一种基于聚乙烯的MCP中子探测器的制作方法

本发明涉及一种应用于超快脉冲中子辐射场中测量中子时间谱的中子探测器，特别涉及一种利用中子与聚乙烯反应产生的反冲质子入射在mcp中产生二次电子并倍增输出脉冲电流信号，从而实现对中子测量的探测器。

背景技术：

ps量级的高能电子束入射至厚金属靶会产生脉冲宽度在ns量级甚至亚ns量级的中子，其具有中子强度低，中子能量分布范围广等特点。通过惯性约束聚变(icf)，也会产生脉冲宽度在亚ns量级的超快中子。为测量超快脉冲中子，要求中子探测器具有超快的时间响应和较高的中子灵敏度。

而目前测量脉冲中子的常用探测器有闪烁薄膜探测器、闪烁纤维探测器和狭缝式裂变探测器。

闪烁薄膜探测器和闪烁纤维探测器都是利用中子在闪烁体中产生的反冲质子激发闪烁体发光的原理来探测中子，然而由于闪烁薄膜和闪烁纤维的发光衰减时间都在ns以上，所采用的光电倍增增管时间响应也在ns量级，这决定了探测器的时间响应在ns以上。狭缝式裂变探测器采用pin探测中子诱发裂变靶裂变产生的裂变碎片以实现对中子的探测，而pin的时间响应通常在十几ns以上。

技术实现要素：

本发明的目的是：提供一种基于聚乙烯的mcp(即微通道板)中子探测器，用以克服现有技术中中子探测器时间响应慢的缺陷。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于聚乙烯的mcp中子探测器，其特殊之处在于：包括外筒、高压电缆头、信号电缆头，设置在外筒前端面的入射窗，设置在外筒后端面的出射窗，以及在所述外筒内沿入射中子传播方向依次固定设置的转换靶、二次电子倍增器件和陶瓷片，所述转换靶为聚乙烯片，所述二次电子倍增器件为叠放设置的若干mcp片，二次电子倍增器件两侧分别加载所述高压电缆头的阴极和阳极，所述信号电缆头的信号采集端设置在所述陶瓷片外侧。

进一步地，所述二次电子倍增器件为一片或两片或三片mcp片。

进一步地，所述外筒内还设置有夹板和支杆，所述转换靶和二次电子倍增器件固定在所述夹板上，所述夹板通过所述支杆固定在出射窗上。

进一步地，所述夹板距离出射窗为40mm，所述夹板由聚四氟乙烯制成。

进一步地，所述入射窗和出射窗为圆形法兰结构，中央为向内部凹进的薄窗。

进一步地，所述信号电缆头和高压电缆头密封固定在出射窗上，信号电缆头的数量为1个，高压电缆头的数量为2个。

进一步地，所述外筒上还设置有真空抽气口。

进一步地，所述外筒的外形为圆柱体。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

1、本发明具有超快的时间响应，约百ps。本发明所采用的mcp片，其时间响应小于100ps，由聚乙烯片产生的反冲质子在聚乙烯片中的运动时间小于30ps，这决定了本发明的中子探测器具有超快的时间响应。

2、本发明具有较高的快中子灵敏度。若采用两片mcp片，增益可到10⁶，采用的聚乙烯片与中子弹性散射作用截面较大，产生的反冲质子数较多，且单个反冲质子在mcp片孔道中产生的二次电子可到3～4个，因而本发明可以实现较高的快中子灵敏度，能达到10^-15c·cm²。

3、本发明便于安装、置换聚乙烯片和mcp片。

附图说明

图1是实施例的结构示意图；

图2是转换靶、二次电子倍增器件和陶瓷片处局部放大示意图；

图3是采用蒙特卡洛方法模拟计算得到不同能量中子作用于不同厚度聚乙烯片产生的单个反冲质子在mcp片内壁上产生的二次电子产额关系图；

图4是采用蒙特卡洛方法模拟计算得到不同能量中子与不同厚度聚乙烯片作用产生的出射质子产额关系图；

图5是采用蒙特卡洛方法模拟计算得到单位强度的不同能量中子作用于不同厚度聚乙烯片在mcp片内壁上产生的二次电子产额关系图；

图6是当采用增益为2.25×10⁶的两片mcp片时，本实施例的中子灵敏度理论计算结果示意图；

图7是采用蒙特卡洛方法模拟计算得到反冲质子在聚乙烯片的平均飞行时间示意图；

其中：1-外筒，2-入射窗，3-出射窗，4-支杆，5-夹板，6-聚乙烯片，7-mcp片，8-信号电缆头，9-高压电缆头，10-真空抽气口，11-铜片一，12-铜环，13-陶瓷片，14-铜片二，15-中子束。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明加以详细说明。

如图1-图2所示，实施例提供一种基于聚乙烯的mcp中子探测器，包括外筒1，密封固定在外筒1前端面的入射窗2，密封固定在外筒1后端面的出射窗3，固定在出射窗3上的支杆4，安装在支杆4上的夹板5，安装固定在夹板5上的聚乙烯片6、铜片一11、mcp片7、铜环12、陶瓷片13和铜片二14，固定在出射窗3上的信号电缆头8和高压电缆头9，设置在外筒1侧面的真空抽气口10，铜片一11与高压电缆头9内芯的铜导线连接，铜环12与高压电缆头9外壳的铜导线连接，铜片二14与信号电缆头8的铜导线连接；外筒1是采用不锈钢制成的圆柱体，外径φ120mm、内径φ112mm、长83mm；外筒1前后端的入射窗2和出射窗3为圆形法兰结构，法兰直径φ150mm，法兰中央为一厚0.5mm，直径为60mm的薄窗；支杆4为不锈钢材质，长5cm，数量为3个，相邻两个支杆4相隔120°均匀安装在出射窗3上；夹板5为直径φ80mm，厚5mm的聚四氟乙烯板，夹板5的中间为一直径φ16mm或φ21mm的圆孔，圆孔周围开有6个直径为φ2mm的圆孔和3个φ0.5mm的螺丝孔，夹板5安装在支杆4上，夹板5用于固定聚乙烯片6、铜片一11、mcp片7、铜环12、陶瓷片13和铜片二14；聚乙烯片6的直径为φ16mm或φ21mm，厚度根据中子灵敏度需要来确定；mcp片7为孔道直径为6μm、孔道间距为8μm、厚0.38mm、斜切角(mcp片7的通道与mcp片两端面垂直轴线的夹角)为6°、外径φ16mm或φ25mm的两片微通道板；铜片一11和铜片二14的直径为φ16mm或φ25mm，厚度为1mm；铜环12的外径为φ16mm或φ25mm，内径为φ12mm或φ21mm，厚度为1mm；信号电缆头8用于将探测信号从真空腔室内部导出至腔外的信号读取仪器上；高压电缆头9用于将高压从真空腔室外部的高压源上导进至腔内的mcp片7上；真空抽气口10内径为16mm，抽气口中心距离出射窗3为40mm，用于对真空腔室内部抽真空；铜环12与高压电缆头9之间还设置有阻值为50mω的电阻，铜片二14与信号电缆头8之间还设置有阻值为100kω的电阻；外筒1通过胶圈或刀口和入射窗2、出射窗3密封在一起，确保探测器真空腔室动态真空小于1×10^-4pa；外筒1内表面要进行抛光处理减少内表面放气。

该中子探测器的工作原理是：中子束15与聚乙烯片6发生反应产生的反冲质子入射在mcp片7孔道中产生二次电子并倍增输出脉冲电流信号，从而实现对中子的测量。

图3是采用蒙特卡洛方法模拟计算得到不同能量中子作用于不同厚度聚乙烯靶产生的单个反冲质子在mcp片内壁上产生的二次电子产额。从图上可知，能量为0.2mev～0.25mev的中子产生的单个反冲质子在mcp片内壁上产生的二次电子产额最大，约3～4个。

图4是采用蒙特卡洛方法模拟计算得到不同能量中子与不同厚度聚乙烯作用产生的出射质子产额。从图中可知，对于0.1mm～1.5mm厚的聚乙烯，当入射中子的能量高于某值时，出射质子的产额随中子能量变化不大；对于1.5mm以上厚度的聚乙烯，入射中子的能量越大，出射质子的产额越多。

图5是采用蒙特卡洛方法模拟计算得到单位强度的不同能量中子作用于不同厚度聚乙烯靶在mcp片内壁上产生的二次电子产额。从图中可知，当聚乙烯靶厚度小于2.0mm时，二次电子的产额在中子能量为某值时达到最大；当聚乙烯靶厚度大于2.0mm时，二次电子的产额随中子能量的增加而增加。

图6是该探测器的中子灵敏度计算结果，这是采用增益为2.25×10⁶的两片mcp片得到的。从图上可知，当聚乙烯靶厚度小于2.0mm时，探测器的中子灵敏度在中子能量为某一个值时达到最大；当聚乙烯靶厚度大于2.0mm时，探测器的中子灵敏度随中子能量的增加而增加。当聚乙烯靶厚度大于1.0mm时，探测器对能量在1mev以上的中子灵敏度大于1.0×10^-15c·cm²。

图7是采用蒙特卡洛方法模拟计算得到反冲质子在聚乙烯的平均飞行时间，从计算结果可知，反冲质子的平均飞行时间不大于30ps。