基于10B薄膜和多层MWPC的新型中子探测器研究进展 CSNS-探测器系统，孙志嘉 核探测器与核电子学国家重点实验室年会2014

Outline 项目基本信息、研究计划以及完成情况 研究工作取得的重要研究进展 经费使用情况 下一步工作计划

项目基本信息 项目名称： 项目类别： 项目负责人：孙志嘉 项目经费： 15万元 基于10B薄膜和多丝正比室结构的中子探测器的研究 核探测与核电子学国家重点实验自主研究课题（2013年度） 项目负责人：孙志嘉 项目经费： 15万元

项目研究目标 研究目标： 基于薄膜硼-中子转换层和多层MWPC技术，研究替代3He气体的新型中子探测技术，满足国内已有的中子实验装置对热中子探测器的需求。 关键性能指标： 位置分辨：<3mm 热中子探测效率：通过增加层数可达到40%

基于多层MWPC+10B膜做二维位敏热中子探测器的思路 中子探测采用间接探测，需要将中子先转换为带电粒子，再通过位敏探测器进行探测 中子位敏探测器 = 中子转换物质 + 带电粒子位敏探测器 为什么选10B膜做转换物质？ 转换物质：3He（气体），10B（BF3气体，B膜），6Li（Li膜，LiF闪烁体） 3He气体最适合，但由于其资源短缺，价格飞涨，需要研制新型的替代探测器 BF3气体，不能做高气压，毒性气体，不适合做高探测效率 B膜、Li膜和LiF闪烁体都是非常好的选择， 如果考虑获取的难度和制作成本，B膜是最佳选择 为什么选MWPC做带电粒子位敏探测器？ 气体探测器具有很好的n/gamma鉴别能力 MWPC的物质量少，制作多层结构不会造成中子的散射 IHEP具备MWPC的制作基础和经验，可以利用现有技术平台快速开展研究

项目关键技术 中子转换层（中子->带电粒子） 解决方案：涂10B薄膜； 难点：厚度？层数？稳定性？ 热中子高探测效率 解决方案：增加MWPC层数； 难点：多层结构？串扰？ 降低电子学通道数 解决方案：基于时间差技术获取位置； 中子转换层 信号读出 -时间差定位 高探测效率 多层MWPC

研究技术路线： 中子转换层—涂10B膜 基于时间差技术获取位置 多层MWPC 前期：通过M.C.模拟，确定涂10B膜的关键参数-厚度；通过采购进口的涂10B膜进行原理性验证； 后期：根据需求，结合与北航在涂硼技术上的研究基础，解决涂硼膜的国产化，最终采用自制的涂硼膜进行探测器制作； 基于时间差技术获取位置 研究延时模块的信号引出技术，确定此技术的重要参数， 例如相邻丝组之间的延时（？ns），测量时间精度，位置测量精度等 多层MWPC 设计探测器结构，制作单层MWPC探测器，进行测试 设计双层或三层探测器，研究层间串扰和信号读出问题

研究计划以及完成情况 2013年度（2013.05 至2014.05）： 优化设计探测器的结构，设计、加工柔性电路板、阳极丝板、读出丝板。（完成） 采购符合阳极丝板、读出丝板设计要求的镀金钨丝。（完成） 设计、加工MWPC探测器室体，解决信号和高压线引出、密封等问题，确保探测器的密封性。（已完成） 制作阳极丝框、读出丝框，检测丝的张力是否满足要求。（完成） 确定探测器的读出方式，测试延迟块的性能。（已完成） 组装单层MWPC探测器，完成延迟块读出方式和单层MWPC探测器的联调。（已完成）

内容提纲 项目基本信息、研究计划以及完成情况 研究工作取得的重要研究进展 经费使用情况 下一步工作计划 探测器结构的设计 涂硼工艺的研究 延迟块性能测试 时间差定位性能测试@单层MWPC 学术会议、文章 小结 经费使用情况 下一步工作计划

探测器结构设计 延迟块单元、柔性电路板 有效面积 100 mm × 100 mm 涂硼厚度 2 ~ 3 μm 层数 2层 阳极丝 读出丝 读出条 1mm，条宽0.8mm 读出方法 延迟块 工作气体 Argon、CO2 气体压强 1个大气压 延迟块单元、柔性电路板

镀金钨丝性能研究 阳极丝直径：25微米。 镀金钨丝25μm的极限张力100g，为较小因震动引起断裂，30g即可。 由金属丝扰度带来的最大不均匀性< 5%。 增益不一致性随张力的变化 阳极丝直径对增益的影响 增益不一致性随电压的变化

中子转换层 – 10B α射程 : ~3μm 7Li射程 : ~2μm (SRIM) 厚度~2.5μm,单层最大转换效率~5% α or 7Li 10B 99% Cu foil 7Li or α α射程 : ~3μm 7Li射程 : ~2μm (SRIM) 厚度~2.5μm,单层最大转换效率~5% 厚度越厚，能量越发散，出射集中在法线方向附近

中子转换层 – 10B 影响探测效率因素：中子转换效率（主要）、多层MWPC对次级粒子（alpha、7Li）的探测效率~99%。 中子转换效率：由硼层的厚度与层数决定，转换效率η与层数n、硼层厚度d可以用以公式表示（ ε(d)为单层转换效率）： 通过模拟结果看出，@2um硼膜厚度 2层硼膜 ~12%； 10层硼膜 ~38%； 20层硼膜 ~45%；

涂硼工艺的研究 磁控溅射技术镀膜： 沉积速度快 靶电压低 对衬底轰击能量小 易实现低温沉积 -200~-500V 磁芯 磁力线 样品 靶材 磁控溅射技术镀膜： 沉积速度快 靶电压低 对衬底轰击能量小 易实现低温沉积 原理：对于许多材料，磁控溅射的溅射速率几乎接近电子束的蒸发速率。 设备：4个Φ100mm的圆靶，1组220mm×50mm对靶的镀膜机。

参数影响 硼膜的制备 样品测试分析 涂硼工艺的研究 拟采取的实验方案： 气压：Ar+数量和B原子能量 磁控溅射方法镀硼，通过改变相关参数制得所需的产品。 样品测试分析 硼膜的制备 气压 功率 靶基距 过渡层 参数影响 气压：Ar+数量和B原子能量 功率：Ar+能量和数量 靶基距：B原子能量 过渡层：增强稳定性

涂硼工艺的研究 溅射气压： 溅射气压影响溅射粒子的能量，从结果上看，低的溅射气压对成膜产生有利的影响。 0.2Pa是理想的溅射气压。低于0.2Pa的工作气体难以维持辉光放电，无法连续工作，0.4Pa以上的溅射气压的薄膜结合力不足、表面不够致密。 0.2 Pa 0.4Pa 0.6 Pa

涂硼工艺的研究 溅射功率： 靶基距： 360W的功率适宜。溅射功率540W过大，导致存底和膜发生热变形。 5cm的靶基距较为适宜。过大的靶基距会导致不均匀，过小的靶基距会产生热变形。 360 W 540 W 7 cm 3 cm

涂硼工艺的研究 过渡层： xps成分分析： 通过加入过渡层（4）提高膜（3）与基底结（2）合的稳定性。 过渡层Al与基底Cu都是金属，溅射后结合性能好。 过渡层Al与膜B时同一族元素，性能相近，结合性能比Cu好。 xps成分分析： 从样品全谱图看出杂质原子主要有C、O、N。 杂质主要为有机物和氧化硼。

涂硼工艺的研究 利用磁控溅射技术镀硼基本能达到： 不足、改进： 膜厚：0.01μm ~ 3μm 有效面积：100mm×100mm 膜层中硼的纯度：~ 86% 不足、改进： 膜的纯度较低（小于95%），后期计划通过加强清洗，消除有机溶剂的影响，同时，提高溅射仪的气密性，减少氧元素参与的氧化反应。 膜厚的均匀性无法详细的精确测量。 优化过渡层，进一步加强膜和基底的结合性。

读出方法：延迟块 原理： 优点： 不足： 各个通道依次通过相同时间的延迟单元连接在一起 阳极提供公共触发信号 每个方向两路读出，通过信号到达时刻的时间差确定粒子入射位置 优点： 电子学通道少，单层MWPC只需5路电子学，有利于做多层探测器 不足： 信号引出复杂，需要根据实际情况确定阻抗匹配 会增加系统死时间，由于热中子探测器的计数率不高，因此可以忍受 信号的传输

延迟块性能测试 延迟单元特征： 延迟芯片1507-50C 延迟时间5ns/tab，阻抗200Ω 等效电容25pF 等效电感1μH 截止频率~20MHz 通道间差异和时间延时线性，好于3% 波特图，频率响应达到10MHz 等效电路图

延迟块性能测试 线性刻度： 拉制阳极丝板、读出丝板 在清洁间组装探测器 信号发生器 测试在不同位置输入时的时间差 频率：1kHz 脉宽：100ns 上升沿：5ns 测试在不同位置输入时的时间差 读出丝板共50路，位置与时间差成线性关系： y= 0.095x + 25.17 读出条板共100路，位置与时间差成线性关系： y=0.0829x + 51.38

时间差定位性能测试@单层MWPC 信号特征： 工作气体 Ar/CO2 （90/10） 55Fe X射线源 信号上升沿 ~40ns Delay Line CFD LeCroy Wavesurfer 64Xs Trigger from anode Signal pulse Amp 信号特征： 工作气体 Ar/CO2 （90/10） 55Fe X射线源 信号上升沿 ~40ns 信号底宽~80ns

时间差定位性能测试@单层MWPC 坪长：400V （2000V ~ 2400V） 坪斜率：2.12% / 100V 增益：~ 9000 能量分辨：~ 25%

时间差定位性能测试@单层MWPC 位置分辨： 线性，两个方向均很好； 位置分辨能力，中间好，两端较差： 垂直于阳极丝方向， σ ~500μm； 平行于阳极丝方向，σ ~600μm；

时间差定位性能测试@单层MWPC 二维成像：可以成像 工作电压 +2350V / -1800V 放射源 长条型55Fe X射线源 垂直阳极丝方向的调制现象明显

会议、文章 参加的会议： 文章： 参加中国核学会2013年会，哈尔滨，2013.09 王艳凤、孙志嘉、祁辉荣等。大面积中子探测器的研制。第三届中国核学会学术年会论文集，2013。 叶笛、肖宇、刁训刚、孙志嘉等。涂硼中子探测器中的硼转化层工艺研究。第三届中国核学会学术年会论文集，2013。

小结（1） 中子转换层—10B膜 通过M.C.模拟研究，确定10B膜厚度（2um），热中子探测效率可以达到38% @10层2um10B膜； 10B膜国产化，在与北航联合研究的磁控溅射镀硼工艺基础上，成功制作了1um厚度的涂硼膜，已经着手准备测试；针对现有的问题，后续将继续优化工艺，增加硼的厚度、纯度、结合性； 多层MWPC 设计并制作了研究用的单层MWPC探测器； 完成阳极丝、读出丝、柔性电路板的制作； 根据单层MWPC的测试结果，设计多层MWPC探测器；

时间差定位技术研究 通过以上的实验研究 小结（2） 验证了延迟块读出方式的可行性，详细测试了延迟块的关键性能； 在单层MWPC探测器上，测试了时间差定位技术，获得了较好的能量信息、位置信息、二维成像； 通过以上的实验研究 解决了基于“多层MWPC+10B膜”技术的二维位敏热中子探测器的关键技术； 制定了下一步研究计划，可以在下一年度制作出探测器样机，并开始中子测试研究；

内容提纲 项目基本信息、研究计划以及完成情况 研究工作取得的重要研究进展 经费使用情况 下一步工作计划 涂硼工艺的研究 探测器结构的设计 延迟块性能测试 时间差定位性能测试@单层MWPC 学术会议、文章 小结 经费使用情况 下一步工作计划

经费使用情况 预算金额（万） 本年度支出（万） 科研业务费 硼层测试 3.0 2.5 文章版面及办公 0.5 实验材料费 镀金钨丝 室体及密封器件 1.0 工作气体 其他清洁材料 2.0 仪器设备费 专用电子学和读出系统先期研究 5.0 4.3 会议、差旅费 核学会会议注册 0.0 0.7 总计 15.0

下一步工作计划 2014.5 – 2014.9：确定多层MWPC探测器系统各部分的详细结构参数，完成MWPC中柔性电路板、阳极丝板、读出丝板的组装，并测试气密性。 2014.9 – 2014.11：前期单层MWPC探测器与延迟块联调时，发现信号的反射现象较明显，需要解决多层MWPC与延迟块联调时的信号反射、串扰现象。 2014.11 – 2015.2：利用X射线源测试多层MWPC、延迟块读出方法的可行性。 2015.2 – 2015.4：利用252Cf中子源对探测器系统进行测试，包括热中子探测效率、位置分辨、二维成像等等，根据实验结果优化探测器结构，为进一步提高探测效率、位置分辨等性能提供实验依据。

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