基于GEM的热中子位置灵敏探测器的研究

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中子具有强穿透性、紧邻元素分辨和非破坏性等特点,可以用来研究物质的微观结构。中子与物质相互作用的截面与其动量成反比,因此,具有较低能量的热中子成为科学研究和新材料研发的重要工具。随着可以提供高通量热中子束的新一代中子源在世界各地相继兴建,大面积的位置灵敏热中子探测器成为一个重要的研究课题。本文主要介绍热中子位置灵敏探测器的一种设计方案。方案基于热中子与硼-10的核反应10B(n,α)7Li,采用10B固体靶物质,探测出射粒子α和产物粒子7Li,采用基于Pads阵列的读出方式,利用重心读出的方法获得中子位置信息。我们采用蒙特卡罗模拟软件Geant4模拟中子与10B反应及α粒子在靶内的分布,给出单层硼靶材的最佳厚度,热中子探测器效率;模拟出射离子的输运过程,给出热中子探测的本征位置分辨能力;模拟出射离子在工作气体里的能量沉积分布及射程,给出探测器的最佳空间结构。根据模拟结果并考虑到使探测器空间结构最小化、工作气体的提供及读出电子学的连接,利用AutoCAD机械设计工具设计出探测器的整体框架和零部件。由气体探测器对工作气体的要求,选择了Ar+CO2作为探测器的工作气体。由Garfield模拟不同气体混合的倍增结果,给出了气体的混合比例。并建立了一套这样的工作气体的供应系统。根据读出位置分辨的要求及考虑到读出电子学的复杂程度,利用Protel设计了基于Pads阵列读出方式的收集板。利用电磁场模拟软件Maxwell+Garfield模拟了THGEM的最佳空间结构,及实现倍增需要的传输场强和漂移场强的大小,并在此基础上利用Protel设计了供实验测试用的THGEM和给探测器各部件提供电压的分压板。完成了探测器正常工作所需要的供气系统和高压供电系统的建立。对中子转换体硼膜的制备进行了研究,采用粉末冶金法制备了用于PLD实验的硼靶材。根据热中子转换体需要的衬底条件,选择了镀铝的聚酰亚胺薄膜作为衬底。提出了利用PLD法制备硼膜的实验方案,并对制备的硼膜进行了分析。由实验结果可见,制备的硼薄膜表面光滑、无裂痕,可作为热中子转换体,但样品表面硼含量偏低,薄膜厚度还不理想,因此该制备方法还有待进一步提高。实验方面,仅进行了初步的部分实验。完成了探测器高压实验和THGEM漏电流的实验,对利用5.9keV的γ射线测试其能谱的实验还在进行当中。
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