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十二五规划中的五个重点大科学装置之一,中国散裂中子源(CSNS)是中国第一台散裂中子源,建成后将有力地提升中国基础研究和高技术的水平,并促进中国在能源、国防和工业等领域先进技术的发展,同时也将与美国SNS、英国ISIS和日本J-PARC散裂中子源并列为世界四大散裂中子源。高通量粉末衍射仪(HIPD)是CSNS首期建设的三条中子散射谱仪之一,其核心部件大面积位置灵敏中子探测器,要求中子探测器对热中子探测效率好于40%,位置分辨率好于5mm×50mm,有较好的n/γ抑制能力。 目前,由于3He气体资源短缺、价格飞涨,致使基于3He气体的中子探测器成本大幅上升。为了满足众多领域对中子探测器的需求,如散裂中子源上中子散射谱仪等,开发替代3He气体的中子探测器迫在眉睫。随着闪烁技术和光电技术的快速发展,基于6LiF/ZnS(Ag)闪烁体作为中子转换层,波移光纤阵列作为光收集和传输系统,多阳极光电倍增管作为光读出的位置灵敏闪烁体中子探测器,可以很好的满足HIPD的需求。针对探测器设计中的关键技术难点,本论文采用蒙特卡罗方法,系统地研究了闪烁体中子探测器的热中子探测效率、位置分辨率、n/Υ抑制比等关键性能,为基于6LiF/ZnS(Ag)闪烁体的大面积位置灵敏中子探测器设计的优化和进一步建造提供了技术支持。 基于GEANT4软件开发平台和ROOT程序包,本文开发了位置灵敏闪烁体中子探测器的专用程序及数据处理程序,用于研究中子探测器的关键性能。针对热中子探测效率,本文通过提高闪烁体中6Li的含量,增加闪烁屏的厚度,并采用上下两层闪烁体和波移光纤阵列作为夹层的“三明治”式几何结构设计方案,热中子探测效率可以达到50%以上。模拟得到的中子和Υ事例脉冲波形信号与实验中示波器观察到的脉冲波形一致。采用脉冲幅度甄别的方法,探测器Υ灵敏度计算值与实验测试值相符合,对于40mV甄别阈值,约为10-5,70mV时可达到10-6～10-7。三种6LiF/ZnS(Ag)闪烁体样品中的EJ426性能最好,光产额为8.O1×103,热中子探测效率单层好于32.4%。根据闪烁体光产额的测试结果,计算出6LiF/ZnS(Ag)闪烁体光衰减长度为O.5mm～1.0mm。针对波移光纤阵列的光收集,研究了不同波长光子及其入射角度对闪烁光子转化效率的影响,并通过计算为探测器提供了20mm的光纤弯转半径参考值,光损耗计算值为5.6%,在误差允许范围内与6.3%的实验测试值相吻合。另外,根据中子事例闪烁光信号、波移光纤阵列光传输和光电倍增管的响应模拟,得到中子事例信号的脉宽为200ns～300ns,为探测器后端电子学和数据获取系统提出了700ns～800ns的时间上限参数指标。 同时,笔者也系统地研究了探测器中耦合材料、光纤芯间距、光纤层间距、光纤与闪烁屏的距离等多种因素对中子位置分辨率的影响。计算表明,空气耦合得到的中子位置分辨率好于硅油耦合；随着光纤芯间距和光纤与闪烁屏距离的减小,中子位置分辨率呈现减小趋势,本征空间分辨率最好可以达到X轴0.08mm,Y轴0.12mm。考虑到光纤芯间距及光纤与闪烁屏距离的变化对光纤传输信号大小的影响,并结合以上研究结果给出探测器设计中光纤层间距,光纤芯间距,光纤与闪烁屏距离的优化值分别为1.0mm,1.5mm～2.0mm,1.0mm～1.5mm。 经过上述对探测器关键性能的分析和研究,表明HIPD采用闪烁体中子探测器的设计方案是可行的,探测器整体性能指标能够满足HIPD中子谱仪的物理要求；另外,优化了探测器的设计方案。