牛顺利、王志刚、颜嘉庆、张烜 探测器二组 2014-04-24 低中子吸收和低放射本底 国产厚GEM研究 -国重基金结题报告 谢 宇 广 牛顺利、王志刚、颜嘉庆、张烜 探测器二组 2014-04-24

项目介绍 年限金额：2013-5～2014-4， 12万 方向：新型国产厚GEM 应用：中子探测器，GPM，低本底实验 主要研究内容： 本项目的意义在于研发适用于中子探测和成像的低中子吸收国产厚GEM，以及适用于低本底实验的低放射性本底的国产厚GEM，这不仅能够将国产厚GEM推上新的台阶，而且这些尝试在国际的厚GEM研究和应用中也是新颖的，具有积极的开拓意义。

厚GEM基材对中子吸收和散射 厚GEM中子探测方法 探测器要求： 代替3He中子探测方法 10B4C straws Shifting Scintillator Neutron Detector (SSND) 10B4C straws Inclined boron detectors 10B-GEM New kind of scintillator, Cs2LiLaCl6 探测器要求： 1.好的时间分辨(ns); 2.高计数率(MHz/cm2); 3. 好的空间分辨(mm); 4. 大面积(m2) 5. 高n/γ排斥 6. 高的探测效率(few%) n converter + THGEM 厚GEM中子探测方法一 厚GEM中子探测方法二

中子探测效率 提高中子探测效率是关键，适用中子流强： 104～109 n/cm2.s 多层转换结构提高探测效率 TH 多层结构必须考虑材料对中子本身的影响 吸收和散射 不同基材对中子的吸收和散射将不同 本项目针对散射中子源的热中子（<1eV, 0.025eV）进行研究

FR-4，PTFE(Teflon)，Ceramic（Rogers4350B），Kapton 厚GEM基材类型及成分 FR-4，PTFE(Teflon)，Ceramic（Rogers4350B），Kapton 元素 中子截面 /b 含量（质量比） FR-4 （C10H12O23) Kapton (C22H10O5N2) PTFE (Teflon) (C2F4) Rogers4350B (Ceramic) 1-H 0.332 0.013159 0.026362 6-C 0.0035 0.131724 0.691133 0.240183 7-N 1.91 0.07327 8-O 0.00028 0.407238 0.209235 0.4850 9-F 0.0096 0.759817 11-Na 0.53 0.076654 0.024 12-Mg 0.001 13-Al 0.233 0.08 14-Si 171 0.2675 0.3430 17-Cl 35.3 0.018515 19-K 0.045 20-Ca 0.43 0.085209 0.002 26-Fe 0.02 28-Ni 37.2 29-Cu 3.78 79-Au 98.7 密度（g/cm） 1.85 1.42 2.2 3.66 基材 FR-4 PTFE (Teflon) Ceramic (Rogers4350B) Kapton 厚度 0.1-3.2 0.2-3 0.06-1 0.01-0.5 特点 通用 抗腐蚀、高低温 高频传输 电绝缘 机械性能 刚、韧性好 韧性好， 较脆 柔韧 成本 便宜 较高

中子损失率：定义为中子穿过材料后14mm位置，散射面直径大于3mm或者5mm的中子比率。 （5层THGEM） 3mm 200mm 大部分中子不发生散射(R=0) 发生散射部分中子R的分布

材料总厚度 3mm 材料总厚度 5mm

B转换层厚度对效率的影响 （基材厚度0.1mm）

n-α转换效率随B层数的变化 基材厚度0.1mm，B厚度1.6um，层间距2mm

厚GEM基材的放射性本底 气体光电倍增管（GPM）（VUV/UV光探测，暗物质探测，PET医疗成像等） VUV/UV光探测 暗物质探测

低本底γ谱仪 旧系统，0.5cps 新系统，0.01cps（0.6cpm)

测试材料（制作GPM相关）：FR4、SS、Ceramic、PTFE、Kapton， Quartz，Glass、MgF2等

FR4 Ceramic

经模拟效率修正后的最终结果（老系统）

经模拟效率修正后的最终结果（新系统）

不同基材厚GEM的制作和性能测试 基材 孔径 孔间距 板厚 批次(工艺改进） 数量 成功情况 FR-4 0.2/0.15 0.5/0.4 6 >80 √√√√√ PTFE (Teflon) 0.2 0.5 2 >20 Ceramic 3 >30 √√√ Kapton √√ Ceramic FR-4 基本灵敏面积： 50*50mm^2 不同材料的特性不同， 在微观结构和电气性能上也有区别 PTFE (Teflon) Kapton

PTFE

24%@ArIsoB 97-3，Gain 1.4*10^4

PTFE-Longterm 双层@ArCO2 80-20，Gain 2*10^4

Ceramic

30~%@ArIsoB 97-3，Gain 3*10^3

FR-4 已加工制作60*60mm^2和100*100mm^2规格的高位置分辨FR-4厚GEM

19.6%@ArIsoB 97-3，Gain 4*10^3

D150umP400um，Area60*60mm^2，双层

Laser 激光厚GEM快速加工制作工艺正在研究，已试验了三批样品，有望得到好的结果。 最大可能加工面积：500*1000mm^2 打孔时间：～10万/分钟

GEM/国产厚GEM对比 GEM(Gas Electron Multiplier) 气体电子倍增器（1997 by F. Sauli） THGEM(Thick Gas Electron Multiplier) 厚GEM （2004 by A. Breskin） GEM 项目 THGEM 50 T/um >=100 70 D/um 140 P/um >=300 10 Rim/u >=20 ~10^3 GainS >=10^4 ~10^4 GainD >=10^5 <20% σE S ~20% ~25% σE D ~30% <200u σx <500u High Tech Normal Cost Low Fragile Durability Robust Good Stability ++ Kapton Substrates FR-4, PTFE, Ceramic , 50um Kapton 3um Cu

存在问题 １.存在问题一是仍有两种基材的厚GEM工作性能不理想，需要仔细研究清楚问题并解决，希望能够使得四种基材的厚GEM都达到很理想的增益、增益稳定性，以及能够分辨，能够在Ar+CO2“绿色”气体中工作。 2. 由于中子实验比较难做，及以手头上的工程项目时间比较紧，因此没有来得及安排进行测试。 待发表成果 1.《低中子散射和低放射本底厚GEM研究》准备投NIMA；

经费支出 支 出 科 目 预算金额（万 元） 本年度支出 （万元） 备 注 1.科研业务费 3.5 1.8 中子测试末进行 2.实验材料费 预算金额（万 元） 本年度支出 （万元） 备 注 1.科研业务费 3.5 1.8 中子测试末进行 2.实验材料费 4.5 4.3 3.仪器设备费 2 1.6 4.会议、差旅费 1.5 1.4 5.文献信息费 0.5 0.3 合 计 12 9.4

感谢基金的支持！ 总 结 成功制作了FR-4、陶瓷、PTFE和Kapton四种不同基材的多批次厚GEM样品。 总 结 成功制作了FR-4、陶瓷、PTFE和Kapton四种不同基材的多批次厚GEM样品。 其中FR-4和PTFE很成功，陶瓷和Kapton仍需要改进。 3. 模拟了以上四种基材对热中子的吸收和散射的影响， Kapton>FR4>PTFE>Ceramic 与参考结果有较大出入。 4. 模拟了硼转换层厚度对转换效率的影响，基本上1～2um的硼层厚度能够达到效 率峰值，与参考结果符合较好。转换效率与转换层数成正比。 5. 先后利用两套低本底γ谱仪测试了FR-4、陶瓷、PTFE和Kapton四种不同基材以及 不锈钢、普通玻璃，ＭgＦ和石英等材料的放射性本底。结果表明FR-4的放射性本 底较高，也不适合于应用在低本底的场合。相对而言，陶瓷的放射性本底是最低 的，其次是PTFE，而Kapton基材比预想的要高。这些结果对于不同厚GEM基材的 放射性提供了很好的参考。 6. 在不同基材厚GEM制作的同时，我们基于机械打孔工艺实现了孔径150um，孔 间距400um,板厚150um的厚GEM的制作。这使得基于国产厚GEM来实现好于 200um的位置分辨的应用成为可能。 7. 将对存在的问题继续进行研究。 感谢基金的支持！