新型亚纳秒有机闪烁纤维中子探测器

3． 2 闪烁纤维阵列制作工艺
闪烁纤维阵列采用专用光纤绕排线设备示意 图，如图 6 所示。该设备解决了阵列制作过程中的 纤维排列不齐、张力不均匀、不同纤维内部存在大小 不同的轴向应力使纤维扭曲变形，以及绕线时存在 静电使纤维扭曲变形等问题。设备采用计算机控 制，下位机采用 PLC 控制，张力控制中使用舞蹈器 控制张力，收线时张力精度可控制到 5 g 以下，可以 避免断纤的发生。排线和收线精确同步，收线电机 采用交流伺服电机，排线电机采用步进电机，用收线 电机编码器的脉冲控制步进电机可保证排线精度。 在收线盘附近安装除静电装置，去除纤维上的静电， 解决静电影响排线精度的问题。
为了避免中子和 γ 射线对光电转换器的影响， 需要对光电转换器进行准直和屏蔽，这需要将光电 转换器放置在距离源比较远的地方。我们在结构设 计上采取将闪烁体与光电转换器分离，由耐辐照的 传光光纤束收集、传输有机闪烁纤维阵列发出的光 信号，这样探测器的传感探头可以放在距离源很近 的位置，光电转换器则放在距离源较远的容易屏蔽 的屏蔽腔内。
2 探测器结构设计
有机闪烁纤维具有侧面垂直入射中子灵敏度强 于 γ 射线灵敏度的特性，因此可制作具有高 n / γ 灵 敏度比值的有机闪烁纤维探测器，从而满足抗 γ 射 线干扰的能力。这里，采用细直径的有机闪烁纤维 单层平行排列成的阵列作为中子辐射灵敏单元。单
层排列的有机闪烁纤维阵列在不降低 n /γ 灵敏度 比值的情况下，提高了探测器的探测效率。
图 2 探测器结构示意图
3 探测器制作工艺
3． 1 有机闪烁纤维制作工艺
探测器要具有亚纳秒的时间响应半宽，要求作 为探测器敏感材料的有机闪烁纤维具有快时间响应 半宽，而目前没有如此快响应的闪烁纤维成熟产品。
对市面上比较成熟的闪烁纤维产品研究，如美 国 BICＲON 公司的塑料闪烁纤维 BCF-20。它的纤 芯材料为聚苯乙烯（ 单体分子式为 C6H5CH = CH2 ， 密度为 1． 032 g / cm3 ，折射率为 1． 6） ，包层材料为 聚乙 烯 醇 （ 单 体 分 子 式 为 CH2 = CHOH，密 度 为 1． 26 g / cm3 ，折射率为 1． 49） ，包层材料厚度为纤芯 直径的 3% ～ 5%［2］，参考 BCF-20 的参数选择具有 快时间响应的塑料闪烁体 EJ232Q 拉制闪烁纤维， EJ232Q 的主要成分也是聚苯乙烯（ 折射率为 1． 60） 。 由于制作探测器敏感区的闪烁纤维长度很短，不必 考虑其损耗问题，因此，制作突变型（ SI 型） 闪烁纤 维，即纤维芯径部分折射率保持不变，而在纤芯和包 层的界面处折射率发生突变。选择聚甲基丙烯酸甲 酯（ PMMA，折射率为 1． 49［3］） 作为包层材料。
Abstract： A new sub-nanosecond neutron detector with plastic scintillation fiber is introduced，which is applied in the time spectrum measuring of neutron． Also，the principle，structural design and the specific production process of this type of sensitive neutron detector are described． Then，the indicators of detector technical are given． In addition，a new sub-nanosecond plastic scintillation fiber has been studied， which is used for producing detectors． The material selection，the producing and the time response characteristics of the plastic scintillation fiber are introduced． Key words： plastic scintillation fiber array； neutron detecting sensitivity； time response； neutron detectors
涂胶过程中需要控制胶层的厚度，胶涂的太薄 或太厚都容易导致固化后的阵列开裂变形，同时不
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同固化温度 和 固 化 时 间，也 会 影 响 固 化 后 的 性 能。 通过实验确定了滴塑型水晶胶固化温度为 18℃ ，固 化时间为 16 h 时，此阵列未完全固化，具有弹性，在 切片过程中不容易开裂。涂胶的阵列长度根据需要 确定，待光学胶固化后可按需要长度进行切割。切 割好的阵列压在两面贴有聚四氟乙烯薄膜的玻璃平 板下 24 h 后（ 常温） 即可完全固化。当阵列完全固 化后，用专用研磨夹具将阵列夹持好，然后按粗磨— 精磨—抛光的顺序对阵列需要对接的端面进行研磨 抛光。
传光光纤束与有机闪烁纤维阵列通过毛细玻璃 管一一对接耦合，在不影响有机闪烁纤维阵列正常 工作的情况下保证了两种不同纤维之间的耦合效率 和连接强度。传光束与光电转换器连接的一端，采 用发散设计，使光纤束出射光均匀的照射到光电转 换器阴极上，可有效避免光电转换器局部饱和。探 测器结构示意图，如图 2 所示。
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丁 楠 等： 新型亚纳秒有机闪烁纤维中子探测器
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为了获得更好的纤维芯径的均匀性，采用预制 棒拉丝然后再涂覆包层的方法来制作闪烁纤维。拉 丝装置，如图 3 所示，是在普通的光纤拉丝塔的基础 上改造而成。预制棒由加热装置加热后由牵引装置 拉伸成纤，再由激光测径仪测量纤维的直径，然后把 信息反馈给供料夹，控制供料速度［4］。最后将拉制 好的纤芯经过包层溶液，在去除溶剂后，包层包覆于 纤芯形成完整的纤维，其工艺流程，如图 4 所示［5］。 最终拉制的闪烁纤维与闪烁体的时间响应特性指标 对比，如图 5 所示。
The New Sub-Nanosecond Neutron Detector with Plastic Scintillation Fiber
DING Nan1 ，LIU Ya-nan1 ，WU Jing1 ，XIE Hong-zhi1 ，CHEN Liang2
（ 1． No． 8 Ｒesearch Institute of CETC，Hefei 230000，China； 2． Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi＇an 710024，China）
收稿日期： 2012-12-19 修订日期： 2014-01-22 基金项目： 国家某重点工程配套项目
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测器是实现脉冲中子时间谱测量的重要内容。所论 述的亚纳秒有机闪烁纤维探测器就是具有以上特点 的可以实现脉冲中子时间谱测量的新型探测器。
1 探测原理
由于中子不带电不能直接测量，常采用核反冲
0引言
脉冲中子辐射场是由脉冲中子、γ 射线及电磁 脉冲等组成的混合辐射场，具有强度大、动态范围宽、 时间快等特点。脉冲中子时间谱测量除要求探测器 满足脉冲探测的基本要求外还需要解决以下几个突 出难点： 空间距离限制、γ 射线干扰、散射本底等。
闪烁型探测器是辐射探测领域较为常见的一类 探测器，工作在电流模式，可实现灵敏度调节，比较 适合脉冲辐射场探测。但是普通的闪烁型探测器不
图 3 拉丝装置示意图 图 4 包层涂覆工艺流程图
图 5 拉丝前后 EJ232Q 时间响应特性
图 6 单层光纤阵列排线设备示意图
制作阵列过程中首先把纤维的一端固定在收线 盘上，随着收线盘均匀旋转，纤维在 排 线 机 构 的 作 用下一根挨一根的紧密排列在圆周表面。每转一 圈 就 自 动 记 数 ，到 规 定 的 圈 数 时 停 止 转 动 ，然 后 将 光学纤维的另一端也固定好。待一层排好之后， 检查纤维是 否 完 好 并 确 认 没 有 压 纤 现 象，然 后 进 行涂胶操作。
适合脉冲中子测量，因为其对 γ 射线的响应灵敏度 强于对中子的响应灵敏度。闪烁薄膜和有机闪烁纤 维阵列中子探测器是用于脉冲中子测量的闪烁型探 测器，它们优化了结构设计使探测器具有抑制 γ 射 线干扰的能力，但其光电转换装置需要安置在闪烁 体附近收集闪烁体发光，为了降低散射中子和 γ 射 线对光电转换器的干扰，要对光电转换器进行严格 的准直和屏蔽，受空间距离的限制使准直和屏蔽难 以达到要求，故此类探测器也难以满足中子时间谱 测量的要求。因此，研制具有强抗电磁干扰能力、高 n / γ 灵敏度比值、低屏蔽要求、快时间响应的中子探
（ 1． 中国电子科技集团公司第八研究所，合肥 230wenku.baidu.com00； 2． 西北核技术研究所，西安 710024）
摘 要： 介绍了一种应用于脉冲中子时间谱测量的新型亚纳秒有机闪烁纤维中子探测器，叙述了这 种中子灵敏型探测器的探测原理，详细阐述了探测器的结构设计及具体的制作工艺，并给出了达到 的技术指标。同时报道了为制作探测器而研制的一种新型亚纳秒有机闪烁纤维，介绍了闪烁纤维 的选材、制作及其时间响应特性。 关键词： 有机闪烁纤维阵列； 中子灵敏度； 时间响应； 中子探测器 中图分类号： TL812 文献标识码： A 文章编号： 1673-5692（ 2014） 01-093-04
量相关。闪烁纤维探测器灵敏区的主要成分为碳氢
化合物，中子与其相互作用，部分中子能量沉积其中
引起发光，对发光贡献的主要相互作用过程为 （ n，
P） 弹性散射。中子与聚苯乙烯中的氢发生弹性散
射产生反冲质子示意图，如图 1 所示。根据质心系
中系统的动量和能量守恒求得散射中子和反冲质子 的能量分别如式（ 1） 和式（ 2） 所示［1］。
对于散射中子
En = En cos2 θ
（ 1）
对于反冲质子
Ep = E0 cos2 φ
（ 2）
式中，E0 为入射中子； En 为散射中子能量； Ep 为反
冲质子能量； θ 为散射中子与中子入射方向之间的
夹角； φ 为反冲质子的运动方向与中子入射方向之
间的夹角。
图 1 中子与有机闪烁纤维作用 沉积能量过程示意图
选择的光学胶是成都晨光化工研究院生产的 Gc-06 型滴塑型水晶胶，滴塑型水晶胶是一种专用 于粘接光学器件和各种光纤的双组份透明环氧树 脂，其折射率与闪烁纤维接近，并且具有初始液相， 固化时具有一定的弹性。使用前按一定比例（ 质量 比 3 ∶ 1） 对胶进行配制，配制时首先对混合后的胶 液进行充分的搅拌，使两种组分分布均匀，搅拌过程 中会产生 气 泡 及 沸 腾 现 象［6］，这 将 影 响 其 使 用 效 果，必须用负压除去其中的气泡才能使用，采用抽真 空的办法来除气泡，真空度为 0． 1 个标准大气压。
第1 期 2014 年 2 月
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工程与应用
Journal of CAEIT
Vol． 9 No． 1 Feb． 2014
doi： 10． 3969 / j． issn． 1673-5692． 2014． 01． 018
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新型亚纳秒有机闪烁纤维中子探测器
丁 楠1 ，刘亚南1 ，吴 静1 ，谢鸿志1 ，陈 亮2
3． 3 耦合对接及传光束制作工艺
和阵列中的闪烁纤维一一对接，对接好的阵列装入 金属外壳中并在耦合对接区域灌入 Gc-06 水晶胶固 定。将所有的耐辐照石英光纤收成束穿入不锈钢金 属软管中，然后在尾端将光纤穿入图 8 所示的端头 中，端头一 端 为 蜂 窝 状 圆 孔，光 纤 在 圆 孔 中 均 匀 分 布，这种结构可以使光纤束出射光均匀的照射到光 电转换器阴极上，有效避免了光电转换器局部饱和。 将穿好光纤的端头灌入 Gc-06 水晶胶，待胶完全固 化后，按粗磨—中磨—精磨—抛光的顺序进行研磨 抛光，经过抛光后的传光束精确地修正了表面的几 何形状，使其具有了较高的透光能力。
法、切仑可夫发光原理进行测量。脉冲中子辐射场
发出的中子通过由有机闪烁纤维阵列制成探测器灵
敏区时，引起闪烁纤维发光，闪烁纤维阵列将发出的
光耦合进与之相连的耐辐照光纤传光束，耐辐照光
纤传光束再将光耦合进后端的光电倍增管，进而分
析脉冲中子的时间谱特性。
探测器的灵敏度与灵敏区发射荧光的大小有
关，而发光的大小又直接与粒子在灵敏区沉积的能