王艳凤 孙志嘉 祁辉荣 田立朝 中国科学院高能物理研究所 CSNS 探测器系统 MWPC气体探测器的研制 王艳凤 孙志嘉 祁辉荣 田立朝 中国科学院高能物理研究所 CSNS 探测器系统

Outline 研究背景 大面积MWPC探测器的研制 多层MWPC探测器的研制 总结 难点克服 测试结果 延迟块读出方式 初步测试结果 工作丝的拉伸 丝张力的测试 测试结果 多层MWPC探测器的研制 延迟块读出方式 初步测试结果 总结

研究背景 有很好的n/gamma鉴别能力 MWPC的物质量少，制作多层结构对中子的散射影响较小 我国先进研究堆（CARR）和散裂中子源（CSNS）需求：大面积、高效率和具有二维定位精度的中子探测器成为主要的研究方向。 MWPC气体探测器作为中子探测的备选： 有很好的n/gamma鉴别能力 MWPC的物质量少，制作多层结构对中子的散射影响较小 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 CARR CSNS

大面积MWPC探测器结构 阴极窗：工作高压为负高压，提供漂移电场。 阳极板：张力为50g，共165根丝焊接一起。 d=8mm d= 4mm w=2mm s= 4mm Y View 有效面积 650 mm × 650 mm 阴极窗 130μm 阳极丝 25μm，间距4mm 读出丝 50μm，间距2mm 读出条 4mm，条宽2mm 读出方法 重心法 工作气体 Argon、CO2 气体压强 流气室 阴极窗：工作高压为负高压，提供漂移电场。 阳极板：张力为50g，共165根丝焊接一起。 读出丝：张力为120g，330根丝共165路读出。 读出条：垂直于阳极丝，共165路读出。

丝的拉伸、张力的测试 2mm厚阳极丝板受到的张力8250g。 2mm厚读出丝板受到的张力39600g。 机械设计实现张力转移。 wire ~HV wire

测试结果 —— 增益 混合气体：Ar/CO2(90/10) 55Fe X射线在工作气体中产生的原初电子数N~200 探测器 电荷前放 读出丝信号 读出条信号 阳极丝信号 GQ FAN CAC Start Clock Trigger VME 64X PC By IHEP电子学、获取组 混合气体：Ar/CO2(90/10) 55Fe X射线在工作气体中产生的原初电子数N~200 在电子学的收集时间内（1μs），阳极丝可以收集50%的电荷量 阳极丝产生的电荷量(fc)为：Q=0.5NGe=0.016G 探测器室体

测试结果 —— 能量分辨 工作气体： Ar/CO2(90/10) 高压：1900V/-1500V 狭缝200μm，厚10mm。 18.4% 工作气体： Ar/CO2(90/10) 高压：1900V/-1500V 狭缝200μm，厚10mm。 能量分辨：18.4%。 探测器的能量分辨在不同高压、不同位置上均保持在20%左右。

测试结果 —— 位置分辨 好的X射线事例的选择标准： 位置分辨：σ=0.24mm。 随着阳极丝高压的增加，沿着丝方向的 位置分辨变好。 着火条数均为5~7根。 X读出平面感应电荷量范围 120~480。 Y读出平面感应电荷量范围 100~400。 位置分辨：σ=0.24mm。 随着阳极丝高压的增加，沿着丝方向的 位置分辨变好。 不同位置的位置分辨Sigma保持在 0.2mm左右。

基于3He、MWPC中子探测物理过程分析： 探测器对中子的位置分辨（FWHM）： = 2.35mm 为实现65%的中子探测效率，探测器的设计中采用： 4.8atm3He+1.2atmC3H8。 质子在该混合气体中的射程为2.71mm。 核反应产生的次级粒子带来的偏差： 多丝正比室本征位置分辨：3H、P在工作气体中电离、原初电子雪崩放大。 MWPC沿着丝方向的本征位置分辨：

多层MWPC探测器的研制 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

延迟块性能测试、刻度 延迟单元特征： 线性刻度： 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% 线性刻度： 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

初步进展 随着阴极负高压的增加，能量分辨逐渐稳定。 当Cathode不加高压时，仍然可以发生雪崩现象，但信噪比非常差。 阴极负高压，对探测器的增益，影响不大。

初步进展 坪曲线： 坪长300V（1950V ~ 2250V） 55Fe能谱：

初步进展 Ar/CO2（90/10），5.9keV 55Fe，阳极丝信号经前方，进入多道。 多道利用信号发生器进行能量刻度。 在坪区范围内，能量分辨保持在25%左右，同时，增益呈指数上升。

总结 大面积MWPC: 大面积MWPC能正常工作，并完成室探测器的测试，包括增益、位置分辨（sigma 0.24mm）、能量分辨（~20%）。 后续在条件允许的情况下，充入高气压的3He气体进行中子测试。 多层MWPC: 2层MWPC结构基本可以正常运行，通过多道，初步测试了探测器的能量分辨（~25%）。 研究延迟块读出方式的可行性，完成线性刻度。 后续配齐电子学，进行位置分辨等性能的测试。

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