亚毫米高分辨涂硼GEM中子探测器方法研究

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1 亚毫米高分辨涂硼GEM中子探测器方法研究
周建晋1,2，吴会寅1，周健荣1,2,3，周晓娟2,3，张毅1，胡碧涛1，孙志嘉2,3，陈元柏2,3 1）兰州大学 2）中国科学院高能物理研究所 3）核探测与核电子学国家重点实验室

2 内容梗概 1. 研究背景 2. 基于复合涂层限制Alpha出射角度的方法 3. 基于时间差法寻找Alpha出射顶点的方法 4. 总结展望

3 研究背景 中子位置分辨在2-3mm左右，无法满足高精度中子成像和中子散射的实验需求，中子成像需要探测器分辨达到亚毫米精度。
Au-THGEM Ar/CO2 (90/10) Di=2 mm Dd=4 mm n Ei Ed Cathode 2-D strips using a 64 channel ASIC based readout with x-y coincidence HV-in GND 3MΩ 7.5MΩ 4.7MΩ 10MΩ 2μm 10B Active area 50mm*50mm FWHM: ± ± ±0.01 253mm 144mm FWHM: ± ± ±0.01 中子位置分辨在2-3mm左右，无法满足高精度中子成像和中子散射的实验需求，中子成像需要探测器分辨达到亚毫米精度。

4 基于角度信息的优化 n B4C Al n B4C Al Stop

5 基于时间信息的优化 1st周期 2nd周期 3rd周期 4th周期 5th周期 n 转化层

6 基于复合涂层限制Alpha出射角度的方法

7 热中子与0.1um厚B4C产生次级粒子的能谱与角分布（与中子入射方向的夹角）
位置分辨优化 热中子与0.1um厚B4C产生次级粒子的能谱与角分布（与中子入射方向的夹角） 1.5umAl2O3 1.5umAl2O3 在B4C上再镀一层Al2O3或Al，来阻挡大角度出射粒子，同时粒子射程也会变短。

8 模拟难点 n α or 7Li 一个有效中子的初电离电子数平均为31990个，全模拟所需约18.5天的时间，限制了高统计量中子的模拟。
Al THGEM Ar/CO2 (90/10) 2mm 4mm α or 7Li 3.5kV/cm 1kV/cm 漂移极 PCB 漂移区 感应区 n B4C Stop 一个有效中子的初电离电子数平均为31990个，全模拟所需约18.5天的时间，限制了高统计量中子的模拟。 针对GEM探测器的结构，建立唯像模型代替程序中Garfield++对电子的计算部分，将时间缩短为70秒（包含后续的数据处理耗时）。

9 Garfield++模拟电子在气体中的漂移扩散雪崩等过程建立唯象模型
模拟思路 Geant4模拟中子与B10反应 气体中电离激发得到初电子信息 收集电子信息，ROOT处理 ANSYS模拟探测器结构及电场分布 Garfield++模拟电子在气体中的漂移扩散雪崩等过程建立唯象模型 X方向周期600μm Y方向周期600√3μm 匀强电场的部分：计算 μ 、σ THGEM膜的部分： X Y 线性插值 5×5 →41×41 参数：X μ1 μ2 σ1 σ2 S1/S2 Y μ1 μ2 σ1 σ2 S1/S2 t μ1 μ2 σ1 σ2 S1/S2 gain M

10 在B4C上镀1.5umAl2O3后，FWHM = 650um。
模拟结果 重心法： xi为第i个读出条的中心坐标， mi为第i个读出条收集的电子数。 𝒙 𝟎 = 𝒙 𝒊 × 𝒎 𝒊 𝒎 𝒊 在B4C上镀1.5umAl2O3后，FWHM = 650um。

11 镀Al2O3后位置分辨模拟结果 1.47MeV的alpha粒子在Al2O3中的射程为2.9um。 镀Al2O3越厚，中子位置分辨越好。
一定读出条宽度范围内，中子位置分辨受读出条宽度的影响不明显。 当中子位置分辨越好时，随着读出条宽度的增大，位置分辨会受到读出条宽度的调制。

12 1.47MeV的alpha粒子在Al中的射程为4.6um。
在B4C上镀1.2um的Al2O3或2.0um的Al，读出条周期小于1mm的情况下，中子位置分辨可以达到亚毫米量级。 展望：对漂移极B4C上镀Al2O3或Al的探测器进行实验测试。

13 基于时间差法寻找Alpha出射顶点的方法

14 入射位置修正原理 传统的重心法得到的位置C点与真正的入射到B点有较大偏差。 将漂移区看做一个小型TPC，利用径迹的时间信息对入射点进行修正。

15 电子学系统 APV25芯片： 128路 40 MHz/20 MHz 波形采样 30 Samples/Trigger
硅探测器->GEM探测器 1. 6个采样周期扩展到30个； 2. 光纤转以太网，直接连PC； 3. 数据通量上限120MB； 4. 可以接16个APV25。

16 Alpha源测试 放射源：Am241 α源； 狭缝：宽度100um、200um、300um，间距30mm，最大出射角分别为45°、63.4°、71.6°； 工作电压：-1830V/-1350V/-600V； 读出方式：XY条读出，周期600um，各167路。

17 Alpha实验测试 Gas In Gas Out 高压 以太网 HDMI 母板 背板 APV25 低压电源 Detector PC

18 Alpha测试结果 43通道（黄线）最先出现信号，48通道（灰线）最后出现信号（靠近入射点）。通道之间的信号有很好的时间性。

19 修正方法 48.5 信号的波形 每个点表示每一个周期的重心。 时间外推法

20 时间外推法 P = α × K + β 第一个狭缝数据： 横坐标是重心移动与信号的加权平均值， 纵坐标是径迹重心。 两者基本属于线性关系：
对于一个α事件，需要将径迹重心外推11.55 个重心偏移加权平均值才是它真实的入射点。

21 时间外推法 第二个狭缝 K=-11.43 第三个狭缝 K=-11.40

22 时间外推法与传统重心法结果对比 展望：到CSNS测量热中子，利用该方法测量探测器极限位置分辨 0.60mm 0.57mm 9.1mm
FWHM=0.45mm 29.98mm 29.79mm 展望：到CSNS测量热中子，利用该方法测量探测器极限位置分辨

23 总结展望 完成了基于唯象模型的中子探测器位置分辨的蒙卡全模拟及优化，通过在B4C上镀Al或者Al2O3，可以使位置分辨达到500um以下。下阶段进行探测器设计并进行中子测试。 通过基于APV25的数据获取系统，采用时间外推法使得alpha（模拟热中子-硼）位置分辨达到450um。下阶段进行探测器设计并进行中子测试。

24 THANKS FOR YOUR ATTENTION

25 模型解释 匀强电场的部分： σ与漂移距离成正比 THGEM的部分： 峰面积即电子数

26 模型计算 参数：X μ1 μ2 σ1 σ2 S1/S2 Y μ1 μ2 σ1 σ2 S1/S2 t μ1 μ2 σ1 σ2 S1/S2 gain M

27 模型验证 σ= 0.03cm n Li7 24.82° B4C 通过对比确定模型的正确性