《1 前言》

1 前言

在强脉冲辐射场测量中，16.7 MeV 高能 射线产生概率低，且有时存在强度高其 4 ~ 5 个量级、平均能量约 2 MeV 的低能 干扰[1]，这就要求探测器对高能 射线的灵敏度高，且具备 5 ~ 6 个量级以上的抗低能 干扰能力。

目前国内外通常采用 Cherenkov 探测器配合磁分析方法进行高能 测量[1~4]，该方法信噪比可达 105 ~ 106 。但由于使用强磁场，一般来说设备体积较为庞大，且需要精细磁场边界调节，在极强低能 本底环境下，抗干扰能力不足，因此使用时受到一定限制。 笔者提出一种新的散射吸收探测方法，可以克服以上不足，为高能 探测提供了一个新的技术途径。

《2 散射吸收法原理概述》

2 散射吸收法原理概述

射线与物质相互作用主要有光电效应、康普顿散射和电子对效应。 康普顿散射微分截面正比于物质原子序数 Z，且随着入射 能量增加而降低。而电子对效应截面正比于 Z2 。

本底 能量分布在 0.5 ~3 MeV 之间，平均能量约为 2 MeV，其与物质作用方式以康普顿散射为主，由于次级 射线相对入射 有较大偏转角，因此可认为发生康普顿散射的本底 将离开束流孔道。 根据 射线与物质作用截面分布特点，通过选择原子序数较小的介质，可在保证大量低能本底 被散射的同时让高能 顺利通过，从而降低本底水平。

在不考虑累积因子的情况下，设高低能  射线穿透厚度为 l ，密度为 ρ 的介质的概率分别为 PH（l ）和 PL （l ），高低能 穿透相同厚度介质的概率比值（简称为高低能 区分能力）为 PHL（ l ）≡ PH（ l ）/ PL（ l ），高能 每衰减一倍对应的高低能 区分能力定义为 ζ ≡ PHL（l ）/（1/PH（l ））＝ PHL（l ）PH（l ），则

以上公式中，σH ， σL 为高低能 γ微观总截面，A 为介质质量数，NA 为阿弗加德罗常数。 定义高低能 光子相对透射因子 μHL ≡（σL－σH）ρNA /A，高能 保留因子 ε ≡ σH /（σL -σH），及 ηHL ≡（σL -2σH）ρNA /A ，分别表示单位长度介质区分高低能 的能力、散射掉低能 同时保留高能 的能力、以及区分高低能 同时保持高能  透射的能力。 其中 ηHL 是综合反映材料性能的参数，其数值越大，性能越好。 表 1 为几种散射介质对 16.7 MeV ，2 MeV 射线的散射性能，综合来看，石墨是较优的选择。

《表1》

表1 不同介质的 μHL ，ε 及 ηHL 值

Table1 Value of μHL ，ε and ηHL for some media

高低能  与物质作用后，利用次级电子能量的差异，即其穿透介质的能力差异，可考虑在探测器灵敏单元（如闪烁体）前放置吸收材料，吸收低能 产生的次级电子，而让高能 产生的高能次级电子顺利进入闪烁体，这样能进一步提高探测系统对高低能 的区分能力，但应注意由于低能 的次级 无法通过吸收材料去除，因此要合理选择闪烁体及吸收体尺寸。

探测系统的总体布局如图 1 所示，探测器分为散射和探测两部分。 图 1 中靶的作用是将入射 转换为电子，使得闪烁体能在束流通道外进行探测，避开通道中 的干扰。 考虑到重靶的高能 截面更大，此处靶选择 0.1 mm 的钨，为最大限度地接收高能 产生的次级电子，同时避开低能 产生的次级 ，选择闪烁体接收角为 2°~ 8°，考虑到高能 为快脉冲，因此选择快闪烁体材料 ST401，闪烁体厚度 2.5 cm 。吸收体材料选择轻材料聚乙烯，以尽可能地使次级电子的能量以电离损失的形式沉积下来，降低辐射损失的份额，聚乙烯厚度为 10 mm 。

《图1》

图1 散射吸收探测方法示意图

Fig.1 Sketch of scattering absorption method

《3 理论模拟》

3 理论模拟

由于要达到 5 ~ 6 个量级以上的高低能 分辨能力，使得探测器对低能 射线探测效率很低，在蒙特卡罗计算中属于深穿透问题，笔者将散射部分和探测部分分别使用 MCNP4C 和 Geant4 分开计算。

《3.1 散射部分模拟》

3.1 散射部分模拟

由于采取式（1），式（2）计算  射线穿透介质能力时，忽略了累积因子的影响，因此解析计算的结果不够准确，笔者利用 MCNP4C 进行计算，得到不同 PHL 值时需要的碳棒长度及对应的高能 穿透概率，结果如表 2 所示。

《表2 》

表2 不同 PHL 时的探测器参数

Table2 Parameter of detector for different PHL

《3.2 探测部分模拟》

3.2 探测部分模拟

根据以上设计，采用 Geant4 程序模拟计算，得到探测器的 灵敏度，中子灵敏度及 能量沉积时间谱。

1) 、中子灵敏度归一到单个  光子或中子，其入射打靶后与闪烁体作用而沉积的平均能量如图 2 所示。 若不考虑闪烁体发光及收集过程的影响，探测器对 16.7 MeV 入射 的灵敏度是 2 MeV 的近 900 倍。 高能 γ被探测到的概率为 3.6 × 10-3，而低能 被探测到的概率要低 2 个量级，约为 3.1 × 10-5 。 较好满足了区分高低能 射线的要求。从图 ２ 中还可以看到，14.1 MeV 聚变中子的平均能量沉积约为 16.7 MeV 射线的 1/100 ，因此当辐射场中中子强度大时，需要采取其他手段如飞行时间法[5]，避开中子的干扰。

《图2》

图2 探测器的 、中子灵敏度曲线

Fig.2 Sensitivity curve of gamma and neutron

2) 探测器时间响应。 通过模拟 射线在探测器中能量沉积的过程，得到 射线能量沉积的时间分布如图 3 所示，图中时间零点为  射线到达靶面的时刻。

《图3》

图3 闪烁体中能量沉积时间分布（峰值归一）

Fig.3 Time spectrum of energy deposition

从图 3 可见， 射线的能量沉积过程大部分在 0.1 ns 以内完成，其上升时间很短，且上升沿所处时刻基本相同，证明辐射转换时间、各种能量电子从辐射转换体到闪烁体的漂移时间的发散、以及电子吸收材料对探测器时间性能的综合影响基本可以忽略。 配合快闪烁体如 ST401 ，BC422[6]等，可完成对聚变时间过程的诊断。 从图 3 中还可以看到，2 MeV 入射时能量沉积时间分布较为平坦，这是由于 2 MeV 射线打靶产生的次级电子绝大部分已被阻止在吸收体中，而次级 基本无阻挡进入闪烁体，由于 作用截面小，因此能量沉积较均匀分布在闪烁体体积内，能量沉积时间分布半宽度也就约等于 射线穿越 2.5 cm 闪烁体的时间（ 约为 0.08 ns ）。

《4 结语》

4 结语

在实际使用时，可依据实际本底水平选择合适长度的散射材料（石墨棒）配合探测部分实现对高能 射线的探测。 如选择 110 ~ 180 cm 的石墨，可实现高低能 灵敏度比值达 106 ~ 108 。 假定选用 ST401 为闪烁体，其发光的 10 % 被有效收集，光电器件光阴极量子效率为 0.2 ，选配光电管或放大倍数为 105 的光电倍增管，对应的高能 灵敏度分别为 10-21 ~ 10-16C· cm2 。

模拟计算结果表明，通过选取快闪烁体和快光电管等，该方法系统响应时间可望达到纳秒甚至亚纳秒级。

笔者提出根据 射线及电子与物质作用方式的特点，利用散射吸收方法实现在强低能本底 环境下的高能  探测。 该方法具有高低能 区分能力强，且可根据本底水平选择合适高低能 区分能力以得到较高高能 灵敏度的特点，可满足不同本底水平下高能 的探测，该探测器结构较为简单，因此较目前使用的基于磁分析器与契伦柯夫探测器的聚变 探测方法有一定的优势。

致谢：　感谢西北核技术研究所宋朝晖、韩和同和熊华博士对本方法研究的意见及建议。 感谢田耕、谢洪刚在模拟计算方面提供的帮助，并感谢西北核技术研究所第二研究室伽马组全体同仁。