GB/T 46609-2025 闪烁晶体的中子-伽马射线探测性能测试方法

　　ICS 31.260 CCS Q 65

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 46609—2025

　　闪烁晶体的中子-伽马射线探测性能

　　测试方法

　　Testmethod forneutron-gamma raydetection performanceofscintillation crystals

　　2025-10-31发布 2026-05-01实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 46609—2025

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1. 1—2020《标准化工作导则 第 1部分 :标准化文件的结构和起草规则》的规定起草 。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利 。本文件的发布机构不承担识别专利的责任 。

　　本文件由中国建筑材料联合会提出 。

　　本文件由全国人工晶体标准化技术委员会(SAC/TC461)归 口 。

　　本文件起草单位 : 中国科学院高能物理研究所 、有研稀土新材料股份有限公司 、北京中材人工晶体研究院有限公司 、中国科学院上海硅酸盐研究所 、中国计量大学 、北京玻璃研究院有限公司 、南华大学 、西南技术物理研究所 、中广核贝谷科技有限公司 。

　　本文件主要起草人 :孙希磊、王承二、余金秋、王海丽、吴云涛、秦来顺、臧晓微、屈国普、张伟、高永涛、高艾勤 。

　　Ⅰ

　　GB/T 46609—2025

　　闪烁晶体的中子-伽马射线探测性能

　　测试方法

　　1 范围

　　本文件描述了闪烁晶体的中子-伽马射线探测性能的测试方法 。

　　本文件适用于测试闪烁晶体的中子-伽马射线探测性能 , 闪烁陶瓷 、闪烁玻璃 、复合闪烁体等其他闪烁材料参照执行 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款 。其中 ,标注 日期的引用文件 ,仅该日期对应的版本适用于本文件 ;不标注日期的引用文件 ,其最新版本(包括所有的修改单) 适用于本文件 。

　　GB 4075—2009 密封放射源 一般要求和分级

　　GB/T 4960. 6—2008 核科学技术术语 第 6部分 :核仪器仪表

　　GB/T 13181—2024 固体闪烁体性能测量方法

　　GB 18871—2002 电离辐射防护与辐射源安全基本标准

　　3 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件 。

　　3. 1

　　(闪烁体的)光学反射层 opticalreflector(ofa scintillator)

　　在闪烁体(光导)表面上 ,为使闪烁体(光导)中向四周发射的光有效地反射到出射方向上的包层 。 [来源 :GB/T 4960. 6—2008,2. 3. 11]

　　3.2

　　闪烁探测器 scintillation detector

　　由闪烁体与光电传感器构成的核辐射探测器 , 闪烁体通常通过光耦合材料或光导与光电传感器光耦合 。

　　[来源 :GB/T 4960. 6—2008,2. 3. 41,有修改] 3.3

　　光耦合材料 opticalcoupling material

　　为使闪烁体所发的光有效地传输到光电传感器上 ,在闪烁体光学窗与光电传感器入射窗(闪烁体光学窗与光导及光导与光电传感器入射窗)间所加的材料 。

　　[来源 :GB/T 4960. 6—2008,2. 3. 40,有修改] 3.4

　　光导 lightguide

　　用于将闪烁体的闪烁光传输到光电传感器的光学器件 ,置于闪烁体与光电传感器中间 。

　　[来源 :GB/T 4960. 6—2008,2. 3. 27,有修改]

　　1

　　GB/T 46609—2025

　　3.5

　　密封放射源 sealed source

　　密封在包壳内或与某种材料紧密结合的放射性物质 。在规定的使用条件下和正常磨损下 ,这种包壳或结合材料足以保持源的密封性 。

　　[来源 :GB 4075—2009,3. 11] 3.6

　　全能峰 fullenergypeak

　　辐射探测器测量得到的能谱中对应单能射线的能量全部沉积时的谱峰 。

　　3.7

　　(中子的)等效伽马能量 gamma equivalentenergy (ofa neutron) ; GEE

　　采用伽马能标测量出的中子峰对应的能量 。

　　3. 8

　　脉冲形状鉴别技术 pulseshapediscrimination technique; PSD

　　利用闪烁体发光脉冲波形差异实现粒子鉴别的一项技术 。

　　3.9

　　(脉冲形状鉴别的)品质因数 figureofmerit(ofpulseshapediscrimination) ; FOM

　　衡量脉冲形状鉴别效果的指标 ,FOM值越大 ,鉴别效果越好 。

　　4 测试原理

　　基于探测器响应的中子等效能量的测试原理为 :若某能量中子与某能量伽马在探测器中产生相同的信号响应(如脉冲高度或者积分电荷) ,则该伽马能量即为中子的等效能量 。

　　中子-伽马射线脉冲形状鉴别的核心原理是利用中子 、伽马射线在探测器中产生的脉冲波形特征差异 ,如上升时间 、衰减时间 、幅度比例等进行中子-伽马鉴别的技术 。 图 1 为 中 子 波 形 和 伽 马 波 形 差 异对比 。

　　图 1 中子波形和伽马波形差异对比

　　2

　　GB/T 46609—2025

　　5 测试要求和测试系统

　　5. 1 测试的一般要求

　　5. 1. 1 环境要求

　　测试环境应满足以下要求 :

　　a) 温度 : (25±2) ℃ ;

　　b) 相对湿度不大于 50% ;

　　c) 无明显的振动 、气流 、烟尘和电磁干扰 。

　　5. 1.2 安全要求

　　按 GB 18871—2002中的规定采取电离辐射防护措施 。

　　5.2 样品

　　应符合以下要求 :

　　a) 测试样品需要包覆光学反射层 ,若样品潮解还应有防潮措施 ;

　　b) 为保证探测效率 ,推荐样品尺寸不小于 5 mm×5 mm×5 mm 或者 ϕ5 mm×5 mm。

　　5.3 测试系统

　　5.3. 1 测试系统的组成

　　测试系统主要包括 :

　　a) 放射源(包括伽马射线准直器 、中子慢化体) ;

　　b) 光电倍增管 ;

　　c) 高压电源 ;

　　d) 扇入扇出插件 ;

　　e) 阈值甄别器 ;

　　f) 波形数字化仪 ;

　　g) 暗箱 ;

　　h) 示波器 ;

　　i) 计算机 。

　　常用的测试系统的示意图见图 2。

　　图 2 中子-伽马鉴别性能测试系统示意图

　　3

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　　对于系统中的光电倍增管 ,可根据具体应用需求 、待测闪烁晶体的发射光谱特性等选择其他合适的光电传感器 ,例如硅 光 电 倍 增 管 、雪 崩 二 极 管 等 。 本 文 件 中 主 要 描 述 采 用 光 电 倍 增 管 时 的 方 法 与 要求 , 当采用其他光电传感器时 ,可参照光电倍增管的相应要求 ,并在给出结果时说明所用的光电传感器类型 。对于系统中的波形数字化仪 ,也可以使用具有波形采集和记录功能的示波器 。

　　5.3.2 放射源

　　5.3.2. 1 应使用已知活度的放射性核素作为伽马射线源和中子的密封放射源 。

　　5.3.2.2 测试推荐使用的放射源见表 1。

　　表 1 推荐使用的放射源

　　用途

　　可选放射性核素

　　测试伽马

　　137Cs,22Na,60Co,133Ba,152Eu

　　测试中子

　　252Cf,241Am+Be,239Pu+Be

　　5.3.2.3 放射源与闪烁晶体和光电倍增管应处在一条轴线上(偏差小于 5°) ,放射源与闪烁晶体的距离为闪烁晶体直径或对角线的 2倍左右 。

　　5.3.2.4 热中子测试 , 中子放射源与闪烁晶体之间放置中子慢化体 ,慢化体推荐使用高密度聚乙烯 ,厚度 4 cm~ 6 cm ,等效厚度的水和石墨也可以 。

　　5.3.3 光电倍增管

　　5.3.3. 1 光电倍增管的高压设置应使其工作在线性区间 。

　　5.3.3.2 光电倍增管高压电源应具有 0. 05%的稳定度 ,纹波和噪声应不大于 30 mV。

　　5.3.3.3 光电倍增管的光窗的有效面积不小于闪烁体光学窗的面积 。

　　5.3.4 波形数字化仪

　　5.3.4. 1 波形数字化仪的带宽应至少为信号最高频率的 5倍 。

　　5.3.4.2 波形数字化仪的采样率应至少为信号最高频率的 2倍 。

　　6 测试方法

　　6. 1 测试步骤

　　6. 1. 1 使用合适的光耦合材料将待测闪烁晶体样品耦合于光电倍增管光窗上 。

　　6. 1.2 根据闪烁晶体的性质将待测闪烁晶体样品和光电倍增管置于暗箱内进行避光处理 ,不同的闪烁晶体避光存放时间不同 。

　　6. 1.3 光电倍增管加高压预热,使其进入稳定工作状态 。

　　6. 1.4 依次放上伽马源和中子源 ,设置合适的光电倍增管工作高压 ,保证伽马和中子的全能峰在测试系统的线性动态范围内 。

　　6. 1.5 根据闪烁晶体样品的波形时间特征 ,设置合适的时间窗口和触发位置 ,确保波形被完全记录并且有合适的基线长度用于波形分析 。

　　6. 1.6 选择表 1 中所列两种伽马放射源激发闪烁晶体 ,采集波形并绘制能谱 , 获得全能峰道数分别为Ch1、Ch2,其对应已知伽马射线能量分别为 E1、E2。

　　4

　　GB/T 46609—2025

　　6. 1.7 选择表 1 中所列一种中子放射源激发闪烁晶体 ,采集波形 ,每个波形采样点的幅度记作 Ai ,i=

　　1,2,3, … ,m, … ,n,波形的存储深度为 n (存储深度=采样率 ×时间) ,A1 ~Am 为基线 。

　　6.2 数据处理

　　6.2. 1 数据处理内容

　　数据处理具体步骤包括计算基线幅度平均值 、绘制能谱 、能量标定和波形分辨 。

　　6.2.2 计算基线幅度平均值

　　按公式(1)计算每个波形的基线幅度平均值 Baseline:

　　Baseline ( 1 )

　　式中 :

　　Baseline— 波形的基线幅度平均值 ,单位为毫伏(mV) ;

　　Ai — 波形采样点的幅度 ,单位为毫伏(mV) ;

　　m — 基线采样点数 。

　　6.2.3 绘制能谱

　　按公式(2)计算每个波形的总积分 Qt :

　　Qt …………………………( 2 )

　　式中 :

　　Qt — 每个波形的总积分 , 单位为毫伏(mV) ;

　　Ai — 波形采样点的幅度 ,单位为毫伏(mV) ;

　　Baseline — 波形的基线幅度平均值 ,单位为毫伏(mV) 。

　　将每个波形的 Qt 填入直方图即可得到能谱图 。

　　6.2.4 能量标定

　　分别采用高斯函数拟合两个伽马源的能谱图中的全能峰 ,获得能量为 E1、E2的全能峰道数分别为Ch1、Ch2,代入公式(3) ,获得该探测器系统的能量标定系数 a 和 b。

　　E =a × Ch+b …………………………( 3 )

　　式中 :

　　E — 能量 ,单位为千电子伏(keV) ;

　　a — 能量标定系数 ,单位为千电子伏每毫伏(keV/mV) ;

　　Ch — 全能峰道数 ,单位为毫伏(mV) ;

　　b — 能量标定系数 ,单位为千电子伏(keV) 。

　　采用高斯函数拟合中子源能谱图中的全能峰 ,获得热中子峰道数为 QN ,代入公式(3) 可计算得出热中子的等效伽马能量 GEE=a×QN +b。

　　6.2.5 波形分辨

　　设定波形分辨的短时间门宽为 s,则短时间门宽内的积分按照公式(4)计算 :

　　5

　　GB/T 46609—2025

　　Qs …………………………( 4 )

　　按照公式(5)定义波形分辨参数 PSD Ratio为 :

　　PSD Ratio …………………………( 5 )

　　式中 :

　　PSD Ratio — 波形分辨参数 ;

　　Qs — 短时间门宽内的积分 ;

　　Qt — 每个波形的总积分 。

　　将每个波 形 的 (a ×Qt +b, PSD Ratio) 填 入 二 维 散 点 图 , 即 可 获 得 中 子-伽 马 鉴 别 的 散 点 图 , 如图 3a) 所示 。 中子-伽马鉴别的能区(Ec,Ed)应该至少包含中子峰 ±3σ范围 ,将此能区内的事例投影至二维散点图的纵坐标 , 即可得到中子-伽马鉴别的一维投影图 ,如图 3b)所示 。

　　a) 中子-伽马鉴别的散点图 b) 中子-伽马鉴别的一维投影图

　　图 3 中子-伽马分辨图

　　按照公式(6)定义中子-伽马鉴别的品质因子 FOM :

　　FOM …………………………( 6 )

　　式中 :

　　D — 中子峰和伽马峰的距离 ;

　　FWHMγ — 伽马峰的半高全宽 ;

　　FWHMn — 中子峰的半高全宽 。

　　FOM值的优化处理 :根据 闪 烁 晶 体 的 发 光 衰 减 时 间 特 性 , 选 择 合 适 的 时 间 步 长 更 改 短 时 间 门 宽s,得到不同短时间门宽对应的 FOM 值 , 绘制 FOM 值随短时间门宽 s 变化 的 二 维 曲 线 图 , 得 到 最 优FOM值 。

　　7 不确定度评估

　　6

　　GB/T 46609—2025

　　7. 1 测试模型与不确定度来源分析

　　7. 1. 1 测试模型

　　根据本文件中的测试方法 ,核心测试模型包括以下 2项 。

　　a) 等效伽马能量(GEE) :通过能量标定公式(3)计算 ,其中 a 和b为标定系数 ,Ch为全能峰道数 。

　　b) 脉冲形状鉴别品质因子(FOM) :通过公式(6)计算 , 由中子与伽马峰的分离度(D) 和半高全宽(FWHM)决定 。

　　7. 1.2 主要不确定度来源

　　7. 1.2. 1 仪器设备误差

　　仪器设备的误差包括 :

　　a) 光电倍增管(PMT)高压稳定性(标准要求 0. 05%稳定度)及线性度偏差 ;

　　b) 波形数字化仪的采样率 、带宽误差(如带宽不足导致波形失真) ;

　　c) 放射源活度不确定度(如252Cf或137Cs 的活度标定误差) 。

　　7. 1.2.2 环境因素

　　环境因素可能引起的误差包括 :

　　a) 温度波动(标准要求 ±2℃)可能影响 PMT增益和闪烁体发光效率 ;

　　b) 电磁干扰或振动导致基线噪声增加 。

　　7. 1.2.3 环境因素操作与数据处理误差

　　环境因素操作与数据处理误差主要包括 :

　　a) 光耦合材料均匀性差异导致光传输效率波动 ;

　　b) 基线计算误差[公式(1)中基线采样点数 m 的选择影响] ;

　　c) 高斯拟合全能峰时的拟合偏差(如峰位 Ch1、Ch2的拟合不确定度) ;

　　d) 短时间门宽 s 的选择对 PSD Ratio[公式(5)]的影响 。

　　7. 1.2.4 样品特性

　　由样品特性引发的误差主要包括 :

　　a) 闪烁体尺寸不均匀性或光学反射层包覆差异 ;

　　b) 中子慢化体(如聚乙烯)厚度误差(标准推荐 4 cm~ 6 cm) 。

　　7.2 不确定度量化

　　7.2. 1 重复性

　　对同一闪烁体样品重复测试 10次 ,计算 GEE和 FOM 的标准偏差 s。

　　示例 : sGEE = 0. 8 keV,sFOM = 0. 05。

　　注 : 标准偏差计算公式为 : s 式中 :

　　n — 测试次数 ;

　　7

　　GB/T 46609—2025

　　xi — 第 i次测试值 ;

　　x — 测试平均值 。

　　7.2.2 仪器与参数误差数值的确定

　　仪器与参数误差数值主要体现为能量标定误差 ,通过高斯拟合误差计算峰位不确定度 uch (如 uch = 0. 3道数) 。

　　7.3 合成测试不确定度

　　等效伽马能量 GEE 的合成不确定度 uc (GEE)由公式(7)表示 :

　　uc

　　式中 :

　　ua 和 ub — 来自伽马源标定的拟合误差 ;

　　uQN — 来自中子峰拟合误差 。

　　脉冲形状鉴别品质因数 FOM 由中子-伽马峰分离度(D)和半高全宽(FWHM)的误差传递 ,其合成不确定度 uc (FOM)为 :

　　………( 8 )

　　式中 :

　　uγ — 伽马峰的拟合误差 ;

　　un — 中子峰的拟合误差 ;

　　uFWHM — 伽马峰半高全宽(FWHM)的拟合误差 ;

　　γ

　　uFWHM — 中子峰半高全宽(FWHM)的拟合误差 。

　　n

　　7.4 关键注意事项

　　其他需注意的关键事项 :

　　a) 需定期校准 PMT 和数字化仪 ,确保仪器误差可控 ;

　　b) 环境温湿度应实时测量并记录 。

　　8 测试报告内容

　　8. 1 测试基本信息

　　测试基本信息应包含以下内容 :

　　a) 送检单位 ;

　　b) 送检日期 ;

　　c) 环境条件(包括温度和相对湿度) ;

　　d) 样品编号及规格尺寸 ;

　　e) 测试设备(包括名称和型号) ;

　　f) 测试参数(包括光电倍增管高压 、中子-伽马鉴别能区) ;

　　g) 测试所使用的文件(包括发布或出版年号) ;

　　8

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　　h) 测试人员 、测试日期 ;

　　i) 核验人员 、核验日期 。

　　8.2 测试结果

　　测试结果应包含以下内容 :

　　a) 伽马源能谱 ;

　　b) 中子源能谱 ;

　　c) 热中子等效伽马能量 ;

　　d) 中子-伽马鉴别二维散点图和一维投影图 ;

　　e) 中子-伽马鉴别的最优 FOM。

　　8.3 测试记录与报告格式

　　测试记录与报告格式参见附录 A。

　　9

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　　附 录 A

　　(资料性)

　　测试记录与报告

　　测试数据的记录与报告格式见表 A. 1。

　　表 A. 1 测试记录与报告

　　送检单位 :

　　送检日期 :

　　环境温度/℃

　　相对湿度/%

　　样品信息

　　名称

　　编号

　　规格尺寸/mm

　　测试系统

　　(说明系统测试构成及各组件型号)

　　测试参数

　　(光电倍增管高压 、长短积分时间宽度 、中子-伽马鉴别能区等参数)

　　测试结果

　　等效伽马能量

　　最优 FOM值

　　PSD结果

　　时间门宽

　　t1

　　… …

　　tn

　　FOM

　　伽马源能谱

　　中子源能谱

　　最优 FOM值的

　　中子-伽马鉴别

　　二维散点图和

　　一维投影图

　　测试人员 : 测试日期 : 年 月 日

　　核验人员 : 核验日期 : 年 月 日

　　10