基于Triple GEM结构的高探测 效率快中子探测器研究进展 报告人：王晓冬 2015年7月23日

主要内容 ●背景 ●高效快中子探测器的初步实验结果 ●能量选择性成像谱仪的提出 ●下一步工作 南华大学 核辐射与核测控研究室 南华大学 核辐射与核测控研究室 2019/5/13

超极化3He核磁共振 高分辨率CT图像 3He气体用途及其趋势 Nature ： Comment 485, 573–575 (31 May 2012) J Magn Reson Imaging. Dec 2010; 32(6): 1398–1408 Report of Congressional Research Service of U.S. 2011 3He气体用途及其趋势 南华大学 核辐射与核测控研究室 2019/5/13

背景 国产涂硼 磁控溅射 北京航天航空大学 兰州大学，2013年立项 中南大学&中国原子能科学院，2013年立项 ｎ GEM_800V Ar/CO2 (70/30) 2 mm 6 mm ｎ a or 7Li 3kV/cm 0.92kV/cm 阴极10B Preamplifier PCB 北京航天航空大学 兰州大学，2013年立项 中南大学&中国原子能科学院，2013年立项 南华大学 核辐射与核测控研究室 2019/5/13

背景 较强可塑性：中子探测器 成 本 低 廉： Ar/CO2/CH4 高 增 益： 102-106 位 置 分 辨： 80 um 高 增 益： 102-106 位 置 分 辨： 80 um 能 量 分 辨： 17%@55Fe 时间分辩: 4.5ns@Ar/CO2/CH4 计 数 率 高： 107 mm-2/s 灵敏区可调：5 cm2-5 m2 较强可塑性：中子探测器 NIM. A, 386:531---534,1997 http://gdd.web.cern.ch/GDD/ Nature 411, 662-665 (7 June 2001) 南华大学 核辐射与核测控研究室 2019/5/13

背景 1，中子转化方式： 单层聚丙烯（PP）转化技术 1，中子转化方式： 多层聚乙烯（PE）转化技术 http://www.ptb.de Cortesi M, et al. JINST, 2012, 7, C02056 （PSI） 南华大学 核辐射与核测控研究室 2019/5/13

高效快中子转换 结构的蒙卡模拟 多层中子-质子转化层模型的计算机模拟 多层高密度聚乙烯（HDPE）快中子探测原理图 南华大学 核辐射与核测控研究室 2019/5/13

模拟结果表明： 1，对于14 MeV单能中子，当转化单元个数为400个时，探测效率为2.36%； 探测效率随转化单元个数的变化曲线 垂直距离重建位置精度 模拟结果表明： 1，对于14 MeV单能中子，当转化单元个数为400个时，探测效率为2.36%； 2，入射中子与GEM上表面的垂直距离的重建精度好于2.62%。 WANG Xiaodong et al., SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy, (2013) 9 56:1744-1749 南华大学 核辐射与核测控研究室 2019/5/13

GEM探测器的 设计、搭建和测试 探测器框架和PCB的设计和加工 尺 寸：290 × 290 × 56 mm3 高 压：7个高压 气 口: 进、出气口(同侧) by SolidWork 尺 寸： 360 × 360 mm2 方 式：单面条读出 条 宽：110 um 间 隔： 80 um 灵敏区：100 × 100 mm2 数 目：496条 by AutoCad and AltiumDesigner 南华大学 核辐射与核测控研究室 2019/5/13

GEM探测器的 设计、搭建和测试 探测器密封检测和搭建 气密性检测 GEM膜安装 供气系统：Ar：CO2=80:20 进气口 出气口 源:55Fe 前放142PC 高压接头 探测器测试图 数据采集系统 高压和NIM插件 南华大学 核辐射与核测控研究室 2019/5/13

1 3 2 Triple GEM原理图 标定结果： Q(pc)=0.000499×Ch-0.0019 两峰道址比值：2 gem 隔档 PCB 南华大学 核辐射与核测控研究室 2019/5/13

Triple GEM 探测器的基本性能测试 有效增益和能量分辨率随GEM总电压的变化曲线 实验结果：有效增益可达5.0 ×104， 能量分辨率为19.2% 南华大学 核辐射与核测控研究室 2019/5/13

中子探测器的搭建和测试 基于Triple GEM传统快 中子源 探测器 电子学及获取系统 1mm HDPE 南华大学 核辐射与核测控研究室 南华大学 核辐射与核测控研究室 2019/5/13

中子探测器的搭建和测试 基于Triple GEM传统快 实验条件： 漂移极电压：3000 V 三层GEM总偏压：881V 探测器测量Am-Be中子的能谱曲线 南华大学 核辐射与核测控研究室 2019/5/13

基于Triple GEM高效快 中子探测器的搭建和测试 第一版 第二 版 1mm 1mm 21层 38层 南华大学 核辐射与核测控研究室 南华大学 核辐射与核测控研究室 2019/5/13

基于Triple GEM高效快 中子探测器的搭建和测试 基于Triple GEM新型高效快中子探测器原理图 南华大学 核辐射与核测控研究室 南华大学 核辐射与核测控研究室 2019/5/13

有效快中子响应率随不同转化层数量的变化曲线 基于Triple GEM高效快 中子探测器的搭建和测试 单层 21层 38层 WANG Xiao-Dong, et al.,Chinese Physics C, (2014) 有效快中子响应率随不同转化层数量的变化曲线 南华大学 核辐射与核测控研究室 2019/5/13

第三版：3D 打印，价格4000/个 材料：ABS (ABS 树脂，Acrylonitrile Butadiene Styrene) 优点：:抗静电，防划痕 第三版：3D 打印，价格4000/个 南华大学 核辐射与核测控研究室 2019/5/13

电子在气体窄隙场的输运行为 多层厚度递减快中子转化结构 南华大学 核辐射与核测控研究室 2019/5/13

能量选择层：金属涂层的选择与涂抹技术 南华大学 核辐射与核测控研究室 2019/5/13

Micromegas+ T2K电子学，快中子成像实验结果。 2019/5/13

未加能量选择层的模拟验证 加能量选择层后成像效果 南华大学 核辐射与核测控研究室 2019/5/13

中子源示意图： 南华大学 核辐射与核测控研究室 2019/5/13

238Pu-Be中子源 241Am-Be中子源 20 Ci （2011年购入） 10 Ci 2005年购入） 南华大学 核辐射与核测控研究室 南华大学 核辐射与核测控研究室 2019/5/13

190N中子巡测仪 BH3213中子注量率仪 南华大学 核辐射与核测控研究室 2019/5/13

总结 1，使用多层HDPE快中子转化新结构来提高快中子探测效率。基于Triple GEM探测器建成了新型高效快中子探测器的原型机。实验结果表明当转化层达到38个时，对Am-Be中子的相对探测效率是单层转化技术的4倍多。 2，对快中子成像的实验结果进行了全过程模拟，验证了程序的合理性。 下一步工作 1，在单能中子源上对探测器的绝对探测效率进行刻度。 2，探索在聚乙烯基地上金属涂层的涂抹工艺。 南华大学 核辐射与核测控研究室 2019/5/13

感谢各位专家！ 诚邀各位专家来南华大学指导工作! 南华大学 核辐射与核测控研究室 2019/5/13