姚志明段宝军 宋顾周 严维鹏 马继明 韩长材 宋岩

(西北核技术研究所,强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室,西安 710024)

(2016年10月24日收到;2016年11月22日收到修改稿)

ST 401塑料闪烁体的脉冲中子相对光产额评估方法∗

姚志明†段宝军 宋顾周 严维鹏 马继明 韩长材 宋岩

(西北核技术研究所,强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室,西安 710024)

(2016年10月24日收到;2016年11月22日收到修改稿)

介绍了脉冲中子在ST401塑料闪烁体上的相对光产额评估方法.采用Geant4蒙特卡罗软件模拟X射线和中子在闪烁体中的输运行为,记录产生的全部带电粒子类型和能量,由公式计算得到相对光产额.给出了不同能量的单个中子和单个X射线入射到1 mm,3 mm,5 mm,1 cm,2 cm,3 cm,5 cm厚ST 401的平均相对光产额.在0.3 M eV脉冲X射线源和14 M eV脉冲中子源上开展验证实验,采用相同的图像测量系统记录相对光产额,给出了单个中子与X射线的平均相对光产额比值.模拟结果与实验结果相对误差小于10%.结果可以为宽能谱脉冲中子束图像测量系统的量程安排提供依据.

脉冲射线测量,ST401塑料闪烁体,相对光产额,Geant4

1 引 言

ST 401塑料闪烁体[1]是脉冲中子束图像测量系统[2,3]中的重要组成部分,其作用是将中子图像转换成荧光图像,再由像增强器和电荷耦合器件(CCD)相机组成的光学记录系统进行拍摄.由于脉冲中子产额是在一定范围内变化的,需要对图像测量系统灵敏度进行预估,依据塑料闪烁体的相对光产额,调整像增强器和CCD相机的增益为合适的大小,使CCD相机获得合适曝光量的图像.文献[4,5]的工作中由于当时没有可用的脉冲中子面源,采用脉冲X射线源进行标定,并建立了14.85 M eV恒流中子与0.3 M eV脉冲X射线之间的相对光产额转换关系.然而,宽能谱脉冲中子束能谱范围约为0.01—16MeV,仅有14.85MeV中子与X射线的相对光产额转换关系是不够的.本文基于蒙特卡罗模拟建立了一种相对光产额评估方法,给出了闪烁体对不同能量中子和0.3 M eV X射线之间的相对光产额转换关系.此外,可用于图像测量系统标定的高产额脉冲中子面源已建成[6],尽管使用成本较高,尚不能满足大量的系统标定需求,然而通过少量实验采用图像测量系统直接标定脉冲中子与脉冲X射线的相对光产额转换关系已成为可能,本文介绍了相关实验工作,对给出的相对光产额评估方法进行了验证.

2 相对光产额评估方法

ST401塑料闪烁体由聚苯乙烯作基质,加对联三苯作为闪烁物质,主要由C,H两种元素组成.中子入射到ST401上的反应机制包括:1)与H原子发生弹性散射产生质子(p);2)被C原子俘获释放α,Be,B,C等带电粒子,或者释放γ射线产生e−.带电粒子沉积能量发光,不同粒子的相对光产额与能量的关系由(1)—(6)式描述[7].X射线入射到ST 401上发生光电效应、康普顿散射产生e−,相对光产额由(6)式描述.

其中,Ep,Eα,EBe,EB,EC,Ee−是各带电离子的能量,单位为M eV;L(Ep),L(Eα),L(EBe), L(EB),L(EC),L(Ee−)分别是各带电粒子在闪烁体中的相对光产额,单位为MeVee(electron energy equivalent),含义是1 M eV e−入射到ST 401上能量全部沉积的发光总量计为1MeVee.

Geant4软件[8]是高能物理协会开发的蒙特卡罗通用程序包,涵盖了γ射线、e−、中子(n)和p等多种粒子的物理过程.γ射线与X射线的区别仅为产生机制不同,它们在闪烁体中的光产额是一致的,本文无需对两者进行区分.Geant4软件中有光子输运模块,光子产额的精确计算建立在已知沉积能量与光子产额的转换系数的基础上,该转换系数是未知的.因而本文通过模拟单个X射线或中子在ST 401中的输运过程,并记录产生的每个带电粒子的类型和能量E0,由公式计算得到相对光产额.部分带电粒子的射程较长,能量没有全部沉积在闪烁体内部,以能量E1逃出闪烁体.由E0计算得到的光产额L(E0)与E1计算得到的光产额L(E1)相减为带电粒子在闪烁体中的相对光产额L,由(7)式描述:

单个中子或X射线的输运行为具有随机性,相对光产额也具有随机性,需要模拟大量的粒子输运行为,得到单个粒子相对光产额的平均值.

3 模拟计算

Geant4软件采用模块化设计,由不同模块分别实现探测器几何结构定义、粒子与物质作用过程描述、粒子产生和粒子信息记录.模拟程序参数设置为:1)DetectorConstruction类中设置ST 401塑料闪烁体的材料、几何尺寸和位置,C, H原子个数比为1:1.1,密度为1.05 g/cm3,尺寸为20 cm×20 cm×h,闪烁体厚度h取值为1 mm, 3 mm,5 mm,1 cm,2 cm,3 cm,5 cm,闪烁体放在距离射线源2 m处,射线源与闪烁体之间由空气填充;2)软件中有多种物理过程列表,主函数调用了QGSP_BIC_HP,其中包括光电效应、康普顿散射等X射线与物质作用的全部物理过程,对于能量低于20M eV的中子,QGSP_BIC_HP采用的是高精度中子弹性碰撞和非弹性碰撞模型,与其他物理模型相比,可以更精确地模拟中子输运过程;3)PrimaryGeneratorAction类中设置射线源参数,粒子类型分别为X射线和中子,X射线能量为0.3 MeV和0.75 MeV,中子能量如表1所列,射线源为2 cm×2 cm大小的面源,沿着垂直于闪烁体的方向均匀发射,每种射线能量下发射106个粒子; 4)SteppingAction类中记录粒子信息,如果粒子是闪烁体中新产生的带电粒子,在newpar文件中记录粒子类型和能量,如果带电粒子逃出闪烁体,在outpar文件中记录粒子类型和能量.

由(1)—(6)式计算每个新产生带电粒子的相对光产额和每个逃出带电粒子的相对光产额,代入(7)式,可得106个粒子入射的总光产额,进而得到单个粒子的平均相对光产额.图1是X射线的计算结果.5 mm厚闪烁体具有较好的分辨率和较高的光产额,在脉冲中子束图像测量中应用最为广泛,表1列出了不同能量中子与0.3 M eV X射线在5 mm厚ST 401中的相对光产额比值详细数据.其他厚度闪烁体的相对光产额以曲线形式给出,如图3所示.

图1 0.3 M eV与0.75 M eV X射线相对光产额Fig.1.Light output of 0.3 M eV and 0.75 M eV X-ray.

图2 2.5 M eV与14 M eV中子相对光产额Fig.2.Light output of 2.5 M eV and 14 M eV neutron.

图1和图2表明X射线和中子的相对光产额随闪烁体厚度的增加近似为线性增加.图3表明中子的相对光产额不随能量的增大而线性增加.这是由中子的反应截面和带电粒子沉积能量过程共同作用的结果.以1 mm闪烁体为例,随着中子能量增大,反应截面增大,产生的带电粒子能量增大,逃出闪烁体的带电粒子个数增多.当中子能量小于8 MeV时,反应截面和带电粒子能量的提高占主要作用,相对光产额逐渐增大;当中子能量高于8 MeV时,逃出闪烁体的带电粒子数增多占主要作用,相对光产额逐渐减小.此外,图3中低能端0.1 MeV和0.2 MeV中子的相对光产额出现跳变.原因是(1)式中质子能量适用范围为Ep≥0.1 MeV,Ep＜0.1 MeV的相对光产额计算公式未见报道,而能量低于0.2 MeV的中子会产生大量Ep＜0.1 MeV的质子,造成计算结果失真, 0.01—0.2 M eV能量范围内的中子相对光产额评估仍是一项待解决的问题.计算表明,0.3 MeV以上能量的中子产生的Ep＜0.1 MeV质子引入的相对光产额误差小于5%,在脉冲中子束图像测量中能够满足精度要求.

图3 中子相对光产额随能量的变化Fig.3.Light ou tput of neu tron vs.energy.

表1 中子与X射线在5 mm厚ST 401中的相对光产额比值Tab le 1.Ratio of neutron light output to X-ray in 5 mm thick ST 401.

4 标定实验

4.1 脉冲X射线标定

脉冲X射线标定实验在西北核技术研究所“晨光号”加速器[9]上进行.脉冲X射线等效单能为0.3 M eV,焦斑尺寸约为1.2 mm,距离源2 m处可以看作均匀面源,采用热释光剂量探测器测量闪烁体处的辐照剂量.实验布局如图4所示:以激光经纬仪和射线源中心为基准建立基准光轴,使闪烁体中心和反射镜中心与基准光轴重合.脉冲中子面源的中子产额仍偏低,且实验发次有限,仅对1 cm以上厚度的闪烁体进行标定.采用GCO-23型远心成像镜头减小离轴图像的畸变.Andor公司DH734型增强电荷耦合器件(ICCD)相机拍摄闪烁体发光图像(图5).暗箱由3 mm厚铝材料经表面发黑处理制成,可以屏蔽电磁干扰并减弱箱内漫反射光的干扰.屏蔽体是10 cm厚的铅墙,使X射线衰减4个量级,避免ICCD相机受到X射线的直接辐照.为了减小可见光在反射镜和闪烁体出光面之间的多次反射,在200 mm×200 mm的闪烁体表面黏贴了吸光黑纸,仅在出光面保留4.5 cm×4.5 cm的区域出光,反射镜距离闪烁体最小距离为14 cm.发光图像中心500×500的像素区域的灰度平均值,扣除无射线照射时本底图像灰度,得到相机对X射线的响应,如表2所列.

图4 标定实验布局Fig.4.Layou t of calibration experim ent.

图5 脉冲X射线激发闪烁体发光图像(500×500像素)Fig.5.Flash im age of scintillator irradiated by pu lsed X-ray.

4.2 脉冲中子标定

脉冲中子标定实验在中国工程物理研究院激光聚变研究中心的神光-III主机上进行.实验布局与脉冲X射线标定实验相同.闪烁体处14 MeV中子照射剂量为106个/cm2量级.中子照射剂量由激光聚变研究中心采用铜活化法[10]监测.复合屏蔽体由15 cm铁+10 cm聚乙烯+10 cm铅材料组成,作用分别为慢化14 MeV中子,吸收低能中子和吸收次级射线,使14 M eV中子衰减3个量级.图像记录和数据处理方法与脉冲X射线实验相同,结果如表2所列.

表2 标定实验结果Tab le 2.Resu lts of calibration experim ent.

5 分析讨论

由标定实验结果计算可得单个14 M eV中子与0.3 M eV X射线的相对光产额比值,如表3所列.蒙特卡罗方法计算值与实验测量值相对误差小于10%.

实验测量相对光产额比值的不确定度来源主要包括两方面:一是脉冲中子个数监测的不确定度为5%[10],脉冲X射线剂量监测的不确定度为4.1%[5];二是脉冲X射线并不是理想单能,具有一定的能谱分布,引入的不确定度为5%[4].合成不确定度为8.17%.模拟计算相对光产额比值的不确定度来源主要包括三方面:一是带电粒子相对光产额计算公式不确定度为5%[11];二是Ep＜0.1M eV的低能质子引入的不确定度为5%;三是蒙特卡罗软件提供的数据库截面引入的不确定度.

鉴于实验测量不确定度较大且蒙特卡罗软件的数据库截面引入的不确定度不易评估,本文给出的相对光产额评估方法需要更多的比较验证.表3给出了不同文献的实验测量结果.文献给出的是由光电倍增管测得的灵敏度,相对灵敏度比值与相对光产额比值均无量纲,均可反映单个中子和X射线入射到闪烁体上光产额的相对强弱.文献[4,5]中的单位能量的相对灵敏度需要乘以粒子能量进行转换.模拟结果与文献[4,5,12]的实验结果平均相对误差为22.16%,最大相对误差为43.71%.文献[13]的实验结果与模拟结果相差2倍以上,10 mm闪烁体结果比文献[12]中9 mm的结果高3倍,该文献中未提及屏蔽措施,分析认为是空间散射中子和散射γ射线的干扰造成了数据失真.

表3 中子/X射线相对光产额比值对比Tab le 3.Com parison of experim ental and sim u lation resu lts.

6 结 论

本文给出了一种脉冲中子入射到ST401塑料闪烁体相对光产额的评估方法,该方法的计算结果与验证实验相对误差小于10%,与文献结果相对误差小于44%.宽能谱脉冲中子束图像测量系统的图像灰度为量程的10%—90%时视为曝光量合适,可同时确保图像具有较高的对比度并防止信息丢失.如果安排系统曝光量为量程的60%,按最大相对误差计算,实际获取的图像灰度为量程的34%—86%.本文的理论方法可以作为宽能谱脉冲中子束图像测量系统的量程安排依据.

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A m ethod of evaluating the relative ligh t y ield o f ST 401 irrad iated by pu lsed neu tron∗

Yao Zhi-M ing†Duan Bao-Jun Song Gu-Zhou Yan Wei-Peng Ma Ji-M ing Han Chang-Cai Song Yan

(State K ey Laboratory of Intense Pu lsed Rad iation Sim u lation and Effect,Northw est Institu te of Nuclear Technology, X i’an 710024,China)
(Received 24 October 2016;revised m anuscript received 22 Novem ber 2016)

High speed im aging technique is an eff ectivem ethod to test the inform ation about pulsed neutron source.Im aging system is usually com posed of a pinhole,a scintillator,an im age intensifier and a charge-coup led device(CCD)cam era. ST 401 p lastic scintillator isw idely used to convert the neutron image into visible light image since it has features of high conversion effi ciency and fast tim e response.W hen testing a pu lsed neutron source of w ide energy spectrum,we shou ld evaluate the light yields of ST 401 irradiated by neutrons w ith diff erent energies and m ake the CCD cam era exposed to the light app ropriately.A 0.3 M eV pu lsed X-ray source is often used to calibrate the imaging system because of its low cost than the D-T fusion neutron source.In thiswork,am ethod of evaluating the relative light yield of ST 401 irradiated by 0.1–16 M eV neutron to 0.3 M eV X-ray is proposed.

Geant4Monte Carlo software is used to simulate the transport performances of neutrons and X-rays.The software package can simulate the transport process of photons.But the conversion factor of ray energy deposition into photons is unknown.It is diffi cult to calculate the number of photons generated in ST 401 accurately.In this article,we calculate the relative light yield according to the energy of charged particles produced in ST 401.Firstly,all in formation about the particle type,energy deposition,kinetic energy is m onitored on event-by-event basis in GEANT 4.Second ly,the com p lete history of the tracks is then used to calcu late the light output from the scintillator according to the neutron response functions.Third ly,the light output caused by charged particles going out of ST 401 is deducted.Ratios of average light yield of 1 mm,3 mm,5 mm,1 cm,2 cm,3 cm,5 cm thick ST 401 irradiated by 0.1–16 M eV neutron to 0.3M eV X-ray are given.To confi rm the correctness of the simu lated resu lt,validation experiment is carried out on IVA pu lsed X-ray source and SGIII pulsed neutron source.The simulated ratio of average light yield of ST 401 irradiated by one single 14 M eV neutron to 0.3 M eV X-ray has a discrepancy of less than 10%com pared w ith the m easured value. Com pared w ith the results of experiment conducted on a constant current source,the simulated results have amaximum discrepancy of less than 44%.If CCD cam era exposure 10%–90%of the full scale,the im age w ill have high contrast and inform ation loss can be avoided.According to the simulated results and the neutron yield,exposure can be easily set to be 60%of the fu ll scale by ad justing the gain of the image intensifier.Assume that the simulated results have a 44% discrepancy,the actual exposure w ill be in a range of 34%–86%of the fu ll scale.Underexposure and overexposure can be avoided by presetting the imaging system sensitivity approp riately based on the simulated results.It im p lies that the m ethod proposed is eff ective in predicting the im aging system response to pulsed neutron w ith w ide energy spectrum.

pulsed ray detection,ST 401 plastic scintillator,relative light yield,Geant4PACS:24.10.Lx,29.40.–n,29.40.M c

10.7498/aps.66.062401

:24.10.Lx,29.40.–n,29.40.M c DOI:10.7498/aps.66.062401

∗国家自然科学基金(批准号:61171013)资助的课题.

†通信作者.E-m ail:yaozhim ing@nint.ac.cn

*Pro ject supported by the National Natural Science Foundation of China(G rant No.61171013).

†Corresponding author.E-m ail:yaozhim ing@nint.ac.cn