液体闪烁探测器的高精度能量与分辨率标定

《Radiation Measurements》：High-Precision Energy and Resolution Calibration of Liquid Scintillation Detector

　　

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  蒙特卡洛光谱匹配方法被应用于不同尺寸的液体闪烁探测器。
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  观测并分析了康普顿边缘位置随尺寸变化的偏移。
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  背散射符合测量和伽马射线反折叠验证了校准精度。

引言

中子能谱测量是中子探测的重要组成部分。它已广泛应用于各种核设施的设计与运行、辐射防护、屏蔽计算以及核材料识别 [1], [2]。目前，中子能谱主要通过飞行时间技术、博纳球谱仪、多箔活化方法和基于有机闪烁体的探测方法来测量。作为一种有机闪烁体，液体闪烁体在快中子探测和能谱测量领域引起了相当大的关注。由于液体闪烁体富含氢原子，中子主要通过弹性散射将其能量传递给氢核。反冲质子在闪烁体中沉积能量，诱导闪烁体分子的电离和激发。激发态分子随后通过发射波长在可见光区域或附近的闪烁光子而退激发。这些光子由光电倍增管 (PMT) 收集，从而实现中子的间接探测 [3], [4]。对于液体闪烁体，光输出与反冲电子 (由伽马射线诱导) 沉积的能量近似呈线性关系，而光输出与反冲质子 (由中子诱导) 沉积的能量之间的关系则表现出明显的非线性 [5], [6]。因此，液体闪烁探测器的高精度能量校准和响应函数 (质子能量与光输出之间的函数关系) 测量对于提高反折叠能谱的质量至关重要。本工作侧重于液体闪烁探测器的能量校准和能量分辨率函数表征。

由于氢和碳是液体闪烁体的主要成分且原子序数较低，闪烁体中的伽马射线相互作用以康普顿散射为主，而非光电吸收^[7]。伽马射线在逃离闪烁体灵敏体积之前可能会经历单次或多次康普顿散射事件，其中多次散射发生的概率较低^[8]。多次康普顿散射的贡献会导致康普顿连续谱边缘向外延伸，且随着探测器尺寸的增加，这种效应变得更加明显。因此，与 NaI(Tl) 晶体等无机闪烁体不同，液体闪烁体无法使用响应谱中明确定义的全能峰进行校准。相反，它们的能量校准必须依赖于康普顿连续谱中的替代参考点或更复杂的基于符合测量的实验方法。Limkitjaroenporrn 等人^[9] 通过改变待校准有机闪烁探测器与符合探测器之间的角度来进行能量校准。通过这种方式，选择单能伽马射线以指定角度散射到符合探测器中的事件，从而提供具有已知能量的反冲电子。随后，通过将已知的反冲电子能量与其对应的道址进行拟合来获得能量校准。基于符合测量的实验方法可以避免在康普顿连续谱中识别校准点，但它们通常需要相对复杂的实验装置。相比之下，蒙特卡洛光谱匹配方法不需要复杂的实验。它只需要简单的测量来获取待校准探测器对伽马射线源子的响应谱。然后，将蒙特卡洛模拟获得的展宽模拟谱与测量的响应谱进行匹配，从而确定康普顿连续谱边缘的校准点，进而完成校准 [10], [11], [12]。

在本工作中，使用蒙特卡洛光谱匹配方法对三种不同尺寸 (?2.54 cm × 2.54 cm, ?5.08 cm × 5.08 cm, 和 ?7.62 cm × 5.08 cm) 的液体闪烁探测器进行了能量和能量分辨率校准。特别关注了不同尺寸探测器之间康普顿边缘位置的变化和谱匹配性能的差异。利用背散射符合实验和伽马能谱反折叠进一步验证了所提方法的能量校准精度。

章节摘要

液体闪烁探测器

本研究所使用的有机闪烁体是由 Eljen Technology 制造的 EJ-301 液体闪烁体^[13]。闪烁体被密封在圆柱形铝壳的腔体内，腔体体积的 3% 被惰性气体气泡占据。本工作中校准了三种不同尺寸的探测器，其直径和高度分别为 ?2.54 cm × 2.54 cm, ?5.08 cm × 5.08 cm, 和 ?7.62 cm × 5.08 cm。为了清晰起见，此后这些探测器被称为 2.54 cm, 5.08 cm, 和

能量分辨率校准结果

图 6 显示了 5.08 cm 探测器能量分辨率与参考值之间关系的拟合过程。使用从 5% 到 30% 的均匀能量分辨率对模拟谱进行展宽，并计算相应的参考值。如图 6(b) 所示，拟合曲线的决定系数 R² 为 0.9997，表明拟合效果良好。其他两种能量也使用了相同的程序。然而，对于康普顿边缘

验证方法

图 11 显示了背散射符合实验的原理图。液体闪烁探测器和 NaI(Tl) 闪烁探测器相对放置，闪烁体中心和放射源沿同一直线对齐。对于两个探测器，源到闪烁体中心的距离保持在 15 cm。两个探测器的输出信号通过高速数字化仪同步采集和定时。由于全能峰易于在

验证方法

与非线性的中子响应不同，有机闪烁体对伽马射线表现出线性的光响应，这使得伽马射线响应矩阵的模拟更加直接。此外，¹³⁷Cs 和 ²²Na 的伽马射线发射线是单能的，这使得反折叠伽马谱与实际源能量之间的偏差易于评估。这些偏差提供了对所提方法校准精度的直接衡量。

忽略

结论

在本研究中，蒙特卡洛光谱匹配方法被应用于三种不同尺寸 (2.54 cm, 5.08 cm, 和 7.62 cm) 的液体闪烁探测器的能量校准。在康普顿连续谱上选择了参考点，并使用相应的参考值来估计康普顿边缘能量处的能量分辨率。在此基础上，拟合了一个非均匀分辨率模型，并用于展宽模拟响应谱。康普顿边缘位置被

CRediT 作者贡献声明

Yitong Qin: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，方法论，调查，形式分析，数据管理。Xiaobo Liu: 写作 – 审阅与编辑，监督，资源，概念化

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本报告中所述工作的发表。

Yitong Qin|Xiaobo Liu