1、涂硼GEM中子探测器研究,周健荣1)，李科1,2)，周良1)，孙志嘉1)，胡碧涛2)，陈元柏1)1)中国散裂中子源(CSNS) 1)中国科学院高能物理研究所2)兰州大学核科学与技术学院2015年7月,内容提纲,研究背景与科学意义 研究内容及关键技术 样机研制与测试结果 总结与下一步研究计划 致谢,1,广泛应用的中子技术,2,中子的优势： . 电中性 ，穿透力强，轻元素敏感，同位 素分辨，有磁矩 ，磁性微观分析. 与X射线技术互补，是研究物质微观结构 的重要手段,蛋白质结构,X散射技术,中子散射技术,储氢纳米管,可燃冰,天然气管道裂痕检测,国内三大中子科学平台未来对中子探测器有着迫切的需求,3,
2、中国原子能研究院先进研究堆- CARR,中物院核物理与化学研究所反应堆-CMRR,中国散裂中子源-CSNS,中子探测技术发展与现状,世界上约75%以上的位置灵敏热 中子探测器采用基于3He的探测技术，主要有3He管与MWPC,4,中子探测器发展瓶颈：3He气体短缺：美国限制 3He气体的出口，供应量是原来的1/5，价格是原来的20-30倍！计数率低：100kHz 必须研制替代3He的高计数率中子探测器，以满足国内当前和未来中子散射实验的需求。,3He气体的来源：氚的副产物中获得3He：,小角散射谱仪,常用中子探测材料：3He，6Li，10B,国际上3He替代中子探测技术比较,5,GEM探测器的
3、优势,6,1997年由Fabio Sauli 于CERN发明,核心优势：作为一种微结构气体探测器，代表未来气体探测器的发展方向高计数率(10MHz/mm2)，测量动态范围广高分辨，本征位置分辨率100m，本征时间分辨率10ns可制作成各种形状，如平面、桶型、弧形等可大面积制作，成本相对较低,涂硼GEM中子探测器应用和发展目标,束流测量：中子束监测器/诊断器，测量波长，强度及形状中子散射实验： 小面积、高精度谱仪探测器,7,Replace,Replace,涂硼GEM中子探测器,8,关键技术：涂硼技术 磁控溅射镀膜 GEM膜 IHEP自研的THGEM 高密度、高速读出电子学 ASIC+FPGA+E
4、thernet探测器系统集成设计 以工程应用为驱动,技术要求：基材：铜膜，硼结合牢固厚度：1um，厚度偏差小于5%纯度：大于99%, 10B丰都大于90%有效面积：50mm50mm, 100mm100mm, 200mm200mm,硼作为中子转换层的优点：反应截面大，转换粒子能量高，固体转换层厚度薄(3m)，时间分辨高，天然存在易获得，化学稳定，低Z Gamma不敏感难点：属于非金属介质，熔点高(2076)，不易镀膜可能方法：热蒸发()，电泳() ，CVD () ，ALD () 以及磁控溅射(),磁控溅射镀硼技术(北航和九院),1. 漂移电极涂硼,2. GEM两侧涂硼,9,研发中子探测专用GEM
5、膜nTHGEM(谢宇广),10,1. 热中子的散射,2. 伴随快中子反冲质子影响,3. 孔间距与敷铜率对探测效率和位置分辨的影响,位置分辨变差,为什么研发中子探测专用nTHGEM 膜？-减少含氢材料使用,高压与信号引出,11,信号引出： X与Y方向对称，每个象素1.56mm1.56mm， 为减少中子散射，采用Kapton柔性PCB，通过层间多层走线实现信号引出,高压引出： 采用1路高压通过电阻链分配的方式同时为nTHGEM提供多路高压。,专用高压电源设计(手动控制),12,研究目的： 高压电源靠近探测器，减少高压引入的噪声小型化，提高系统集成度，便携，降低功耗，真空下使用,纹波小于20mV,专
6、用高压电源设计(远程控制),基于NI-SOM的网络控制, 运行实时Linux系统，集成EPICS，精度16 bit(ADC/DAC)，功耗4W,13,Detector,HV Module,SOM,Switch/PC,Specifications：,采用二维信号符合的方法确定中子击中的位置，与重心法相比，不需要读取电荷，速度快，包括模拟部分和数字部分： 模拟部分：由4片64路ASIC芯片(国外采购)完成，每一路包含前置放大器、成形电路与比较器，输出带有时间戳和读出条ID的数字信号 数字部分：基于FPGA实现，中子击中时一般23个相邻读出条相应，通过信号符合，挑选相邻且同时的事例，最终给出中子击中
7、的位置与时间信息，数据由网络端口传送至PC,14,读出电子学与数据获取,探测器原理样机设计,探测器结构：,系统布局：,15,面均匀性测试 55Fe X ray,55Fe 放射源通过2mm直径准直孔对准探测器面上5个点，分别测量5各点计数，5个点计数不均匀性小于5%,16,计数率测试X 光机,X光机与测试现场探测器坪曲线、总计数率随X光机电流变化,牛津X 光机参数：靶： 铜特征X射线：8keV工作电压：10-50keV电流：0.1-1mA,1MHz以上开始出现饱和，但是仍能工作总计数率2MHz时数据获取系统停止工作,X光机高压选择20kV探测器总电压选择2100V,铅屏风,17,18,中国计量院
8、强流X光机测试,能量：60keV,中国原子能科学研究院CARR堆中子束流测试,19,反射谱仪：单色器： 石墨中子波长：4.75 /2.4 出口通量：5103 n/cm2s束斑形状： 20mm40mm,TOF 测试,2.4 4.7 ,聚焦硅单色器焦距和焦斑测量,九院二所CMRR堆中子束流测试,粉末衍射谱仪： 中子波长：1.59 (0.0324eV) 出口通量：3*104 n/cm2.s 束斑设计尺寸：25mm30mm,20,FWHM: 2.870.01 3.000.01 2.750.01,反射谱仪(TOF ),老化实验,波长TOF,大面积nTHGEM探测器研制,探测器结构 X/Y二维读出条经多层
9、PCB板引出,21,技术参数,有效面积：200mm200mm高分辨区：中心区40mm40mm，条宽0.63mm低分辨区：四周，条宽3.13mm路数： X(64路)+64(路)=128路,高压,前端电子学,入射窗,密闭探测器研制,研究动机：与外界密封隔绝，确保探测器性能长期稳定，不容易受外接环境影响。可以进一步简化探测器，便于应用各种苛刻环境。 关键技术： 1） 探测器密封，2）材料选择， 3）Outgassing,22,高压,前端电子学,探测器,配气充气装置,烤箱,总结与下一步研究计划,总结：关键技术国产化已经基本实现。探测器原理样机研制成功，通过了中子束流在线测试。下一步研究计划：研制更大面积、更高效率探测器。 研制密闭式探测器。 进一步系统集成，满足工程应用需求。,23,致谢,CSNS工程项目国家自然科学基金委核探测与核电子学国家重点实验室 兰州大学核科学与技术学院东莞理工学院中子探测与快电子技术实验室中物院中子物理学重点实验室，核物理与化学所209室中国原子能科学研究院，CARR中子散射研究室中国计量科学研究院电离辐射计量科学研究所,24,谢 谢！,25,
