二維靈敏3He中子探測(cè)器研制

1、二維靈敏3He中子探測(cè)器的研制高能所實(shí)驗(yàn)物理中心MDC組 王小胡 2008-4-28 目的：n為中國(guó)散裂中子源（CSNS）的多功能反射譜儀提供二維位置靈敏探測(cè)器。多功能反射儀是CSNS初期擬建的五臺(tái)譜儀之一，中子的波長(zhǎng)范圍為0.510 ，要求達(dá)到的位置分辨率為22 mm2 。n也可作為通用的高精度位置靈敏中子探測(cè)器用于熱中子探測(cè)。原理：n中子是電中性的，不能直接探測(cè)。實(shí)驗(yàn)中對(duì)中子的探測(cè)都是通過(guò)核反應(yīng)方法將中子轉(zhuǎn)化成帶電粒子來(lái)實(shí)現(xiàn)的。n本裝置通過(guò)中子與3He反應(yīng)來(lái)探測(cè)中子，中子與3He反應(yīng)生成質(zhì)子(573KeV)和氚核(191KeV)。質(zhì)子和氚核向相反的方向發(fā)射，并使工作氣體電離。通過(guò)探測(cè)質(zhì)子和

2、氚核電離的重心就可以得到入射中子的位置。 n+3Hep+3H+764keV工作氣體的選擇n由于質(zhì)子和氚核在工作氣體中射程不一樣，因此電離重心與核反應(yīng)位置有一定的偏離。這種偏離是測(cè)量的主要誤差來(lái)源，為了減小測(cè)量誤差，需要將質(zhì)子和氚核限定在一個(gè)很小的范圍內(nèi)。n3He即使在很高的氣壓下也不能將質(zhì)子和氚核阻止在足夠小的范圍內(nèi)，工作氣體中還得加入其他對(duì)帶電粒子阻止本領(lǐng)強(qiáng)的氣體，如C3H8， CF4等。工作氣體的選擇nC3H8因?yàn)閷?duì)射線靈敏度低、便于密封凈化等特點(diǎn)，被廣泛用作工作氣體。nC3H8的氣壓越高，質(zhì)子和氚核的射程越小，電離重心相對(duì)核反應(yīng)位置的偏離越小。 右圖為電離重心偏離所引起的測(cè)量誤差隨著工作

3、氣體氣壓的變化。可見(jiàn)，要達(dá)到接近1mm的定位精度， C3H8的氣壓應(yīng)在3atm以上。探測(cè)效率 3He的密度和厚度直接決定了系統(tǒng)對(duì)中子的探測(cè)效率。由右圖，對(duì)1.5cm厚的探測(cè)器，如果要對(duì)波長(zhǎng)大于1的熱中子有高于50%的效率， 3He的氣壓應(yīng)該大于6atm。 位置測(cè)量：n目前主要采用多絲正比室來(lái)進(jìn)行位置測(cè)量。n質(zhì)子和氚核使工作氣體發(fā)生電離，產(chǎn)生大量初始電子離子對(duì)，電離電子在電場(chǎng)作用下漂向陽(yáng)極產(chǎn)生雪崩信號(hào)。雪崩信號(hào)產(chǎn)生的正離子向陰極運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)在讀出絲上感應(yīng)出正電荷，通過(guò)測(cè)量讀出絲上感應(yīng)電荷分布的重心就可以確定雪崩發(fā)生位置。 探測(cè)器設(shè)計(jì)n計(jì)劃制作一個(gè)有效面積200mm200mm的二維靈敏中子探測(cè)器，

4、綜合考慮探測(cè)效率和測(cè)量精度兩方面的要求，采用5.5atm3He+2.5atmC3H8混合氣體為工作氣體。n以二維靈敏多絲正比室作為探測(cè)單元，多絲室采用陰極條感應(yīng)讀出，可以達(dá)到足夠的定位精度。n由于在高氣壓下工作，整個(gè)電子學(xué)裝置都裝在一個(gè)密閉容器里面。讀出條、陽(yáng)極板等通過(guò)耐高氣壓的密封接頭與外界的電子學(xué)系統(tǒng)相連。另外，為了保證室體內(nèi)氣體的純度，還設(shè)有一套循環(huán)凈化系統(tǒng)。端蓋和底板n密閉容器由鋁合金端蓋板和不銹鋼底板構(gòu)成，如右圖。為了便于密封，端蓋和底板都采用圓盤型結(jié)構(gòu)，直徑500mm。n為了減小對(duì)入射中子的散射，同時(shí)保證能承受較高的壓力，端蓋采用強(qiáng)度較大的6061型鋁合金為材料?？傮w厚度為48mm

5、，中央設(shè)有面積210mm210mm、厚9mm的入射窗。n底板厚25mm，為了便于焊接管道，采用不銹鋼材料。底板上設(shè)有密封槽，信號(hào)、高壓法蘭管接口，氣管接口等。信號(hào)引出、高壓引入n在底板上焊接有真空金屬陶瓷接頭，用來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的引出和高壓的引入。系統(tǒng)包括兩個(gè)50針的多芯接頭，每根讀出條通過(guò)Kapton電纜與多芯接頭相接。陽(yáng)極絲和陰極板分別與兩個(gè)高壓接頭相接，實(shí)現(xiàn)高壓的引入。n接頭均采用玻璃陶瓷密封技術(shù)（Glass-ceramic sealing technology），不銹鋼材料。耐壓高于60atm；漏氣率（Leak Rate ） 1x10-10 atm-cc/sec (He)。多芯接頭的安全電壓

6、和電流為500V5A；高壓接頭15000V7A。 氣體循環(huán)凈化系統(tǒng)n為了提高室體內(nèi)氣體的純度，保證探測(cè)器能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，探測(cè)器設(shè)有一套循環(huán)凈化系統(tǒng)。n氣體循環(huán)凈化系統(tǒng)主要包括由電磁泵、凈化器兩部分。在電磁泵的驅(qū)動(dòng)下，工作氣體從室體流出后經(jīng)過(guò)凈化器，然后再流回室體。凈化器由分子篩和吸收劑構(gòu)成，作用是吸收氧氣、水蒸氣以及工作氣體（丙烷）分解后的有機(jī)產(chǎn)物。多絲室結(jié)構(gòu)示意圖多絲室的設(shè)計(jì)與制作n多絲室的電子學(xué)結(jié)構(gòu)如上圖，它由一個(gè)陽(yáng)極平面、兩個(gè)讀出平面及一個(gè)陰極平面構(gòu)成，有效面積200mm200mm。兩讀出平面位于陽(yáng)極絲平面上下各3mm處，上方為讀出絲，下方為讀出條。讀出絲平面到上陰極之間為漂移區(qū)，厚度

7、10mm。工作時(shí)，陽(yáng)極絲加正高壓、讀出絲接地、陰極板加負(fù)高壓。n陽(yáng)極絲平面：由一組相互平行的直徑為15m鍍金鎢絲構(gòu)成，絲間間距為2mm，絲的總數(shù)為100根。所有陽(yáng)極絲連在一起用于能譜測(cè)量和系統(tǒng)觸發(fā)。n上讀出平面：由與陽(yáng)極絲平行的直徑為50 m的鍍金鎢絲構(gòu)成，絲間間距為1mm。絲的總數(shù)為201根，每4根絲連在一起形成一個(gè)讀出條。 n下讀出平面：50根覆銅讀出條，寬度3mm，間距4mm，條的取向與陽(yáng)極絲垂直。n上陰極平面：覆銅Kapton膜。讀出電子學(xué)n陽(yáng)極：所有陽(yáng)極絲連在一起。需要進(jìn)行電荷測(cè)量以進(jìn)行n-鑒別；同時(shí)為讀出條信號(hào)測(cè)量提供觸發(fā)。n讀出信號(hào)：每個(gè)讀出條單獨(dú)讀出，測(cè)量電荷信息，共100路。

8、n正在研制一套基于VME機(jī)箱的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，包括：適應(yīng)陰極信號(hào)的電荷靈敏前置放大器、主放大器、ADC等等。多絲室模型的X射線測(cè)試n建造了一個(gè)常壓下的二維多絲正比室模型，靈敏面積200mm 200mm。模型采用Ar/CO2(90/10)作為工作氣體；為了便于進(jìn)行X射線測(cè)試，采用50 m 厚的Mylar膜作為入射窗。n用55Fe 5.9keV X射線對(duì)模型進(jìn)行了性能測(cè)試，具體包括X射線能譜、增益、位置分辨、線性等。n下圖為基于CAMAC總線的測(cè)量系統(tǒng)方框圖。能譜、增益n用電荷靈敏前放、主放、多道分析器系統(tǒng)測(cè)量了55Fe X射線能譜及增益。右上圖為陽(yáng)極高壓1800V時(shí)的能譜；右下圖為增益與陽(yáng)極絲高壓

9、的關(guān)系。n探測(cè)器對(duì)55Fe 5.9keV X射線的能量分辨率約為23%；當(dāng)陽(yáng)極絲高壓在1700V2000V范圍內(nèi)時(shí)探測(cè)器具有很好的正比性。位置分辨、成像實(shí)驗(yàn)n采用寬度0.2mm7mm，長(zhǎng)30mm的準(zhǔn)直孔，用55Fe X射線源，對(duì)垂直于陽(yáng)極絲方向和平行于陽(yáng)極絲方向的位置分辨進(jìn)行了測(cè)量。n用55Fe X射線均勻照射一個(gè)呈的“Z”字形圖案的準(zhǔn)直孔，用探測(cè)器可以再現(xiàn)準(zhǔn)直孔的形狀。 孔的大?。?mm5mm。線性測(cè)量、小結(jié)n右圖：將探測(cè)器放在可以精確移動(dòng)的平臺(tái)上，改變探測(cè)器與入射光束的相對(duì)位置，可以得到測(cè)量位置與位移的線性關(guān)系。圖中x、y坐標(biāo)的單位都是mm。 n小結(jié)：探測(cè)器模型具有很好的位置分辨、正比性及線性等，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以用于中子探測(cè)。該模型如果配上合適的讀出電子學(xué)系統(tǒng)，也可以直接作為二維位置靈敏探測(cè)器用于同步輻射X射線測(cè)量。中子探測(cè)器的預(yù)期性能n探測(cè)效率：對(duì)波長(zhǎng)1的熱中子有接近50%的探測(cè)效率。n位置分辨： 根據(jù)文獻(xiàn)，當(dāng)C3H8的氣壓為2.5atm時(shí)，質(zhì)子的射程為Rp=1.8mm,由于電離重心對(duì)核反應(yīng)位置的偏離所引起的測(cè)量誤差（FWHM）大約為xn=0.8Rp=1.44mm。若電子學(xué)系統(tǒng)的誤差（FWHM）為xe=0.3mm，則沿著陽(yáng)極絲方向，總的位置分辨率（FWHM）為x1.47mm。