二维灵敏 3He 中子探测器的研制

高能所实验物理中心 MDC 组 王小胡

2008-4-28

目的： 为中国散裂中子源（ CSNS ）的多功能反射谱仪提

供二维位置灵敏探测器。多功能反射仪是 CSNS 初期拟建的五台谱仪之一，中子的波长范围为 0.5 －10 Å ，要求达到的位置分辨率为 2×2 mm2 。

也可作为通用的高精度位置灵敏中子探测器用于热中子探测。

原理： 中子是电中性的，不能直接探测。实验中对中子的

探测都是通过核反应方法将中子转化成带电粒子来实现的。

本装置通过中子与 3He 反应来探测中子，中子与 3

He 反应生成质子 (573KeV) 和氚核 (191KeV) 。质子和氚核向相反的方向发射，并使工作气体电离。通过探测质子和氚核电离的重心就可以得到入射中子的位置。

n+3He→p+3H+764keV

工作气体的选择 由于质子和氚核在工作气体中射程不一

样，因此电离重心与核反应位置有一定的偏离。这种偏离是测量的主要误差来源，为了减小测量误差，需要将质子和氚核限定在一个很小的范围内。

3He 即使在很高的气压下也不能将质子和氚核阻止在足够小的范围内，工作气体中还得加入其他对带电粒子阻止本领强的气体，如 C3H8 ， CF4 等。

工作气体的选择 C3H8 因为对 γ 射线灵敏度低、

便于密封净化等特点，被广泛用作工作气体。

C3H8 的气压越高，质子和氚核的射程越小，电离重心相对核反应位置的偏离越小。 右图为电离重心偏离所引起的测量误差随着工作气体气压的变化。可见，要达到接近 1mm 的定位精度， C3H8的气压应在 3atm 以上。

探测效率

3He 的密度和厚度直接决定了系统对中子的探测效率。由右图，对 1.5cm厚的探测器，如果要对波长大于 1Å的热中子有高于 50% 的效率， 3He 的气压应该大于 6atm 。

位置测量： 目前主要采用多丝正比室来进

行位置测量。 质子和氚核使工作气体发生电

离，产生大量初始电子－离子对，电离电子在电场作用下漂向阳极产生雪崩信号。雪崩信号产生的正离子向阴极运动过程中会在读出丝上感应出正电荷，通过测量读出丝上感应电荷分布的重心就可以确定雪崩发生位置。

探测器设计 计划制作一个有效面积 200mm×200mm

的二维灵敏中子探测器，综合考虑探测效率和测量精度两方面的要求，采用 5.5atm3He+2.5atmC3H8混合气体为工作气体。

以二维灵敏多丝正比室作为探测单元，多丝室采用阴极条感应读出，可以达到足够的定位精度。

由于在高气压下工作，整个电子学装置都装在一个密闭容器里面。读出条、阳极板等通过耐高气压的密封接头与外界的电子学系统相连。另外，为了保证室体内气体的纯度，还设有一套循环净化系统。

端盖和底板 密闭容器由铝合金端盖板和不锈钢底板构成，如右图。为了便于密封，端盖和底板都采用圆盘型结构，直径 500mm 。

为了减小对入射中子的散射，同时保证能承受较高的压力，端盖采用强度较大的 6061型铝合金为材料。总体厚度为48mm ，中央设有面积 210mm×210mm 、厚 9mm 的入射窗。

底板厚 25mm ，为了便于焊接管道，采用不锈钢材料。底板上设有密封槽，信号、高压法兰管接口，气管接口等。

信号引出、高压引入

在底板上焊接有真空金属陶瓷接头，用来实现信号的引出和高压的引入。系统包括两个 50针的多芯接头，每根读出条通过 Kapton电缆与多芯接头相接。阳极丝和阴极板分别与两个高压接头相接，实现高压的引入。

接头均采用玻璃陶瓷密封技术（ Glass-ceramic sealing technology），不锈钢材料。耐压高于 60atm；漏气率（ Leak Rate ） <1x10-10 atm-cc/sec (He) 。多芯接头的安全电压和电流为 500V5A；高压接头 15000V7A。

气体循环净化系统 为了提高室体内气体的纯度，保证探测器能长时间稳定工作，探测器设有一套循环净化系统。

气体循环净化系统主要包括由电磁泵、净化器两部分。在电磁泵的驱动下，工作气体从室体流出后经过净化器，然后再流回室体。净化器由分子筛和吸收剂构成，作用是吸收氧气、水蒸气以及工作气体（丙烷）分解后的有机产物。

多丝室结构示意图

多丝室的设计与制作 多丝室的电子学结构如上图，它由一个阳极平面、两个读出平

面及一个阴极平面构成，有效面积 200mm×200mm 。两读出平面位于阳极丝平面上下各 3mm处，上方为读出丝，下方为读出条。读出丝平面到上阴极之间为漂移区，厚度 10mm 。工作时，阳极丝加正高压、读出丝接地、阴极板加负高压。

阳极丝平面：由一组相互平行的直径为 15µm镀金钨丝构成，丝间间距为 2mm ，丝的总数为 100根。所有阳极丝连在一起用于能谱测量和系统触发。

上读出平面：由与阳极丝平行的直径为 50 µm 的镀金钨丝构成，丝间间距为 1mm 。丝的总数为 201根，每 4根丝连在一起形成一个读出条。

下读出平面： 50根覆铜读出条，宽度 3mm ，间距 4mm ，条的取向与阳极丝垂直。

上阴极平面：覆铜 Kapton膜。

读出电子学 阳极：所有阳极丝连在一起。需要进行电荷测

量以进行 n-γ鉴别；同时为读出条信号测量提供触发。

读出信号：每个读出条单独读出，测量电荷信息，共 100路。

正在研制一套基于 VME机箱的数据获取系统，包括：适应阴极信号的电荷灵敏前置放大器、主放大器、 ADC 等等。

多丝室模型的 X射线测试 建造了一个常压下的二维多丝正比室模型，灵敏面积 200mm ×

200mm 。模型采用 Ar/CO2(90/10) 作为工作气体；为了便于进行 X射线测试，采用 50 µm 厚的 Mylar 膜作为入射窗。

用 55Fe 5.9keV X射线对模型进行了性能测试，具体包括X射线能谱、增益、位置分辨、线性等。

下图为基于 CAMAC总线的测量系统方框图。

能谱、增益 用电荷灵敏前放、主放、多道

分析器系统测量了 55Fe X射线能谱及增益。右上图为阳极高压 1800V时的能谱；右下图为增益与阳极丝高压的关系。

探测器对 55Fe 5.9keV X射线的能量分辨率约为 23%；当阳极丝高压在 1700V~2000V 范围内时探测器具有很好的正比性。

位置分辨、成像实验 采用宽度 0.2mm×7mm ，

长 30mm 的准直孔，用 55

Fe X射线源，对垂直于阳极丝方向和平行于阳极丝方向的位置分辨进行了测量。

用 55Fe X射线均匀照射一个呈的“Z”字形图案的准直孔，用探测器可以再现准直孔的形状。 孔的大小： 5mm×5mm 。

线性测量、小结 右图：将探测器放在可以精确移

动的平台上，改变探测器与入射光束的相对位置，可以得到测量位置与位移的线性关系。图中 x、y 坐标的单位都是 mm 。

小结：探测器模型具有很好的位置分辨、正比性及线性等，这种结构设计可以用于中子探测。该模型如果配上合适的读出电子学系统，也可以直接作为二维位置灵敏探测器用于同步辐射 X射线测量。

中子探测器的预期性能

探测效率：对波长 1Å的热中子有接近 50%的探测效率。 位置分辨： 根据文献，当 C3H8 的气压为 2.5atm时，质子的射程为 Rp=

1.8mm,由于电离重心对核反应位置的偏离所引起的测量误差（ FWHM ）大约为 Δxn=0.8Rp=1.44mm 。若电子学系统的误差（ FWHM ）为 Δxe=0.3mm ，则沿着阳极丝方向，总的位置分辨率（ FWHM ）为 Δx≈1.47mm 。

在垂直于阳极丝方向，阳极丝丝距 s决定测量的精度，该方向的位置分辨（ FWHM ）约为 0.7s。所以，阳极丝丝取 2mm可以达到较好的精度。

计数率：总的计数率达到 1×105 。

目前进展

高气压容器腔体及气体循环净化系统已经加工完成； 用于中子探测的多丝室已经制作完成； 下一步： 探测器的组装； 充工作气体； …………

谢谢！