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导语：用于热中子记录的大型闪烁探测器

简要

该检测器是基于一种特殊的荧光粉开发而成的，该荧光粉是无机ZnS（Ag）闪烁体与LiF的粒状合金，其中LiF的含量高达90％。由于所有闪烁体之间的薄层和记录的α/ e比率，可以可靠地识别来自捕获的中子的信号，并以μ子，电子和其他带电粒子的较弱信号为背景。 ZnS（Ag）的一个有趣特征是其极高的闪烁效率（每个中子俘获约160000个光子）和几乎点状的光产生（在一个晶粒内）。因此，如果中子通量足够高，如果用高灵敏度的CCD摄像机代替PMT，则该探测器可以轻松转换为轨道中子探测器。在这种情况下，它看起来类似于中子成像技术中使用的记录系统。

引言

需要具有用于热中子检测的大型高灵敏快速检测器。在宇宙射线物理学中已经出现了研究广泛的空气淋浴中的所谓中子爆发。填充有3He或BF3气体的气体比例计数器不适用于此类实验，因为正离子缓慢移动导致时间分辨率差，导致恢复时间非常长（约1毫秒）。这就是为什么我们开发了用于热中子检测的大面积闪烁体探测器（称为e-n探测器）的原因。

该探测器在不同应用中对低热中子通量的测量表现出相当好的性能，例如低背景测量，环境放射性通量的监测等。

1.闪烁器

该探测器基于特殊的荧光粉，该荧光粉是无机的颗粒状合金。含LiF的ZnS（Ag）闪烁体富含6Li同位素，最高可达90％。以下反应用于中子检测：6Li + n→3H +α+ 4 .78 MeV。尽管此反应（945b）的横截面比中子捕获的横截面小10B，但次级粒子的能量（因此所收集的光量）几乎提高了2倍。在白色塑料薄膜上形成一层薄的单颗粒层，然后在两侧用薄的透明薄膜层压。将闪烁体片材（最大1平方米）放置在相应尺寸的避光盒中，并用一个6英寸PMT（FEU-200）进行观察。所使用的闪烁体化合物颗粒的尺寸为0.8-0.5 mm。效率根据闪烁体的热中子通量实验确定了该闪烁体的热中子检测结果，结果接近20％，由此值可估算出闪烁体层的有效厚度<d>≈0.165mm或〜30 mg / cm2。由于薄层和所有闪烁体之间的记录的α/ e比率，在μ子，电子和其他带电粒子发出的信号较弱的背景下，可以可靠地识别来自捕获的中子的信号。 ZnS（Ag）的一个特点是具有很高的闪烁效率（每个中子俘获约160000个光子）和几乎点状的光产生（在一个晶粒内）。

该闪烁体中的光脉冲持续时间相当快，等于〜40 ns。这是最快的闪烁组分，但也存在缓慢的（〜μs）和非常缓慢的（〜h）轻组分，这些组分主要是通过缓慢移动重颗粒而退出的。这样一来，就可以将检测器用于具有ns精度的均匀定时，另一方面，可以使用脉冲形状选择将中子信号与相对论性带电粒子信号分开。后者允许人们测量非常低的热中子通量，并使探测器在低背景实验室中非常有用。

2.探测器

该探测器的布置非常简单：它由闪烁体的薄层组成，该闪烁体放置在受光保护的盒子上，并通过6英寸– PMT进行观察。到目前为止，我们对图1所示的探测器进行了两种修改。左面板的面积为1x1 m2，而右面板的面积为0.7mx 0.7m = 0.5 m2。闪烁体片的面积均为〜0.75 m2。盒子内部涂有白色反光涂料以增加收集的光量。

正如我们的测量结果所示，中子俘获后，PMT光电阴极收集的光电子总数接近50 –100。这使得一个人仅可将一个PMT用于闪烁体面积达1 m2的探测器。

如果中子通量足够高，如果用高灵敏度的CCD摄像机代替PMT，则该探测器可以轻松转换为轨道中子探测器。在这种情况下，它看起来类似于中子成像技术中使用的记录系统。在这种情况下，应将晶粒尺寸最小化以获得更好的空间分辨率。用于中子成像的商业生产的屏幕可能适合于此目的。

图1.用于热中子探测的探测器的两种改进。

图2.在没有（a）和（b）脉冲形状识别的情况下获得的光谱。

3.测量

如上所述，该检测器用于测量低强度中子本底。对于此特定应用，主要问题是即使强度高得多，它也能从伽马射线和带电粒子中选择中子信号的能力。由于闪烁体很薄，带电粒子沉积平均仅等于〜60 KeV，而在中子俘获期间沉积的4.8 MeV。原则上，选择中子信号就足够了。但是，由于天然放射性粒子加宇宙射线的强度比热中子的强度高，因此第一信号的尾部可能与中子信号重叠。为了确保只有中子在预期的能量窗口中计数，应该对脉冲形状施加额外的要求。众所周知，缓慢移动的重粒子（例如捕获中子时产生的α和Triton）不仅存在闪烁体中最快的轻组分，而且还存在慢组分。因此，中子和轻粒子的脉冲形状是不同的。在我们的闪烁体中，中子俘获后从PMT阳极收集电荷的时间等于10 – 20μs。脉冲形状判别的使用几乎可以几乎消除中子测量中的背景计数。后者由图2表示，其中显示了在2个不同的探测器中获得的光谱，这些探测器在没有（a）和（b）脉冲形状识别的情况下。图2a中的左峰是由第12个通道的鉴别器阈值所切割的放射性和宇宙射线尾部引起的。在〜43d通道中也可以看到中子峰。在面板b上，可以看到纯中子捕获沉积物谱，其峰值位于〜25通道。在第4通道的鉴别器阈值以下，几乎看不到脉冲。

结论

已经开发出用于热中子检测的大型高灵敏度检测器。第一台原型机显示出相当不错的性能，使该探测器适用于各种应用。我确信它在高能物理学，地球物理学中的宇宙射线物理学以及环境研究中将非常有用。

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