原创CellPressCellPress细胞科学
物质科学
Physicalscience
年11月2日，天津大学的胡文平教授团队在CellPress细胞出版社期刊Matter上发表了一篇题为“Dualdiscriminationoffastneutronsfromstrongγnoiseusingorganicsingle-crystalscintillator”的研究成果。该成果报道了一种基于γ射线不敏感的四苯乙烯（TPE）有机单晶闪烁体（OSCS）的双重的快中子/伽马射线甄别（FNGD）方法，极大提高了快中子的甄别能力，为中子探测材料的设计和选择提供了新的灵感。论文通讯作者是胡文平教授；第一作者是孙启升。
快中子探测在放射性物质检测以及快中子相关的诸多应用（如无损检测、肿瘤治疗等）中有着重要的应用。一些富氢的有机闪烁体可用于快中子探测，得益于他们与快中子高的反应截面和实现FNGD的能力。通过脉冲形状甄别（PSD）即可区分PF和DF，进而实现FNGD。然而其不足之处在于：无法进一步区分快中子引起的PF与γ射线引起的PF；将PF信号全部归属为γ事件，导致探测结果存在误差。
图1γ射线（A）和快中子（B）与OSSC相互作用产生荧光的光物理过程及基于TPE的双重FNGD策略示意图（C）。
四苯乙烯（TPE）是与TSB、9,10-DPA类似的多苯环分子，其单晶也可能通过PSD进行FNGD。此外，TPE具有不错的快中子响应和弱的γ射线响应，可能会引起中子和γ射线辐照下光脉冲强度的差异。有望进一步通过脉冲高度甄别（PHD）区分中子和γ射线引起的PF（图1C）。作者选择TPE和9,10-DPA进行了对比研究。
作者先从理论和光学性能上预测了TPE的FNGD潜力。计算表明TPE和9,19-DPA都满足上述条件（图2A）。由于通过闪烁体与快中子/γ射线作用所产生的荧光信号来进行FNGD，因此闪烁体的光学性能也是重要的考量（图2B-2D）。特别是TPE的荧光寿命仅有1.6ns，意味着为了保证应光脉冲信号被完整采集，用于信号采集的设备需要具有相当的精度。此外，X射线激发光谱表明TPE对高能光子具有弱的敏感性，这与后续的γ射线辐照实验相吻合。
图2TPE和DPA的能级结构和光学性能。
作者通过液面辅助策略制备了厘米级的TPE和9,10-DPA单晶（图3A,3B），并分析了它们在γ源Cs-和快中子/γ混合源Cf-辐照下的脉冲信号。结果表明它们在γ射线激发下均能产生PF（短脉冲），在快中子激发下均能产生DF（长脉冲），意味着具备通过PSD进行FNGD的能力（图3C）。此外，脉冲高度谱（图3D）显示TPE在γ源辐照下仅能产生强度小的脉冲，意味着可以通过PHD进行FNGD。
图3OSSCs的制备及他们在辐照下的脉冲信号。
作者使用3D坐标系呈现FNGD的结果，与对照组Cs-伽马源辐照下的结果相对比，快中子被明显区分出来。进一步的分析表明，TPE的FoM值可达2.4，得益于PSD和PHD双重的FNGD，其中子计数与总计数的占比可达35.5%。
图4OSCSs的FNGD结果。
该工作为大尺寸有机单晶的制备和开发新型中子探测材料提供了新的思路。
作者专访
CellPress细胞出版社特别邀请胡文平教授代表研究团队进行了专访，请他为大家进一步详细解读。
CellPress：
胡老师，感谢您百忙之中接受我们的访谈。快中子探测技术在哪些领域具有应用前景？目前在快中子探测技术中存在哪些挑战？
胡文平教授：
很高兴接受CellPress组织的访谈。
快中子探测在中子成像、辐射监测与防护、危险放射性物品排查、空间探测等方面具有重要的应用前景。
快中子探测主要面临着两个挑战：一个是快中子具有MeV以上的能量，与大多物质的反应截面小，需要寻找中子反应截面较大的材料；另一个是快中子从核反应中产生，通常伴随着很强的γ-射线本底，需要避免这些本底对中子探测结果的影响，也就是需要进行快中子/γ-射线甄别。
CellPress：
目前快中子探测有哪些实现方式，有什么特点？
胡文平教授：
目前，较为广泛的快中子探测方式有两种。一种是先使用厚的石蜡将快中子慢化成能量很低的热中子，再使用对热中子敏感的He-3探测器进行探测。这种方法的好处是He-3探测器对γ-射线不敏感，但是需要石蜡层的体积较大、He-3作为全球稀缺的资源成本昂贵。另一种方法就是借助闪烁体，尤其是与快中子反应截面较大的有机闪烁体。这种方法成本低，不过γ-射线也会引起闪烁体发光，需要闪烁体在快中子和γ-射线辐照下能产生有差异的光信号，进而可实现快中子/γ-射线甄别。
CellPress：
可实现快中子/γ-射线甄别的有机闪烁体应具有怎样的结构或物性特征？其甄别机理是什么？
胡文平教授：
我们先谈机理。正如前面提到的，闪烁体在快中子和γ-射线辐照下能产生有差异的光信号才可实现快中子/γ-射线甄别。有机闪烁体在快中子辐照下可以通过TTA产生延迟荧光，而在伽马射线辐照下仅能产生瞬时荧光。因此通过脉冲形状甄别（PSD）技术对荧光波形加以区分，即可实现快中子/γ-射线甄别。
已报道的具有快中子/γ-射线甄别性能的有机分子通常具有多苯环结构。计算表明，这类分子的△ST通常大于0.8eV，也就是具备发生TTA的能级条件。当然，考虑到后端的测试，其他光学性能也很重要，例如荧光寿命等，我们也在文中进行了详细讨论。
CellPress：
有机单晶闪烁体相较于其他用于中子甄别的材料具有怎样的优势？
胡文平教授：
首先，相较于昂贵的He-3探测器，有机单晶闪烁体在成本上具有显著优势。其次，有机晶体闪烁体可以实现低温溶液制备，具有良好的光透过性，便于携带和保存。相对于其他闪烁体具有综合的比较优势。
CellPress：
请简要介绍您和您的团队所提出的“双重甄别（DualDiscrimination）”概念，是基于哪两种区分手段甄别快中子以及γ射线？
胡文平教授：
PSD技术仅能通过脉冲波形区分延迟荧光和瞬时荧光，然而无法进一步区分快中子引起的瞬时荧光与γ射线引起的瞬时荧光。将瞬时荧光信号全部归属为γ事件，导致探测结果存在误差。
我们在想，倘若有机闪烁体能像He-3或者其他基于半导体的热中子探测器那样——在γ源辐照下仅能产生强度小的脉冲，在中子辐照下产生强的脉冲，那就意味着可以通过脉冲高度甄别（PHD）进行快中子/γ-射线甄别。
TPE晶体恰好有适合的能级条件，也表现出对高能射线的不敏感，在快中子/伽马的辐照下，呈现出波形差异和脉冲高度差异。因此，我们基于TPE有机单晶闪烁体实现了PSD和PHD双重的快中子/γ-射线甄别，大大提升了快中子的探测效率。
CellPress：
有机单晶闪烁体在其他领域还有哪些应用前景？
胡文平教授：
有机单晶闪烁体具有优异的光学性能，特别是具有纳秒级的荧光寿命，意味着对电离辐射具有快速的响应。这在X射线探测、快速X射线成像、CT成像等方面具有显著优势。我们很开心能为这些领域的发展做出一点贡献，也很期待为大家分享后续的工作进展。
CellPress：
再次感谢您的回答，谢谢胡老师！
胡文平教授：
谢谢您，也感谢CellPress和Matter编辑团队。
相关论文信息
论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Matter上，点击“阅读原文”或扫描下方
转载请注明：http://www.0431gb208.com/sjszjzl/4906.html
