BC501A 型液闪测量 AmBe 中子源中子能谱

2010 年 8 月 17 日

中国科学院高能物理研究所

王松林 , 黄翰雄，阮锡超

“ ”中国科学院 核探测技术与核电子学 重点实验室

报告内容• 一：测量原理简介

• 二：液闪探测器反冲质子光响应函数测量

• 三： AmBe 源中子能谱测量

• 四：总结

• 液体闪烁体探测器：在测量快中子时，在探测器中的能量响应主要是通过反冲质子等带电粒子在液闪中的能量沉积来实现。

• 液闪常用于中子飞行时间探测器，但是当遇到非脉冲时的中子源时，例如同位素中子源等，可用解反冲质子谱法测量中子能谱。

一：解反冲质子谱法测量中子能谱

单能中子在液闪里的 PH 谱

Epmax=En

对于中子在液闪里引起的反冲质子，由于有电离淬灭等淬灭效应的存在，最后探测器输出的可见能量总是小于其所沉积的能量。

max

min

')'()',()(En

En

kk dEEEEREN

对于液体闪烁体探测器而言，测量得到的中子或 γ射线的 PH谱 Nk(E)与中子或 γ射线能谱 Ф(E)的关系可以表示为：

I

iikik EEEEREN

1

')'()',()(

离散化

中子： Rk(E,E’)为探测器的反冲质子的光响应矩阵；γ射线： Rk(E,E’)为探测器的反冲电子的光响应矩阵。对于上面方程 Ф(E)是未知数， Nk(E)和 Rki(E,E’)是已知数，根据上面方程组求解 Ф(E)的过程叫做解谱 (unfolding).

I

iikik EEEEREN

1

')'()',()(

通过解谱法测量中子能谱的原理可以看出，解中子能谱相当于解一个多元方程组：

未知函数：待测中子源能谱

已知函数：待测中子源能谱的在探测器中产生的脉冲高度谱

所用探测器对反冲质子的光响应函数矩阵

解谱原理：采用 SAND-Ⅱ 迭代法 其基本原理为：根据待测中子场环境选择一个初始中子谱 Φi

0 带入式：

K

k

jik

K

kI

ii

jiki

kjik

ji

ji

W

ER

NW

1

1

11

ln

exp

i 为待测中子能区划分很多小能区的代号；

j 为迭代次数；

k 为参与解谱的反冲质子谱的道数。

国内外用这种方法的例子：九院测量的 Po-Be 中子源能谱（茋晶体）

Lucia Cartegni Sara A.Pozzi 测量 D-T 中子源( 液闪）

九院测量 14MeV中子经铁球的泄漏谱（ BC501A ）

PTB 测量的 60Co 源的 γ能谱

二： BC501A 液闪探测器反冲质子光响应函数的测量

• 测量目的：解谱过程需要反冲质子的光响应函数矩阵

光响应函数矩阵

不同能量单能中子在探测器中的脉冲高度谱

不同能量的反冲质子在探测器里的能量输出

通过实验中的不同能量单能中子进行标定

NRESP ：德国 PTB 开发，通过输入探测器的反冲质子的光响应函数、探测器的几何和材料构成以及单能中子的能量来模拟探测器输出的脉冲高度谱。

• 实验所用探测器：探测器： Ф5.08cm×5.08cm ，

BC501A 型液体闪烁体和 XP － 2041 型光电倍增管

• 中子源：不同能量的质子轰击氚气体靶• 实验安排：在中国原子能科学院的常规中子飞行时间谱

议上完成实验 Gas target

Detectors

Monitor

Iron

ParaffineNormal Fast Neutron TOF Spectrometer

Copper

• 实验电子学和数据获取

基于 CAMAC 总线的多参数获取系统 ，每个事例获取了探测器的脉冲高度、 PSD( 过零时间法 n/γ 甄别）、 TOF 信号。

755 FanOut

Anode 0°

Pickup

Dynode

STOP(PSD0)

(TOF0)

2160

Strobe 567TAC

(PSD0)～200ns

START(PSD0)

567TAC

SCALER0

START(TOF0)

935(CFD)

935(CFD)

Fast Amp

755 FanOut

STOP(TOF0)

755 FanOut

FrequencyCounter

STOP(TOF)

PreAmp 571 Ampifier PH

～250ns

光响应及效率刻度实验电子线路结构图

2007年

• 实验安排： 实验前：标定电子学的硬件阈；伽玛刻度；飞行时间谱道宽刻度

实验中：测量脉冲的中子束，数据记录

• 实验获取的 TOF 和 PH-PSD 谱

• 数据分析：数据处理工作共分为两步： 第一步：对探测器进行 γ 刻度，以获得探测器的等效电子能量与道数的对应关系；同时可以对实验谱进行零点校正。第二步：根据 γ 刻度的结果并结合探测器对中子的测量数据求出探测器对反冲质子的光响应。

Epmax=En

根据 Gamma 刻度的结果，标定出最大反冲质子所对应的能量输出。

实验 PH 谱减本底

用具有初始标准光响应的 NRESP 程序模拟单能中子的理论 PH谱

对模拟 PH 谱进行能量刻度 (γ刻度结果）和高斯展宽

二者进行拟和

得到最后的质子的光响应函数

拟和很好

拟和不好，对初始光响应修正，得到新的光响应函数

• 实验结果：

三： AmBe 源中子能谱测量

1.Gamma 刻度2. 测量待测源的中子脉冲高度谱， n/γ 分辨，源与探测器之

间 10cm

实验过程

3.6 解谱过程和结果解谱共需三个文件：待测中子源的反冲质子谱 ( 测量数据 ) ；光响应矩阵 ( 用 NRESP 程序根据探测器光响应函数计算得到 ) ；初始谱。

所用解谱程序 GRVEL: 基于 SAND-Ⅱ 迭代法，迭代 7 次，通过两次相邻迭代的中子能谱之间的差别小于一个给定值结束迭代。

• 测量结果与其它工作比较

• 利用相同方法测量的 PuC 中子源能谱

四：总结讨论• 解 γ 射线的 PH 谱得到 γ 能谱

在解 γ 射线能谱中需要用 GRESP 软件来模拟各个单能 γ 射线的 PH 谱。用此方法可以测量中子积分实验中大样品的中子伴生 γ 射线能谱，同时由于液体闪烁体探测器具有良好的 n/γ 分辨能力，我们一次性就可以测出中子和 γ 射线的能谱。

22Na 源的 γ 能谱

例如，以解 22Na 源和 AmBe 源的 γ 能谱为例

AmBe 源的 γ能谱

• 影响解谱精度的因素 探测器的能量分辨率，测量计数统计

• 与本工作类似的其它工作 测量了大亚湾中微子载钆液闪探测器的反冲质子的淬灭因

子， 测量了大亚湾中微子探测器手动能量刻度源之一 PuC 源

的中子能谱。

0 2 4 6 8 10 12 14 160

2

4

6

8

10

12

En/MeV

Eee

/MeV

根据实验测量推荐的光响应最初输入的标准光响应各单能中子实验点的光响应

谢 谢