一种高效率三维位置灵敏中子探测器的制作方法

本实用新型涉及核辐射探测技术领域，尤指一种可以代替³He管探测器的高效率三维位置灵敏中子探测器。

背景技术：

中子散射技术是研究物质结构和动力学性质的理想探针，已被广泛应用于凝聚态物理(固体和液体)、化学(特别是高分子化学)、生命科学、医药、材料科学(特别是纳米材料科学)、航空以及国防建设等诸多领域[1]的研究中。与X射线散射技术相比，中子散射技术具有穿透能力极强、轻元素敏感、同位素分辨以及磁结构微观分析等不可替代的优势。我国早在上世纪五十年代就利用重水研究堆开展中子散射研究，九十年代末中国原子能科学研究院开始建造中国先进研究堆(CARR)，主要用来开展中子散射工作，进行凝聚态物质研究，该堆已于2010年开始试运行。作为新一代强流中子源，兆瓦级脉冲式散裂中子源更具优势，不仅能提供高通量脉冲中子束，具有高效率、能谱宽和低本底的特点，而且更为安全可靠。2011年，我国正式开工建造发展中国家第一台散裂中子源(CSNS)，国家投资高达14亿，计划耗时六年半，建成以后将进入世界四大散裂中子源行列，为国内外科学家提供世界一流的中子科学综合实验装置，其中大部分谱仪用于中子散射相关技术应用。

中子散射技术主要用于研究凝聚态物质在原子、分子尺度范围的微观结构特性，故常使用慢化后的冷、热中子束，波长范围一般在0.1-10Å，通过探测器测量经样品散射后的中子能量和动量的变化，研究物质在原子、分子尺度上的微观结构和运动规律。中子探测器是中子散射谱仪装置的关键部件之一，在很大程度上决定着谱仪的分辨能力，高分辨谱仪要求探测器具有以下优异性能：

探测效率：大于40%

定位精度： 0.1-1cm

TOF时间分辨率：～10μs

n/γ抑制比：好于10-7

计数率：大于100kHz

大面积：-m2量级

当前国际形势下，中子探测器的发展与应用面临巨大挑战。对于热中子(波长1.8 Å)，一般利用核反应法进行探测，常用的有³He(n, p)T、¹⁰B(n, α)⁷Li和⁶Li(n, α)T三个核反应，它们与中子的反应截面都比较大，其中³He气体化学稳定、截面大、在高气压下仍具有很好的正比特性，被认为理想的热中子探测材料。目前国际上超过70%以上的中子散射谱仪采用³He气体探测器，主要有两种，一类是采用多根位置灵敏型高气压³He管组成一个面探测器阵列，配合适当的读出电子学可获得-5mm的位置分辨率；另一类是高气压³He多丝正比室，位置分辨率约2mm；这两类探测器都能实现大面积探测，探测效率达50%以上，γ抑制能力高，且均有商业化产品，是一项工艺成熟的技术。然而³He气体是由制造核武器氢弹的原料氚经β衰变(半衰期12.3年)生成，然后通过提纯得到高纯度的³He气体，一直以来只有美国能够大量生产该气体，其产量决定于氚的生产及³He气体的需求，美国于1988年关闭了氚的生产，随着近年来日益急剧增长的³He气体的需求，导致自2008年开始，出现³He气体资源供应严重不足的国际形势，价格也在近5年内上涨超过20倍，而且³He气体被作为战略物质由美国能源部严格控制出口，这一情况的出现使得中子散射谱仪继续使用高气压³He气体探测器搭建大规模探测系统几乎不再可能，研发新型中子探测器已迫在眉睫。

经过几十年的发展，我国现在已经形成了三个大型中子科学应用平台：中国散裂中子源、中物院二所研究型反应堆以及中国原子能研究院先进研究堆，然而国内尚不能自主生产大面积的中子探测器，几乎所有已运行和在建谱仪的探测器均依赖国外进口，存在定制周期长、运输风险高、维修与升级成本大等缺点，给中子谱仪的建设和运行带来极大的不便，甚至会造成中子谱仪长时间不能正常运行，已成为长期制约我国中子散射技术发展的重要技术瓶颈之一。

近年来，全世界科学家一直在努力寻求替代³He气体的新型中子探测技术，使得该方向目前已成为粒子探测领域的新热点。目前国际上大致有五个研究方向：一、基于6LiF/ZnS(Ag)闪烁体：技术虽然能使热中子探测效率大于30%，位置分辨率约1mm，但是γ抑制能力低，造价高；二、基于涂硼GEM探测器：技术虽然能使热中子探测效率大于30%，位置分辨率约3mm，面积100mm×100mm，但是探测面积小；三、基于内涂硼管探测器：技术虽然能使热中子探测效率约30%，但是探测效率低；四、基于BF3管：技术采用2atm BF3管，每只单管长2m，由32只排列在一起组成阵列，虽然使得探测效率约30%，但是探测效率低；五、网格气体探测器：技术能使有效面积达到192cm×8cm，像素2cm，且探测效率大于40%，容易大面积扩展，位置分辨可提高，整体性能与³He探测器相当。

技术实现要素：

针对目前中子探测的技术瓶颈问题，本实用新型旨在提供一种生产安装便捷探测精度高的中子探测器，尤指一种可以代替³He 管探测器的高效率三维位置灵敏中子探测器。

本实用新型采用的技术方案是：一种中子探测器，所述的中子探测器为采用表面镀硼的铝片条构成多层方形管道结构。

所述镀硼采用的是磁控溅射的方法在铝基片表面镀上厚度为1-3μm的¹⁰B薄层作为中子转换层。

所述的铝片条上每隔一定的距离开设有卡槽。

将镀硼的铝片条上的卡槽插进预先设计好的铝框内，形成网格结构。

所述的方形管道间的距离即是卡槽间的间距，。

所述的铝框内插入镀硼铝片条的数目即为方形管道层数，每一个单元管道中心均设置有阻性阳极丝，通过电荷分配法获得沿丝方向的位置，单元管所在的位置确定横向位置，单元管所在的层位置给出纵向位置，从而可以精确测量中子具体在哪一个单元被探测，实现中子的三维探测。

所述的方形管道两端设计有端面，用来固定定位子，阻性阳极丝通过夹丝与焊接的方法固定在定位子的铜管上。

本实用新型的有益效果：第一，本实用新型旨在研发替代³He的中子探测技术，对新型网格探测技术的深入研究和创新，通过对小型原理样机的研制、网格探测器的设计与制作、多路高压引出以及信号读出方式的创新，经过试验论证，使得本实用新型的中子探测器的探测效率大于30%；第二，本实用新型的探测器可以通过增加单元方形管道的层数来增加有效硼中子转换层的厚度，从而实现增加探测效率；第三，本实用新型探测器的机械设计采用一系列镀硼的铝片条构成多层方形管道，每一个单元方形管道中心是阻性阳极丝，通过电荷分配法获得沿丝方向的位置，单元管所在的位置确定横向位置，单元管所在的层位置给出纵向位置，从而可以精确测量中子具体在哪一个单元被探测，实现中子的三维探测，每一通道信号引出与读出电子学独立，信号与高压通道数目多，通过原理样机的实验研究，开展多路信号与高压引出技术的研究，在不降低读出通道密度的情况下，缩小信号与高压引出占用的空间，便于大面积探测器的实现，降低生产成本。

附图说明

图1是本实用新型中子探测器的主体结构示意图。

图2是本实用新型中铝片条的结构示意图。

图3是本实用新型中子转换效率与硼层厚度关系。

图4是本实用新型中子探测器的小单元结构及测量原理示意图。

附图标注说明：1-方形管道，2-阻性阳极丝，3-铝框，11-铝片条，110-卡槽。

具体实施方式

以下通过具体实验结合说明书附图1-4详细说明本实用新型的具体实施方式：

如图1-2所示，一种高效率三维位置灵敏中子探测器，所述的中子探测器的主体结构采用镀硼的铝片条11构成多层方形管道1，镀硼原料采用的是硼的同位素¹⁰B，硼的同位素¹⁰B是常用的热中子敏感转换材料，其化学活性低便于应用，含量丰富，且易获得浓缩硼(¹⁰B丰度99%)，从而提高中子转换效率，是理想的固体中子转换材料；由于硼的熔点高且不导电，难以用常规的镀膜方法实现，磁控溅射作为一种先进的工业镀膜技术，适合熔点高的不导电介质的镀膜，本实用新型利用磁控溅射的方法在铝基片镀上厚度为1-3μm的¹⁰B薄层作为中子转换层，具有成膜质量高，膜附着力强、厚度均匀性好、杂质引入小等优点。

如图1-4所示，所述的铝片条11上每隔一定的距离开设有卡槽110，使得方形管道1间的距离即是卡槽110间的间距，将镀硼的铝片条11上的卡槽110插进预先设计好的室体（铝框3）内，形成网格结构，由于探测器采用常气压流气式工作模式，室体材料可选择机械性能好的铝合金，中子作用截面小，重量轻，是中子探测器常用的室体材料，在铝框3内插入镀硼铝片条11的数目即为方形管道1层数，每一个单元方形管道1中心均设置有阻性阳极丝2，阻性阳极丝2选用直径为25μm的镍铬合金丝，采用定位子固定阻性阳极丝2，方形管道1两端设计有端面，用来固定定位子，定位子是BESⅢ漂移室特殊设计用来固定场丝和信号丝的重要部件，定位精度高，首先丝穿过定位子拉丝保证丝有一定的张力，然后通过夹丝与焊接的方法固定在定位子的铜管上，定位子的铜管外面采用耐高压材料，通过定位子同时实现阳极丝的固定和高压的引出。

本实用新型的探测器采用一系列镀硼的铝片条11构成多层方形管道1，每一个单元管道中心均设置有阻性阳极丝2，通过电荷分配法获得沿丝方向的位置，单元管所在的位置确定横向位置，单元管所在的层位置给出纵向位置，从而可以精确测量中子具体在哪一个单元被探测，实现中子的三维探测，每一通道信号引出与读出电子学独立，信号与高压通道数目多，可通过原理样机的实验研究，开展多路信号与高压引出技术的研究，在不降低读出通道密度的情况下，缩小信号与高压引出占用的空间，便于大面积探测器的实现，较低成本。结合成熟的³He管定位电子学技术研究网格探测器读出系统的方案，提高沿丝方向的位置测量精度和读取速度。

所述的中子探测器背后设置有专门的高压分配盒，高压分配盒中一路正高压输入，经两级滤波电路及保护电阻后，同时为每一路阳极丝提供高压，每一路信号由一个镉直电容直接从阳极丝两端引出，最后经前放以及后续电路通过电荷分配法测量中子击中的位置。

以下，对探测器原理进行模拟实验，论证本实用新型的中子探测器的探测效率和位置分辨的精度和可靠性。

模拟实验原理：首先，进行探测器模拟计算，利用GEANT4详细计算中子与¹⁰B转换层的转换效率、α与⁷Li 粒子出射的角度和能量以及它们在工作气体中的电离能损，优化探测器使用硼层的数目、每一层的厚度以及每一层的间距等结构参数；利用ANSYS计算探测器电场分布，并结合GARFIELD计算原初电离电子的漂移、横向扩散和倍增过程，研究获得最佳的探测器工作参数；利用 ROOT分析数据获得探测器的位置分辨以及时间分辨等探测器的基本性能参数，为探测器的详细结构设计提供科学的参考依据；然后，结合高能所MWPC所在位置及灵敏³He管的经验，通过样机研制，详细研究探测器室体的设计与精密加工、阳极丝的精确固定、多路高压引出与信号读取的方式等关键技术问题；最后，通过对样机进行详细的性能测试，为下一步研究工作提供实验数据参考。

探测实验原理：一种中子探测器，所述的探测器探测工作包括三个彼此相互独立工作过程，中子转换、气体倍增和信号读出。

中子转换：向中子探测器采用一个大气压流气式供气，以保证探测器工作稳定，延长使用寿命，工作气体采用Ar和CO2混合气体，使探测器工作在正比区，入射中子射入室体与铝片条11上的转换层镀硼层¹⁰B发生核反应，如图3所示，该核反应有两个反应道，其中93%分支比的发生如下反应：→α+⁷Li+γ+2.31MeV，Eα=1.47MeV, ELi =0.84MeV，显然该反应生成激发态⁷Li，瞬间退激产生1.47 MeV α和0.84 MeV ⁷Li两种粒子，另7%分支比发生如下反应：n+¹⁰B→α+⁷Li+2.79MeV，Eα=1.79MeV,ELi =1.0MeV,反应直接到基态产生1.79MeV α和1.0MeV ⁷Li，⁷Li，α两个粒子的运动方向相反，与硼原子发生库仑相互作用，并逐步损失能量，二者在其中的射程均小于3μm，因此镀硼膜层的厚度超过3μm对提高中子转换效率是无意义的，如图3中子转换效率与硼层厚度关系可知，单层硼的最大转换效率约为5%，所以最好的办法是在内表面涂一层1-3μm厚的 ¹⁰B薄层，并采用多层结构，这样既能保证⁷Li，α离子能从转换体出射出来，又能让入射中子穿过足够厚的转换体实现高的转换效率，从而提高探测器的探测效率。

气体倍增：当入射中子被¹⁰B俘获后，产生的⁷Li，α两种方向相反的粒子，其中α粒子直接损失在涂硼铝基材里，⁷Li粒子进入工作气体，产生大量原初电子-电离对(约10⁴对)，在单元管内电场的驱动下，电子向阳极丝漂移，并在阻性阳极丝2附近气体放大，增益约100bel。

信号读出：在阻性阳极丝2上产生感应信号，每一路信号由一个镉直电容直接从阻性阳极丝2两端引出，经前放以及后续电路通过电荷分配法获得中子的击中方形管道1位置与时间信息，如图4所示，测量中子击中的位置完成一个单元的信号读取，其中通过电荷分配法获得沿丝方向的位置，单元管道1所在的位置确定横向位置，单元管所在的层位置给出纵向位置，从而可以精确测量中子具体在哪一个单元被探测，实现中子的三维探测，图4中，L为探测器沿丝方向的有效长度，X为中子击中的位置距离探测器最右端的距离，QL为中子击中时从探测器左端测量到的电荷量，QR为中子击中时从探测器右端测量到的电荷量。

综上，本实用新型对新型网格探测技术开展深入研究，通过对探测器室体的设计与精密加工、室体材料的选择、阳极丝的精确固定、多路高压引出与信号读取的方式，解决了探测器实探测效率和位置分辨等重要指标的关键问题，使得探测器的探测效率>30%；该网格气体探测器采用多层方形管道1的结构，相对于内镀硼圆形管道而言，方管具有更小的壁效应和管与管之间的死区，容易拼接实现大面积制作，多层结构可实现更高的探测效率，更具体的是，确定中子入射的方向，探测器的测量精度完全取决于单个管道的测量精度，与入射方向无关，与硼厚度有关，如图3所示，硼厚度约2微米时，单层转换效率最大约为5%，所以探测器可以通过增加单元的层数来增加有效硼中子转换层的厚度，从而实现增加探测效率。

相较于圆管，方管气体厚度均匀，壁效应小，制作工艺简单，可周期扩展实现大面积探测，拼接死区小，是替代³He技术的重要解决方案之一。

本实用新型的探测器制已在高能所CF-252中子源上进行坪曲线和能谱的测量，结合我们现已有的读出电子学系统进行位置分辨测量和刻度,实现对探测器性能的初步测试。探测效率与位置分辨率的准确测试需要在中子束线上利用单能中子束才能实现，因此后期，项目组将在CARR堆上争取一条束线完成测试。目前该探测器已经作为国际上散裂中子源和反应堆谱仪探测器替代³He技术的重要解决方案之一。