一种用于中子能谱测量的中子飞行时间谱零点修正方法

摘要

本发明涉及一种用于中子能谱测量的中子飞行时间谱零点修正方法，通过在靶后中子束流上放置第一个闪烁体探测器，作为飞行时间中起始信号探测器；在中子束流预设角度方向距离第一个闪烁体探测器L处放置第二个闪烁体探测器，作为中子飞行时间的终止信号探测器；两个闪烁体探测器通过脉冲形状甄别去除伽马信号后，再通过符合方式给出初始中子飞行时间谱，由于初始中子飞行时间谱存在零点偏差T_L0，需要进行零点修正。采用本发明中公开的方法，利用中子产生过程中的伴随伽马，在双闪烁体飞行时间谱仪测量中子能谱时对中子飞行时间谱的零点偏差T_L0进行修正，从而提高中子飞行时间的测量准确性，进而提高中子能谱测量的准确性。

说明书

技术领域

本发明属于核辐射探测技术领域，具体涉及一种用于中子能谱测量的中子飞行时间谱零点修正方法。

背景技术

通过高能质子轰击厚的重金属靶(钨、铅等)引发重金属原子核发生散裂反应可以产生大量中子，这就是散裂中子源，也是白光中子源。通过高能质子轰击薄的轻金属靶(锂、铍等)引发金属核反应也可以产生大量中子，这就是准单能中子源。在利用准单能、白光中子源开展科学和应用研究之前需要准确测量中子能谱，其中中子飞行时间法是常用的中子能谱测量方法。通过测量中子飞行固定距离L的时间t得到中子的飞行速度v＝L/t，也就得到了中子能量,即

对于脉冲中子源，中子飞行起始时间由脉冲束流的拾取信号提供，只需一个探测器获取中子飞行的终止时间，两者相减即得到中子飞行时间。这是国内外主要大型散裂中子源的普遍采用的中子能谱测量方法。而对于非脉冲中子源，中子飞行的起始时间和终止时间均由探测器提供，探测器一般都采用闪烁体，因此也被称作双闪烁体中子飞行时间谱仪。

基于双闪烁体中子飞行时间谱仪开展中子能谱测量，关键在于精确测量中子的飞行的起止时间。实际实验操作中，探测器探头探测到的中子信号、经过光电倍增管、传输线缆，再经过数据采集器分析，最后进入计算机，每个阶段都需要消耗一定的时间。显然，记录中子飞行起止时间的两路信号在传输过程中消耗的时间并不一致，而要得到精确的中子能量就必须修正这两路信号传输时间对飞行时间的影响，即对中子飞行时间谱零点进行修正。

常规修正方法只是采用严格相同长度的线缆将两个闪烁体探测器的信号接入数据采集器，而忽略了两个闪烁体的不同会使得信号在探测器中传输的时间不同，以及两路信号进入数据采集器的不同通道，不同通道的数据处理时间的也会存在差异，从而影响中子飞行时间谱的时间零点，导致中子能量系统性偏移，对于10MeV的中子，3m飞行距离，飞行时间的零点偏移误差可达十几个ns，导致中子能量测量误差可高达几个MeV。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于中子能谱测量的中子飞行时间谱零点修正方法，通过利用中子产生过程中的伴随伽马(其速度已知为光速)实现对整个双闪烁体中子飞行时间谱仪的硬件所固有的飞行时间零点偏差进行测量和修正，在双闪烁体飞行时间谱仪测量中子能谱时对中子飞行时间谱的零点进行修正，提高中子飞行时间的测量准确性，进而提高中子能谱测量的准确性。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种用于中子能谱测量的中子飞行时间谱零点修正方法，所述方法包括以下步骤：

S1、在靶后中子束流上放置第一个闪烁体探测器，作为飞行时间中起始信号探测器；

S2、在中子束流预设角度方向距离第一个闪烁体探测器L处放置第二个闪烁体探测器，作为中子飞行时间的终止信号探测器；

S3、两个闪烁体探测器通过脉冲形状甄别去除伽马信号后，再通过符合方式给出初始中子飞行时间谱，初始中子飞行时间谱扣除零点偏差T_L0，以对中子飞行时间谱进行零点修正。

进一步，利用中子产生过程中的伴随伽马，通过以下步骤计算中子飞行时间谱的零点偏差T_L0：

S31、在靶后中子束流上放置第一个闪烁体探测器，在中子束流预设角度方向距离第一个闪烁体探测器L处放置第二个闪烁体探测器，当L＝L1时，两个闪烁体探测器均只记录伽马信号，通过符合得到伽马的飞行时间T_L1；

S32、调整第二个闪烁体探测器的位置，使L＝L2，两个闪烁体探测器均只记录伽马信号，通过符合得到伽马的飞行时间T_L2；

S33、以两个闪烁体探测器之间的距离L为横轴，以伽马在两个探测器之间的飞行时间为纵轴，进行数据拟合并将拟合直线外推至L＝0，得到纵坐标上的截距，也就是两个闪烁体探测器之间的距离为零时，飞行时间的零点偏差T_L0。

进一步，利用中子产生过程中的伴随伽马，计算中子飞行时间谱的零点偏差T_L0包括步骤：

S31 a、在靶后中子束流上放置第一个闪烁体探测器，在中子束流预设角度方向距离第一个闪烁体探测器L处放置第二个闪烁体探测器，当L＝L1时，两个闪烁体探测器均只记录伽马信号，通过符合得到伽马的飞行时间T_L1；

S32a、调整第二个闪烁体探测器的位置，使L＝L3、L4···LN，两个闪烁体探测器均只记录伽马信号，通过符合分别得到对应的伽马的飞行时间T_L3、T_L4···T_LN；

S33a、以两个闪烁体探测器之间的距离L为横轴，以伽马在两个探测器之间对应的飞行时间为纵轴，进行数据拟合并将拟合直线外推至L＝0，得到纵坐标上的截距，也就是两个闪烁体探测器之间的距离为零时，飞行时间的零点偏差T_L0。

进一步，第二个闪烁体探测器的尺寸大于第一个闪烁体探测器，使得第二个闪烁体探测器的中子和伽马的探测效率大于第一个闪烁体探测器。

进一步，步骤S3中将第二个闪烁体探测器探测的信号T2作为起始信号start，将第一个闪烁体探测器信号T1作为终止信号stop，通过符合方式得到初始中子飞行时间谱。

进一步，所述方法还包括步骤：

S4、根据修正后的中子飞行时间谱，考虑两个闪烁体探测器的探测效率以及预设角度，以得到中子能谱。

进一步，所述第一个闪烁体探测器以及第二个闪烁体探测器为液闪烁体探测器或者塑闪烁体探测器中任一种。

本发明的有益技术效果在于：采用本发明所公开的一种用于中子能谱测量的中子飞行时间谱零点修正方法，通过测量伽马的飞行时间，进行数据拟合及外推，以得到距离为零时整个双闪烁体中子飞行时间谱仪的硬件所固有的飞行时间零点偏差，并在初始中子飞行时间谱扣除此零点偏差，以实现对中子飞行时间谱进行零点修正。

附图说明

图1为本发明实施例所述的一种用于中子能谱测量的中子飞行时间谱零点修正方法实施环境中的中子飞行时间谱仪工作原理示意图；

图2为采用本发明实施例所述的一种用于中子能谱测量的中子飞行时间谱零点修正方法得到的中子飞行时间谱；

图3为采用本发明实施例所述的一种用于中子能谱测量的中子飞行时间谱零点修正方法得到修正值过程示意图；

图4为采用本发明实施例所述的一种用于中子能谱测量的中子飞行时间谱零点修正方法得到修正值实例图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

实施例一

本发明实施例提供的一种用于中子能谱测量的中子飞行时间谱零点修正方法利用中子产生的伴随伽马对整个探测系统的时间零点进行修正。

由于质子轰击金属靶产生中子，一定伴随伽马。选用的闪烁体对中子、伽马均有响应，通过基于脉冲形状甄别(PSD)方法实现中子、伽马甄别以及实现只提取中子信号或者只提取伽马信号。整个双闪烁体中子飞行时间谱仪的硬件所固有的飞行时间零点偏差是恒定的，与在两个闪烁体探测器之间飞行的是中子还是伽马无关，因此可以通过测量伽马的飞行时间来实现对探测器系统的两路信号传输、处理时间的差异也就是飞行时间零点的偏差进行测量和修正，也就是对中子飞行时间谱的零点进行修正。

如图1所示，当一束中子入射到第一个闪烁体探测器的闪烁体上时，与闪烁体的原子核发生相互作用，其中有部分中子就会被散射到预设角度方向并被第二个闪烁体探测器探测到，得到信号T2，同时，散射过程中子会将部分能量传递给第一个闪烁体探测器，并在其闪烁体中形成反冲核，反冲核沉积能量就得到信号T1，记录的反冲核信号T1和飞出的散射中子信号T2之间是存在对应时间关联，利用这样的时间关联,就可以进行符合测量，得到T1和T2两路信号的时间差，从而得到得中子飞行时间(未经零点修正)。伽马也是按同样的原理进行飞行时间的测量。

需要至少两次实验，将两个闪烁体探测器布置在两个不同距离来实现飞行时间的零点修正。方法如下：

(1)在距离L1，两个探测器分别只记录伽马信号，通过符合得到伽马的飞行时间T_L1。

(2)在距离L2，两个探测器分别只记录伽马信号，通过符合得到伽马的飞行时间T_L2。

(3)以两个闪烁体探测器之间的距离L为横轴，以伽马在两个探测器之间的飞行时间为纵轴，进行数据拟合并将拟合直线外推至L＝0，得到距离为零时，伽马飞行时间得零点偏差T_L0。

(4)进行中子飞行实验，在处理数据时将修正T_L0考虑在内，对中子时间谱进行零点修正。

(5)根据修正后的中子飞行时间谱，并考虑探测效率，得到经过第一个闪烁体探测器散射后的中子的能谱。

(6)考虑预设角度，计算得到被第一个闪烁体探测器散射前的中子的能谱。

在本实施例中，以基于100MeV质子回旋加速器对本发明实施例公开的一种用于中子能谱测量的中子飞行时间谱零点修正方法进行举例说明。

高能质子轰击钨靶产生白光中子。在靶后中子束流上放置液体闪烁体探测器(液闪)作为中子飞行起始信号探测器，在质子束流45°方向一定距离L放置另一个高效率液闪作为中子飞行时间的终止信号探测器。液闪具有非常好的中子、伽马甄别能力，两个液闪通过脉冲形状甄别(PSD)去除伽马信号后，再通过符合方式给出中子时间谱。最后，时间谱结合探测器效率就能得到中子能谱。

探测器采用2个EJ301液体闪烁体探测器，尺寸分别为Φ2”x2”和Φ5”x5”，其中Φ2”x2”为中子散射探测器。为方便描述，将液闪探测器Φ2”x2”和Φ5”x5”分别命名为液闪1和液闪2。数据采集器采用的是CAEN公司的DT5720数字波形采样器(Waveform Digitizer)。其控制软件为DPP-PSD(Digital Pulse Processing-Pulse Shape Discrimination)。

如图2所示，在信号符合过程，由于液闪2探测的是经过液闪1散射后的中子，因此液闪2的有效信号比液闪1少很多，更可靠的做法是将液闪2信号(T2)作为start，液闪1信号(T1)作为stop，这是与实际情况恰好是相反的，因此符合后得到的中子飞行时间谱是在时间轴的负方向，如图3所示，图3(a)和图3(b)分别是两个探测器之间的距离为L2和L1时的伽马飞行时间谱，图3(c)是数据拟合将两个探测器之间的距离外推至0m时得到纵坐标的截距，也就是飞行时间的零点偏差，经过零点修正后，再反演到时间的正方向就得到了最终的中子飞行时间谱。

如图4所示，图4(a)和图4(b)分别是两个探测器之间的距离为5m和3m时的伽马飞行时间谱，图4(c)是数据拟合将两个探测器之间的距离外推至0m时得到纵坐标的截距，也就是飞行时间的零点偏差，因此，采用中子飞行时间谱零点修正方法，得到中子飞行时间修正值19.53ns。对于10MeV的中子，3m的飞行时间为68.84ns，没有飞行时间的零点修正，误差可达28％。

本发明实施例提供一种用于中子能谱测量的中子飞行时间谱零点修正方法，所述方法包括以下步骤：

S1、在靶后中子束流上放置第一个液体闪烁体探测器，作为飞行时间中起始信号探测器；

S2、在中子束流预设角度方向距离第一个液体闪烁体探测器L处放置第二个液体闪烁体探测器，作为中子飞行时间的终止信号探测器；

S3、两个液体闪烁体探测器通过脉冲形状甄别去除伽马信号后，再通过符合方式给出初始中子飞行时间谱，初始中子飞行时间谱扣除零点偏差T_L0，以对中子飞行时间谱进行零点修正。

通过以下步骤计算中子修正零点T_L0：

S31、在靶后中子束流上放置第一个液体闪烁体探测器，在中子束流预设角度方向距离第一个液体闪烁体探测器L处放置第二个液体闪烁体探测器，当L＝S1时，两个液闪烁体探测器均只记录伽马信号，通过符合得到伽马的飞行时间T_L1；

S32、调整第二个液体闪烁体探测器的位置，使L＝L2，两个液闪烁体探测器均只记录伽马信号，通过符合得到伽马的飞行时间T_L2；

S33、以两个闪烁体探测器之间的距离L为横轴，以伽马在两个探测器之间的飞行时间为纵轴，进行数据拟合并将拟合直线外推至L＝0，得到纵坐标上的截距，也就是两个探测器之间的距离为零时，飞行时间的零点T_L0。

需要说明的是，通过调整第二个闪烁体探测器的位置来改变伽马飞行距离，需要至少两个距离下的伽马飞行时间，即T_L1和T_L2，也可以有超过两个的距离调节，得到T_L3、T_L4、……，超过两个的伽马飞行时间仍可采用直线拟合并外推得到飞行时间的零点偏差T_L0。

第二个液体闪烁体探测器的尺寸应大于第一个液体闪烁体探测器，使得第二个液体闪烁体探测器的中子和伽马的探测效率大于第一个液体闪烁体探测器。

在本实施例中，所述预设角度为45°，事实上对此不做限定，也可以是其他角度。

在本实施例中，第一个液体闪烁体探测器及第二个液体闪烁体探测器尺寸分别为Φ2”x2”和Φ5”x5”，对此不做限定，也可以是其他尺寸。

在本实施例中，两个探测器采用都是液体闪烁体探测器，对此不做限定，也可以是其他闪烁体探测器，只要中子和伽马的探测和甄别能力。通过上述实施例可以看出，本发明公开的一种用于中子能谱测量的中子飞行时间谱零点修正方法，通过在靶后中子束流上放置第一个液体闪烁体探测器，作为飞行时间中起始信号探测器；在中子束流预设角度方向距离第一个液体闪烁体探测器L处放置第二个液体闪烁体探测器，作为中子飞行时间的终止信号探测器；两个液闪烁体探测器通过脉冲形状甄别去除伽马信号后，再通过符合方式给出初始中子飞行时间谱，初始中子飞行时间谱扣除零点偏差T_L0，以对中子飞行时间谱进行零点修正。采用本发明中公开的方法，在双闪烁体飞行时间谱仪测量中子能谱时对中子飞行时间谱的零点进行修正，可以提高中子飞行时间的测量准确性，进而提高中子能谱测量的准确性。

本发明所述的方法并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。