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摘要：采用复合金属收集极设计的真空康普顿探测器，使伽马探测灵敏度有效提高。为表征探测器测量信号的质量和可靠性，需要对探测器的y/n鉴别本领进行评估。应用强钴源（能量1.25MeV）伽马和DT（能量14MeV）中子源对这种探测效率增强的新型真空探测器灵敏度进行实验测量，采用蒙特卡罗模拟法（MC）模拟统计收集极输出净电子数的方法，对其在裂变能量区几个特征能量点的伽马、中子灵敏度进行模拟计算。结果表明：对于中子、伽马能量为1.25MeV的情况，这种新型真空康普顿探测器的y/n鉴别本领，理论模拟计算值为40.94，综合理论计算和实验测量结果的实验推算评估值为28.3l；属于适合中子、伽马混合场中测量伽马的可选探测器。
关键词：康普顿探测器；辐射探测；y/n鉴别本领；灵敏度；蒙特卡罗模拟法
文献标志码：A
文章编号：1674-5124（2015）02-0011-04
引 言
康普顿探测器是利用y辐射与物质相互作用产生电子发射进而形成电流原理制成的y射线探测器，康普顿探测器响应时间短，对中子基本上不灵敏，可输出线性电流大。传统康普顿探测器有介质型和真空型两类，真空型康普顿探测器能够输jlH的线性电流比介质型的大，能量响应相对平坦性也优于介质型，但灵敏度比介质型的低。为了充分利用真空型康普顿探测器的优势，克服灵敏度低的不足，已开发出灵敏度接近介质康普顿的效率增强型真空康普顿探测器（vacuum Compton's detector，VCD）；这种新型探测器采用Au、W或Ta等复合金属取代传统的Fe收集极，研究表明：把这种复合金属当作发射极总的电子出射效率接近10-2量级，在相同条件下，比Fe发射极的出射效率高约60%，可以明显提高探测器灵敏度。为了表征这种新型探测器测量信号的质量和可靠性，需要对该类探测器的y/n鉴别本领进行评估。本文以这种新型真空康普顿探测器为对象，应用强钴源伽马和DT中子源对其灵敏度进行实验测量；采用蒙特卡罗模拟法（Monce Carlo simula-tion，MC），对其在裂变能量区几个特征能量点的伽马、中子灵敏度进行模拟计算；综合理论计算和实验测量结果对该探测器在裂变能量区内的y/n鉴别本领进行评估，为这种新型探测器应用者判断测量信号质量和可靠性提供了技术支持。
1.增强型真空康普顿探测器的结构和材料参数
伽马或中子辐射通过准直器以平行束方式垂直入射到探测器前端面，射线穿过入射窗、收集极、出射窗等部分时，与各部分的材料发生作用，发射和收集电子。由于收集极发射和收集的电子不平衡，将产生静电荷差，从而在回路中形成电信号输出。设计的增强型新型真空康普顿探测器的结构见图l，其材料构成和尺寸见表1。
2.增强型真空康普顿探测器在裂变能量区内y/n鉴别本领的评估方法
探测器的y/n鉴别本领可用下式表示：式中Sy，Sn分别为探测器对伽马和中子的灵敏度。一般裂变辐射源，中子、伽马平均能量均为1.25MeV，对增强型真空康普顿探测器在裂变能量区内的^y/n鉴别本领进行评估最简洁的方法是：先分别得到这种新型探测器对能量约为1.25MeV的中子、伽马的灵敏度，再按式（l）进行计算。1.25MeV伽马有相应的辐射源钴源对应，可以进行相应标定；而1.25MeV中子很少有相应的辐射源对应，很难进行相应实验标定，常见的是能量为2.45MeV的DD、能量为14MeV的DT中子源。由于增强型真空康普顿探测器对中子灵敏度非常低，根据DD中子源的产额情况，即使贴近靶头也无法得到有效输出，本文将通过应用DT中子源测量得到增强型真空康普顿探测器14MeV中子灵敏度，再应用MC模拟的方法对其相应灵敏度进行同比例推算，得到增强型真空康普顿探测器对1.25 MeV中子灵敏度。
3 增强型真空康普顿探测器伽马（能量1.25MeV）灵敏度测量
3.1 1.25MeV伽马辐射源参数和探测系统布局
测量增强型真空康普顿探测器伽马灵敏度使用的辐射源为强钴源（能量1.25MeV）辐射场，实验大厅长12.5m，宽4.5m，高4.5m。钴源为平放的φ19mmX23mm的圆柱体，类似点源。对源准直屏蔽后，100cm测点光斑为10cmxl0cm.200Cm处的光斑为20cmX20cm。测量时采取前端准直（见图2），探测器布置在离源中心115cm处，探测器前准直器孔径φ40mm，长度10cm，测点注量率为2.47E+09s-l/cm2。
3.2 1.25MeV伽马灵敏度测量结果
用Keithley 6517A静电计，分别对无源和有源情况下的探测器和裸电缆暗电流与输出信号电流进行测量，扣除裸电缆对输出的贡献后得到探测器净电流输出，将其除以测点伽马注量率，得到增强型真空康普顿探测器伽马灵敏度，见表2。
4 增强型真空康普顿探测器DT（能量14MeV）中子灵敏度测量
4.1 14MeV中子辐射源参数和探测系统布局
测量增强型真空康普顿探测器中子灵敏度使用的DT（能量14MeV）中子辐射源为K400加速器产生的中子辐射场，靶头为半球状，外半径35mm，厚2mm，中子源产额约为3E108-1，由于探测器输出非常小，只能将探测器贴近DT靶头半球布置，离源中心约3.8cm，30s监测计数为54392，中子产额与监测记数之间的转换系数为1.60E+07，可得测点注量率约为1.6E+08 s-l/cm2。
4.2 14MeV中子灵敏度测量结果
用Keirhley 6517A静电计，分无源和有源情况对探测器和裸电缆的暗电流与输出信号电流进行测量，扣除裸电缆对输出的贡献后得到探测器净电流输出，将其除以测点中子注量率，得到增强型真空康普顿探测器14MeV中子灵敏度，见表3。 5 增强型真空康普顿探测器伽马、中子灵敏 度计算
5.1 探测器灵敏度与收集极上产生净电子数的关系真空康普顿探测器对辐射的灵敏度计算为式中：e——电子电荷，l.602xl0-19C；
N（E）——收集极净电子数；
Acff——探测器工作面积。
5.2 收集极净电子数的统计
电子进入收集极和从收集极出来的路线如图3所示。依据路线图可以按下式得到收集极净电子数。
N（E）=N21+N23+N20-N12-N32-N.2
（3）
5.3 裂变能量区几个特征能量点的伽马、中子灵敏
度计算结果
采用MCNPX程序中的Fl：e卡和+F8：e卡对式（3）中各种进出电子数进行统计，对于不同能量的伽马（中子）源，结合式（2）和式（3）可以得到探测器相应的灵敏度。表4和表5是对裂变能量区几个特征能量点的伽马（能量约1.25MeV）、中子（能量约1.25，2.45，14.1MeV）灵敏度进行模拟计算。由于收集极的厚度很薄，在伽马、中子灵敏度模拟计算中，N02、N20统计结果均为0，表中没有列出。
6 增强型真空康普顿探测器在裂变能量区内y/n鉴别本领的评估
将表2、表3实验测量值与表4、表5理论模拟计算值进行对比分析可以看出：对于能量为1.25MeV伽马，理论计算和实验测量值基本没有差异；对于能量为14.1MeV中子，实验测量值比理论模拟计算高约50%。由于中子辐射与物质发生作用，往往伴随伽马等次级辐射的产生，对探测器输出的贡献包括信号中子直接作用、实验大厅散射中子的贡献以及部分中子辐射与其他物质发生作用伴随产生的伽马等次级辐射贡献。伽马辐射包括中子在实验大厅物质上产生的y射线，以及加速器产生的带电粒子（质子、氘）在靶头上与靶底衬材料及靶管材料作用下产生的y射线。依据挡锥法测量有关数据可以推算评估：该辐射场下，信号中子之外的其他辐射贡献对本新型探测器输出增加可能超过20%，因此直接测量的灵敏度结果比实际中子绝对灵敏度可能要高20%以上。同时由于实验测量的信号电流只有1.38pA，是非常小的值，也会带来较大的测量相对不确定度。根据式（l）和理论模拟计算数据可得到模拟计算y/n鉴别本领评估值，见表6第4列；依据14.1MeV中子灵敏度理论实验测量值差异，按同比例可得到实验推算灵敏度参考值，见表6第6列；根据式（1）和实验推算灵敏度参考值数据可以得到实验推算评估y/n鉴别本领评估值，见表6第7列。
7 结束语
在裂变能量区内，按中子、伽马平均能量约125 MeV考虑，本文研究的增强型真空康普顿探测器的y/n鉴别本领，理论模拟计算值40.94，实验推算评估值28.31；由于该新型探测器主要用于y辐射测量而非中子测量，人们并不特别关心该探测器对中子的绝对灵敏度，而更关心该新型探测器在中子、y混合辐射场中测量y辐射的y/n鉴别本领。综合理论计算和实验测量结果，考虑其可能不确定度，预留2倍的余量，尽管实验测量值与理论模拟计算相差约50%，仍然可以明确得H：这种新型真空康普顿探测器的y/n鉴别本领提高了10倍，属于对中子相对不灵敏对伽马灵敏，适合中子、伽马混合场中测量伽马的可选探测器。
关键词：康普顿探测器；辐射探测；y/n鉴别本领；灵敏度；蒙特卡罗模拟法
文献标志码：A
文章编号：1674-5124（2015）02-0011-04
引 言
康普顿探测器是利用y辐射与物质相互作用产生电子发射进而形成电流原理制成的y射线探测器，康普顿探测器响应时间短，对中子基本上不灵敏，可输出线性电流大。传统康普顿探测器有介质型和真空型两类，真空型康普顿探测器能够输jlH的线性电流比介质型的大，能量响应相对平坦性也优于介质型，但灵敏度比介质型的低。为了充分利用真空型康普顿探测器的优势，克服灵敏度低的不足，已开发出灵敏度接近介质康普顿的效率增强型真空康普顿探测器（vacuum Compton's detector，VCD）；这种新型探测器采用Au、W或Ta等复合金属取代传统的Fe收集极，研究表明：把这种复合金属当作发射极总的电子出射效率接近10-2量级，在相同条件下，比Fe发射极的出射效率高约60%，可以明显提高探测器灵敏度。为了表征这种新型探测器测量信号的质量和可靠性，需要对该类探测器的y/n鉴别本领进行评估。本文以这种新型真空康普顿探测器为对象，应用强钴源伽马和DT中子源对其灵敏度进行实验测量；采用蒙特卡罗模拟法（Monce Carlo simula-tion，MC），对其在裂变能量区几个特征能量点的伽马、中子灵敏度进行模拟计算；综合理论计算和实验测量结果对该探测器在裂变能量区内的y/n鉴别本领进行评估，为这种新型探测器应用者判断测量信号质量和可靠性提供了技术支持。
1.增强型真空康普顿探测器的结构和材料参数
伽马或中子辐射通过准直器以平行束方式垂直入射到探测器前端面，射线穿过入射窗、收集极、出射窗等部分时，与各部分的材料发生作用，发射和收集电子。由于收集极发射和收集的电子不平衡，将产生静电荷差，从而在回路中形成电信号输出。设计的增强型新型真空康普顿探测器的结构见图l，其材料构成和尺寸见表1。
2.增强型真空康普顿探测器在裂变能量区内y/n鉴别本领的评估方法
探测器的y/n鉴别本领可用下式表示：式中Sy，Sn分别为探测器对伽马和中子的灵敏度。一般裂变辐射源，中子、伽马平均能量均为1.25MeV，对增强型真空康普顿探测器在裂变能量区内的^y/n鉴别本领进行评估最简洁的方法是：先分别得到这种新型探测器对能量约为1.25MeV的中子、伽马的灵敏度，再按式（l）进行计算。1.25MeV伽马有相应的辐射源钴源对应，可以进行相应标定；而1.25MeV中子很少有相应的辐射源对应，很难进行相应实验标定，常见的是能量为2.45MeV的DD、能量为14MeV的DT中子源。由于增强型真空康普顿探测器对中子灵敏度非常低，根据DD中子源的产额情况，即使贴近靶头也无法得到有效输出，本文将通过应用DT中子源测量得到增强型真空康普顿探测器14MeV中子灵敏度，再应用MC模拟的方法对其相应灵敏度进行同比例推算，得到增强型真空康普顿探测器对1.25 MeV中子灵敏度。
3 增强型真空康普顿探测器伽马（能量1.25MeV）灵敏度测量
3.1 1.25MeV伽马辐射源参数和探测系统布局
测量增强型真空康普顿探测器伽马灵敏度使用的辐射源为强钴源（能量1.25MeV）辐射场，实验大厅长12.5m，宽4.5m，高4.5m。钴源为平放的φ19mmX23mm的圆柱体，类似点源。对源准直屏蔽后，100cm测点光斑为10cmxl0cm.200Cm处的光斑为20cmX20cm。测量时采取前端准直（见图2），探测器布置在离源中心115cm处，探测器前准直器孔径φ40mm，长度10cm，测点注量率为2.47E+09s-l/cm2。
3.2 1.25MeV伽马灵敏度测量结果
用Keithley 6517A静电计，分别对无源和有源情况下的探测器和裸电缆暗电流与输出信号电流进行测量，扣除裸电缆对输出的贡献后得到探测器净电流输出，将其除以测点伽马注量率，得到增强型真空康普顿探测器伽马灵敏度，见表2。
4 增强型真空康普顿探测器DT（能量14MeV）中子灵敏度测量
4.1 14MeV中子辐射源参数和探测系统布局
测量增强型真空康普顿探测器中子灵敏度使用的DT（能量14MeV）中子辐射源为K400加速器产生的中子辐射场，靶头为半球状，外半径35mm，厚2mm，中子源产额约为3E108-1，由于探测器输出非常小，只能将探测器贴近DT靶头半球布置，离源中心约3.8cm，30s监测计数为54392，中子产额与监测记数之间的转换系数为1.60E+07，可得测点注量率约为1.6E+08 s-l/cm2。
4.2 14MeV中子灵敏度测量结果
用Keirhley 6517A静电计，分无源和有源情况对探测器和裸电缆的暗电流与输出信号电流进行测量，扣除裸电缆对输出的贡献后得到探测器净电流输出，将其除以测点中子注量率，得到增强型真空康普顿探测器14MeV中子灵敏度，见表3。 5 增强型真空康普顿探测器伽马、中子灵敏 度计算
5.1 探测器灵敏度与收集极上产生净电子数的关系真空康普顿探测器对辐射的灵敏度计算为式中：e——电子电荷，l.602xl0-19C；
N（E）——收集极净电子数；
Acff——探测器工作面积。
5.2 收集极净电子数的统计
电子进入收集极和从收集极出来的路线如图3所示。依据路线图可以按下式得到收集极净电子数。
N（E）=N21+N23+N20-N12-N32-N.2
（3）
5.3 裂变能量区几个特征能量点的伽马、中子灵敏
度计算结果
采用MCNPX程序中的Fl：e卡和+F8：e卡对式（3）中各种进出电子数进行统计，对于不同能量的伽马（中子）源，结合式（2）和式（3）可以得到探测器相应的灵敏度。表4和表5是对裂变能量区几个特征能量点的伽马（能量约1.25MeV）、中子（能量约1.25，2.45，14.1MeV）灵敏度进行模拟计算。由于收集极的厚度很薄，在伽马、中子灵敏度模拟计算中，N02、N20统计结果均为0，表中没有列出。
6 增强型真空康普顿探测器在裂变能量区内y/n鉴别本领的评估
将表2、表3实验测量值与表4、表5理论模拟计算值进行对比分析可以看出：对于能量为1.25MeV伽马，理论计算和实验测量值基本没有差异；对于能量为14.1MeV中子，实验测量值比理论模拟计算高约50%。由于中子辐射与物质发生作用，往往伴随伽马等次级辐射的产生，对探测器输出的贡献包括信号中子直接作用、实验大厅散射中子的贡献以及部分中子辐射与其他物质发生作用伴随产生的伽马等次级辐射贡献。伽马辐射包括中子在实验大厅物质上产生的y射线，以及加速器产生的带电粒子（质子、氘）在靶头上与靶底衬材料及靶管材料作用下产生的y射线。依据挡锥法测量有关数据可以推算评估：该辐射场下，信号中子之外的其他辐射贡献对本新型探测器输出增加可能超过20%，因此直接测量的灵敏度结果比实际中子绝对灵敏度可能要高20%以上。同时由于实验测量的信号电流只有1.38pA，是非常小的值，也会带来较大的测量相对不确定度。根据式（l）和理论模拟计算数据可得到模拟计算y/n鉴别本领评估值，见表6第4列；依据14.1MeV中子灵敏度理论实验测量值差异，按同比例可得到实验推算灵敏度参考值，见表6第6列；根据式（1）和实验推算灵敏度参考值数据可以得到实验推算评估y/n鉴别本领评估值，见表6第7列。
7 结束语
在裂变能量区内，按中子、伽马平均能量约125 MeV考虑，本文研究的增强型真空康普顿探测器的y/n鉴别本领，理论模拟计算值40.94，实验推算评估值28.31；由于该新型探测器主要用于y辐射测量而非中子测量，人们并不特别关心该探测器对中子的绝对灵敏度，而更关心该新型探测器在中子、y混合辐射场中测量y辐射的y/n鉴别本领。综合理论计算和实验测量结果，考虑其可能不确定度，预留2倍的余量，尽管实验测量值与理论模拟计算相差约50%，仍然可以明确得H：这种新型真空康普顿探测器的y/n鉴别本领提高了10倍，属于对中子相对不灵敏对伽马灵敏，适合中子、伽马混合场中测量伽马的可选探测器。