在241Am-Be中子源的混合场环境中，研究CLYC闪烁体与SiPM组合的热中子/伽马射线区分能力：通过阈值以上的恒定分数时间法和累积电荷比法进行脉冲形状区分

《Radiation Measurements》：Investigation of thermal neutron/gamma discrimination capability of a CLYC Scintillator with a SiPM in a mixed field of 241Am-Be neutron source: Pulse shape discrimination using constant fraction time over threshold and cumulative charge ratio

CLYC晶体中子探测模块基于99%富集的CLYC晶体与SiPM结合，采用微控制器实现CF-TOT和CCR脉冲形状鉴别方法，在热中子通量2.11×103 n·cm?2·s?1场中验证了中子/伽马分辨能力，FoM指标达1.274，适用于空间受限场景。

　　在当前的研究中，科学家们对一种基于CLYC（Cs?LiYCl?:Ce）晶体的紧凑型中子探测器模块进行了详细分析。这种探测器模块集成了一个内置的微控制器，用于实现脉冲形状判别（Pulse Shape Discrimination, PSD）方法，并通过模拟信号处理技术来区分中子和伽马射线。CLYC晶体因其在中子和伽马射线探测方面的双重功能而备受关注，尤其在需要高灵敏度和良好区分能力的应用中。

研究团队采用了一种99%富集的?Li同位素的CLYC晶体，这种晶体在中子探测中表现出显著的优势。通过将CLYC晶体与硅光电倍增管（SiPM）光学耦合，他们构建了一个高效的探测器系统。SiPM作为一种新型的光电探测器，不仅具有高灵敏度，还能够在较宽的温度范围内保持稳定的性能。为了进一步提高探测器的可靠性，系统中还引入了温度补偿的偏置电源，以确保在不同环境温度下探测器的稳定运行。

该探测器模块的设计强调了其在空间受限或便携式应用中的潜力。传统的中子探测器，如3He气体比例计数器，虽然在中子探测方面表现优异，但因其全球供应短缺，限制了其广泛应用。因此，寻找替代材料和方法成为当前研究的重点。CLYC晶体因其能够同时检测中子和伽马射线，以及良好的能量分辨率，被认为是一种具有前景的替代方案。

在中子探测方面，CLYC晶体主要依赖于?Li(n,α)反应。这种反应的Q值为4.7835 MeV，意味着反应产物会共享这一能量，从而产生较高的脉冲高度。此外，由于反应产物（氚和α粒子）始终处于基态，因此它们的脉冲形状具有独特的特征。相比之下，伽马射线与CLYC晶体相互作用时，会引发慢的发光成分，即核心到价态的光致发光（Core-to-Valence Luminescence, CVL）。CVL在中子引起的脉冲中并不存在，因此可以通过分析脉冲形状的差异来有效区分中子和伽马射线。

研究团队使用了?Li富集的CLYC晶体，并将其与四个SiPM探测器结合，这些SiPM探测器的尺寸为6mm×6mm，工作电压为28V。由于SiPM的增益对温度非常敏感，探测器模块中配备了温度补偿电路，以通过接近SiPM模块的温度传感器和反馈机制来稳定增益。这种设计确保了探测器在不同环境温度下的可靠性和一致性。

为了评估探测器的性能，研究团队在热中子场中进行了实验。热中子场的中子通量为2.11×103 n·cm?2·s?1，来源于2?1Am-Be中子源。实验中，他们利用了4096通道的ADC/MCA（模拟-数字转换器/多道分析器）来存储和分析脉冲高度谱。从获得的谱中可以看出，噪声和低能事件与中子和伽马射线脉冲之间存在明显的分离，这表明探测器具有良好的信号区分能力。

在脉冲形状判别方法中，研究团队采用了常数分数时间过阈值（Constant Fraction Time Over Threshold, CF-TOT）和累积电荷比（Cumulative Charge Ratio, CCR）两种技术。CF-TOT方法通过比较脉冲的上升时间和下降时间来区分中子和伽马射线，而CCR方法则通过分析脉冲的总电荷量与特定时间窗口内的电荷量比值来实现判别。这两种方法的结合使得探测器能够在复杂的混合辐射场中准确区分中子和伽马射线。

研究结果显示，该CLYC探测器模块在661.66 keV的伽马射线能量下，能量分辨率达到了5.3%。这一分辨率表明探测器在伽马射线谱分析方面具有较高的准确性，同时也为中子探测提供了可靠的背景区分能力。此外，研究团队计算了脉冲形状判别方法的性能指标（Figure of Merit, FoM），结果为1.274。这一数值表明，该探测器在热中子与伽马射线的区分能力方面表现良好，即使在存在高能伽马射线的情况下，也能有效避免误判。

该研究还探讨了CLYC晶体的厚度对脉冲形状判别能力的影响。CLYC晶体的峰值发射波长约为373 nm，但其光致发光特性显示，晶体中存在两种不同的发光成分。其中，一种与Ce3?有关，发射波长范围在350-450 nm之间，而另一种则是快速上升和衰减的CVL成分。CVL在中子引起的脉冲中并不存在，因此可以利用其特性来区分中子和伽马射线。然而，随着晶体厚度的增加，CVL成分可能会被晶体自身吸收，从而减少脉冲形状的差异。因此，研究团队选择了一种25 mm厚的CLYC晶体，以在保持良好脉冲形状差异的同时，适应便携式和空间受限的应用需求。

此外，研究还指出，尽管CVL成分在较厚的晶体中可能被部分吸收，但通过采用不同的信号处理方法，仍然可以实现有效的脉冲形状判别。这表明，CLYC晶体在不同厚度和不同信号处理技术的配合下，具有较大的灵活性和适应性，能够在多种环境中保持较高的探测性能。

该探测器模块的应用前景广阔，特别是在核安全和核保障领域。例如，它可以用于便携式放射性同位素识别设备（Radioisotope Identifier Devices, RIDs）中，这些设备需要在有限的空间内进行高精度的中子和伽马射线检测。此外，该探测器模块还可能用于小型模块化反应堆（Small Modular Reactors, SMRs）或微型模块化反应堆（Micro-Modular Reactors, MMRs）的环境中，这些反应堆通常需要紧凑、高效的中子检测系统。

研究团队还提到，该探测器模块的设计充分利用了现代微电子技术的发展。微控制器的引入使得探测器模块能够实现高精度的信号处理和数据分析，而高速ADC的使用则进一步提高了系统的性能。这种结合不仅提高了探测器的准确性，还降低了系统的体积和功耗，使其更适合在空间受限或需要便携性的环境中使用。

总之，这项研究展示了基于CLYC晶体和SiPM光电探测器的紧凑型中子探测器模块在中子和伽马射线区分方面的强大能力。通过采用先进的信号处理技术，如CF-TOT和CCR方法，该探测器模块能够在复杂的混合辐射场中实现高精度的检测。研究结果表明，这种探测器不仅适用于传统的中子检测任务，还可能在核安全、核保障以及小型反应堆环境监测等领域发挥重要作用。未来，随着技术的进一步发展和应用需求的增加，这种类型的探测器有望成为中子检测领域的重要工具。