基于国产THGEM热中子探测器的实验研究

【摘要】作为研究物质结构和动力学性质的理想探针,中子散射技术已在众多学科领域被广泛采用。随着国际上新一代高通量散裂中子源的投入运行,传统的热中子探测器,如广泛采用的3He管探测器,已经不能满足高通量的应用需求。同时,由于3He气体资源严重短缺的国际形势,研究可替代3He管的新型热中子探测器迫在眉睫。基于GEM(GasElectronMultiplier)的热中子探测器是由多层级联涂硼GEM膜作为热中子转换载体,通过一级或多级GEM进行气体放大,由读出电极将热中子击中信息读出。GEM探测器性能突出,计数率高达10MHz/mm2以上,具有与3He探测器可比拟的n/γ区分能力,位置分辨率高,信号读出方式简单灵活,耐辐射,可大面积制作,在国际上被广泛认为是发展新型热中子探测技术的重要发展方向。由于标准GEM膜长期以来只能依赖从CERN进口,价格高而且定制周期长,这已经成为制约国内发展基于GEM这一新型热中子探测技术的瓶颈。2011年高能所与中国科学院大学,分别成功研制出基于国内PCB工业生产的国产THGEM(ThickGasElectronMultiplier),相对于标准GEM,THGEM有结实耐用、经济、易于大面积制作、增益高等优点。本文主要基于国产THGEM膜开展了新型热中子探测器的实验研究。首先,针对高能所与中国科学院大学研制的两种不同THGEM膜,在不同比分(90/10、80/20、70/30)的Ar/CO2中,做了详细的性能测试,获得了国产THGEM膜正常工作时的关键性能参数。然后,根据国产THGEM的特性,结合热中子探测的要求,专门设计了一套基于THGEM的二维位置灵敏热中子探测器样机。完成了探测器的设计、组装与调试,包括使用55FeX射线测试探测器面均匀性,结果表明计数率面均匀性好于95%；使用X光机测试探测器在线计数率及线性,结果显示探测器能正常工作在1MHz以上,且具有很好的线性；使用252Cf同位素中子源对探测器进行了初步性能测试,获得了热中子探测时探测器工作参数,为后续热中子束流实验做好准备工作。最后,在绵阳中国工程物理研究院核物理与化学研究所研究型反应堆的热中子粉末衍射谱仪所在的束流终端上对探测器进行了详细性能测试。实验测得探测器对中子(波长1.59A)探测效率为(4.9±0.1)%,理论计算值为4.2%,位置分辨好于3mm(FWHM)。该探测器能够对束流二维分布实时在线测量,而且完全达到了样机设计指标。该工作为发展基于国产THGEM膜的高效率、大面积新型热中子探测器积累了丰富的技术经验和提供了有价值的参考数据,也为下一步研制高探测效率的中子散射成像探测器奠定了坚实的基础。
【作者】何占营；
【导师】张小东；孙志嘉；
【作者基本信息】兰州大学，核能与核技术工程（专业学位），2014，硕士
【关键词】厚型气体电子倍增器；硼转换；热中子探测器；二维位置灵敏；

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