CN106950592A - 一种基于多层涂硼薄膜和多丝正比室的中子探测器 - Google Patents
一种基于多层涂硼薄膜和多丝正比室的中子探测器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106950592A CN106950592A CN201710138568.3A CN201710138568A CN106950592A CN 106950592 A CN106950592 A CN 106950592A CN 201710138568 A CN201710138568 A CN 201710138568A CN 106950592 A CN106950592 A CN 106950592A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- face
- gold
- wire
- silk
- read
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 52
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 52
- 239000012528 membrane Substances 0.000 title claims abstract description 10
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 78
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 29
- 238000010422 painting Methods 0.000 claims abstract description 23
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims abstract description 22
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims abstract description 22
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 25
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 9
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims description 8
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims description 8
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims description 4
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 7
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 8
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 8
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 7
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000011664 signaling Effects 0.000 description 4
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 238000001956 neutron scattering Methods 0.000 description 3
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 3
- 238000003491 array Methods 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 2
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 2
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000005030 aluminium foil Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000007665 sagging Methods 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
- G01T3/00—Measuring neutron radiation
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Measurement Of Radiation (AREA)
Abstract
本申请公开了一种基于多层涂硼薄膜和多丝正比室的中子探测器。本申请的中子探测器包括至少一个中子检测单元，中子检测单元由平行的第一涂硼入射窗、第一读出丝面、阳极丝面、第二读出丝面和第二涂硼入射窗组成；两读出丝面分别由若干平行镀金钨丝排列而成，各读出丝面中两条镀金钨丝为一路读出通道连接一延迟块单元，各读出丝面延迟块单元串联后分别由两路信号引出，两读出丝面的镀金钨丝走向垂直；阳极丝面由若干平行镀金钨丝排列成，其镀金钨丝与第一读出丝面镀金钨丝走向相同。本申请的中子探测器，通过测量延迟块单元两端信号时间差，来确定入射中子位置，减少了电子学的读出路数；本申请的中子探测器制作可在国内完成，真正实现了国产化。
Description
技术领域
本申请涉及中子检测设备领域，特别是涉及一种基于多层涂硼薄膜和多丝正比室的中子探测器。
背景技术
中子和X射线都是人类探索物质微观结构的有力工具。自1895年发现X射线后，人们就开始利用X射线的衍射、散射等特点研究物质的内部结构，并取得了很大的成就。中子及中子散射的应用使人们对物质微观结构的认识日新月异，和X射线主要与原子外围电子云发生相互作用不同，中子与电子云基本不发生作用，而主要与物质中的原子核发生相互作用。此外，中子不带电、具有磁矩、穿透性强、能分辨轻元素、同位素和近邻元素以及具有非破坏性等特性，使得中子散射技术成为研究物质结构和动力学性质的理想探针之一，是多学科研究中探测物质微观结构和原子运动的强有力手段。
常用的中子探测器主要有基于涂硼技术的GEM探测器、基于3He气体的正比计数管及多丝正比室和基于6Li的闪烁体探测器等。其中使用得最多的是基于3He的气体探测器，主要有3He正比计数管阵列和3He多丝正比室。相对于其他类型探测器，3He气体探测器具有探测效率高、位置分辨好、n/γ分辨能力好、抗辐射能力强等优点，并且可以大面积制作。早期基于3He气体的探测器主要是3He正比计数管阵列，由于3He管的中子探测器效率不均匀，为提高管壁附近的探测效率，往往需要填充高气压的3He气体，此外壁效应较为明显，位置分辨也较差。相对于3He管阵列，3He多丝正比室便于大面积制作，且3He使用量较少，位置分辨高。因此，3He气体多丝正比室是高定位精度中子探测器的首要选择。
但是，目前国际上3He气体的短缺，导致其价格飞速的增长，而基于涂硼技术的GEM探测器，由于GEM膜工艺的限制，国内无法做到大面积的薄型标准型结构，因此需要自主研制一种新型的中子探测器。
发明内容
本申请的目的是提供一种结构改进的基于多层涂硼薄膜和多丝正比室的中子探测器。
本申请采用了以下技术方案：
本申请公开了一种基于多层涂硼薄膜和多丝正比室的中子探测器，该中子探测器包括至少一个中子检测单元，中子检测单元依序由相互平行的第一涂硼入射窗、第一读出丝面、阳极丝面、第二读出丝面和第二涂硼入射窗组成；第一读出丝面由若干条平行的镀金钨丝平面排列而成，两条镀金钨丝为一路读出通道，每一路读出通道上设置一个延迟块单元，第一读出丝面的所有延迟块单元串联后由两路信号引出；阳极丝面由若干条平行的镀金钨丝平面排列而成，阳极丝面的镀金钨丝与第一读出丝面的镀金钨丝走向相同；第二读出丝面由若干条平行的镀金钨丝平面排列而成，同样的，两条镀金钨丝为一路读出通道，每一路读出通道上设置一个延迟块单元，第一读出丝面的所有延迟块单元串联后由两路信号引出；并且，第二读出丝面的镀金钨丝与阳极丝面的镀金钨丝走向垂直。
其中，阳极丝面的镀金钨丝与第一读出丝面的镀金钨丝走向相同，是指两个面的镀金钨丝相互平行，可以理解，阳极丝面和第一读出丝面这两个面本身是平行的，而构成两者的镀金钨丝走向相同，即两者的镀金钨丝同为横向排布或纵向排布。而第二读出丝面的镀金钨丝与阳极丝面的镀金钨丝走向垂直，则是指两个面的镀金钨丝相互垂直；当然，第二读出丝面和阳极丝面这两个面本身也是平行的，因此，两者的镀金钨丝只是在空间上垂直，并无交点。
本申请的中子探测器，使用时，第一涂硼入射窗和第二涂硼入射窗连接负高压，阳极丝面连接正高压，中子经过涂硼入射窗的10B层后转换成电子信号。两个读出丝面，即阴极丝平面，分别双端读出，两个镀金钨丝相互垂直的读出丝面，分别定义为平面的X轴和Y轴，这样就可以确定中子的入射位置。也就是说，一个中子检测单元共输出五路信号，一路为阳极丝的时间信号，作为起始时间T信号，另外四路为阴丝的x1、x2、y1、y2作为位置信号。T信号是公共的时间信号，通过记录和其它阴极上时间信号的时间差，来确定中子的入射位置。在本申请的一种实现方式中，五路信号均使用快时间前置放大器放大，前置放大后的信号经过恒比定时器进行甄别后，进入TDC采集；这样通过计算位置信号和开门信号之间的时间差来确定入射中子的位置。
需要说明的是，在第一读出丝面和第二读出丝面中，本申请都是采用的两条镀金钨丝为一路读出通道，每一路读出通道上设置一个延迟块单元；可以理解，如果一根镀金钨丝为一路读出，位置分辨更佳，但需要更多的延迟块单元，这会引入更多的噪声，对位置分辨有影响，综合考虑，本申请优选采用两条镀金钨丝为一路读出通道；当然，两种方式可以根据实际的测试来判断其好坏。
优选的，第一读出丝面、阳极丝面和第二读出丝面都采用直径为25μm的镀金钨丝，第一读出丝面和第二读出丝面的镀金钨丝之间的间距为1mm，阳极丝面的镀金钨丝之间的间距为2mm。
需要说明的是，阳极丝在探测器中起到关键性的作用，中子与硼层反应后，产生的次级粒子在工作气体中电离，电离后的电子在场强的作用下，漂移到阳极丝附近发生雪崩现象，阳极丝直径越小，丝附近的场强越大，电子越容易发生雪崩现象，增益也越大，但考虑到探测器的稳定性，太细的丝容易断，且抗干扰能力差，探测器一般采用25微米的镀金钨丝作为阳极丝。同时，考虑到阳极丝间距太小，较大的电容给探测器带来的噪声影响，阳极丝直径与间距保持约1％的对应关系。
优选的，第一涂硼入射窗与第一读出丝面之间间隔6-8mm，第一读出丝面与阳极丝面之间间隔约3mm，阳极丝面与第二读出丝面之间间隔约3mm，第二读出丝面与第二涂硼入射窗之间间隔6-8mm。
需要说明的是，第一涂硼入射窗与第一读出丝面之间的间距是漂移区，中子与硼反应后，产生的刺激粒子alpha和7Li在漂移区与工作气体产生电离，alpha和7Li在工作气体中的射程在4～6mm左右，如果漂移区较小，次级粒子的能量无法全部沉积，信号偏小，因此，第一涂硼入射窗与第一读出丝面间距一般选择为6～8mm较合适。
优选的，第一读出丝面和第二读出丝面上分别具有50-100路读出通道。
探测器的读出通道越多，其位置分辨更精确，但是对延迟块读出方式来说，通道越多，采用的延迟单元越多，由于延迟单元是由一些电阻、电容、电感组成的，对信号有衰减和反射的现象，反而导致探测器的信噪比差，位置分辨差，故对于1mm间距的读出丝而言，一根丝为一路读出，位置分辨更佳，但需要100个延迟单元，引入的噪声较多，对位置分辨有影响，而2根丝为一路读出，位置分辨虽然较差一些，但仅需要50个延迟单元，两种方式的好坏需要根据实际的测试条件来判断。在本申请的一种实现方式中，对于有效面积是100×100mm的探测器而言，一般是2mm一个通道，需要50个延迟单元，对于200×200mm的探测器而言，一般是采用2mm和4mm一个通道来做比较，看哪种设计的位置分辨更好，延迟单元需要的是100个或50个。本申请的优选设计方案中，初步考虑用50个延迟单元，当然，延迟单元也可以根据实验结果来进行调整，以达到最优化的目的。
优选的，本申请的中子探测器还包括五个快时间前置放大器，五个快时间前置放大器分别用于放大第一读出丝面所有延迟块单元串联后引出的两路信号、第二读出丝面所有延迟块单元串联后引出的两路信号，和阳极丝面的引出信号。
优选的，第一读出丝面和第二读出丝面上采用的延迟块单元，其特征阻抗与前置放大器的设计相匹配。
需要说明的是，延迟块单元的作用是通过延迟块单元实现两端信号到达的时间差；前置放大器设置于延迟块单元串联后引出的两路信号上，前置放大器的作用是放大延迟块两段的信号，信号大到可以被电子学获取到，能够更明显的看到两端信号到达的时间差，实现更准确的测量时间差。可以理解为，延迟块单元是直接让两端的信号出现时间差，而前置放大器则是将信号放大，进行时间差的测量；因此，延迟块单元的特征阻抗和前置放大器的设计相匹配，可以减小或避免原始信号的损失，而进一步的放大。
更优选的，第一读出丝面和第二读出丝面上分别设置有至少一个延迟块芯片，延迟块芯片由若干个串联的延迟块单元组成，读出丝面上每一路读出通道分别与延迟块芯片上相应的延迟块单元连接。
需要说明的是，本申请中，延迟块单元对中子探测器的性能好坏起关键性作用。采用延迟块芯片既可以节省实验空间，又可以保证信号从多丝正比室中输出到前置放大器之间延迟时间的一致性。本申请的一种实现方式中采用了Data Delay Device公司生产的1507-50C延迟块芯片，每个延迟块芯片有十个延迟块单元，每个延迟块单元的延迟时间为5ns，等效电感为L＝1μH，等效电容为C＝25pF，一个延迟块芯片有14个触角，其中与读出丝相连的有10个，一路输入或者输出，一路悬空，最后两路是接地角，在本申请的中子探测器设计中，最后两路接地角是通过金属螺丝的接触来接地的。
还需要说明的是，延迟块单元定位方法本质上是将位置信息转换为时间的测量，因此延迟时间和位置对应关系的刻度就显得十分重要。在本申请的一种实现方式中，中子探测器组装之前，通过信号发生器产生矩形脉冲对延迟时间差和位置关系进行刻度。
优选的，中子探测器的工作气体为一个大气压的氩气和二氧化碳。
工作气体采用氩气和二氧化碳的混合气体，中子与硼反应后，产生的次级粒子主要是与混合气体中的Ar分子产生原初电离，而二氧化碳作为催灭性气体，主要是防止探测器打火，损坏探测器部件。
优选的，中子探测器包括层叠平行设置的3-5个中子检测单元，相邻的两个中子检测单元共用一个涂硼入射窗，并且，相邻的两个中子检测单元中，两者的阳极丝面的镀金钨丝走向垂直。
需要说明的是，一个中子检测单元对中子的检出效率有限，在本申请的一种实现方式中，仅为4％左右；而多个中子检测单元层叠后能够有效提高中子的检出效率，3-5个中子检测单元层叠后的检出效率可以达到15％左右，能够满足中子检测的使用需求。两个以上的中子检测单元层叠的具体结构包括，依序由相互平行的第一涂硼入射窗、第一读出丝面、第一阳极丝面、第二读出丝面、第二涂硼入射窗、第三读出丝面、第二阳极丝面、第四读出丝面、第三涂硼入射窗，以此类推。
此外，还需要说明的是，本申请的中子探测器的阴极窗采用涂硼阴极窗，即涂硼入射窗，可以很好的探测中子，作为中子探测器使用；可以理解，若探测器的阴极窗采用普通薄膜，也可以探测X射线，其他的条件均不变，仅需要改变阴极窗即可。
本申请的有益效果在于：
本申请的基于多层涂硼薄膜和多丝正比室的中子探测器，通过测量延迟块单元两端的信号时间差，来确定入射中子的位置，大大减少了电子学的读出路数。本申请的中子探测器可以通过改变中子检测单元的个数，来提高中子的探测效率；并且，本申请的中子探测器整个制作工艺流程均可在国内完成，真正实现了中子探测器的国产化。
附图说明
图1是本申请实施例的中子探测器的结构示意图；
图2是本申请实施例的中子探测器的电路示意图；
图3是本申请实施例的中子探测器中，阳极丝面的镀金钨丝直径对增益的影响，由左至右依序为镀金钨丝直径20μm、25μm、30μm的结果；
图4是本申请实施例的中子探测器中，阳极丝面的镀金钨丝张力对增益的影响；
图5是本申请实施例的中子探测器中，延迟块单元时间差测试，读出丝面时间差与位置的刻度，线条1为X方向延迟时间差-距离的刻度关系，线条2为Y方向延迟时间差-距离的刻度关系；
图6是本申请实施例的中子探测器中，延迟块单元对信号上升沿的影响测试结果；
图7是本申请实施例的中子探测器的坪曲线；
图8是本申请实施例的中子探测器的增益；
图9是本申请实施例的中子探测器的能量分辨率；
图10是本申请实施例的中子探测器中阴极窗负高压对探测器影响的测试结果；
图11是本申请实施例的中子探测器中，镀金钨丝与阳极丝面镀金钨丝垂直的读出丝面的位置分辨率；
图12是本申请实施例的中子探测器中，镀金钨丝与阳极丝面镀金钨丝平行的读出丝面的位置分辨率；
图13是本申请实施例的中子探测器对入射粒子的二维分布图像检测结果。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本申请作进一步详细说明。以下实施例仅对本申请进行进一步说明，不应理解为对本申请的限制。
实施例
本例的基于多层涂硼薄膜和多丝正比室的中子探测器，如图1所示，包括一个中子检测单元，中子检测单元依序由相互平行的第一涂硼入射窗11、第一读出丝面12、阳极丝面13、第二读出丝面14和第二涂硼入射窗15组成；第一读出丝面由若干条平行的镀金钨丝平面排列而成，两条镀金钨丝为一路读出通道，每一路读出通道上设置一个延迟块单元，第一读出丝面的所有延迟块单元串联后由两路信号引出；阳极丝面由若干条平行的镀金钨丝平面排列而成，阳极丝面的镀金钨丝与第一读出丝面的镀金钨丝走向相同；第二读出丝面由若干条平行的镀金钨丝平面排列而成，同样的，两条镀金钨丝为一路读出通道，每一路读出通道上设置一个延迟块单元，第一读出丝面的所有延迟块单元串联后由两路信号引出；并且，第二读出丝面的镀金钨丝与阳极丝面的镀金钨丝走向垂直。
其中，第一读出丝面、阳极丝面和第二读出丝面都采用直径为25μm的镀金钨丝，第一读出丝面和第二读出丝面的镀金钨丝之间的间距为1mm，阳极丝面的镀金钨丝之间的间距为2mm。本例的第一读出丝面、阳极丝面和第二读出丝面，都是在线路板上开设一个与涂硼入射窗口的涂硼区域大小相当的通孔，镀金钨丝平行的焊接在该通孔上，形成读出丝面或阳极丝面。第一读出丝面和第二读出丝面线路板通孔的外框用于固定延迟块单元；第一读出丝面、阳极丝面和第二读出丝面都是通过线路板外框固定在中子探测器的屏蔽外壳上的。第一涂硼入射窗与第一读出丝面之间间隔8mm，第一读出丝面与阳极丝面之间间隔3mm，阳极丝面与第二读出丝面之间间隔3mm，第二读出丝面与第二涂硼入射窗之间间隔8mm。第一涂硼入射窗和第二涂硼入射窗分别由10B涂覆在基材上形成，基材采用的是对中子散射较小的材料，本例具体采用的是50微米厚度的铝箔；本例具体采用的涂覆方式为磁控溅射。第一读出丝面具有50路读出通道，第二读出丝面具有100路读出通道。本例的，第一读出丝面和第二读出丝面上采用的延迟块单元由延迟块芯片提供；延迟块芯片由若干个串联的延迟块单元组成，读出丝面上每一路读出通道分别与延迟块芯片上相应的一个延迟块单元连接。
本例的中子探测器电路示意图结构如图2所示，阳极丝面上下的读出丝面即第一读出丝面和第二读出丝面分别用于读出X方向和Y方向，读出丝读出通道的一端与延迟块单元相连，另一端与10MΩ电阻A端相连，10MΩ电阻B端与螺孔相连，由于螺钉21插入螺孔与探测器外壳相连，则10MΩ的电阻B端也是与探测器外壳相连，探测器外壳相当于地。阳极丝A端与滤波电路、正高压相连，B端直接悬空。
本例具体的，第一涂硼入射窗和第二涂硼入射窗有效面积为100mm×100mm，涂硼厚度为2-3μm，本例具体为3μm。用于固定镀金钨丝形成阳极丝面的线路板为阳极丝框，电路板整体尺寸162mm×162mm，四周有4个孔直径Φ7mm，相邻孔中心间距为132mm，孔中心与电路板边缘的距离均是15mm，用于固定阳极丝面。用于固定镀金钨丝形成第一读出丝面或第二读出丝面的线路板为读出丝框，电路板整体尺寸162mm×162mm，读出丝框四周有4个孔直径Φ7mm，相邻孔中心间距为132mm，孔中心与电路板边缘的距离均是15mm，用于固定读出丝框。本例的中子探测器，所有部件和工艺都采用国内的设备和产品，不需要依靠国外的产品支持，实现中子探测器的国产化。
第一涂硼入射窗、第一读出丝面、阳极丝面、第二读出丝面和第二涂硼入射窗相互平行的固定在密封的探测器外壳上，探测器外壳提供密封环境，以保障检测在工作气体气氛下进行；探测器外壳除了提供检测环境，避免检测受外界影响以外，还具有防止中子逃逸的作用。延迟块的地触角通过金属螺丝与探测器外壳接触共地，采用双层O圈密封，并采用U型管和气泡瓶两种方案对探测器外壳的密封性进行测试，保障其密封性能。本例采用的工作气体为Ar和CO2。
本例的中子探测器，使用时，第一涂硼入射窗和第二涂硼入射窗连接负高压，阳极丝面连接正高压，中子经过涂硼入射窗的10B层后转换成次级带电粒子，如alpha和7Li，次级粒子在气体中电离产生电子信号。两个读出丝面，即阴极丝平面，分别双端读出，两个镀金钨丝相互垂直的读出丝面，分别定义为平面的X轴和Y轴，这样就可以确定中子的入射位置。也就是说，一个中子检测单元共输出五路信号，一路为阳极丝的时间信号，作为起始时间T信号，另外四路为阴丝的x1、x2、y1、y2作为位置信号。T信号是公共的时间信号，通过记录和其它阴极上时间信号的时间差，来确定中子的入射位置。在本申请的一种实现方式中，五路信号均使用快时间前置放大器放大，前置放大后的信号经过恒比定时器进行甄别后，进入TDC采集；这样通过计算位置信号和开门信号之间的时间差来确定入射中子的位置。
本例的前置放大器，前放主板上扣接两个前放子板，与探测器插接的一面为“B面”，插接子板的一面为“A面”；B面的连接通过8个LEMO接头，型号为EPB.00.250.NTN；主板尺寸为279.4mm×152.4mm，8个LEMO的相对尺寸为：左右两排LEMO之间的距离为150mm，同一排LEMO上下相邻距离8mm。前放主板屏蔽罩方案：屏蔽罩设计成约359.4mm×232.4mm×100mm的长方体。屏蔽壳上需要：5个固定孔，直径为1.6mm，用于把主板固定在屏蔽罩内，8个LEMO固定孔，直径为6.8mm，用于将LEMO头从屏蔽罩底座伸出，前放主板所有线缆包括电源线、信号线以及RJ45网线，从A面开一个较大的5cm左右的圆形开口引出。
中子探测器的丝面上，除阳极丝面之外，读出丝面会受到阳极丝面的静电吸引力作用，在大型丝室中有使丝室中央区域读出丝平面与阳极丝平面之间的间隙变窄的趋势，导致电场强度的不均匀性，进而导致增益的不一致性。因此，镀金钨丝受到的最大扰度与其张力有密切相关。本例采用Garfield软件包模拟计算的阳极丝直径、张力对探测器增益的影响，结果如图3和图4所示，图3是镀金钨丝直径对增益的影响，具体计算了直径20μm、25μm、30μm的镀金钨丝，横坐标为阳极丝高压，纵坐标为探测器增益；图4是25μm直径镀金钨丝张力对增益的影响，横坐标为丝的张力，纵坐标为探测器增益。结果显示，随着直径的增加，镀金钨丝对增益的影响越大，综合考虑本例采用阳极丝直径为25μm。图4的结果显示，镀金钨丝所受的张力越大，增益越小，但张力太小会导致镀金钨丝在重力的影响下下垂影响探测器的性能，实验测得直径25μm镀金钨丝极限张力100g，为减小因震动引起丝断裂的可能性，本例选30g。另外，探测器工作气体的选择对位置分辨也有一定的影响，目前常用的混合气体主要是Ar与CO2。
本例的中子探测器，信号的传播需要时间，不同长度的电缆延迟时间不同，一般情况下，电信号在同轴电缆中的传播速度约为5ns/m。根据这一特性，可以将探测器各个读出条逐一通过固定延迟时间的延迟单元连接在一起，电子雪崩放大后在读出平面各个读出条上的感应信号在经过延迟后叠加在一起并同时向两个方向传播，由阳极信号作为公共触发，记录读出平面感应信号向两端传播的时间差，然后换算成等效距离，即可得到电子雪崩的位置，进而得到粒子的入射位置。本例采用Data Delay Device公司生产的1507-50C延迟块芯片，每个延迟芯片有十个延迟单元，每个延迟单元的延迟时间为5ns，等效电感为L＝1μH，等效电容为C＝25pF，一个延迟单位有14个触角，其中与读出条/丝相连的有10个，一路输入或者输出，一路悬空，最后两路是接地角，在探测器的设计中，是通过金属螺丝的接触来接地的。
延迟单元的刻度
延迟线定位方法本质上是将位置信息转换为时间的测量，因此延迟时间和位置对应关系的刻度就显得十分重要。在探测器组装之前，通过信号发生器产生矩形脉冲对延迟时间差和位置关系进行刻度。测量信号在每个读出通道时，延迟块两端信号到达时间的差值。信号发生器脉冲频率1kHz，幅度为5mV，宽度为100ns，上升时间为5ns。X方向共50个延迟单元，延迟时间差-距离的刻度关系为x＝0.095t+25.17；Y方向共100个延迟单元，延迟时间差-距离的刻度关系为y＝0.0829t+51.38，公式中t为延迟块两端的信号时间差，如图5所示，横坐标为延迟块两端信号时间差，纵坐标为通道位置。
采用延迟块读出方式，主要通过测量信号经过延迟块后，时间的差确定位置信息，测量信号到达时间是非常重要的。本例任意选取3块延迟块，测试延迟块对信号上升沿的影响，如图6所示，横坐标为输入信号的上升沿，纵坐标为延迟块对信号的延迟时间，可见，延迟块模块中每个通道的时间差异和时间延时线性好于3％，对信号的上升沿不会产生影响，可以用于探测器的测试中。
探测器性能的测试
探测器采用配套的Ortec电荷前放和主放，放大倍数100，积分时间约1μs，测试阳极丝的信号，判断探测器是否正常工作、阳极丝附近是否产生雪崩现象。结果显示，阳极丝的信号，幅度约为200mV左右，上升沿约为4μs。
计数率坪曲线是在相同入射粒子的通量下，探测器的计数率随高压的变化曲线，本例测试结果如图7所示，横坐标为阳极丝高压，纵坐标为计数，可见，整个坪长为300V，阳极丝的工作范围为1950V～2250V。
探测器的阳极丝信号首先经过电荷灵敏前置放大器放大，放大信号直接进入示波器，通过基于LabVIEW的示波器获取程序获取波形的峰值，即可得到探测器的增益以及能量分辨，测试结果显示，在坪曲线所给出的优化电压内，探测器的增益在103～104，如图8所示，横坐标为阳极丝高压，纵坐标为探测器增益；能量分辨率在23％左右，如图9所示，横坐标为阳极丝高压，纵坐标为探测器的能量分辨。
为了减少探测器中的物质含量，阴极窗暂时采用的镀金钨丝替代，图10为阴极高压对探测器的影响，横坐标为阴极高压，纵坐标为探测器的能量分辨。随着阴极负高压的增加，能量分辨逐渐稳定，同时，当阴极负高压为0时，原初电子仍然能在场强作用下，漂移到阳极丝附近发生雪崩现象，但信噪比较差，逃逸峰和全能峰无法完全分开，整体上，探测器的想能良好。
位置分辨是探测器最为重要的指标之一，位置分辨的好坏是检验该读出方法可行与否的关键。为了提高探测器的位置分辨，采用了高采样率的示波器Lecroy Wavepro7100、一套基于LabVIEW的示波器数据获取系统，通过恒比甄别器获取信号的到达时刻。
为了测量探测器的位置分辨率，制作了一个宽为0.3mm，长10mm，深10mm的准直狭缝。55Fe X射线经过狭缝进入单层中子探测器，测得X和Y方向不同位置的位置分辨，如图11和12所示，横坐标为入射位置，纵坐标为测量位置和位置分辨。结果显示，探测器的位置分辨中间较好，两端稍差，但都在2mm以内。并且探测器具有很好的位置线性。需要说明的是，如果配置一套专用的电子学设备，降低探测器噪声，位置分辨将会进一步提高；例如，目前采用的前置放大器都是商用购买的，前置放大器内部电阻、电容都是固定的，与商用购买的延迟块芯片的延迟块单元特征阻抗，不能完全匹配，对延迟块的信号是有一定衰减的；因此，如果专门设计的话，可以将延迟块单元的特征阻抗和截止频率等因素考虑进去，最大限度的减小前置放大器对延迟块单元信号的损耗，进而提高分辨率。
二维位置灵敏探测器主要目的是得到入射粒子的二维分布图像。因此二维成像能力也是探测器的一个关键性指标。为了考察探测器的二维成像能力，本例制作了一个规则图形，狭缝宽度为0.5mm，缝间距为5mm，经过55Fe X射线的均匀照射，可以清楚的看到重建二维图像，如图13所示。图13左下角为制备的规则图形实物图片，右上方为本例的中子探测器检测重建的二维图形；可见本例的中子探测器具有良好的二维成像能力，验证了延迟线读出方案的可行性。
以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本申请的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于多层涂硼薄膜和多丝正比室的中子探测器，其特征在于：所述中子探测器包括至少一个中子检测单元，所述中子检测单元依序由相互平行的第一涂硼入射窗、第一读出丝面、阳极丝面、第二读出丝面和第二涂硼入射窗组成；
所述第一读出丝面由若干条平行的镀金钨丝平面排列而成，两条镀金钨丝为一路读出通道，每一路读出通道上设置一个延迟块单元，第一读出丝面的所有延迟块单元串联后由两路信号引出；
所述阳极丝面由若干条平行的镀金钨丝平面排列而成，阳极丝面的镀金钨丝与第一读出丝面的镀金钨丝走向相同；
所述第二读出丝面由若干条平行的镀金钨丝平面排列而成，同样的，两条镀金钨丝为一路读出通道，每一路读出通道上设置一个延迟块单元，第一读出丝面的所有延迟块单元串联后由两路信号引出；并且，第二读出丝面的镀金钨丝与阳极丝面的镀金钨丝走向垂直。
2.根据权利要求1所述的中子探测器，其特征在于：所述第一读出丝面、阳极丝面和第二读出丝面都采用直径为25μm的镀金钨丝，第一读出丝面和第二读出丝面的镀金钨丝之间的间距为1mm，阳极丝面的镀金钨丝之间的间距为2mm。
3.根据权利要求1所述的中子探测器，其特征在于：所述第一涂硼入射窗与所述第一读出丝面之间间隔6-8mm，第一读出丝面与阳极丝面之间间隔约3mm，阳极丝面与第二读出丝面之间间隔约3mm，第二读出丝面与第二涂硼入射窗之间间隔6-8mm。
4.根据权利要求1所述的中子探测器，其特征在于：所述第一读出丝面和第二读出丝面上分别具有50-100路读出通道。
5.根据权利要求1所述的中子探测器，其特征在于：还包括五个快时间前置放大器，五个快时间前置放大器分别用于放大第一读出丝面所有延迟块单元串联后引出的两路信号、第二读出丝面所有延迟块单元串联后引出的两路信号，和阳极丝面的引出信号。
6.根据权利要求5所述的中子探测器，其特征在于：所述第一读出丝面和第二读出丝面上采用的延迟块单元，其特征阻抗与快时间前置放大器的设计相匹配。
7.根据权利要求1所述的中子探测器，其特征在于：所述第一读出丝面和第二读出丝面上分别设置有至少一个延迟块芯片，所述延迟块芯片由若干个串联的延迟块单元组成，读出丝面上每一路读出通道分别与延迟块芯片上相应的延迟块单元连接。
8.根据权利要求1所述的中子探测器，其特征在于：所述中子探测器的工作气体为一个大气压的氩气和二氧化碳。
9.根据权利要求1-8任一项所述的中子探测器，其特征在于：所述中子探测器包括层叠平行设置的3-5个中子检测单元，相邻的两个中子检测单元共用一个涂硼入射窗，并且，相邻的两个中子检测单元中，两者的阳极丝面的镀金钨丝走向垂直。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710138568.3A CN106950592A (zh) | 2017-03-09 | 2017-03-09 | 一种基于多层涂硼薄膜和多丝正比室的中子探测器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710138568.3A CN106950592A (zh) | 2017-03-09 | 2017-03-09 | 一种基于多层涂硼薄膜和多丝正比室的中子探测器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN106950592A true CN106950592A (zh) | 2017-07-14 |
Family
ID=59467522
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710138568.3A Pending CN106950592A (zh) | 2017-03-09 | 2017-03-09 | 一种基于多层涂硼薄膜和多丝正比室的中子探测器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN106950592A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109581473A (zh) * | 2018-12-13 | 2019-04-05 | 四川理工学院 | 一种涂硼微孔中子成像探测器及其测量方法 |
| CN112149338A (zh) * | 2020-08-25 | 2020-12-29 | 中国核电工程有限公司 | 一种涂硼中子探测器蒙特卡罗等效模型的确定方法 |
| CN114994735A (zh) * | 2022-07-18 | 2022-09-02 | 江苏省计量科学研究院(江苏省能源计量数据中心) | 一种基于多丝正比计数器的α、β平面源检测试验装置 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100314549A1 (en) * | 2009-06-15 | 2010-12-16 | Los Alamos National Security, Llc | Neutron detectors comprising boron powder |
| US20120217406A1 (en) * | 2009-08-27 | 2012-08-30 | Mcgregor Douglas S | Gas-filled neutron detectors having improved detection efficiency |
| CN104101895A (zh) * | 2013-04-09 | 2014-10-15 | 中国科学院高能物理研究所 | 中子探测器和中子探测方法 |
| CN106199680A (zh) * | 2016-09-13 | 2016-12-07 | 清华大学 | 慢中子探测装置 |
| CN106405625A (zh) * | 2015-07-28 | 2017-02-15 | 东莞中子科学中心 | 管形中子探测器及其位置探测方法 |
-
2017
- 2017-03-09 CN CN201710138568.3A patent/CN106950592A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100314549A1 (en) * | 2009-06-15 | 2010-12-16 | Los Alamos National Security, Llc | Neutron detectors comprising boron powder |
| US20120217406A1 (en) * | 2009-08-27 | 2012-08-30 | Mcgregor Douglas S | Gas-filled neutron detectors having improved detection efficiency |
| CN104101895A (zh) * | 2013-04-09 | 2014-10-15 | 中国科学院高能物理研究所 | 中子探测器和中子探测方法 |
| CN106405625A (zh) * | 2015-07-28 | 2017-02-15 | 东莞中子科学中心 | 管形中子探测器及其位置探测方法 |
| CN106199680A (zh) * | 2016-09-13 | 2016-12-07 | 清华大学 | 慢中子探测装置 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| KYLE A.NELSON ET AL.: "A suspended boron foil multi-wire proportional counter neutron detector", 《NUCLEAR INSTRUMENTS AND METHODS IN PHYSICS RESEARCH SECTION A: ACCELERATORS, SPECTROMETERS, DETECTORS AND ASSOCIATED EQUIPMENT》 * |
| ZHANG YING ET AL.: "Fast transimpedance preamplifier for a boron-coated multiwire proportional chamber neutron detector", 《THE EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL PLUS》 * |
| 孙维佳: "涂硼MWPC热中子探测器信号读出方法", 《万方学位论文》 * |
| 温志文: "二维多丝室结构优化及性能研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 基础科学辑》 * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109581473A (zh) * | 2018-12-13 | 2019-04-05 | 四川理工学院 | 一种涂硼微孔中子成像探测器及其测量方法 |
| CN109581473B (zh) * | 2018-12-13 | 2020-10-09 | 四川理工学院 | 一种涂硼微孔中子成像探测器及其测量方法 |
| CN112149338A (zh) * | 2020-08-25 | 2020-12-29 | 中国核电工程有限公司 | 一种涂硼中子探测器蒙特卡罗等效模型的确定方法 |
| CN112149338B (zh) * | 2020-08-25 | 2024-04-09 | 中国核电工程有限公司 | 一种涂硼中子探测器蒙特卡罗等效模型的确定方法 |
| CN114994735A (zh) * | 2022-07-18 | 2022-09-02 | 江苏省计量科学研究院(江苏省能源计量数据中心) | 一种基于多丝正比计数器的α、β平面源检测试验装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Andriamonje et al. | Development and performance of Microbulk Micromegas detectors | |
| Bai et al. | The BES detector | |
| Fabjan et al. | Iron liquid-argon and uranium liquid-argon calorimeters for hadron energy measurement | |
| CN104111471B (zh) | 中子探测器与中子探测方法 | |
| Jewell et al. | Characterization of an ionization readout tile for nEXO | |
| CN106950592A (zh) | 一种基于多层涂硼薄膜和多丝正比室的中子探测器 | |
| Girolami et al. | Investigation with β-particles and protons of buried graphite pillars in single-crystal CVD diamond | |
| Fallavollita | Triple-Gas Electron Multiplier technology for future upgrades of the CMS experiment: construction and certification of the CMS GE1/1 detector and longevity studies | |
| Yi et al. | An X-ray imaging device based on a GEM detector with delay-line readout | |
| CN113885069A (zh) | 一种α探测器及D-T中子标记装置 | |
| CN109557575A (zh) | 一种中子多重性测量装置及其使用方法 | |
| CN107064993A (zh) | 一种基于时间差进行中子检测的方法 | |
| Curtis et al. | The construction and operation of a hybrid gas-silicon detector for studies of cluster breakup reactions | |
| CN208109749U (zh) | T和He-3加速器质谱高灵敏测量装置 | |
| Bar-Yam et al. | A cylindrical drift chamber with azimuthal and axial position readout | |
| QI et al. | Investigation of Gas attachment with GEM-TPC detector | |
| Keller | Novel GEM detectors for CMS and exotic physics searches at the HL-LHC | |
| Venkatraman et al. | Fabrication and characterization of a 3D Positive ion detector and its applications | |
| Zhang et al. | A two-dimensional position-sensitive microchannel plate detector realized with two independent one-dimensional resistive anodes | |
| Lussi | Study of the response of the novel LAr LEM-TPC detector exposed to cosmic rays and a charged particle beam | |
| García et al. | A novel ultra-thin 3D detector—For plasma diagnostics at JET and ITER tokamaks | |
| RU2813557C1 (ru) | Позиционно-чувствительный детектор тепловых и холодных нейтронов на основе плоскопараллельной резистивной камеры | |
| JP2005055372A (ja) | マイクロビア電極構造の多次元位置検出型放射線センサー素子 | |
| Farinelli et al. | µRANIA-V: an innovative solution for neutron detection in homeland security | |
| Huth et al. | Feasibility tests of a high resolution sampling radial drift chamber |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170714 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |