Performance Characterization of a Plastic-Scintillator Sensor for Fast-Neutron, Thermal-Neutron, and Gamma-Ray Discrimination

本文证明，一种紧凑的塑料闪烁体传感器耦合热中子屏与单个光电倍增管，能够在混合辐射场中有效区分快中子、热中子和伽马射线，且特定配置可实现高分离品质因数。

要点

想象你正站在一个拥挤的房间里，三种截然不同的人群同时在大声喊叫：

1. 伽马射线：像一群快速、无形的蜜蜂，到处嗡嗡作响。
2. 快中子：像沉重的、有弹性的橡胶球，在空气中飞速穿梭。
3. 热中子：像缓慢移动、昏昏欲睡的乌龟，四处游荡。

在核物理中，弄清楚是谁在喊叫什么，对于安全和实验至关重要。问题在于，对于标准探测器而言，它们看起来都一样。本文描述了作者如何构建了一种特殊的“听音装置”（传感器），即使这三种群体混杂在一起，也能将它们区分开来。

侦探的工具包：两种不同的传感器

研究人员利用“三明治”技术构建了两种版本的这种传感器。可以把它想象成一个双层蛋糕，每一层对喊叫的反应都不同。

配料：

• 蛋糕（塑料闪烁体）：这是传感器的主体。当粒子击中它时，它会发出闪光。他们使用了两种“蛋糕”：
  • EJ200：一种反应迅速的蛋糕，会瞬间闪光，但它无法告诉你什么击中了它，只能告诉你有东西击中了它。
  • EJ276：一种更聪明的蛋糕，会根据是蜜蜂（伽马射线）还是橡胶球（快中子）击中它，而改变其“闪光风格”。
• 糖霜（热中子屏）：这是放置在另一侧的一层薄薄的特殊材料（EJ426）。它的设计目的是捕捉慢速的乌龟（热中子）。当乌龟被捕获时，它会产生非常缓慢、持久的闪光，这与蛋糕的快速闪光截然不同。
• 耳朵（光电倍增管）：一个单一的设备，负责接收来自这两层的闪光信号。

工作原理：“闪光速度”技巧

秘诀在于脉冲形状甄别（PSD）。传感器不仅仅是测量闪光有多亮，而是测量闪光持续了多久。

• 伽马射线（蜜蜂）：产生非常快速、尖锐的闪光。
• 快中子（橡胶球）：产生稍长一点的闪光（在 EJ276 传感器中）。
• 热中子（乌龟）：被糖霜层捕获，产生非常缓慢、持久的闪光。

通过观察光信号的“形状”，传感器可以对人群进行分类。

结果：传感器发现了什么

研究团队使用了一个模拟蜜蜂、橡胶球和乌龟混合人群的放射源来测试他们的传感器。他们还添加了塑料（HDPE）层，使橡胶球减速，将它们变成乌龟，以观察传感器如何应对这种变化。

1. 简单传感器（EJ200 + 糖霜）

• 性能：这个版本在将**乌龟（热中子）与蜜蜂（伽马射线）**区分开来方面表现出色。
• 得分：他们给出了一个“分离得分”（称为品质因数），超过 5。在这个世界里，得分高于 1 就是好的；5 则是极好的。它清晰地看到了慢速的乌龟，并忽略了嗡嗡作响的蜜蜂。
• 局限性：它无法区分蜜蜂和橡胶球（快中子）。

2. 智能传感器（EJ276 + 糖霜）

• 性能：这个版本是三方冠军。它成功识别了三个不同的群体：
  • 蜜蜂（伽马射线）。
  • 橡胶球（快中子）。
  • 乌龟（热中子）。
• 难点：虽然它能完美地将乌龟与其他两者区分开来，但当橡胶球移动缓慢（低能量）时，将蜜蜂与橡胶球区分开来就很棘手。然而，一旦橡胶球移动得足够快（相当于能量高于 1 MeV），传感器就能清晰地将它们与蜜蜂区分开来。

“慢化剂”效应

研究人员用不同厚度的塑料泡沫（HDPE）包裹了传感器。

• 薄泡沫：橡胶球（快中子）大多保持快速。
• 厚泡沫：泡沫使橡胶球减速，将它们变成了乌龟。
• 结果：随着泡沫变厚，传感器看到的橡胶球变少，乌龟变多，证明了传感器能够追踪随着环境变化而变化的群体。

结论

本文得出结论，这些“三明治”传感器是一种有前途的、紧凑的处理混合辐射的方法。

• 如果你只需要在伽马射线的海洋中找到热中子，**简单传感器（EJ200）**是你的最佳选择。
• 如果你需要同时区分快中子、热中子和伽马射线（且中子具有足够的能量），**智能传感器（EJ276）**是你要使用的工具。

作者强调，虽然这些传感器运作良好，但他们尚未精确计算出它们捕获了多少粒子（效率），并且对于极低能量的粒子，“快中子与伽马射线”的分离并不完美。但对于紧凑的单一设备解决方案而言，这是一个重要的进步。

技术摘要

以下是论文《塑料闪烁体传感器在快中子、热中子及伽马射线甄别中的性能表征》的详细技术总结。

1. 问题陈述

在混合辐射场（包含伽马射线、快中子和热中子）中，有效区分这些粒子类型对于辐射监测、反应堆测量以及核实验中的本底抑制至关重要。虽然混合闪烁体探测器为实现紧凑型传感器提供了一条途径，但现有解决方案往往难以在单读出架构下同时以高效率区分所有三种粒子类型。挑战在于开发一种紧凑、鲁棒的传感器，能够分离热中子与伽马射线，并在可能的情况下区分快中子与伽马射线，而无需复杂的探测器阵列设置。

2. 方法论

作者研究了两种基于“磷光体堆叠（phoswich-like）”构型的紧凑型探测器组件，其中不同的闪烁体被光学耦合到单个光电倍增管（PMT）上，并通过脉冲形状甄别（PSD）进行区分。

• 探测器构型：

  1. EJ200 + EJ426： 标准塑料闪烁体（EJ200）耦合到热中子敏感屏（EJ426，含 $^6$LiF/ZnS(Ag)）。EJ200 缺乏本征的快中子/伽马射线 PSD 能力，但提供快速响应。
  2. EJ276 + EJ426： 具备脉冲形状甄别能力的塑料闪烁体（EJ276）耦合到相同的 EJ426 屏。EJ276 提供本征的快中子/伽马射线甄别能力。
  • 几何结构： EJ426 屏被夹在 PMMA 板之间，并光学耦合到一个 6 厘米的塑料闪烁体立方体，该立方体随后耦合到 XP3232 PMT。
  • 读出： 信号使用 LeCroy HDO4104A 数字示波器（1 GHz 带宽，10 GS/s）采集。

• 实验设置：

  • 校准： 伽马射线能量校准使用 $^{137}$Cs、$^{22}$Na 和 $^{60}$Co 源进行。由于塑料闪烁体密度较低，校准依赖于康普顿边分析而非全能峰。
  • PSD 测量： 使用 Am–Be 中子源产生混合场。在源和探测器之间放置不同厚度（1 厘米、2 厘米、3 厘米）的高密度聚乙烯（HDPE）慢化剂，以调节中子能谱（使快中子热化）。
  • 分析： PSD 参数定义为 $PSD = 1 - (Q_{short} / Q_{long})$，其中 $Q_{short}$ 和 $Q_{long}$ 分别是 75 纳秒和 800 纳秒门宽下的电荷积分。分离性能使用品质因数（FOM）进行量化。

3. 主要贡献

• 双构型比较： 该研究系统比较了标准塑料闪烁体（EJ200）与具备 PSD 能力的塑料（EJ276）在与热中子屏耦合时的表现，证明了材料选择如何决定混合系统的甄别能力。
• 三组分甄别： EJ276+EJ426 构型成功在单个探测器读出中解析出三个不同的信号群体（伽马射线、快中子和热中子），这是紧凑型混合场传感器的一项重大进展。
• 能量依赖表征： 作者建立了线性伽马等效能量校准，并证明 EJ276+EJ426 组件的快中子/伽马射线甄别能力具有强烈的能量依赖性，仅在超过特定能量阈值时才有效。

4. 关键结果

A. 能量校准

两种组件均表现出光电子（PE）产额与伽马等效能量之间的线性响应。

• EJ200+EJ426： 光产额 $\approx 716.5$ PE/MeV。
• EJ276+EJ426： 光产额 $\approx 781.9$ PE/MeV。

B. EJ200 + EJ426 性能（热中子 vs. 伽马）

• 甄别： 该构型有效分离了热中子俘获事件（高 PSD）与伽马射线事件（低 PSD）。
• FOM： 热中子/伽马分离的品质因数始终很高，超过 5.0（具体为 1 厘米 HDPE 时的 $5.23 \pm 0.06$ 和 3 厘米 HDPE 时的 $5.22 \pm 0.05$）。
• 结论： 该设置非常适合在伽马主导的本底中进行热中子标记。

C. EJ276 + EJ426 性能（快中子、热中子和伽马）

• 甄别： 该构型解析出 三个 不同的群体：
  1. 低 PSD：伽马射线。
  2. 中等 PSD：快中子（反冲质子）。
  3. 高 PSD：热中子（在 EJ426 中俘获）。
• FOM 值：
  • 热中子 / 伽马： 分离效果优异（$FOM > 5$）。
  • 热中子 / 快中子： 分离效果强（$FOM \approx 3.7 - 4.5$）。
  • 快中子 / 伽马： 在低能区域分离能力有限（$FOM < 1.0$）。
• 能量依赖性： 快中子/伽马分离能力随能量显著改善。FOM 仅在伽马等效能量超过约 1 MeV 时才超过有效分离标准 1.27（相当于 $3\sigma$）。
• 慢化剂效应： 增加 HDPE 厚度增加了热中子事件的比例（从 0.46% 增加到 0.57%），同时降低了快中子比例，证实了系统对中子慢化的敏感性。

5. 意义

这项工作展示了一种利用单个 PMT 读出进行混合场辐射探测的实用、紧凑方法。

• 多功能性： 该研究证明探测器架构可根据特定需求进行调整：
  • 使用 EJ200+EJ426 进行高伽马本底下的鲁棒热中子探测。
  • 使用 EJ276+EJ426 对所有三种粒子类型进行综合甄别，前提是分析集中在约 1 MeV 以上的能量。
• 紧凑性： “磷光体堆叠”设计消除了对多个探测器或复杂符合逻辑的需求，使其适用于便携式监测和空间受限的环境。
• 未来展望： 虽然该系统显示出潜力，但作者指出，绝对探测效率和低能快中子/伽马射线甄别需要通过几何结构调整和高级建模进一步优化。

总之，该论文验证了将热中子屏与标准或具备 PSD 能力的塑料闪烁体耦合，可创造出一种强大且紧凑的传感器，能够区分热中子与伽马射线，其中 EJ276 变体提供了额外的、依赖于能量的快中子分离能力。