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二维灵敏 3 He 中子探测器的研制 高能所实验物理中心 MDC 组 王小胡 2008-4-28.

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1 二维灵敏 3 He 中子探测器的研制 高能所实验物理中心 MDC 组 王小胡

2 目的: 为中国散裂中子源( CSNS )的多功能反射谱仪提 供二维位置灵敏探测器。多功能反射仪是 CSNS 初 期拟建的五台谱仪之一,中子的波长范围为 0.5 - 10 Å ,要求达到的位置分辨率为 2 × 2 mm 2 。 也可作为通用的高精度位置灵敏中子探测器用于热 中子探测。

3 原理: 中子是电中性的,不能直接探测。实验中对中子的 探测都是通过核反应方法将中子转化成带电粒子来 实现的。 本装置通过中子与 3 He 反应来探测中子,中子与 3 He 反应生成质子 (573KeV) 和氚核 (191KeV) 。质子 和氚核向相反的方向发射,并使工作气体电离。通 过探测质子和氚核电离的重心就可以得到入射中子 的位置。 n+ 3 He → p+ 3 H+764keV

4 工作气体的选择 由于质子和氚核在工作气体中射程不一 样,因此电离重心与核反应位置有一定 的偏离。这种偏离是测量的主要误差来 源,为了减小测量误差,需要将质子和 氚核限定在一个很小的范围内。 3 He 即使在很高的气压下也不能将质子 和氚核阻止在足够小的范围内,工作气 体中还得加入其他对带电粒子阻止本领 强的气体,如 C 3 H 8 , CF 4 等。

5 工作气体的选择 C 3 H 8 因为对 γ 射线灵敏度低、 便于密封净化等特点,被广 泛用作工作气体。 C 3 H 8 的气压越高,质子和氚 核的射程越小,电离重心相 对核反应位置的偏离越小。 右图为电离重心偏离所引起 的测量误差随着工作气体气 压的变化。可见,要达到接 近 1mm 的定位精度, C 3 H 8 的 气压应在 3atm 以上。

6 探测效率 3 He 的密度和厚度直接决 定了系统对中子的探测效 率。由右图,对 1.5cm 厚 的探测器,如果要对波长 大于 1 Å 的热中子有高于 50% 的效率, 3 He 的气压 应该大于 6atm 。

7 位置测量: 目前主要采用多丝正比室来进 行位置测量。 质子和氚核使工作气体发生电 离,产生大量初始电子-离子 对,电离电子在电场作用下漂 向阳极产生雪崩信号。雪崩信 号产生的正离子向阴极运动过 程中会在读出丝上感应出正电 荷,通过测量读出丝上感应电 荷分布的重心就可以确定雪崩 发生位置。

8 探测器设计 计划制作一个有效面积 200mm×200mm 的二 维灵敏中子探测器,综合考虑探测效率和测 量精度两方面的要求,采用 5.5atm 3 He+2.5atmC 3 H 8 混合气体为工作气 体。 以二维灵敏多丝正比室作为探测单元,多丝 室采用阴极条感应读出,可以达到足够的定 位精度。 由于在高气压下工作,整个电子学装置都装 在一个密闭容器里面。读出条、阳极板等通 过耐高气压的密封接头与外界的电子学系统 相连。另外,为了保证室体内气体的纯度, 还设有一套循环净化系统。

9 端盖和底板 密闭容器由铝合金端盖板和不锈钢底板 构成,如右图。为了便于密封,端盖和 底板都采用圆盘型结构,直径 500mm 。 为了减小对入射中子的散射,同时保证 能承受较高的压力,端盖采用强度较大 的 6061 型铝合金为材料。总体厚度为 48mm ,中央设有面积 210mm×210mm 、 厚 9mm 的入射窗。 底板厚 25mm ,为了便于焊接管道,采 用不锈钢材料。底板上设有密封槽,信 号、高压法兰管接口,气管接口等。

10 信号引出、高压引入 在底板上焊接有真空金属陶瓷接头,用 来实现信号的引出和高压的引入。系统 包括两个 50 针的多芯接头,每根读出条 通过 Kapton 电缆与多芯接头相接。阳极 丝和阴极板分别与两个高压接头相接, 实现高压的引入。 接头均采用玻璃陶瓷密封技术( Glass- ceramic sealing technology ),不锈钢 材料。耐压高于 60atm ;漏气率( Leak Rate ) <1x atm-cc/sec (He) 。多 芯接头的安全电压和电流为 500V5A ;高 压接头 15000V7A 。

11 气体循环净化系统 为了提高室体内气体的纯度,保 证探测器能长时间稳定工作,探 测器设有一套循环净化系统。 气体循环净化系统主要包括由电 磁泵、净化器两部分。在电磁泵 的驱动下,工作气体从室体流出 后经过净化器,然后再流回室体。 净化器由分子筛和吸收剂构成, 作用是吸收氧气、水蒸气以及工 作气体(丙烷)分解后的有机产 物。

12 多丝室结构示意图

13 多丝室的设计与制作 多丝室的电子学结构如上图,它由一个阳极平面、两个读出平 面及一个阴极平面构成,有效面积 200mm×200mm 。两读出平 面位于阳极丝平面上下各 3mm 处,上方为读出丝,下方为读出 条。读出丝平面到上阴极之间为漂移区,厚度 10mm 。工作时, 阳极丝加正高压、读出丝接地、阴极板加负高压。 阳极丝平面:由一组相互平行的直径为 15µm 镀金钨丝构成,丝 间间距为 2mm ,丝的总数为 100 根。所有阳极丝连在一起用于 能谱测量和系统触发。 上读出平面:由与阳极丝平行的直径为 50 µm 的镀金钨丝构成, 丝间间距为 1mm 。丝的总数为 201 根,每 4 根丝连在一起形成一 个读出条。 下读出平面: 50 根覆铜读出条,宽度 3mm ,间距 4mm ,条的取 向与阳极丝垂直。 上阴极平面:覆铜 Kapton 膜。

14 读出电子学 阳极:所有阳极丝连在一起。需要进行电荷测 量以进行 n-γ 鉴别;同时为读出条信号测量提 供触发。 读出信号:每个读出条单独读出,测量电荷信 息,共 100 路。 正在研制一套基于 VME 机箱的数据获取系统, 包括:适应阴极信号的电荷灵敏前置放大器、 主放大器、 ADC 等等。

15 多丝室模型的 X 射线测试 建造了一个常压下的二维多丝正比室模型,灵敏面积 200mm × 200mm 。模型采用 Ar/CO 2 (90/10) 作为工作气体;为了便于 进行 X 射线测试,采用 50 µm 厚的 Mylar 膜作为入射窗。 用 55 Fe 5.9keV X 射线对模型进行了性能测试,具体包括 X 射线 能谱、增益、位置分辨、线性等。 下图为基于 CAMAC 总线的测量系统方框图。

16 能谱、增益 用电荷灵敏前放、主放、多道 分析器系统测量了 55 Fe X 射线 能谱及增益。右上图为阳极高 压 1800V 时的能谱;右下图为 增益与阳极丝高压的关系。 探测器对 55 Fe 5.9keV X 射线的 能量分辨率约为 23% ;当阳极 丝高压在 1700V~2000V 范围内 时探测器具有很好的正比性。

17 位置分辨、成像实验 采用宽度 0.2mm×7mm , 长 30mm 的准直孔,用 55 Fe X 射线源,对垂直于阳极丝 方向和平行于阳极丝方向 的位置分辨进行了测量。 用 55 Fe X 射线均匀照射一个 呈的 “ Z ” 字形图案的准直孔, 用探测器可以再现准直孔 的形状。 孔的大小: 5mm×5mm 。

18 线性测量、小结 右图:将探测器放在可以精确移 动的平台上,改变探测器与入射 光束的相对位置,可以得到测量 位置与位移的线性关系。图中 x 、 y 坐标的单位都是 mm 。 小结:探测器模型具有很好的位置分辨、正比性及 线性等,这种结构设计可以用于中子探测。该模型 如果配上合适的读出电子学系统,也可以直接作为 二维位置灵敏探测器用于同步辐射 X 射线测量。

19 中子探测器的预期性能 探测效率:对波长 1 Å 的热中子有接近 50% 的探测效率。 位置分辨: 根据文献,当 C 3 H 8 的气压为 2.5atm 时,质子的射程为 Rp=1.8mm, 由于电离重心对核反应位置的偏离所引起的测量误 差( FWHM )大约为 Δx n =0.8Rp=1.44mm 。若电子学系统的误 差( FWHM )为 Δx e =0.3mm ,则沿着阳极丝方向,总的位置分 辨率( FWHM )为 Δx≈1.47mm 。 在垂直于阳极丝方向,阳极丝丝距 s 决定测量的精度,该方 向的位置分辨( FWHM )约为 0.7s 。所以,阳极丝丝取 2mm 可 以达到较好的精度。 计数率:总的计数率达到 1×10 5 。

20 目前进展 高气压容器腔体及气体循环净化系统已经加工完成; 用于中子探测的多丝室已经制作完成; 下一步: 探测器的组装; 充工作气体; …………

21 谢谢!


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