涂硼 GEM 中子探测器研究 周健荣 1) ，李科 1,2) ，周良 1) ，孙志嘉 1) ，胡碧涛 2) ，陈元柏 1) 1) 中国散裂中子源 (CSNS) 1) 中国科学院高能物理研究所 2) 兰州大学核科学与技术学院 2015 年 7 月.

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1 涂硼 GEM 中子探测器研究 周健荣 1) ，李科 1,2) ，周良 1) ，孙志嘉 1) ，胡碧涛 2) ，陈元柏 1) 1) 中国散裂中子源 (CSNS) 1) 中国科学院高能物理研究所 2) 兰州大学核科学与技术学院 2015 年 7 月

2 MPGD 2015 ， 兰州大学， 2015 年 7 月 内容提纲  研究背景与科学意义  研究内容及关键技术  样机研制与测试结果  总结与下一步研究计划  致谢 1

3 MPGD 2015 ， 兰州大学， 2015 年 7 月 广泛应用的中子技术 2 中子的优势： Ⅰ. 电中性 ，穿透力强，轻元素敏感，同位 素分辨，有磁矩 ，磁性微观分析 Ⅱ. 与 X 射线技术互补，是研究物质微观结构 的重要手段 中子照相 X 照相 蛋白质结构 X 散射技术 中子散射技术 储氢纳米管 可燃冰 天然气管道裂痕检测

4 MPGD 2015 ， 兰州大学， 2015 年 7 月 国内三大中子科学平台未来对中子探 测器有着迫切的需求 3 中国原子能研究院先进研究堆 - CARR 中物院核物理与化学研究所反应堆 -CMRR 中国散裂中子源 -CSNS

5 MPGD 2015 ， 兰州大学， 2015 年 7 月 中子探测技术发展与现状 世界上约 75% 以上的位置灵敏热 中子探测器 采用基于 3 He 的探测技术，主要有 3 He 管与 MWPC 4 中子探测器发展瓶颈：  3 He 气体短缺：美国限制 3 He 气体的出口，供应量是 原来的 1/5 ，价格是原来的 20-30 倍！  计数率低： <100kHz 必须研制替代 3 He 的高计数 率中子探测器，以满足国 内当前和未来中子散射实 验的需求。 3 He 气体的来源：氚的副产物中获得 3 He ： 小角散射谱仪 常用中子探测材料： 3 He ， 6 Li ， 10 B

6 MPGD 2015 ， 兰州大学， 2015 年 7 月 国际上 3 He 替代中子探测技术比较 5 探测器类型研究现状技术瓶颈研究实验室 6 LiF/ZnS(Ag) 探测效率大于 30% ，位置分辨率约 1mm γ 抑制能力低 J-PARC ， SNS ， ISIS ， IHEP BF 3 管 2atm BF 3 管，探测效率约 30% 探测效率低 Centronic ， ILL 网格探测器 (Multi-Grid) 像素 2cm ，探测效率大于 40% ，容 易大面积扩展，位置分辨可提高， 综合性能与 3 He 探测器相当 大面积读出 电子学庞大 ESS, ILL,TUM, ISIS ， IHEP 内涂硼管热中子探测效率约 30% 探测效率低 PTI, Centronic ， GE ， 清华 涂硼 GEM 探测效率大于 30% ，位置分辨率约 3mm 探测效率低 德国海德堡大学， KEK ， GSI, IHEP

7 MPGD 2015 ， 兰州大学， 2015 年 7 月 GEM 探测器的优势 6 1997 年由 Fabio Sauli 于 CERN 发明 核心优势：  作为一种微结构气体探测器，代表未来气体探测器的发展方向  高计数率 (10MHz/mm 2 ) ，测量动态范围广  高分辨，本征位置分辨率 ~100μm ，本征时间分辨率～ 10ns  可制作成各种形状，如平面、桶型、弧形等  可大面积制作，成本相对较低

8 MPGD 2015 ， 兰州大学， 2015 年 7 月 涂硼 GEM 中子探测器应用和发展目标 束流测量：中子束监测器 / 诊断器，测量波长，强度及形状 中子散射实验： 小面积、高精度谱仪探测器 7 GEM Ar/CO 2 ｎ a or 7 Li 3kV/cm 1 kV/cm 涂硼漂移电极 二维读出电路 漂移区 感应区 Replace

9 MPGD 2015 ， 兰州大学， 2015 年 7 月 涂硼 GEM 中子探测器 8 GEM Ar/CO 2 ｎ 涂硼漂移电极 漂移区 感应区 关键技术：  涂硼技术  磁控溅射镀膜  GEM 膜  IHEP 自研的 THGEM  高密度、高速读出电子学  ASIC+FPGA+Ethernet  探测器系统集成设计  以工程应用为驱动 Cu ｎ   ｎ 10 B Insulator

10 MPGD 2015 ， 兰州大学， 2015 年 7 月 技术要求：  基材：铜膜，硼结合牢固  厚度： ~1um ，厚度偏差小于 5%  纯度：大于 99%, 10B 丰都大于 90%  有效面积： 50mm×50mm, 100mm×100mm, 200mm×200mm 硼作为中子转换层的优点： 反应截面大，转换粒子能量高，固体转换层厚度薄 (<3μm) ，时间分辨高，天然存在易获得， 化学稳定，低 Z Gamma 不敏感 难点： 属于非金属介质，熔点高 (2076 ℃ ) ，不易镀膜 可能方法： 热蒸发 (×) ，电泳 (×) ， CVD (√) ， ALD (√) 以及磁控溅射 (√) 磁控溅射镀硼技术 ( 北航和九院 ) Kapton Copper B-10 Ceramics Copper B-10 d p 1. 漂移电极涂硼 2. GEM 两侧涂硼 9

11 MPGD 2015 ， 兰州大学， 2015 年 7 月 研发中子探测专用 GEM 膜 —nTHGEM( 谢宇广 ) 10 Insulator Copper 伴随快中子 反冲质子 Copper Insulator Copper B-10 n d p 1. 热中子的散射 2. 伴随快中子反冲质子影响 3. 孔间距与敷铜率对探测效率和位置分辨的影响 有效面积： 50mm×50mm ， 100mm×100mm ， 200mm×200mm 单位 GEM 膜绝缘介质孔直径 d(μm) 孔心间距 p(μm) 铜厚 (μm) 膜总厚 (μm) 敷铜率ɳ CERNStandard GEMKapton7014056077% CERNTHGEMFR420050010-2020085% CERNnGEMKapton7021056090% IHEPnTHGEM 陶瓷 2006002020090% 位置分辨变差 为什么研发中子探测专用 nTHGEM 膜？ ---- 减少含氢材料使用

12 MPGD 2015 ， 兰州大学， 2015 年 7 月 高压与信号引出 11 信号引出：  X 与 Y 方向对称，每个象素 1.56mm×1.56mm ，  为减少中子散射，采用 Kapton 柔性 PCB ，通过层 间多层走线实现信号引出 高压引出： 采用 1 路高压通过电阻链分配的方式同时为 nTHGEM 提供 多路高压。 HV-in GND Cathode nTHGEM

13 MPGD 2015 ， 兰州大学， 2015 年 7 月 专用高压电源设计 ( 手动控制 ) 12 研究目的：  高压电源靠近探测器，减少高压引入的噪声  小型化，提高系统集成度，便携，降低功耗，真空下使用 纹波小于 20mV

14 MPGD 2015 ， 兰州大学， 2015 年 7 月 专用高压电源设计 ( 远程控制 ) 基于 NI-SOM 的网络控制, 运行实时 Linux 系统，集成 EPICS ，精度 16 bit(ADC/DAC) ，功耗 4W 13 DetectorHV ModuleSOMSwitch/PC Specifications ：

15 MPGD 2015 ， 兰州大学， 2015 年 7 月 采用二维信号符合的方法确定中子击中的位置，与重心法相比，不需要 读取电荷，速度快，包括模拟部分和数字部分：  模拟部分：由 4 片 64 路 ASIC 芯片 ( 国外采购 ) 完成，每一路包含前置放大器、成 形电路与比较器，输出带有时间戳和读出条 ID 的数字信号  数字部分：基于 FPGA 实现，中子击中时一般 2~3 个相邻读出条相应，通过信 号符合，挑选相邻且同时的事例，最终给出中子击中的位置与时间信息，数据 由网络端口传送至 PC 14 FPGA 读出条前放 + 成形 符合电路 甄别器 击中事例 (x,y,t) DAC 256 路 (x 、 y 方向 ) 网络读出 电脑 & 数据获取 ASIC 读出电子学与数据获取

16 MPGD 2015 ， 兰州大学， 2015 年 7 月 探测器原理样机设计 IHEP-THGEM Ar/CO 2 (90/10) 2mm 4 mm ｎ a or 7 Li 2kV/cm 1 kV/cm IHEP-BUAA 涂硼漂移电极 二维读出电路 漂移区 感应区 探测器结构： 系统布局： 气体腔室 DAQ –Box usb 通气口 15 性能参数 设计指标 有效面积 50mm*50mm 热中子注量率 <10 9 n/cm 2.s 位置分辨率 <3mm(FWHM) TOF 时间分辨率 <1μs 探测效率 @1.8Å ～ 5% 总计数率 >1MHz

17 MPGD 2015 ， 兰州大学， 2015 年 7 月 面均匀性测试 @ 55Fe X ray 55 Fe 放射源通过 2mm 直径准直孔对准探测器面 上 5 个点，分别测量 5 各点计数， 5 个点计数不 均匀性小于 5% 16

18 MPGD 2015 ， 兰州大学， 2015 年 7 月 计数率测试 @X 光机 X 光机与测试现场 探测器坪曲线、总计数率随 X 光机电流变化 牛津 X 光机参数： 靶： 铜 特征 X 射线： 8keV 工作电压： 10-50keV 电流： 0.1-1mA  1MHz 以上开始出现 饱和，但是仍能工作  总计数率～ 2MHz 时 数据获取系统停止工作 X 光机高压选择 20kV 探测器总电压选择 2100V 高压分配盒探测器 X 光机 铅屏风 17

19 MPGD 2015 ， 兰州大学， 2015 年 7 月 18 中国计量院强流 X 光机测试 X 射线单能光子源 GEM 探测器 HV=-2250V X 光机 准直器单色器 准直器 能量： 60keV

20 MPGD 2015 ， 兰州大学， 2015 年 7 月 中国原子能科学研究院 CARR 堆中子束流测 试 19 反射谱仪：  单色器： 石墨  中子波长： 4.75 /2.4 Å  出口通量：～ 5×10 3 n/cm 2 ·s  束斑形状： ～ 20mm×40mm TOF 测试 2.4 Å 4.7 Å 聚焦硅单色器焦距和焦斑测量

21 MPGD 2015 ， 兰州大学， 2015 年 7 月 九院二所 CMRR 堆中子束流测试  粉末衍射谱仪： 中子波长： 1.59 Å (0.0324eV) 出口通量：～ 3*10 4 n/cm 2.s 束斑设计尺寸：～ 25mm×30mm 束流孔道单色器 样品环境 探测器 20 FWHM: 2.87±0.01 3.00±0.01 2.75±0.01  反射谱仪 (TOF ) 老化实验 波长 @TOF

22 MPGD 2015 ， 兰州大学， 2015 年 7 月 大面积 nTHGEM 探测器研制 探测器结构 X/Y 二维读出条经多层 PCB 板引出 21 THGEM Readout board X-Y strip n THGEM- 10B Cathode-10B Ion -HV Multilayer Ar/CO2(90/10) 技术参数  有效面积： 200mm×200mm  高分辨区：中心区 40mm×40mm ，条宽 0.63mm  低分辨区：四周，条宽 3.13mm  路数： X(64 路 )+64( 路 )=128 路 200m m 40mm 高压 前端电子学 入射窗

23 MPGD 2015 ， 兰州大学， 2015 年 7 月 密闭探测器研制 研究动机：  与外界密封隔绝，确保探测器性能长期稳定，不容易受外 接环境影响。  可以进一步简化探测器，便于应用各种苛刻环境。  关键技术： 1 ） 探测器密封， 2 ）材料选择， 3 ） Outgassing 22 高压 前端电子学 探测器 配气充 气装置 烤箱

24 MPGD 2015 ， 兰州大学， 2015 年 7 月 总结与下一步研究计划 总结：  关键技术国产化已经基本实现。  探测器原理样机研制成功，通过了中子束流在线测试。 下一步研究计划：  研制更大面积、更高效率探测器。  研制密闭式探测器。  进一步系统集成，满足工程应用需求。 23

25 MPGD 2015 ， 兰州大学， 2015 年 7 月 致谢 CSNS 工程项目 国家自然科学基金委 核探测与核电子学国家重点实验室 兰州大学核科学与技术学院 东莞理工学院中子探测与快电子技术实验室 中物院中子物理学重点实验室，核物理与化学所 209 室 中国原子能科学研究院， CARR 中子散射研究室 中国计量科学研究院电离辐射计量科学研究所 24

26 MPGD 2015 ， 兰州大学， 2015 年 7 月 25