中子的发现及应用是二十世纪最重要的科技成就之一。尤其是通过中子能够获取氢原子的信息，使中子散射、衍射实验在凝聚态物理，化学，生物工程，生命科学，材料科学等多学科领域的研究中被广泛采用[1]。目前能够建立中子散射实验平台的设施有反应堆中子源，加速器中子源及散列脉冲中子源。世界上运行的脉冲式中子源主要有美国ISNS，日本JSNS, 英国ISIS，欧盟ESS，韩国KOMAC、印度ISNS。我国在中子散射实验领域开展相关研究的有中国原子能科学研究院，中国工程物理研究院，中科院高能物理研究所，清华大学等单位[1-4]。
各类中子源根据不同的需求建立了多种中子谱仪系统用于相关领域的研究。作为中子谱仪的眼睛-中子位置灵敏探测器的发展直接关系到能否充分利用中子，并使其在各新领域发挥作用。目前应用最为广泛的中子位置灵敏探测器是基于3He气体的探测器，然而3He气体价格不断攀升且数量稀少，探测器的研制成本越来越高。国际上正在积极研制新的方法代替基于3He气体机制的中子探测器。如涂10B的GEM中子位置灵敏探测器，10B沉积的半导体阵列中子位置灵敏探测器，波长转换光纤与ZnS(Ag)/10B或6Li沉积的闪烁屏配合光电倍增管的中子位置灵敏探测器等[5-7]。
本文采用波长转换光纤与ZnS(Ag)/10B沉积的闪烁屏和硅光电倍增管组成中子位置灵敏探测器, 使用“模式匹配”方法判断中子位置。研究了探测器系统的位置分辨能力、探测效率、计数能力等性能指标。
1 探测器原理及系统 1.1 探测原理探测器的探头包括两块ZnS(Ag)/10B中子闪烁屏，按照固定间距交叉排列的两层波长转换光纤(分别为X和Y两个方向)和位置灵敏硅光电倍增管。如图 1为光纤闪烁屏的排布方式，这种“三明治”的结构方式，相比于单层的闪烁屏前后两层具有更多的10B能够增加对中子的探测效率。ZnS(Ag)闪烁体中沉积的10B作为热中子的转换体，其反应机理为如下给出的反应式。
| $ \begin{array}{l} {\rm{n}}{ + ^{10}}{\rm{B}}{ \to ^7}{\rm{Li}} + {\rm{ \mathsf{ α} }}\;\;\;\;2.792{\rm{MeV}}(6\% )\\ ^7{{\rm{L}}^{{\rm{i}} * }} + {\rm{ \mathsf{ α} }} + {\rm{ \mathsf{ λ} }}\;\;\;\;{\rm{2}}{\rm{.310MeV(94\% )}} \end{array} $ |
10B(n，α)7Li反应产生了7Li和α带电粒子，它们能够使ZnS(Ag)发出峰值波长为450 nm的闪烁光，闪烁光被波长转换光纤吸收后会发出另一种峰值为492 nm波长的光。一次中子输入事件发出的光被事件发生地点周边的X、Y方向的光纤收集，通过X和Y光纤的位置信息，如(X1，Y1)就可以判定中子位置信息。光纤末端的硅位置灵敏光电管阵列将获取的光信号转换为电信号。最终由后端电路和软件算法对中子位置进行判断和展示。
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图 1 探测器的结构 |
探测器由探头、X和Y方向各16路放大甄别电路、32路并行数据采集卡、成像及系统控制软件等组成。图 2为系统框图，图 3为探测器系统。
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图 2 探测器系统框图 |
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图 3 探测器系统 |
探测器灵敏区域为80 mm×80 mm，使用两块ZnS(Ag)/10B闪烁屏前面的厚度为400 μm，后面的200 μm。闪烁屏通过超声震沉淀方法，按照ZnS(Ag)和H310BO3(10B丰度95%)粉末质量比1:4混合制作。采用的波长转换光纤直径为1 mm，按1.5 mm间隙均匀的排列，X和Y方向各32根光纤，每两根光纤为一路输出，X和Y两个方向共计32路信号输出。根据光纤排布方式位置分辨能力为5 mm×5 mm的像素点，灵敏区域内共计256个像素点。
硅光电培增管输出信号为模拟信号，信号经X和Y两个方向共32路多路并行放大器和甄别器，进行信号放大和噪声甄别，将模拟信号转化为数字信号。位置分辨程序基于32路并行数据采集卡采集的X, Y两个方向的数字脉冲信息，由LabVIEW软件通过一定的逻辑算法和耦合方式进行中子定位，并给出脉冲计数、脉冲宽度和成像信息。
1.3 闪烁体发光传输理论探测器能否最终给出一个中子产生的脉冲信号，可以由中子被闪烁屏吸收后闪烁光的产额、光收集系统对闪烁光的收集效率以及硅光电倍增管探测效率决定。其可以通过如下公式计算：
| $ {\rm{N = }}{{\rm{Y}}_{{\rm{eff}}}}{\rm{ \times \Omega \times }}{{\rm{E}}_{{\rm{shift}}}}{\rm{ \times }}{{\rm{E}}_{{\rm{reemission}}}}{\rm{ \times }}{{\rm{E}}_{{\rm{trap}}}}{\rm{ \times }}{{\rm{E}}_{{\rm{tranmission}}}}{\rm{ \times }}{{\rm{E}}_{{\rm{SiPM}}}} $ |
其中，Yeff为闪烁屏光产额，Ω为光纤所覆盖的光辐射角度，Eshift是波长转换光纤的吸收效率，Ereemission波长转换光纤再发射效率，Etrap是在光纤内发生全反射的概率，Etranmission是光通过光纤传输到硅光电倍增管的概率，ESiPM硅光电倍增管的光探测效率。
对于ZnS(Ag)/10B闪烁屏，每一次中子事件发出的光子数大概为70 000个。不考虑因器件间耦合造成的光损失，每次中子事件探测器可以获得的光子数N为70个，因为估算使用的是单层闪烁屏，对于X, Y方向收集到的光子数会不同，在靠近闪烁屏一面的光纤会收集更多的光子，约为49个光子，另一层光纤的收集为21个光子。在这样的光强度下，硅光电倍增管能够将其转换为满足测量要求的电信号。
2 数据获取与位置分辨 2.1 信号获取与处理信号放大与甄别模块具有300 MHz的带宽，能够将硅光电倍增管输出的模拟信号放大40~60倍，具有0~3 V可调的脉冲甄别阈值，最终将硅光电倍增管的信号转换为数字信号。模块可以同时处理32路信号，并通过LVDS线缆与计算机上的数据采集卡连接。系统采用美国NI公司生产的PCI6541高速数据采集卡，能够并行处理32路数字信号、具有50 MHz的采样频率。
2.2 位置甄别算法通过高速数据采集卡对32路数据的符合测量来甄别一次中子入射事件的发生，其耦合时间、延迟时间可以通过LabVIEW程序对PCI 6541数据采集卡进行设置和更改。由于光纤的传输延迟和ZnS(Ag)闪烁体发光会持续一段时间(峰值发光时间为200 ns，余辉发光时间为几μs[8])，需要对系统的耦合和延迟时间进行设置。其中随着耦合时间的变化，在同样情况下探测器的计数率有较大的影响。图 4为计数率随耦合时间的变化。
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图 4 耦合时间与计数率关系 |
通过PCI 6541数据采集卡能够并行测量32路数据，并对其耦合时间等进行调节，为位置分辨算法提供硬件支持。系统是通过“模式匹配”方法识别探测器的X和Y方向信号并最终确定中子入射位置。“模式匹配”方法预先设定了几种信号耦合模式，通过模式匹配进行分析判断来给出中子位置。如x方向获取的信号与表 1中7种模式任一模式匹配时，都将判定入射位置为xn+1。但当不同位置在同一时间出现这几种模式时，通过设定的优先级顺序A>B>C>D的方式来最终确定位置。Y方向位置分辨方法类同X方向，最终通过软件计算出(x，y)坐标, 确定中子入射位置。如果出现这些情况以外的事件，将舍弃这次数据。
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表 1 X方向匹配模式的种类 |
使用中子发射率为1×107的Am-Be中子源，通过聚乙烯的屏蔽和慢化，可以大致认为其产生的中子场是均匀分布的。然后将探测器置入中子场中，距离源1.5 m。图 5给出在探测器前放置一个具有直径5 mm孔的镉金属板进行测试的成像结果，其中每一个正方形对应一个像素点，由成像结果可以判断探测器能够准确的给出中子热点的位置，且其位置分辨能力为5 mm×5 mm。
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图 5 位置分辨能力测试 |
将与探测器的灵敏面积相当的镉金属板开宽度为5 mm的槽，加工成中国原子能科学研究院的英文缩写CIAE，通过4次测量给出4个字母的成像结果。图 6上部分为镉金属板，下部分为探测器给出的成像结果。
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图 6 准直镉金属片和成像结果 |
在中国原子能院泳池式反应堆热中子孔道测试了探测器的计数能力，在超过104/s个计数后，探测器的位置分辨能力开始变差。因为ZnS(Ag)闪烁体的余辉发光时间较长，在计数率较高时造成了系统的光本底水平增高，导致在同一时间内多个通道产生信号，位置分辨软件舍弃超过4路同时出现型号的情况，所以无法给出成像结果。
探测效率实验过程中，由于反应堆热中子孔道没有明确的中子注量指标，测试时在位置灵敏探测器同样位置放置一个中子周围剂量当量仪，通过测量周围剂量当量率反推中子注量率。通过计算的中子注量率结果和探测的计数率结果给出了探测器的探测效率为4.4%±0.2%。
4 总结目前国际和国内使用和研发的中子位置灵敏探测器包括3He气体探测器，ZnS(Ag)/10B、6Li闪烁体探测器，涂10B的气体倍增探测器(GEM)，其主要性能指标如表 2。
随着国内外中子应用平台的发展，对于中子位置灵敏探测器具有更高的要求，尤其是在位置分辨能力上，如高通粉末衍射谱仪、单晶谱仪、小角度衍射谱仪等要求探测器的位置分辨能力优于5 mm[1]，基于3He气体的探测器无法满足要求且成本非常高。本工作基于波长转换光纤和ZnS(Ag)/H310BO3闪烁屏建立的中子位置灵敏探测器具有80 mm×80 mm的探测灵敏区域，5 mm×5 mm的位置分辨率，104/s的中子计数能力，4.4%±0.2%的探测效率。日本J-PARC研发的中子位置灵敏探测器，采用更多的波长转换光纤和先进的10B2O3闪烁陶瓷生产工艺，使探测器具有2 mm×2 mm的位置分辨能力和对热中子29%探测效率[9]。所以在本工作基础上，开展进一步对探测器尺寸、电路、闪烁屏的优化研究，提升探测器性能其能够应用于中子研发平台上开展材料、生命科学等多学科领域研究。
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