閃爍體大動態(tài)范圍時間響應(yīng)特性快速分析方法研究

黃展常 楊建倫 易 強 李名加 蒙世堅 梁 川 王文川

（中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所 綿陽621900）

脈沖輻射探測作為核科學(xué)的基礎(chǔ)技術(shù)之一，是核反應(yīng)過程特性研究、核反應(yīng)堆運行、監(jiān)測與控制不可或缺的技術(shù)手段。原子核物理研究、大型核科學(xué)裝置研制與運行等相關(guān)研究，需要發(fā)展先進的脈沖輻射探測技術(shù)［1］。脈沖輻射探測系統(tǒng)的時間響應(yīng)特性是深入分析研究各種脈沖輻射場特征的關(guān)鍵因素。例如，在Z箍縮內(nèi)爆關(guān)鍵技術(shù)研究過程中，早期研究表明，在8～10 MA負(fù)載電流的驅(qū)動水平下，絲陣負(fù)載內(nèi)爆產(chǎn)生的γ輻射場強度在離靶心2 m處可到1010cm-2［2］。近期研究表明，在該驅(qū)動能力下開展含氘靶丸動態(tài)黑腔實驗研究時，為探測比γ峰低3～4個量級的γ峰后中子信號，需要研制一種動態(tài)范圍滿足4個量級的門控脈沖輻射探測系統(tǒng)［3］。在該閃爍探測系統(tǒng)研制過程中，需要解決探測系統(tǒng)時間響應(yīng)特性超過4個量級以上動態(tài)范圍的分析需求。

目前，檢測閃爍類脈沖輻射探測系統(tǒng)的時間響應(yīng)特性的重點在于檢測閃爍體單元的時間響應(yīng)特性。常用的方法有：采用激光激發(fā)塑料閃爍體，用高時間分辨的條紋相機記錄閃爍體的發(fā)光過程［4］，或者采用激光激發(fā)閃爍體，用高時間采樣率的示波器記錄探測器的輸出波形［5］。因為單脈沖激光激發(fā)閃爍體產(chǎn)生的熒光有限，并且記錄系統(tǒng)的動態(tài)范圍有限，所以此類方法的動態(tài)范圍約為1個量級，無法滿足跨量級動態(tài)范圍的分析需求，主要用于研究閃爍體的快成分。此外，脈沖激光激發(fā)閃爍體獲得的時間響應(yīng)特性與實際使用中輻射場射線激發(fā)閃爍體的時間響應(yīng)特性也有一定偏差。目前，公開文獻報道可以實現(xiàn)多個量級動態(tài)范圍的測量方法為單光子計數(shù)法。對于單光子計數(shù)系統(tǒng)，常用放射源激發(fā)閃爍體，通過統(tǒng)計大量閃爍體發(fā)光事件實現(xiàn)時間的不連續(xù)測量，用多道統(tǒng)計譜表征閃爍體發(fā)光衰減曲線［6-9］。由于統(tǒng)計效率很低，該方法需要花費數(shù)天才能完成3個量級的探測系統(tǒng)時間響應(yīng)性能檢測。基于單光子計數(shù)法，前期也開展了部分探索性研究實驗［10］。由于所需時間較長，核電子學(xué)噪聲、電纜反射等因素帶來的本底干擾使得該方法的動態(tài)范圍很難超過4個量級。為解決上述問題，本文提出了一種基于脈沖X光源的閃爍體大動態(tài)范圍時間響應(yīng)特性快速分析新方法。

1 方法研究

根據(jù)在數(shù)小時內(nèi)完成閃爍體超4個量級的時間響應(yīng)特性快速檢測的需求，需要解決大動態(tài)幅度范圍和大動態(tài)時間范圍兩個方面的問題。新方法首先選用高增益電流型門控光電倍增管解決大動態(tài)幅度范圍的檢測問題；然后，采用高精度同步時間關(guān)聯(lián)系統(tǒng)解決大動態(tài)時間范圍的關(guān)聯(lián)問題；最后，通過脈沖X光源激發(fā)閃爍體解決信噪比問題，并利用門控光電倍增管的本征因子（消光比）解決不同發(fā)次間的強度歸一化關(guān)聯(lián)問題。

該快速分析方法的主要流程為：把待測閃爍體與高增益電流型門控光電倍增管耦合后，利用脈沖X光源激發(fā)待測閃爍體，采用示波器分量程同時記錄光電倍增管關(guān)門時的熒光主峰信號波形（Vc）以及開門后的信號波形（Vs）。由測定的消光比（η）以及關(guān)門時測得的熒光主峰信號強度（Vc），由式（1）推導(dǎo)其開門條件下的等效熒光主峰信號強度（Vo）。根據(jù)式（2）對信號強度歸一化后，得到距離熒光主峰to之后的熒光衰減后沿曲線Vto。利用高精度同步系統(tǒng)改變門控光電倍增管開門時刻to，獲得距離閃爍體熒光主峰不同時刻的衰減后沿波形Vto。把不同開門時刻的波形Vto繪制在一起，進行指數(shù)擬合得到待測閃爍體的時間響應(yīng)特性。

1.1 消光比測量

消光比表征門控單元對輸入信號的有效衰減程度。當(dāng)輸入光強相同時，消光比等于開門時光電倍增管輸出信號峰值除以關(guān)門時光電倍增管輸出信號峰值［11］。根據(jù)快速分析方法的處理流程，需要先檢測高增益電流型門控光電倍增管的消光比。其測試示意圖如圖1所示。

圖1 消光比測試示意圖Fig.1 Schematic diagram of switch ratio measurement

皮秒脈沖激光器輸出的激光脈沖半高寬約0.1 ns。激光脈沖經(jīng)分光器后被分成兩路，分路比例固定。一路激光脈沖輸入帶暗筒的光強監(jiān)測探頭，用于監(jiān)測每發(fā)次激光脈沖的強度；另一路激光脈沖輸入帶暗筒的門控光電倍增管。光強監(jiān)測探頭和門控光電倍增管的信號用示波器記錄。本研究采用的自研門控光電倍增管，在輸入信號脈寬低于1μs時，其線性輸出電流可達到1 A［12-13］。光強監(jiān)測探頭選用濱松R3809U-52型MCP-PMT，在輸入脈沖半寬為20 ns時，其線性輸出電流可達到0.15 A［14］。通過調(diào)節(jié)皮秒脈沖激光器的輸出光強，保障光強監(jiān)測探頭和門控光電倍增管工作在線性響應(yīng)區(qū)。當(dāng)激光脈沖輸入門控光電倍增管時，通過同步機調(diào)節(jié)門控光電倍增管的開門時刻使其處于開門狀態(tài)。此時，重復(fù)輸入1 500個激光脈沖，統(tǒng)計光強監(jiān)測探頭的輸出信號平均峰值Vmo為17.4 mV（相對標(biāo)準(zhǔn)偏差15%）和門控光電倍增管的輸出信號平均峰值Vso為4.814 V（相對標(biāo)準(zhǔn)偏差8%）。同樣地，當(dāng)激光脈沖輸入門控光電倍增管時，改變門控光電倍增管的開門時刻使其處于關(guān)門狀態(tài)。此時，重復(fù)輸入1 500個激光脈沖，統(tǒng)計光強監(jiān)測探頭的輸出信號平均峰值Vmc為6.271 V（相對標(biāo)準(zhǔn)偏差3%）和門控光電倍增管的輸出信號平均峰值Vsc為1.457 V（相對標(biāo)準(zhǔn)偏差14%）。由式（3）可得該門控光電倍增管的消光比η約為1 190。

1.2 系統(tǒng)動態(tài)范圍評估

基于電流型門控光電倍增管實現(xiàn)大動態(tài)范圍的關(guān)鍵是門控光電倍增管與示波器結(jié)合的記錄系統(tǒng)有足夠的動態(tài)響應(yīng)范圍。因此，采用脈沖皮秒激光器開展該方法的動態(tài)范圍檢測研究，測試框圖如圖2所示。通過同步機改變門控光電倍增管的開門時刻，獲得離激光主峰不同時刻的激光強度分布情況。保持激光脈沖輸出光強不變，統(tǒng)計100次取平均值獲得某一延時下的門控光電倍增管輸出波形。

圖2 系統(tǒng)動態(tài)范圍測試示意圖Fig.2 Schematic diagram of dynamic range measurement

把門控光電倍增管的輸出信號進行分路后輸入示波器的不同通道實現(xiàn)不同垂直靈敏度排布。當(dāng)需要重點關(guān)注激光主峰信號時調(diào)節(jié)該通道垂直靈敏度至一個合適值來記錄其波形Vc；當(dāng)需要重點關(guān)注開門時刻的激光信號時調(diào)節(jié)該通道垂直靈敏度至一個合適值來記錄其波形Vs。采用示波器不同垂直靈敏度記錄同一信號的典型實驗結(jié)果如圖3所示。根據(jù)式（1），由激光主峰信號Vc（圖3虛線）乘以消光比η外推門控光電倍增管完全開門條件下的主峰信號強度Vo。根據(jù)式（2），對激光強度歸一化后，得到開門時刻to之后的強度曲線Vto（圖4）。由圖4的點劃趨向線可得，該記錄系統(tǒng)的有效動態(tài)范圍可達5個量級。

圖3 示波器不同垂直靈敏度時記錄的同一波形Fig.3 The same signal was recorded by the oscilloscope with different vertical sensitivity

圖4 不同開門時刻歸一化信號強度變化曲線Fig.4 Normalized intensity at different gate time

2 快速分析方法的可行性研究

為檢驗該快速分析方法的可行性，開展了驗證性實驗。利用X光機作為脈沖激發(fā)源，激發(fā)某液體閃爍體產(chǎn)生熒光，采用上述快速檢測方法研究該液體閃爍體的發(fā)光衰減特性。其主要實驗框圖如圖5所示。圓柱形的液體閃爍體有效尺寸為：直徑90 mm，高度200 mm。液體閃爍體與門控光電倍增管耦合后，側(cè)放于鉛屏蔽體內(nèi)。正對束流入射方向鉛屏蔽體厚度為150 mm，其余5個面鉛屏蔽體厚度為100 mm。脈沖X光機電極充電電壓450 kV。產(chǎn)生的X光脈寬約20 ns，平均能量約170 keV［15］。通過改變限束孔的直徑以及鉛衰減片的厚度來調(diào)節(jié)入射到液體閃爍體的X光強度。門控光電倍增管的輸出信號經(jīng)過功分器后，輸入到示波器，根據(jù)記錄的X光主峰強度以及記錄的開門時刻X光信號強度進行垂直靈敏度量程排布。

圖5 液體閃爍體時間響應(yīng)特性實驗研究框圖Fig.5 Experimental studydiagram of time response characteristic of liquid scintillator

實驗獲得的典型波形如圖6所示。由圖6可知，門控光電倍增管測到了兩個峰。其中，第1個峰為脈沖X光激發(fā)液體閃爍體產(chǎn)生的熒光信號主峰Vc。雖然門控光電倍增管在此刻處于關(guān)門狀態(tài)，但是由于該倍增管的消光比有限，當(dāng)脈沖X光峰激發(fā)液體閃爍體產(chǎn)生的熒光信號很強時仍會有部分熒光被倍增輸出。第2個峰為門控光電倍增管開門后，熒光余輝產(chǎn)生的信號Vs。

圖6 108發(fā)次門控光電倍增管探測器輸出波形Fig.6 The output waveform of gated PMT of shot 108

鑒于該脈沖X光源的半高寬約為20 ns，因此靠近脈沖X光峰的附近熒光衰減時間信息較復(fù)雜，不利于熒光主峰附近的時間衰減特性分析。尤其是在此脈寬下無法分析閃爍體的超快成分（衰減常數(shù)≤5 ns）。對于自研的百納秒時間跨度的脈沖輻射探測系統(tǒng)，在4個量級以上大動態(tài)范圍分析過程中，重要考慮分析慢成分的時間響應(yīng)特性。根據(jù)實驗shot 107、shot 108、shot 109和shot 110發(fā)次獲得的熒光輸出波形，采用與圖4相同的處理方法，根據(jù)式（2）對輻射源強度歸一化后，得到距離熒光主峰to之后的熒光曲線Vto（圖7）。由圖7可得，采用該快速分析方法記錄的熒光衰減曲線的動態(tài)范圍大于4個量級。為了降低X光源脈寬對擬合的影響，取X光峰后25 ns的實驗數(shù)據(jù)進行y-t雙指數(shù)擬合［16］。在處理過程中，為了擬合方便，以25 ns處的幅值為1，對所有數(shù)據(jù)進行了整體歸一化平移處理。擬合的fitting曲線表示為式（4），擬合的誤差棒為10%。即該液體閃爍體至少存在兩種發(fā)光成分，其快成分發(fā)光衰減常數(shù)約為20 ns。

圖7 基于快速分析方法獲得的液體閃爍體發(fā)光衰減曲線Fig.7 The decay curve of this liquid scintillator was diagnosed on this express analytical method

3 結(jié)語

本文提出了一種新的閃爍體大動態(tài)范圍時間響應(yīng)特性快速分析方法。利用皮秒脈沖激光檢驗了該方法的有效動態(tài)范圍。研究表明，該方法分析閃爍體時間響應(yīng)特性的有效動態(tài)范圍可達5個量級?；赬光機產(chǎn)生的脈沖X光源，采用該方法分析了液體閃爍體的發(fā)光衰減曲線，實驗結(jié)果大于4個量級，驗證了該方法的可行性。但是，實驗所用的脈沖X光源的脈寬較寬，在熒光主峰附近的時間信息較為復(fù)雜，不利于超快成分的準(zhǔn)確分析。下一步，考慮基于核物理與化學(xué)研究所正在研制的脈沖皮秒X光源，采用上述新方法開展閃爍體時間響應(yīng)特性的快速分析研究。

致謝感謝激光聚變研究中心劉紅杰團隊提供的液體閃爍體樣品。