载钆液闪探测器的稳定性测试与探测效率刻度
王力 1 , 杜强 2 , 康克军 1 , 岳骞 1     
1. 清华大学 工程物理系, 粒子技术与辐射成像教育部重点实验室, 北京 100084;
2. 四川大学 物理科学与技术学院, 成都 610065
摘要:中国暗物质实验(China dark matter experiment,CDEX)合作组设计并研制了大体积载钆液体闪烁体快中子探测器,用于中国锦屏地下实验室(China JinPing underground laboratory,CJPL)的快中子本底测量。该探测器基于反冲质子信号与钆俘获热中子产生的γ信号之间的符合测量方法,有效地抑制环境γ本底,提高对快中子的探测灵敏度。该文对该探测器进行了稳定性测试和单能中子探测效率刻度,实验结果表明:该探测器稳定可靠,且具有良好的中子、γ信号甄别能力,以及较高的探测效率,适合对地下实验室极低通量快中子进行测量。
关键词暗物质    地下实验室    液闪探测器    快中子    探测效率    
Stability test and efficiency calibration of a gadolinium-loaded liquid scintillation detector
WANG Li1, DU Qiang2, KANG Kejun1, YUE Qian1     
1. Key Laboratory of Particle and Radiation Imaging of Ministry of Education, Department of Engineering Physics, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
2. School of Physical Science and Technology, Sichuan University, Chengdu 610065, China
Abstract: The China dark matter experiment (CDEX) collaboration has developed a large gadolinium-loaded liquid scintillation detector for neutron background measurements in the China JinPing underground laboratory (CJPL). Coincidence measurements of the recoil proton and neutron capture signals are used to suppress the gamma background. This paper presents stability tests and monoenergetic neutron detection efficiency calibration of the detector. The tests show that the detector photon yield is stable. The detector has good neutron and gamma pulse shape discrimination and a highly detection efficiency. Thus, this system is suitable for low intensity fast neutron measurements in the underground laboratory.
Key words: dark matter     underground laboratory     liquid scintillation detector     fast neutron     detection efficiency    

在基础物理研究领域,为了减少宇宙射线和环境辐射本底的影响,一些对稀有事例进行研究的粒子物理及天体物理学实验必须在极深的地下实验室进行,例如对暗物质的直接探测实验[1-2]、无中微子双β衰变实验[3]以及太阳中微子实验[4]等。但即使在很深的地下,环境本底依然是探测器本底的重要来源。在对暗物质粒子的直接探测实验中,中子能产生与暗物质粒子类似的核反冲信号,而这种信号很难与暗物质粒子的信号区分开来,是当前暗物质直接探测实验进一步提高灵敏度所必须面对的问题。因此实验上需要详细测量地下实验室中子本底的通量及能谱等特征,以便为中子对暗物质实验的影响以及中子屏蔽体的建设提供参考。对地下实验室中子本底的研究一般是通过使用极低本底探测器进行实地测量并结合计算机模拟给出需要的结果[5-7]

本文对中国暗物质实验(China dark matter experiment, CDEX)合作组[1]研制的用于地下实验室快中子本底测量的大体积载钆液闪探测器进行了实验研究,使用γ源监测了该探测器的光产额稳定性,使用加速器产生的单能中子对探测器进行了探测效率刻度,分析了探测器的性能,得到其对低通量快中子本底的探测能力。

1 地下实验室中子本底及测量 1.1 中国锦屏地下实验室

中国锦屏地下实验室(China JinPing underground laboratory, CJPL)位于四川省锦屏山的一条长约17.5 km的隧道内,岩石覆盖厚度2 400 m。CDEX实验是运行在CJPL中的实验之一,其使用点电极高纯锗探测器对小于10 GeV/c2的轻暗物质进行直接探测。目前CDEX实验运行的装置有2个1 kg点电极高纯锗探测器CDEX-1A和CDEX-1B,实验均在CJPL大厅内由1 m厚的聚乙烯搭建的屏蔽室中进行,已经取得了国际领先的一些暗物质直接探测物理结果[8-10]

地下实验室中快中子主要来自于岩石、屏蔽材料中的铀系、钍系引发的(α, n)反应产生的中子,以及周围材料中铀的自发裂变产生的中子,此外宇宙射线μ子也会产生一部分中子。对CJPL而言,由于有2 400 m的岩石覆盖,实验室内宇宙线通量仅为(2.0±0.4)×10-10 cm-2·s-1[11],因此μ致中子水平也是极低的,可以忽略不计。根据相关的研究,对CDEX-1探测器有影响的中子本底主要来自聚乙烯屏蔽室内铅等屏蔽材料中产生的自发裂变中子及(α, n)中子,外部岩石和建筑材料产生的中子本底由于1 m厚聚乙烯房间的屏蔽而忽略[12-13]

1.2 载钆液闪探测器

实验组根据地下实验室快中子本底极低通量的特点,设计和研制了数个大体积载钆液体闪烁体快中子探测器用于聚乙烯房间内的快中子本底测量。载钆液闪快中子探测器具体原理如下:当快中子进入探测器后首先会不断与液闪中氢等原子核发生弹性碰撞并使其反冲,中子则被逐渐慢化。当中子能量减小到热中子能量范围时,就会大概率的被钆俘获(也有可能被氢等俘获),形成处于激发态的复合核,复合核退激发会发出总能量为8 MeV左右(157Gd为7.94 MeV,155Gd为8.54 MeV)的一组γ光子或者内转换电子。在整个过程中,中子慢化形成的反冲质子会产生一个脉冲信号,称为快信号;中子被钆俘获之后放出的γ光子或内转换电子又会产生另一个脉冲信号,称为慢信号。通过这2个相关联信号的符合测量可以确定中子事件,即若观测到一个反冲质子的快信号之后一定时间内又观测到一个γ光子的慢信号,就认为测到了一个中子信号。符合测量可以进一步抑制γ本底,提高探测灵敏度,选出比较纯净的中子信号,进而得到中子通量及能谱信息。该探测器的主体部分是一个装有约28 L载钆液闪的圆柱形石英玻璃容器,两端各使用一个8英寸的光电倍增管来读出闪烁光信号,探测器的具体设计和基本性能见文[14]。

2 实验研究 2.1 探测器稳定性的测试

如果探测器液闪容器气密性不好,液体闪烁体在放置过程中会与空气等接触而发生氧化,使得液闪的光产额下降,对测量结果造成影响。鉴于对地下实验室中子本底的测量一般需要一年以上的时间,因此要求探测器要有很好的长期稳定性。保持液闪稳定性的关键在于将液闪密封盛装,使其与空气等污染源隔绝。该液闪探测器采用低本底石英玻璃材质,与液闪有很好的兼容性,并且石英玻璃容器使用整体加工的方法,仅在容器顶部通过细颈连接一个杯子状的膨胀室。液闪通过膨胀室注入探测器,注入过程中使用惰性气体与空气隔绝,注满后做密封处理。

探测器的稳定性可使用γ源的特征峰来进行监测,即隔一段时间对探测器进行一次γ源的测量。测量时γ源放置在探测器箱体外侧中心的固定位置,测量条件相同。图 1为探测器对60Co γ源的响应能谱。由于探测器能量分辨率的原因,得到的实验能谱中γ射线峰是由康普顿边沿、全能峰等部分共同贡献的。通过对该峰进行Gauss拟合,可以确定其峰位对应的电荷积分值以及误差。图 2为使用60Co γ源对探测器的稳定性进行监测的结果,横坐标表示本次测量距离第一次测量的时间,纵坐标为测得的60Co能谱上γ射线峰所对应的电荷积分值。从图 2可以看出,2个月的时间内60Co峰位在误差范围内保持了很好的稳定性,这说明该探测器的设计与密封是可靠的,可以保证长时间的稳定测量。实验组还会在后续的实验过程中继续监测探测器的长期稳定性。

图 1 实验测得的60Co能谱

图 2 60Co峰位随时间的变化

2.2 单能中子探测效率刻度

为了对载钆液闪探测器的性能进行研究,本文使用单能中子源对探测器进行了探测效率刻度。实验在中国原子能科学研究院计量测试部的串列静电加速器上进行,该加速器可建立144 keV~14.8 MeV单能中子参考辐射场。实验中选用的单能中子刻度点包括2.46、5.00和14.80 MeV。实验装置如图 3所示,探测器放置在中子束流的0°角方向上,探测器中心距离地面108 cm,与靶之间的距离为3 m。由于实验厅的空间有限,实验过程中必须考虑散射本底的扣除,散射本底的大小取决于实验厅的几何结构、布置以及材料构成等。对散射本底的测量,一般有2种方法:1) 假设探测器在同一出射角的不同位置上时,散射本底对探测器计数率的贡献是服从同一规律的。只要将探测器放置在离源不同距离的位置上分别进行测量,根据探测器计数率和距离的关系就可以得到散射本底计数。2) 采用影锥法,选用适当尺寸的影锥放置在靶与探测器之间,调节影锥的位置,使得加速器产生的中子无法直接照射到探测器灵敏部分,这样测到的结果即为相同测量条件下由于房间散射造成的本底。在该实验中,本文采用影锥法来扣除散射本底。对每个实验点的测量分2组进行,即中子测量以及加影锥后的散射本底测量。实验前首先使用60Co和137Cs 2个γ源对探测器进行了刻度以确定液闪光响应与能量的关系,能量刻度过程中使用实验与模拟对比的方法来确定实验谱峰位所对应的能量。

图 3 单能中子探测效率刻度实验装置

实验中探测器数据获取系统如图 4所示,探测器2个光电倍增管的输出信号分别输入快速模数转换器(fast analog-to-digital converter,FADC)的2个通道,并使用其中一个通道作为触发,触发后原始波形、触发时间等信息将会被保存在计算机中。电子学系统中FADC选用采样率为1.25 GS/s,分辨率为10 b的NI PXIe-5160模块,可以有效保证液闪的波形甄别能力,以及高计数率下的数据传输与存储。数据处理采用离线分析方式。

图 4 探测器和电子学系统框图

2.3 单能中子的探测效率

该探测器对快中子的探测基于对反冲质子信号与钆俘获信号的符合测量,在数据处理过程中需要对信号进行波形甄别(pulse shape discrimination,PSD)。探测器对中子及γ信号的甄别采用电荷积分法[14],根据甄别因子-能量的分布来区分中子及γ信号。如图 5所示,甄别曲线的获得是通过每隔0.2 MeV取一个能量切片并对甄别因子的分布做拟合,以2个Guass函数的交点作为该能量段的最佳甄别点(见图 5a),然后根据所有的甄别点拟合出甄别曲线(见图 5b)。图 5c为探测器对2.46 MeV单能中子n-γ甄别图,可见该探测器具有很好的n-γ波形甄别能力,甄别下限接近探测器的阈值,可达0.25 MeVee(MeVee表示等效电子能量),对应的中子能量约为1 MeV。

图 5 中子探测效率刻度实验中的n-γ甄别

根据该探测器特点,对于测量到的一组信号,如果前一个信号为中子弹性散射形成的反冲质子信号(快信号),后一个信号为中子俘获产生的γ信号(慢信号),并且2个信号的时间间隔满足俘获时间要求,则判定为一个有效中子事例,此方法可称为“快慢信号符合法”。具体中子事例筛选条件为:

1) 当前信号为γ,且能量大于3 MeV;

2) 前一个信号为反冲质子,且能量大于0.25 MeV;

3) 2个信号时间间隔小于30 μs。

为了保证符合信号由同一个中子事例产生,在筛选时只考虑相邻的信号。条件1中俘获后产生的γ信号能量大于3 MeV,是为了抑制环境γ本底的干扰,尽可能减小由γ本底带来的偶然符合。条件2中反冲质子信号的能量下限由探测器的n-γ甄别能量下限给出。条件3中2个信号时间间隔条件根据模拟得到的载钆液闪的俘获时间分布确定。

由于加速器束流需要维持一定的强度,实验中探测器的计数率约为3×104/s~4×104/s,由加速器中子源带来的γ本底较高,在上述判断条件下还需要通过对2个信号时间间隔分布的成分分析来扣除非关联成分偶然符合带来的影响。图 6a为14.8 MeV单能中子测量时满足筛选条件1和2的快慢信号时间间隔分布,从对曲线的拟合可以看出,曲线由2个指数函数成分构成,通过与图 6b所示的模拟结果对比可知衰减时间常数大的为γ本底偶然符合贡献的非关联事例成分,衰减时间常数小的为中子的快慢信号产生的关联成分。根据关联成分的占比可以确定实际中子事例的数目。

图 6 快慢信号时间间隔分布

表 1以14.8 MeV单能中子探测效率实验为例列出了中子事例筛选和探测效率计算的详细步骤,以及经过每个判断条件后信号存活率λ和累积存活率∏λ等信息,其中散射本底测量与中子测量数据处理过程相同。表 1中原始数据即FADC记录到的事例总数,这些数据首先通过基本判断去掉超过FADC测量范围的事例,以及同一个窗口内发生信号叠加的事例;经过基本判断后的剩余事例再通过“快慢信号符合法”从中筛选出有效中子事例,然后根据图 6a的对快慢信号时间间隔分布的拟合分析扣除其中非关联成分的贡献,即可得到2组测量分别测到的中子数目。源强度指实验中由加速器参数给出的每组测量时在探测器中心位置处单位时间内的中子注量,根据2组测量的源强度及测量时间可换算出中子测量结果中由于实验大厅散射而贡献的中子数目,进而可得到扣除散射本底后的中子数。实验中到达探测器的中子数目由源强度、测量时间以及探测器截面积确定。扣除散射本底后的中子数与到达探测器的中子数目之比即为探测器对该单能中子的探测效率。表 2为根据同样的处理方法得到的各个单能中子刻度点的探测效率。

表 1 中子事例筛选流程及计算结果(14.8 MeV)
实验参数/判断条件 中子测量λ/%[∏λ/%] 散射本底测量λ/%[∏λ/%]
原始数据 4×107 1.6×107
基本判断 99.17 [99.17] 99.42 [99.42]
快慢信号符合 5.54 [5.49] 1.84 [1.83]
排除偶然符合 74.65 [4.10] 78.80 [1.44]
测得的中子 1 639 931 231 080
源强度/(cm-2·s-1) 10.65 10.85
测量时间/s 1 408 1 078
散射本底贡献的中子 226 821
扣除散射本底后的中子 1 413 110
到达探测器的中子 1.8×107
探测效率/% 7.85±0.56

表 2 各效率刻度点的探测效率
中子能量/MeV 探测效率/%
2.46 11.76±1.31
5 8.27±1.02
14.8 7.85±0.56

如果将表 1分析过程中的“快慢信号符合”和“排除偶然符合”2个步骤简化为仅使用“n-γ波形甄别”选出中子事例,其他处理方法相同,这样得到的对14.8 MeV单能中子的探测效率为65.32%。相较而言,“快慢信号符合法”7.85%的探测效率要低一些,这是因为中子进入液闪后,只有部分会被俘获,而且为了抑制γ本底,只选择了中子被俘获后放出的γ能量大于3 MeV的事例,这些都会使得探测效率降低。与单纯的波形甄别相比,虽然牺牲了一定的探测效率,但“快慢信号符合法”的使用可以极大地提高对中子探测的灵敏度,尤其是在地下实验室γ本底占绝对多数而中子事例非常少的情况下,快慢信号的符合可排除掉大部分γ本底的干扰,从而更加准确地筛选出中子信号。

实验及数据分析中的误差来源包括中子源的通量误差、各判断条件带来的误差等。以14.8 MeV单能中子的测量为例,误差主要来自3个方面:1) 能量刻度带来的误差。根据能量刻度过程中拟合得到的刻度曲线及其各系数的误差可计算出因能量刻度引起“快慢信号符合法”中能量判断条件的误差为σ0.25 MeV≈0.003 MeV和σ3 MeV≈0.033 MeV,在其他条件不变的情况下根据此误差来改变数据处理过程中相应的能量判断条件可得到由此带来的探测效率的误差分别为0.004%和0.108%。2) n-γ波形甄别带来的误差。由于甄别曲线是通过分能量段拟合来确定的,其引入的误差可通过对单个能量段做如图 5a所示的拟合分析,根据拟合结果计算出该能量段内的中子数目及误差,对0.25 MeV以上所有能量段进行统计则得到总的中子数及总误差,由此得到的总误差与总中子数的比为0.92%。3) 源强度不确定度带来的误差。该实验中加速器产生的14.8 MeV单能中子束的通量不确定度为7%。根据误差传递公式可知,由n-γ波形甄别和源强度不确定度带来的探测效率误差为7.85%× $\sqrt {{{{\rm{(0}}{\rm{.92\% )}}}^2} + {{{\rm{(7\% )}}}^2}} $ =0.554%。结合由能量刻度带来的误差,则总的探测效率误差为$\sqrt {{{{\rm{(0}}{\rm{.004\% )}}}^2} + {{{\rm{(0}}{\rm{.108\% )}}}^2} + {{{\rm{(0}}{\rm{.554\% )}}}^2}} $=0.56%。

再根据表 1中的计算结果可知最终得到的探测器对14.8 MeV单能中子的探测效率为(7.85±0.56)%。

3 结论

载钆液闪快中子探测器的稳定性测试表明该探测器具有良好的稳定性,能够进行长时间的稳定测量。单能中子探测效率刻度实验结果表明该探测器具有较高的探测效率,对1~14.8 MeV中子的探测效率大于(7.85±0.56)%。该探测器有很好的n-γ甄别能力,结合快慢信号符合测量方法的应用可以有效地抑制环境γ本底的影响,适合对地下实验室的极低通量快中子本底进行测量。目前该探测器正在用于测量中国锦屏地下实验室聚乙烯屏蔽室内的快中子本底,未来将为中子本底对高纯锗探测器暗物质直接探测实验的影响提供参考,并评估中子本底对现有暗物质探测能区本底的贡献。

参考文献
[1] KANG Kejun, CHENG Jianping, LI Jin, et al. Introduction to the CDEX experiment[J]. Frontiers of Physics, 2013, 8(4): 412–437. DOI:10.1007/s11467-013-0349-1
[2] YUE Qian, ZHAO Wei, KANG Kejun, et al. Limits on light weakly interacting massive particles from the CDEX-1 experiment with a p-type point-contact germanium detector at the China Jinping underground laboratory[J]. Physical Review D, 2014, 90(9): 091701. DOI:10.1103/PhysRevD.90.091701
[3] Schonert S, Abt I, Altmann M, et al. The GERmanium Detector Array (GERDA) for the search of neutrinoless ββ decays of 76Ge at LNGS[J]. Nuclear Physics B-Proceedings Supplements, 2005, 145: 242–245. DOI:10.1016/j.nuclphysbps.2005.04.014
[4] Cleveland B T, Daily T, Davis R, et al. Measurement of the solar electron neutrino flux with the homestake chlorine detector[J]. Astrophysical Journal, 1998, 496(1): 505–526. DOI:10.1086/apj.1998.496.issue-1
[5] Chazal V, Brissot R, Cavaignac J F, et al. Neutron background measurements in the underground laboratory of Modane[J]. Astroparticle Physics, 1998, 9(2): 163–172. DOI:10.1016/S0927-6505(98)00012-7
[6] Fisher B M, Abdurashitov J N, Coakley K J, et al. Fast neutron detection with 6Li-loaded liquid scintillator[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2011, 646(1): 126–134. DOI:10.1016/j.nima.2011.04.019
[7] Tziaferi E, Carson M J, Kudryavtsev V A, et al. First measurement of low intensity fast neutron background from rock at the Boulby underground laboratory[J]. Astroparticle Physics, 2007, 27(5): 326–338. DOI:10.1016/j.astropartphys.2006.12.005
[8] ZHAO Wei, YUE Qian, KANG Kejun, et al. First results on low-mass WIMPs from the CDEX-1 experiment at the China Jinping underground laboratory[J]. Physical Review D, 2013, 88(5): 052004. DOI:10.1103/PhysRevD.88.052004
[9] ZHAO Wei, YUE Qian, KANG Kejun, et al. Search of low-mass WIMPs with a p-type point contact germanium detector in the CDEX-1 experiment[J]. Physical Review D, 2016, 93(9): 092003. DOI:10.1103/PhysRevD.93.092003
[10] LIU Shukui, YUE Qian, KANG Kejun, et al. Limits on light WIMPs with a germanium detector at 177 MeVee threshold at the China Jinping underground laboratory[J]. Physical Review D, 2014, 90(3): 032003. DOI:10.1103/PhysRevD.90.032003
[11] WU Yucheng, HAO Xiqing, YUE Qian, et al. Measurement of cosmic ray flux in the China JinPing underground laboratory[J]. Chinese Physics C, 2013, 37(8): 086001. DOI:10.1088/1674-1137/37/8/086001
[12] LI Lei, YUE Qian, TANG Changjian, et al. A Monte Carlo study for the shielding of γ backgrounds induced by radionuclides for CDEX[J]. Chinese Physics C, 2011, 35(3): 282–287. DOI:10.1088/1674-1137/35/3/013
[13] 苏建. CDEX探测器辐射本底模拟与实验研究[D]. 北京: 清华大学, 2015. SU Jian. Simulation and Experiment Research on Radiation Background of CDEX Detectors[D]. Beijing: Tsinghua University, 2015. (in Chinese)
[14] 魏伟伟, 杜强, 王力, 等. 掺钆液闪中子探测器的研制[J]. 强激光与粒子束, 2015, 27(6): 066001. WEI Weiwei, DU Qiang, WANG Li, et al. Manufacture of gadolinium-doped liquid scintillator detector[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2015, 27(6): 066001. (in Chinese)