在聚变能源系统中，氚（T）自持是一个关键的问题，通过中子学实验测量产氚率来检验聚变堆包层设计准确性是需要发展的重要技术。氚的测量方法较多，如采用充气正比计数管^[1]或液闪探测器^[2-3]通过测量氚发射的β射线可以实现产氚率的测量，但上述方法为取样离线测量方式，样品处理过程繁杂，会引入较大的不确定度^[4-5]，发展基于探测器的在线氚测量系统是解决问题的关键。

聚变能源系统要求产氚率在线测量探测器体积要尽可能小，以避免对中子场产生干扰。可用于在线测量的探测器主要有LiF^[6]、CLYC^[7-8]、掺锂ZnS（Ag）^[9]、LiI^[10]、锂玻璃等^[11-12]。其中，LiF通常为压制粉末或晶体形式，利用该材料制成的探测器并采用符合法测量同时产生的α和T可实现高精度的氚测量，但为了满足探测器体积小的要求，需要采用薄膜LiF探测器，其⁶Li靶核数量偏低，测量时间会变长；CLYC^[7]探测器为晶体形式，虽然可以实现对伽马的甄别，但能量大于2.7 MeV的快中子与探测器中的³⁵Cl发生的（n, p）反应截面较大，产生的p激发的脉冲信号与热中子发生⁶Li（n, α）T反应产生的α和T粒子激发的脉冲信号幅度重合、难于甄别，会对测量结果产生显著影响；LiI多为单晶形式，极易潮解，封装后体积变大限制了其在狭小空间使用；掺锂ZnS（Ag）材料一般为粉末状，对伽马灵敏度很低，是非常好的热中子探测器，但在中子能量较高时产生的带电粒子对测量结果带来很大影响，不适用于有快中子的情况。与上述四种探测器相比较，锂玻璃探测器可以实现小体积，且在封装和信号获取等方面具有一定的优势，是一种更适合于开展在线氚产生率测量的探测器。

针对聚变-裂变混合能源堆的中子学包层实验模块内有裂变材料，会放出强伽马射线，在锂玻璃闪烁体也会产生脉冲信号，会对氚测量产生显著干扰。通常采用相同体积的⁷Li玻璃探测器测量伽马产生的信号，作为⁶Li玻璃探测器的伽马本底扣除。例如，文献[11]采用直径10.0 mm、厚度分别为3.0 mm的⁶Li/⁷Li玻璃闪烁体，研制了外径19.0 mm、长度175.0 mm的探测器；文献[12]采用了直径10.0 mm、厚度分别为1.0 mm和0.2 mm的锂玻璃探测器。

为了甄别伽马产生的事件、同时降低探测器对实验装置内辐射场的影响，有必要设计更小型的锂玻璃，实现高精度的在线造氚测量，本文针对强伽马场环境，设计了小型锂玻璃探测器、并开展了相关性能测试工作。

1.   探测器设计

1.1   锂玻璃闪烁体几何尺寸优化

探测器总体要求是具有适当的中子灵敏度，且具有甄别伽马射线的能力，⁶Li(n, α)T产生的幅度峰在整个谱上信噪比不低于1。锂玻璃探测器中重元素很少，对伽马射线的探测主要来自康普顿散射，与热中子峰等效的电子能量约为1.6 MeV^[13-14]，产生相应的1.6 MeV的康普顿电子的伽马射线能量约为1.8 MeV。在聚变-裂变混合堆包层实验模块中，²³⁸U的裂变产生的伽马能量范围较宽，能量可以超过10 MeV，平均能量约为1 MeV，主要集中在2 MeV以下^[15]；包层实验模块中采用聚乙烯代替水，其中氢的俘获反应会产生2.2 MeV的伽马，部分高能中子与聚乙烯中的碳元素的非弹性散射还会产生能量约4.43 MeV的高能伽马射线。因此模拟计算时主要需考虑1.8 MeV、2.2 MeV和4.43 MeV的伽马射线的影响。

目前商用的SiPM的感光区一般为3.0 mm×3.0 mm，因此将锂玻璃横截面取为3.0 mm×3.0 mm，厚度分别取值为0.3 mm、0.4 mm和0.5 mm。伽马源项设置为球面源，粒子发射方向指向球心，锂玻璃位于球心，模拟得到的三种锂玻璃厚度下入射伽玛射线能量分别为1.8 MeV、2.2 MeV和4.43 MeV时的响应谱如图1所示。

图  1  不同能量伽马射线在底面积为3.0 mm×3.0 mm、厚度为0.3 mm、0.4 mm和0.5 mm 锂玻璃中的能量沉积

Figure  1.  Energy deposition of different gamma energy in lithium glass with bottom size of 3.0 mm×3.0 mm and thickness of 0.3 mm, 0.4 mm and 0.5 mm

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由图1可以看出，1.8 MeV的伽马在三个厚度的锂玻璃沉积能量均低于1.5 MeV；2.2 MeV伽马在0.3 mm厚度闪烁体中的沉积能量最大约1.5 MeV，在0.4 mm和0.5 mm厚闪烁体中能量沉积不到2.0 MeV，伽马沉积能量大于1.6 MeV份额小于1.0×10⁻⁶；4.43 MeV伽马在0.3 mm厚闪烁体中的能量沉积小于2.0 MeV，在0.4 mm和0.5 mm厚闪烁体中能量沉积达到3.0 MeV，能量沉积大于1.6 MeV，份额小于1.0×10⁻⁶。针对4.43 MeV的伽马，在能量沉积大于0.3 MeV总计数中，三个不同厚度闪烁体中能量沉积大于1.2 MeV（因热中子造氚峰存在分布，1.2 MeV姑且作为造氚峰左侧的“谷”位置）的计数占的份额分别为2.83%、3.47%和4.13%，可以看出相对份额较低。

开展了²⁵²Cf辐射源条件下锂玻璃闪烁体探测的响应谱模拟，模拟时²⁵²Cf的中子谱采用Maxwell谱，伽马采用裂变伽马谱，伽马、中子产额比取为3。图2给出了3.0 mm×3.0 mm×0.4 mm的锂玻璃闪烁体对中子和伽马的响应脉冲幅度谱典型模拟结果。可以看出，中子与Li反应的造氚峰的左侧的“谷”位置大约在1.2 MeV附近，故可取1.2 MeV作为甄别阈讨论一下中子和伽马脉冲信号计数比，由模拟数据，在上述甄别阈下，对厚度为0.3 mm、0.4 mm和0.5 mm的锂玻璃闪烁体，其中子和伽马计数比分别为6.63、2.08和1.39。也就是说，0.3 mm厚的闪烁体甄别最好，而0.4 mm和0.5 mm甄别较差，然而，如果将厚度取为0.3 mm，可能会导致中子效应的探测效率过低。同时对3.0 mm×3.0 mm×0.4 mm中子探测器响应的α与T同时被记录的能量沉积数目约2×10⁵、逃逸出去的T与α分别为2×10³和2×10²，与总量比约1%，若选择0.3 mm，逃逸出去的会大于1%。综合考虑测量效率、中子和伽马信号甄别及边界效应等因素，折中将锂玻璃闪烁体的尺寸选择为3.0 mm×3.0 mm×0.4 mm。

图  2  3.0 mm ×3.0 mm ×0.4 mm锂玻璃闪烁体中子和伽马幅度谱

Figure  2.  Comparison of neutron and gamma amplitude spectra in 3.0 mm ×3.0 mm ×0.4 mm lithium glass scintillators

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1.2   探测器的设计

实验中为了扣除伽马的影响，通常选取同体积的⁶Li/⁷Li锂玻璃的闪烁体分两次测量^[11-12]，先测量⁶Li玻璃的脉冲幅度，然后测量⁷Li的脉冲幅度，利用⁷Li玻璃的闪烁体测得的伽马脉冲幅度谱实现伽马的扣除。但在有裂变材料的包层中，瞬发伽马的产生随中子产额正比变化，而缓发伽马随时间会累积增加，分先后两次测量其伽马的本底存在差别。为了避免该问题造成的影响，本研究设计了背靠背的⁶Li与⁷Li的闪烁体，⁶Li玻璃闪烁体的⁶Li丰度约95%，⁷Li玻璃闪烁体的⁷Li丰度约99.5%。锂玻璃采用厚度为0.5 mm的TiO₂作为光反射层，可以防止闪烁光进入到对方锂玻璃的闪烁体造成串扰。两块尺寸为3.0 mm×3.0 mm×0.4 mm的锂玻璃及0.5 mm厚的TiO₂反光层组合后外形几何尺寸为4.0 mm×4.0 mm×1.3 mm，探测器的设计结构如图3所示。因探测器体积较小，可以近似将两块锂玻璃所处局域的伽马辐射场视为相同。

图  3  探测器结构示意图

Figure  3.  Schematic diagram of detector structure

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选取铝材料作为封装外壳，封装后探测器的直径为7.6 mm，厚度为12.0 mm。探测器信号通过同轴线缆输入前置放大器，两根同轴线缆分别给探测器的两个SiPM供电，同轴线缆外径1.13 mm。封装后的探测器外形如图4中所示，其中图4（a）为探测器总体实物照片，图4（b）为探头实物，灰色线为⁶Li探测器信号线，黑色线为⁷Li探测器信号线。SiPM采用Sensel产品，工作电压为25.6 V。

图  4  锂玻璃闪烁探测器

Figure  4.  Li-glass scintillation detector

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2.   探测器的性能测试

2.1   伽马射线性能测试

采用⁶⁰Co伽马源进行了探测器的脉冲幅度测量，探测器及电子学系统框图如图5所示，伽马源在探测器正前方入射，⁶Li玻璃和⁷Li玻璃的信号经过同一前置放大模块放大，前置放大器的电源同时为其自身和SiPM供电，放大后的信号通过主放大器（572）和多道分析器（927）处理，最后由计算机进行采集。为降低源对探测器张的立体角的差异的影响，源距离探测器10 cm。通过调节线性放大器的放大倍数使两者的幅度谱一致。测试结果如图6（a）所示，图6（b）给出了模拟结果。可以看出，测量结果和模拟数据一致性很好，因锂玻璃体积小，故脉冲幅度谱没有明显的康普顿坪，根据图6（a）中测量数据计算，两个闪烁体200道后的积分计数差异约为1%。

图  5  造氚率测量系统电子学框图

572: spectroscopy amplifier; 927: dual multichannel buffer; MCA: multichannel analyzer

Figure  5.  Layout of the front-end electronics for tritium production rate (TPR) measurement

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图  6  ⁶⁰Co 伽马在锂玻璃中产生的幅度谱

Figure  6.  Pulse height spectra of lithium glass detector irradiated by ⁶⁰Co gamma rays

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2.2   中子和伽马混合场中的测试

2.2.1   ²⁵²Cf源中子和伽马混合场中的测试

利用²⁵²Cf源产生的中子和伽马混合场开展了探测器系统性能测试。²⁵²Cf源为金属密封源，到测量时，已经有6.8个半衰期，中子发射率约10⁶ s⁻¹，积累的裂变碎片导致裂变缓发伽马积累到一定的量，故伽马占比相对较高。为了降低环境散射产生的低能热中子影响，探测器和源距离地面120.0 cm，探测器与源距离10.0 cm，源和探测器悬于空中。测量系统探测器及电子学框图如图5所示。测量得到的脉冲幅度谱如图7所示。利用图中⁷Li探测器的幅度谱对⁶Li探测器的幅度谱进行伽马信号扣除后，⁶Li探测器的幅度谱左侧的谷底约在300道附近，以幅度谱300~800道为有效计数区域，则信噪比可以达到约1.18。

图  7  ²⁵²Cf源中子-伽马混合激发下的脉冲高度谱

Figure  7.  Pulse height spectra excited by neutron-gamma mixed field of ²⁵²Cf

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为了比较，采用同样的²⁵²Cf中子源，对直径20.0 mm、厚度0.75 mm的⁶Li玻璃（⁶Li丰度95%）探测器进行了幅度测量。该探测器采用了光电倍增管（PMT）进行信号放大，测量电子学方框图见图8，其中556为高压电源，113为闪烁前置放大器，572为主放大器，927为多道分析器。图9给出了探测器无铅屏蔽、有1.0 cm和2.0 cm厚的铅屏蔽的脉冲幅度谱的比较。从图9中可以看出，²⁵²Cf的伽马产生的脉冲幅度几乎淹没⁶Li(n,α)T反应产生的幅度，用1.0 cm铅屏蔽伽马，低幅度事件明显减少，能观测到不明显的“造氚峰”；在2.0 cm铅屏蔽伽马，低幅度事件降低约80%，⁶Li(n, α)T反应产生的峰较明显，但伽马本底依旧很高。而在装置内放置2.0 cm厚的铅屏蔽材料，对中子场有影响，同时测量位置分辨较低，不能完全满足实验要求。

图  8  电子学框图

Figure  8.  Schematic diagram of the electronic circuit

572: spectroscopy amplifier; 927: dual multichannel buffer; 556: high voltage power supply; 113: scintillation preamplifier

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图  9  ²⁵²Cf源直照下的锂玻璃探测器脉冲高度谱

Figure  9.  Pulse height spectra of lithium glass detector irradiated directly by ²⁵²Cf

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2.2.2   反应堆中子和伽马混合场中的测试

利用中国绵阳研究堆热中子孔道引出的中子、伽马混合场^[16]，经过固定过滤器1.0 cm碳化硼、2.0 mm镉和5.0 cm铅屏蔽后，伽马和中子的注量比约为19∶1，测量获得的幅度谱如图10所示，通过扣除伽马幅度谱后得到的⁶Li探测器信噪比可以达到约1.55 。结果显示采用⁷Li探测器进行伽马信号扣除能有效抑制伽马射线的影响。

图  10  反应堆热中子孔道中子伽马混合场辐照下的脉冲高度谱

Figure  10.  Pulse height spectra irradiated by neutron-gamma mixing field in thermal neutron channel of reactor

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3.   结　论

通过模拟和分析，完成了背靠背的⁶Li/⁷Li玻璃探测器的优化设计，两块⁶Li和⁷Li玻璃闪烁体的尺寸为3.0 mm×3.0 mm×0.4 mm，两块⁶Li和⁷Li锂玻璃的中间及端面加0.5 mm的TiO₂作为光反射层，采用SiPM实现光电转换及电子倍增，封装后的探测器外形尺寸为直径7.6 mm，厚度12.0 mm，实现了小型化。在²⁵²Cf源和反应堆热中子孔道的中子伽马混合场中进行了所研制的背靠背的⁶Li/⁷Li玻璃探测器的性能测试，结果显示，利用⁷Li玻璃闪烁体测得的伽马幅度谱进行伽马信号扣除，可有效消除⁶Li玻璃闪烁体的伽马信号影响，能将其信噪比提高到大于1的水平。探测器设计中采用的SiPM具有体积小、使用方便的特点，两个探测器同时测量，相对于分两次测量，避免了分两次测量因缓发伽马不同带来的不利因素。但其放大倍数受温度影响，在实验使用中，需要注意温度变化对幅度的影响。