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

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1 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

2 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

3 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

4 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。

5 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

6 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

7 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。

8 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。

9 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：

10 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

11 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 读出条板共100路，位置与时间差成线性关系： y=0.0829x

12 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。

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

14 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。

15 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。

16 谢谢！