基于Cs2LiLaBr6闪烁体的中子总截面谱仪原型的性能测试：对中子和γ射线的测量

《Radiation Measurements》：Performance of the prototype of a Cs 2LiLaBr 6 scintillator-based neutron total cross section spectrometer to neutrons and γ-rays

中子总截面测量中采用6Li富集Cs2LiLaBr6（CLLB）闪烁体构建了FAST谱仪原型，通过γ射线源、Pu-Be中子源和DT中子源验证其能量响应线性性及脉冲形状鉴别（PSD）能力，模拟与实验结果一致，为CSNS背束流实验奠定基础。

　　

中国南方科技大学核科学技术学院，衡阳，421001，中国

摘要

基于快速闪烁体的中子总截面谱仪（FAST）已经设计完成，并且基于双模⁶Li富集Cs²LiLaBr⁶（CLLB）闪烁体的原型也成功构建。为了评估原型的性能，使用标准的^γ射线源、Pu-Be同位素调制中子源和加速器驱动的DT中子发生器进行了一系列实验测试。结果表明，FAST原型具有出色的能量线性，并通过各种脉冲形状鉴别（PSD）方法实现了有效的^γ射线与中子的鉴别。此外，CLLB闪烁体对DT中子的(n, α)反应率与Geant4模拟结果一致，这验证了FAST谱仪的物理设计。这项工作为中国散裂中子源（CSNS）Back-n光束线上使用无机闪烁体进行中子总截面测量奠定了坚实的实验基础，并为其他采用闪烁体探测器的中子诱导截面测量提供了技术参考。

引言

中子总截面是最基本和最重要的核反应数据类型之一，是核数据评估和确定光学模型参数（Koning和Delaroche，2003年；Nobre等人，2021年）的重要参考。为了满足高精度和宽能量范围中子总截面测量的要求，必须使用高性能的白中子源与具有优异检测能力的飞行时间（TOF）谱仪相结合。 全球范围内，裂变室和闪烁探测器常用于大型白中子源设施中的中子总截面测量。美国的LANSCE散裂中子源使用800 MeV的质子束来驱动WNR光束线及其相关仪器，其中BC404有机闪烁体用于测量中等至高能范围内的中子总截面（Abfalterer等人，2001年）。在橡树岭电子直线加速器（ORELA），Li玻璃和NE-110塑料闪烁体分别用于eV–keV及以上20 keV范围内的中子测量（Guber等人，2005年；Romojaro等人，2017年）。在比利时的GELINA设施，Li玻璃和NE-912/NE-213闪烁体沿着50米的飞行路径用于测量各种同位素的中子总截面（Sirakov等人，2013年；Mucciola等人，2022年）。 利用中国散裂中子源（CSNS）Back-n光束线的高强度和宽能量范围（0.3 eV至300 MeV），基于多层²³⁵U和²³⁸U裂变电离室（FIXM）的中子总截面谱仪（NTOX）已部署在Back-n光束线上并成功应用于测量（Yang等人，2019年；Fan等人，2023年；Xue等人，2023年；Xue等人，2024年；Li等人，2024年）。然而，基于²³⁵U和²³⁸U的裂变室在eV–keV能量范围内存在显著的不确定性，因为目标核在同一区域有重叠的共振。为了克服这些限制，越来越多地使用闪烁探测器进行不同能量范围内的测量（Beyer等人，2007年；Kumar和Parthiban，2025年；Anfimov等人，2025年）。为了提高中子检测效率并减少裂变共振引入的不确定性，正在开发基于⁶Li富集闪烁体的更新型中子总截面谱仪，以部署在CSNS的Back-n上。设计了一种基于快速闪烁体的中子总截面谱仪（FAST）概念，使用双模⁶Li富集Cs²LiLaBr⁶（CLLB）闪烁体（Zhao等人，2023年），并且已经构建了原型。 在这项工作中，在Back-n光束线测试之前对原型进行了全面评估。评估涉及各种标准的^γ射线源、Pu-Be同位素中子源和加速器驱动的DT中子源。系统地检查了关键性能指标，包括能量响应线性、脉冲形状鉴别（PSD）能力和高能中子响应。评估了三种传统的时域PSD方法用于^γ射线鉴别。将原型对14 MeV中子的响应与Geant4模拟结果进行了比较，以验证FAST谱仪的物理设计。

实验

为了匹配Back-n的光束斑点尺寸，原型使用了一个尺寸为50.8 mm × 50.8 mm的方形CLLB闪烁体晶体，该晶体由Saint-Gobain制造，并富集了超过95%的⁶Li。闪烁体通过侧面耦合到Hamamatsu S14160系列1 × 8 SiPM阵列上，以避免受到Back-n光束线上高强度^γ闪光的照射。为了与传统的后耦合方案进行比较，还使用了一个圆柱形CLLB晶体（尺寸为50.8 mm × 50.8 mm）。

γ射线响应和校准

能量响应线性是闪烁体在辐射测量中的基本特性之一。为了建立脉冲幅度与入射能量之间的相关性，必须在实验前使用已知能量的^γ射线源对探测器进行校准。图2展示了使用标准源（包括¹³⁷Cs、⁶⁰Co和¹⁵²Eu）在相同条件下获得的圆柱形CLLB晶体和方形CLLB晶体的测量结果。

讨论

在使用DT中子发生器进行的实验中，观察到当脉冲宽度超过1000 ns时，方形CLLB闪烁体探测器出现了显著的脉冲堆积现象。这种效应严重影响了后续脉冲的识别和鉴别准确性。如图12所示，图11(b)中每个区域的详细波形检查确认，对应于^γ射线的波形是正常的，没有明显的

结论

这项工作对FAST中子总截面谱仪的物理设计进行了全面的实验验证。开发了一种基于方形CLLB闪烁体（尺寸为50.8 mm × 50.8 mm × 6 mm）的原型探测器，采用SiPM阵列进行侧向读出；同时使用了一个通过PMT进行读出的圆柱形CLLB探测器（尺寸为50.8 mm × 50.8 mm）作为参考。两种探测器在使用标准^γ射线源（包括¹³⁷Cs、¹⁵²Eu和⁶⁰Co）进行能量校准时都表现出良好的线性。

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Peng Luan：撰写 – 原始草案、软件、方法论、调查、正式分析、数据管理。 Dajun Zhao：验证、软件、调查、正式分析、数据管理。 Jirong Zhao：可视化、验证、资源准备。 Haoqiang Wang：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、资源准备。 Luyan Tao：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证。 Jieming Xue：撰写 – 审稿与编辑、可视化、数据管理。 Baoqian Li：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢CAEP-INPC的加速器小组提供稳定的中子束用于测试。