林冰璇 蒋俊杰 邹贺潮 赵子滨 黎世杰 刘晓雅 魏亚东

(1.东莞理工学院 电子工程与智能化学院，广东东莞 523808；2.莞理工学院 科技创新研究院，广东东莞 523808)

20世纪50年代初期，我国已开展了辐射探测器的研究工作，先后研制成功了原子核乳胶、盖革计数管、碘化钠(铊)闪烁体等。在五十年代末、六十代初，各种闪烁体探测器、半导体探测器的研究工作也相继开展。其中，闪烁体核探测具有发光衰减时间短、探测效率高等特点，尤其是液体以及塑料闪烁体材质的可塑性使得其应用范围更加广泛[1]。而闪烁体中子探测器因具有效率高、时间分辨能力强、n-v甄别能力良好、价格相对便宜等优点，应用范围较为广泛[2]。由于闪烁探测器对于快中子的探测效果最好，所以闪烁体多用于对快中子的探测。

大多数闪烁体中子探测器探测器在探测时，会用到中子散射技术，该技术作为研究物质结构和动力学性质的理想探针，以其独特的研究优势成为前沿科学研究和新材料、新工艺研发等众多研究领域的有力工具[3]。如今，闪烁体探测器渐渐趋于成熟，但是目前仍存在光产额低、灵敏度差等缺陷。因此，许多学者开始对一些新探测材料进行研制，以期提升探测器的光产额以及灵敏度[1]。另外，国内外开始研究同时能给出入射粒子位置、能量、时间等多种信息的组合型探测器和探测装置，更好地满足探测需要。

闪烁体中子探测器的信号产生大致需要经过三步即中子入射到某些物质中沉积能量产生光子，光电元件将光子转化为电流信号，电子学板将信号甄别整形并记录，达到中子探测的目的。

作为发展中国家拥有的第一个散裂中子源研究平台，中国散裂中子源(CSNS)项目于2008年在广东东莞动工，于2018年8月23日通过验收，在2019年2月2日完成首轮开放运行任务。中国散裂中子源填补了国内脉冲中子源及应用领域的空白，为中国物质科学、生命科学、资源环境、新能源等方面的基础研究和高新技术研发提供了强有力的研究平台。

1 波移光纤的选型

波移光纤作为中子探测器的重要组成元件，其性能参数——光衰减长度、弯转损耗等等直接影响探测器的性能。选用的Y11(200MS)型光纤是否能满足探测器的测量需求，是能否提高探测器探测效率及分辨率的关键。因而波移光纤能满足探测器的工作需要与否，是十分重要的一项考量任务，选用Y-11(200)MS型光纤[4]，是基于其可以最大限度地满足探测器的工艺需求。

Y-11(200)MS型光纤直径1 mm，为双包层结构，中心材料为聚苯乙烯，内外包层分别以聚甲基丙烯酸甲酯、氟化聚合物为材料制成。三层材料的折射率、密度各不相同，详细数据如表1所示。

表1 光纤材料参数

波移光纤可以接收侧入光以输出信号，不同于普通光纤只能依赖光的入射角度。如图1所示，侧入光经芯层中的波移物质吸收重发射后，沿4立体角发射，当发射光子的出射角度大于临界角时，在光纤内全反射传输到光纤两端端口处。简而言之，波移光纤不需要光的端口传输，信号的输出不依赖于光的入射角度。

图1 波移光纤结构及工作原理图解

Y-11(200)MS型光纤为蓝转绿移位器，可将入射的蓝光转换成绿光出射。由表2的数据可知，Y-7(100)、Y-8(100)型波移光纤也是蓝转绿移位器。但是Y-11(200)MS型光纤有一项优点是光衰减长度长、光产额高，更能满足工艺生产需求。而且，三种光纤的吸收和发射光谱的波长范围以及曲线走势大致相似，但是，在相近的波长范围内，Y-11(200)MS型光纤的传输损耗总是低于其他两种波移光纤，更有利于传输。

表2 Kurraray波移光纤参数对比

2 光衰减长度测试

图2 光衰减长度测试系统示意图

光纤的光衰减长度大小直接影响光信号的传输距离或中距站间的远近，因此，较长的光衰减长度对光纤通信具有极大的意义。在探测器设计中，光纤的使用长度需控制在2 m以内，确保到达光电倍增管的光子数能满足电子学的触发需求[5]。因此，选用的Y-11(200)MS型光纤需要保证光衰减长度在2 m以上，才能更好满足工艺生产需求。

对于双包层光纤，满足以下方程，即：

(1)

其中，I为传输到CCD的光强度，为初始光强度，L为光子在光纤中的传输距离，λ为光衰减长度。

图3 测试平台

测试时将光纤固定在图3所示的光学平台，光纤一端连接CCD光谱仪，CCD通过USB连接到PC机，并使用CCD配套软件获取光谱图。在导轨上不断移动光源，改变光子在光纤中的传输距离L，得到不同的光谱信息，如图4所示。其中，峰值最高的曲线L为19 cm，随后依次隔5 cm获得一组曲线，共16组。重复多组实验得到的图像基本相同。由所得图像可知，CCD光谱仪接收到的光谱波长范围为480～620 nm，峰值约在500 nm处，此后光子衰减速度较大，到达550 nm后衰减速度有所减低。

图4 不同位置上的光谱

图5 关于光衰减长度的曲线拟合

3 弯折后的光损耗测试

在运用闪烁体探测器进行探测时，由于光纤弯转有一定半径，探测器必然存在探测死区，为减小探测死区，光纤弯转半径应尽可能小，但是，过小的弯转半径又会造成较大得弯转损耗[6]。因此，开展光纤90°弯转工艺的研究，对减小探测死区具有重要意义。

图6 测试距离图示

测试中，光纤被弯折成90°，先将CCD 连接在光纤的A端口处，让LED光源从A点处入射，得到A处的光强度IA，IA满足式(2)，即：

(2)

将光源移到B点，得到A处的光强度IB，假设光子经历一次90度弯折后损失为η，则IB满足式(3)，即：

(3)

对式(2)、式(3)进行处理，即：

(4)

其中，假设

(5)

则

(6)

K为光纤未经弯折时光子位于A、B两点的光强度之比。由图7可得到K值为0.858 92，由公式即可求得弯折损耗η。在得到A端光损耗后，需将CCD移到B端再次求光纤弯折损耗，最后取A、B端损耗的平均值。经过多组实验后，弯折损耗η为5.53%，低于工艺要求的光损耗10%。

图7 A、B点光谱

4 结语

通过对Y-11(200)MS型光纤的光衰减长度和弯折损耗的测试实验，确定实验中选用的光纤是否满足工艺需求。最终，在多次反复测试后，测得光衰减长度为2.67 m，波移光纤的弯折损耗为5.53%。

考虑到闪烁体探测器内光电倍增管需要有足够多的电子数到达以确保满足电子学的触发需求，波移光纤的光衰减长度应该在2 m以上。在反复测试中，得到的实际光衰减长度明显大于2 m，可以更好地满足后续电子学的触发需求。再者，利用水浴法将光纤弯折90°，需要达到光纤的弯折损耗在10%以下的工程要求。在多次侧量中，取得的实际弯折损耗为5.53%，可以使探测器的探测盲区进一步缩减。