析.
關鍵詞： 溴化鑭探測器；效率刻度；能量刻度；蒙特卡羅
中圖分類號： TL812 文獻標志碼：A DOI：10. 19907/j. 0490-6756. 240121
1引言
托卡馬克等離子體破裂過程中會產生從幾MeV 到幾十MeV 能量范圍的高能逃逸電子.這些高能逃逸電子轟擊裝置第一壁產生的厚靶軔致輻射，能量可高達幾十MeV，能譜極其復雜. 對這些硬X 射線的探測有助于理解聚變裝置中約束等離子破裂變化情況［1，2］.
常用的γ 射線探測器（硬X 射線探測原理與γ射線完全一樣）有高純鍺探測器、碘化鈉探測器及溴化鑭探測器. 高純鍺探測器能量分辨率高［3］，時間響應快，但使用時需要冷卻，在有中子輻射的環境中易受損傷. 溴化鑭探測器和碘化鈉探測器均屬于閃爍體探測器，可以在常溫下使用，但溴化鑭探測器有更好的能量分辨率、更高的探測效率以及更快的時間響應，更適合在高計數率下使用［4-7］.
針對核工業西南物理研究院HL-3 裝置上對高能量硬X 射線診斷的需求，本文開展了溴化鑭探測系統的研制工作，對研制的溴化鑭探測器的本底計數率、能量分辨率進行了測定，特別是對重點關注的0. 1～11 MeV γ 能區進行了能量刻度和效率刻度研究.
2溴化鑭探測器系統
2. 1溴化鑭探測器探頭結構
研制的溴化鑭探頭結構如圖1 所示，主要由溴化鑭晶體、光電倍增管、前置電子學三部分組成.溴化鑭晶體為法國圣戈班生產，晶體尺寸為φ 76 mm×76 mm；光電倍增管為日本濱松產品，型號為R-6233-100，工作電壓為450 V.
前置電子學系統中，前置放大器成形時間常數為500 ns. 高速數據采集處理系統中數模轉換（ADC）選用ADS5500EP 芯片，最大采樣率為125 MHz.
采集到的數字核脈沖信號進入FPGA 中進行數字濾波成形處理后，生成γ 能譜，最后通過數據線上傳至計算機系統. FPGA 選用Actel 的A3P1000-1FGG144M 型芯片. 用數據線連接電腦和溴化鑭探測器，實現探頭供電和數據傳輸.
2. 2 溴化鑭探測器本底測量
將探測器放置在體積為40 cm×30 cm×30 cm 蔽室內進行本底測量，屏蔽體為多層結構，由外向內依次為10 cm 厚的鉛、1 mm 厚的鎘、1 mm 厚的銅和5 mm 厚的有機玻璃. 測量時間為3 h，測得的能譜如圖2 所示. 在道址11、 323 和585處有明顯的峰位存在，它們是溴化鑭晶體中包含的放射性核素138La 衰變放出的32、788 和1436 keV γ 射線，以及光電倍增管材料中包含的40K 衰變產生的1461 keV γ 射線的貢獻；在1000道左右的峰是由晶體內的天然放射性元素227Ac 和它的子體α 衰變形成的［8-11］. 本底全譜計數率為455 cps，可見溴化鑭探測器本底計數率高，不適用于低水平放射性測量，尤其是當待分析γ 射線能量與上述峰位能量較為接近時.
2. 3能量分辨率測定
在屏蔽室中，將137Cs 源放置于溴化鑭探測器前端面，對137Cs 源出射662 keV γ 射線進行測量.從測得的能譜中確定出662 keV γ 射線全能峰峰位道數及全能峰半高寬，計算得到的對662 keV γ射線的能量分辨率為3%，如圖3 所示.
3能量刻度和全能峰效率刻度
對研制的溴化鑭探測器進行了能量刻度和效
率刻度. 對于2 MeV 以下γ 射線能區，采用標準源刻度法；而對于2 MeV 以上γ 能區，由于缺乏相應γ 能量的標準源，利用輕元素中子俘獲反應產生高能量γ 射線來進行刻度.
3. 1 0. 1～2. 0 MeV 的能量刻度與效率刻度
采用德國PTB 公司生產的152Eu、137Cs 標準源進行2 MeV 以下γ 射線能區的能量刻度與效率刻度. 152Eu 源的活度為9. 07×104 Bq（2012年4月1日測定值），源活度誤差為1. 06%；137Cs 源的活度為1. 888×105 Bq（2012年4 月1 日測定值），活度誤差為1. 23%.
將標準源137Cs、152Eu 分別放置在距離探測器前表面20 cm 處，與探測器中心同一水平線上，測量時間為3600 s.
從測得的能譜上確定出各能量γ 射線對應的全能峰峰位道數以及全能峰面積，則不同能量γ 射線的全能峰探測效率可由式（1）確定.
相關數據如表1 所示. 表1 中使用的標準放射性點源其γ 射線能量和對應的發射強度取自法國貝克勒爾實驗室數據庫（Laboratoire NationalHenri Becquerel，LNHB）.
表1 中能量1. 1 MeV 是152Eu 發出的1. 0866、1. 096、1. 1096和1. 112 6 MeV γ 射線按強度加權得到的能量，在測得的γ 能譜中，上述4 條γ 射線的全能峰重疊在一起，因此把它當1個峰處理.
3. 2. 2實驗布局 實驗布局如圖4 所示. 慢化體為長方體結構，材料為石蠟，厚度為16 cm；放置Am-Be 中子源的空腔大小為3 cm×3 cm×3 cm；尿素樣品尺寸長23. 5 cm、高32 cm、厚6 cm，放置于以空腔尺寸為中心，貼近石蠟表面處，如圖4所示.
之所以采用這種尺寸，是基于Monte Carlo 模擬計算結果. Monte Carlo 建模時首先設置放置中子源的空腔大小，針對實際使用的Am-Be 中子源尺寸，確定空腔尺寸為3 cm×3 cm×3 cm. 中子源設置為點源、位于空腔中心、中子各向同性出射，中子能譜按Am-Be 中子源的實際能譜設置［13］. 采用MCNP 中的SI、SP 卡定義Am-Be 中子源的中子能譜，其中SI 為源信息卡，定義中子能量，SP為源概率卡，定義對應能量的中子強度. 聯合F2、E2 計數卡來記錄通過靠近石蠟的尿素表面的平均中子通量，其中F2 記錄穿過指定界面的平均中子通量，E2 用來劃分能量箱. 這里重點關心慢、熱中子能區，設置能區范圍為0. 025～0. 5 eV. 改變慢化體厚度，計算出慢化體不同厚度下在指定界面指定能區的平均中子通量，結果表明當石蠟厚度為16 cm 時，尿素樣品所在位置能量為0. 025～0. 5 eV范圍的中子通量最高.
由于所用Am-Be 中子源源強不高，為了保證有好的計數統計性，使用了3500g尿素樣品. 計算了在尿素樣品不同厚度處的中子通量密度，以便對出射的不同能量γ 射線在樣品中的自吸收差異進行修正.
3. 2. 3實驗過程與結果分析 將溴化鑭探測器放置于距尿素樣品20 cm 處，測量中子與14N 反應生成γ 射線的能譜，測量時間為100 h. 測得的γ 能譜如圖5 所示. 由圖5可見，測得的能譜結構非常復雜. 除了來自于氮元素活化產生的高能γ 射線，還有來自于慢化體和尿素樣品中包含的C、H、O元素被中子活化后出射的高能γ 射線. 當γ 射線能量大于8 MeV 時，還可以看到明顯的單逃逸峰和雙逃逸峰. 能譜中最明顯的全能峰有H 元素活化產生的2. 223 MeV γ 射線、C 元素活化產生的4. 44 MeV γ 射線（其中有Am-Be 中子源本身發射的4. 438 MeV γ 射線貢獻）、N 元素活化產生的1. 678、3. 532、3. 678、4. 509、5. 269、5. 561、6. 322、8. 31 和10. 829 MeV γ 射線. 在上述全能峰對應γ射線能量證認過程中，借助了用標準源得到的能量道址關系.
表3給出了清晰可辨的全能峰的峰位道數及其證認出的對應γ 射線能量. 結合表2 和表3，采用一次函數對0. 1～11 MeV 進行能量與道址的擬合，如圖6 所示. 從圖中可以看出溴化鑭探測器在0. 1～11 MeV 表現出良好的能量線性.
對15N 退激產生的能量為1. 678、5. 269、6. 322和10. 829 MeV 特征γ 射線，其全能峰峰形完整，沒有其他γ 射線干擾，采用ORTEC 公司的γ 解譜軟件，通過手動設置感興趣區域確定出其全能峰面積，感興趣區域寬度設置為所包含γ 射線全能峰半高寬的3 倍. 由于上述γ 射線均來自于同一尿素樣品中活化后的氮元素，定義相對探測效率來表征探測效率隨能量的變化趨勢，以1. 678 MeV γ 射線的全能峰探測效率為標準，則其他能量（5. 269、6. 322、10. 829 MeV）相對于它的探測效率為
其中，ε 0 表示對尿素樣品出射1. 678 MeV γ 射線的全能峰探測效率，ε i 表示對尿素樣品出射的其他能量γ 射線的探測效率，I0、N0 分別為1. 678 MeV 射線強度及全能峰面積，Ii、Ni 分別為5. 269、6. 322、10. 829 MeV 的γ 射線強度及對應的全能峰面積.
相對探測效率誤差由全能峰面積誤差、γ 射線強度誤差決定.
由于所用尿素樣品尺寸大，上述能量γ 射線在尿素樣品中的自吸收差異需要修正. 為此用Monte Carlo 設置了與尿素樣品同樣大小的單能體源，體源中不同厚度出射γ 射線強度分布由該厚度處的中子通量密度決定. 利用MCNP 中SI、SP 卡設置了尿素不同厚度的γ 射線強度，用F5 卡記錄通過溴化鑭探測器前表面的γ 射線通量. 在體源材料設置為置空及尿素兩種條件下分別計算出對應的γ 射線通量φ1、φ2，則γ 射線能量為1. 678、5. 269、6. 322、10. 829 MeV 時的自吸收修正因子可根據下式計算.
利用自吸收修正因子對實驗測得的全能峰面積進行修正.
由于相對探測效率表征的探測效率隨能量變化的趨勢受源尺寸大小和源距變化的影響不大，因此利用標準源刻度得到的2 MeV 以下能區全能峰探測效率公式計算出對1.678MeV 的全能峰效率，再利用相對探測效率作轉換，確定出5. 269、6. 322、10. 829 MeV 能點的全能峰效率.
探測效率誤差主要來源于全能峰面積的確定. 相關計算結果如表4所示.
4全能峰效率的蒙卡模擬計算
4. 1探測效率與蒙卡模擬
對溴化鑭探測器的全能峰探測效率進行了模擬計算. 采用Monte Carlo 程序對γ 射線在晶體中的輸運過程進行模擬，聯合使用F8、E8 計數卡對γ射線在溴化鑭晶體中的能量沉積進行記錄，F8 卡為脈沖幅度卡，用以記錄脈沖能量分布，E8 用以劃分能量箱，對應能量箱的數值就是模擬能量的探測效率，計算了不同γ 能量的全能峰探測效率.
4. 2計算模型
根據廠家提供的溴化鑭探頭尺寸結構，用Monte Carlo 建立溴化鑭模型，整個探頭為圓柱體結構，其中溴化鑭晶體為直徑7. 62 cm、長7. 62 cm的圓柱體，晶體前端Al 層厚度0. 05 cm，側面Al 筒厚度0. 315 cm，長度13. 2 cm；設置單能點源，放置在距離探測器前端20 cm 處，各向同性發射，能量分別設置0.122、0. 245、0. 344、0. 667、0. 779、0. 964、1. 678、3. 000、4. 000、5. 269、6. 322、7. 000、8. 000、9. 000 和10. 829 MeV，模擬計算得到溴化鑭探測器對上述能量的全能峰效率值.
4. 3模擬計算結果與實驗測量值的比對
Monte Carlo 模擬計算出的全能峰探測效率相較于實驗測量值系統偏高，這可能是源于建模過程中對探頭結構的簡化. 為此以實驗測定的單能源137Cs 在662 keV γ 射線能量的全能峰探測效率為基準，對Monte Carlo模擬的探測效率進行歸一. 歸一后的模擬全能峰探測效率與實驗測量值如圖7 所示，二者隨能量的變化趨勢基本一致.
5結論
本文研制的溴化鑭探測器系統，對662 keV γ射線的能量分辨率為3%；本底計數率高，在特殊設計的鉛屏蔽室中測得的本底計數率為455 cps，遠高于同尺寸的高純鍺探測器的本底計數率. 利用輕元素中子俘獲反應中出射的高能量γ 射線，結合標準源137Cs、152Eu 的特征γ 射線，實現了溴化鑭探測器在0. 1～11 MeV γ 能區的能量刻度. 結果表明，該溴化鑭探測器在0. 1～11 MeV γ 能區都具有很好的能量線性. 采用標準源137Cs、152Eu 完成了溴化鑭探測器在2 MeV 以下γ 能區的全能峰探測效率刻度；利用中子活化14N 出射的高能量γ 射線之間的強度比例關系；采用相對全能峰探測效率作轉換，得到了在2 MeV 以上γ 能區的全能峰探測效率測量值；實驗結果與Monte Carlo 模擬計算的全能峰探測效率值進行了對比分析. 在利用Am-Be 中子源激發輕元素出射高能量γ 射線刻度實驗中，慢化體的尺寸和形狀以及尿素樣品的用量和位置都直接影響出射γ 射線的強度，這方面還可以作進一步的優化改進.
