CN112114352A - 基于gem的裂变室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于GEM的裂变室，包括GEM探测器，所述GEM探测器具有金属外壳，设于金属外壳内的漂移电极、GEM膜和收集电极，GEM膜设于漂移电极和收集电极之间；漂移电极、GEM膜上表层电极、GEM膜下表层电极外加电压绝对值逐次减小的负电压，收集电极接地；收集电极与脉冲信号采集电路电连接；GEM膜与漂移电极之间形成漂移区，GEM膜与收集电极之间形成收集区；金属外壳、漂移电极和收集电极之间围成气室，气室内设有流动的电离气体；所述漂移电极上还设有铀‑235层。本发明灵敏度高，计数率量程高，以期在单一脉冲模式下满足反应堆中子通量密度的宽量程监测需求。

Description

基于GEM的裂变室

技术领域

本发明属于裂变室领域，特别涉及一种基于GEM的裂变室。

背景技术

反应堆从启动至满功率运行，中子通量密度变化范围达到11个数量级(10⁰～10¹¹n.cm^-2.s^-1)，监测方法主要是多种探测器组合接力测量和裂变室多模式组合接力测量。裂变室多模式组合接力测量的优点是探测器少、n/γ甄别强，但是也存在一些不足，如：热中子探测灵敏度不高(10^-1～10⁰cps/nv)、计数率动态范围小(中子注量率脉冲模式测量上限10⁵～10⁶n.cm^-2.s^-1)、监测模式切换繁琐等。

发明内容

本发明的目的在于，针对当前利用裂变室多模式组合接力测量方式监测反应堆从启动到满功率过程中存在的灵敏度不高、计数率动态范围小、监测模式切换繁琐的不足，提供一种基于GEM的裂变室，灵敏度高，计数率量程高，以期在单一脉冲模式下满足反应堆中子通量密度的宽量程监测需求。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于GEM的裂变室，包括GEM探测器，所述GEM探测器具有金属外壳，设于金属外壳内的漂移电极、GEM膜和收集电极，GEM膜设于漂移电极和收集电极之间；漂移电极、GEM膜上表层电极、GEM膜下表层电极外加电压绝对值逐次减小的负电压，收集电极接地；收集电极与脉冲信号采集电路电连接；GEM膜与漂移电极之间形成漂移区，GEM膜与收集电极之间形成收集区；金属外壳、漂移电极和收集电极之间围成气室，气室内设有流动的电离气体；其特点是所述漂移电极上还设有铀-235层。

作为一种优选方式，所述脉冲信号采集电路读取方式为盘阵列或像素读出方式。

作为一种优选方式，铀-235层的厚度为10～12mg/cm²。

作为一种优选方式，铀-235层的厚度为11mg/cm²。作为一种优选方式，GEM膜与漂移电极之间的间距为3～5mm，GEM膜与收集电极之间的间距为1～3mm。

作为一种优选方式，GEM膜与漂移电极之间的间距为4mm，GEM膜与收集电极之间的间距为2mm。

作为一种优选方式，脉冲信号采集电路的甄别阈为α粒子最大沉积能量。

作为一种优选方式，GEM探测器的增益为10⁰～10¹。

作为一种优选方式，电离气体由氩气和二氧化碳组成，其中氩气与二氧化碳的体积比为(7～9)：(3～1)；GEM膜上表层电极与下表层电极之间的电压差为300～400V；漂移区的场强为1000～2500V/cm；收集区的场强为2000～4000V/cm。

作为一种优选方式，氩气与二氧化碳的体积比为4：1；收集区的场强为3000V/cm。

GEM探测器为气体电子倍增器(Gaseous Electron Multiplier，GEM)，其具有可大面积制作(～m²)、高计数率(～10⁸cps/cm²)、良好的抗辐照稳定性和鲁棒性、低成本等优点。

本发明利用GEM探测器易于大面积制作、高计数率的优点，设计一种基于GEM的裂变室，灵敏度高，计数率量程高，以期在单一脉冲模式下满足反应堆中子通量密度的宽量程监测需求。

附图说明

图1为本发明基于GEM的裂变室结构示意图(移除金属外壳后)。

图2为基于GEM的裂变室模拟流程图。

图3为中子转化效率随²³⁵U镀层厚度变化图。

图4为不同²³⁵U镀层厚度的裂变碎片出射能谱图。

图5为不同漂移区间距裂变碎片平均沉积能量图。

图6为电子漂移时间分布图。

图7为不同CO₂比例本征时间分辨率随收集区间距变化图。

图8为收集区间距为2mm时电子的横向扩散分布图。

图9为不同CO₂比例的本征位置分辨率随收集区间距的变化图。

图10为裂变碎片与α粒子沉积能量谱。

图11为阈值4.4MeV时探测效率随镀铀层厚度的变化曲线图。

图12为不同CO₂比例的GEM膜电压-增益曲线图。

图13为不同GEM膜电压漂移区场强-增益曲线图

图14为不同GEM膜电压收集区场强-增益曲线图。

图15为探测器的中子感应信号图。

其中，1为GEM探测器，101为漂移电极，102为GEM膜，1021为上表层电极，1022为下表层电极，103为收集电极，104为漂移区，105为收集区，106为气室，107为铀-235层，HV-为电源负极，C为电容，R1为第一电阻，R2为第二电阻，R3为第三电阻。

具体实施方式

如图1所示，基于GEM的裂变室包括GEM探测器1，所述GEM探测器1具有金属外壳，设于金属外壳内的漂移电极101、GEM膜102和收集电极103，GEM膜102设于漂移电极101和收集电极103之间。收集电极103的信号经前置放大后被读取。

漂移电极101、GEM膜102上表层电极1021、GEM膜102下表层电极1022外加电压绝对值逐次减小的负电压，收集电极103接地。具体由下述结构实现：如图1，电源负极HV-通过电容C接地，电容C起到滤除杂波的作用。同时，电源负极HV-依次通过第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3接地，GEM膜102上表层电极1021接在第一电阻R1与第二电阻R2之间，GEM膜102下表层电极1022接在第二电阻R2与第三电阻R3之间。

收集电极103与脉冲信号采集电路电连接；GEM膜102与漂移电极101之间形成漂移区104，GEM膜102与收集电极103之间形成收集区105；金属外壳、漂移电极101和收集电极103之间围成气室106，气室106内设有流动的电离气体；所述漂移电极101上还设有铀-235层107。铀-235层107直接蒸镀于漂移电极101上，形成²³⁵U镀层(即铀-235层107)。

金属外壳一般为不锈钢或铝合金材质，附图中未示出，但并不影响本领域的技术人员对本发明的理解和实现。外壳设进气口和出气口，流动的电离气体由进气口充入气室106，由出气口流出气室106。

外壳、提供电离气体的气源、脉冲信号采集电路、收集电极103与脉冲信号采集电路之间的电连接关系均为现有技术，故未在附图中示出，但并不影响本领域的技术人员对本发明的理解和实现。

GEM膜102采用市售的标准GEM膜，其结构为：中间为一层50μm厚的kapton薄膜，kapton薄膜上、下表面各镀有一层5μm厚的Cu膜(分别作为GEM膜102的上表层电极1021和下表层电极1022)，kapton薄膜上开有双倒锥型小孔，小孔外径为70μm，内径为50μm，相邻两小孔的中心间距为140μm，小孔在kapton薄膜上的分布呈正三角形。

工作时，在漂移电极101、GEM膜102上表层电极1021、GEM膜102下表层电极1022加逐次减小的负电压，收集电极103接地，这样就在GEM探测器1内部形成一个由收集电极103指向漂移电极101的电场。

中子穿过金属外壳后，垂直入射到漂移电极101下方的铀-235层107，镀在漂移电极101上的铀-235开始裂变反应。由于GEM膜102厚度非常小，小孔内的电场十分强，当裂变碎片进入漂移区104后，在气体介质中发生原初电离，电离电子在漂移区104电场的作用下进入GEM膜102小孔并在孔内产生雪崩放大，雪崩电子被收集电极板收集，由脉冲信号采集电路读取脉冲信号。脉冲信号采集电路读取方式为盘阵列(pad或piexl)或像素读出方式，GEM膜102上的每个小孔都可以视为独立的正比计数器，因此一个GEM探测器1相当于许多个微型探测器的组合，从而具有很高的计数率能力。同时GEM探测器1易于大面积制作，因而能够有效地提高热中子探测灵敏度。

通过对铀-235层107厚度、GEM膜102与漂移电极101之间的间距(即漂移区104间距)、工作电场强度等参数的蒙特卡罗模拟研究，得到本发明的各项最优设计参数。

建模与模拟过程具体如下：

本发明使用蒙特卡罗工具包Geant4、有限元分析软件ANSYS与气体探测器蒙特卡罗模拟工具包Garfield++对基于GEM的裂变室进行建模与模拟，模拟流程如图2所示。首先使用Geant4对热中子与²³⁵U镀层相互作用及裂变碎片在工作气体中的能量沉积进行建模与模拟；其次使用ANSYS对GEM探测器1进行建模和对内部电场分布节点进行求解；然后把由Geant4模拟得到的信息和用ANSYS建立的探测器模型导入Garfield++，进行GEM探测器1内部电荷的漂移、雪崩、收集等输运过程和GEM探测器1的信号感生过程的模拟，并把输出的信息输入ROOT数据包进行处理分析，最终得到GEM探测器1各项最优设计参数。

1、²³⁵U镀层厚度

探测效率主要的影响因素是中子转化效率。中子转化效率与²³⁵U镀层厚度密切相关。图3为中子转化效率随²³⁵U镀层厚度变化图，²³⁵U丰度为90％，热中子能量为0.0253eV。铀-235层107的厚度为10～12mg/cm²，中子转化效率较大。当镀235层厚度为11mg/cm²时，中子转化效率最大，为0.68％。

图4为不同²³⁵U镀层厚度的裂变碎片出射能谱，随着²³⁵U镀层厚度增加能谱逐渐变软，在低能端将与²³⁵U衰变α粒子能谱重叠，需要在电子学系统中进行甑别。

2、GEM膜与漂移电极之间的间距(即漂移区间距)

电离气体为Ar+少量CO₂，气体压强为1个标准大气压，图5为不同漂移区间距裂变碎片平均沉积能量，可见随着漂移区104间距的增大，平均沉积能量也随之增加，当漂移区104间距为3～5mm时，平均沉积能量将达到数十MeV，远大于²³⁵U衰变α粒子能量和环境γ本底能量。

由模拟过程获知，随着漂移区104间距的增大，沉积能量谱也随之展宽，这将对探测器的能量分辨不利。此外，漂移区104间距越大，电子扩散效应越明显，不利于探测器的时间分辨。综合考虑，可选择漂移区104间距为4mm。

3、GEM膜与收集电极之间的间距(即收集区间距)

收集区105间距与CO₂比例影响电离电子在GEM探测器1中的纵向扩散和横向扩散，进而影响本征时间分辨和位置分辨。

模拟中漂移区104场强为E_d＝2000V/cm，收集区105场强为E_i＝3000V/cm，GEM膜102电压V_GEM＝400V，漂移区104间距D_d＝4mm。图6展示了收集区105间距为2mm时电子的漂移时间分布，对时间分布进行Gauss拟合可得到本征时间分辨率。图7展示了不同CO₂比例本征时间分辨率随收集区间距的变化，可以看出，GEM探测器的时间分辨性能非常优越，在ns量级，并且随着收集区105间距增大而增大，随CO₂比例增加而减小。图8展示了收集区105间距为2mm时电子的横向扩散分布，横坐标是到达收集电极的电子横向位置，单位mm。对每一个初始电子，由重心法可得到其信号在读出板上的横向位置，统计大量的初始电子的信号读出位置并进行Gauss拟合可得本征位置分辨率，不同CO₂比例的本征位置分辨率随收集区间距的变化如图9所示，可以看出，GEM探测器的位置分辨性能也非常优越，小于100μm；位置分辨随着收集区105间距增大而变差，实践中选择收集区105间距为1～3mm；位置分辨随着CO₂比例增加而变好，考虑到CO₂比例增加有效增益将变小，实践中选择CO₂比例为20％是合理的。

这里的时间分辨与位置分辨模拟是假设所有的初始电子产生时间、位置相同，实际上带电粒子在工作气体中产生的初电离电子位置和时间都有一定的离散，读出电子学也将对时间分辨与位置分辨造成影响，所以这里的时间分辨与位置分辨定义为GEM探测器本征时间分辨和本征位置分辨。4、探测效率的阈值修正与α甄别

²³⁵U衰变α粒子进入探测器将给中子探测带来干扰，需要对探测器设置一定的甄别阈以剔除干扰。图10为漂移区间距为4mm时裂变碎片与α粒子沉积能量谱，当设置甄别阈为α粒子最大沉积能量，即4.4MeV时，可排除所有的α粒子干扰。甄别阈的存在将使低能裂变碎片计数损失从而造成探测效率的下降。图11为阈值4.4MeV时探测效率随镀铀层厚度的变化曲线图，可见最佳镀铀层厚度变为9mg/cm²，饱和探测效率为0.6％。此条件下，耦合有效面积20cm×20cm、计数率上限10⁶cps/cm²的GEM探测器1，热中子探测灵敏度可达2.4cps/nv，中子通量密度脉冲测量上限可达10⁸～10⁹n.cm^-2.s^-1。

5、GEM探测器增益

裂变碎片在电离气体中平均沉积能量很大，为降低GEM探测器1放电打火的概率，可选择增益在10⁰～10¹范围。增益与GEM膜102电压(即GEM膜102上表层电极1021与下表层电极1022之间的电压差)、电离气体成分、漂移区104及收集区105电场强度有关，图12为不同CO₂比例的GEM膜电压-增益曲线图，增益随GEM膜102电压增加而增大，同一GEM膜电压时增益随CO₂比例增加而减小。氩气与二氧化碳的体积比为(7～9)：(3～1)。CO₂起减小电子的扩散效应和猝灭作用，综合考虑可选择电离气体为体积比为80％的Ar和体积比为20％的CO₂，GEM膜电压V_GEM为300～400V。

图13为不同GEM膜电压漂移区场强-增益曲线图，随着漂移区104场强的增加，刚开始增益几乎没有变化，之后逐渐减小，当GEM膜102电压V_GEM为300～400V时，理想的漂移区104场强E_d为1000～2500V/cm。图14为不同GEM膜电压收集区场强-增益曲线图，增益随收集区105场强增加而增大，理想的收集区105的场强为2000～4000V/cm，实践中可选择收集区105场强为E_i＝3000V/cm。

6、探测器输出信号

使用理想平板作为收集电极103，模拟了基于GEM的裂变室信号感生过程，获得了中子感应信号。模拟中设定电离气体为80％Ar+20％CO₂，GEM膜电压V_GEM＝320V，漂移区104场强E_d＝2000V/cm，收集区105场强E_i＝3000V/cm。图15为探测器的中子感应信号图，信号宽度小于100ns，脉冲总电荷数百fC，把该信号在1PF的电容上积分可输出一个10^-1V的电压脉冲，脉冲上升时间小于100ns。

本发明设计了一种基于GEM的新型裂变室，使用Geant4、ANSYS与Garfield++对²³⁵U镀层厚度、漂移区104间距、工作电场强度等参数进行了模拟研究，得到了该裂变室整体设计参数，并进行了中子感生信号仿真实验，结果表明，基于GEM的裂变室能够测量中子，输出信号脉冲幅度与宽度满足后续信号获取要求。

仿真结果表明，利用GEM探测器1搭建裂变室可显著的提高灵敏度和扩展计数率量程；最佳²³⁵U镀层厚度为9mg/cm²，饱和探测效率为0.6％；漂移区104间距4mm、CO₂比例20％、GEM膜电压300～400V、漂移区104场强1000～2500V/cm、收集区105场强3000V/cm为探测器的最优设计参数，此时输出信号宽度小于100ns，脉冲总电荷数百fC。

本发明工艺简单、设计灵活，将来随着大面积GEM探测器制作工艺和多路快电子学读出系统的进步，有望实现在单一脉冲模式下对反应堆从物理启动到满功率运行过程的中子通量密度监测全覆盖，对反应堆安全运行和控制具有重要的理论和现实意义。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于GEM的裂变室，包括GEM探测器(1)，所述GEM探测器(1)具有金属外壳，设于金属外壳内的漂移电极(101)、GEM膜(102)和收集电极(103)，GEM膜(102)设于漂移电极(101)和收集电极(103)之间；漂移电极(101)、GEM膜(102)上表层电极(1021)、GEM膜(102)下表层电极(1022)外加电压绝对值逐次减小的负电压，收集电极(103)接地；收集电极(103)与脉冲信号采集电路电连接；GEM膜(102)与漂移电极(101)之间形成漂移区(104)，GEM膜(102)与收集电极(103)之间形成收集区(105)；金属外壳、漂移电极(101)和收集电极(103)之间围成气室(106)，气室(106)内设有流动的电离气体；其特征在于，所述漂移电极(101)上还设有铀-235层(107)。

2.如权利要求1所述的基于GEM的裂变室，其特征在于，所述脉冲信号采集电路读取方式为盘阵列或像素读出方式。

3.如权利要求1所述的基于GEM的裂变室，其特征在于，铀-235层(107)的厚度为10～12mg/cm²。

4.如权利要求3所述的基于GEM的裂变室，其特征在于，铀-235层(107)的厚度为11mg/cm²。

5.如权利要求1所述的基于GEM的裂变室，其特征在于，GEM膜(102)与漂移电极(101)之间的间距为3～5mm，GEM膜(102)与收集电极(103)之间的间距为1～3mm。

6.如权利要求5所述的基于GEM的裂变室，其特征在于，GEM膜(102)与漂移电极(101)之间的间距为4mm，GEM膜(102)与收集电极(103)之间的间距为2mm。

7.如权利要求1所述的基于GEM的裂变室，其特征在于，脉冲信号采集电路的甄别阈为α粒子最大沉积能量。

8.如权利要求1所述的基于GEM的裂变室，其特征在于，GEM探测器(1)的增益为10⁰～10¹。

9.如权利要求8所述的基于GEM的裂变室，其特征在于，电离气体由氩气和二氧化碳组成，其中氩气与二氧化碳的体积比为(7～9)：(3～1)；GEM膜(102)上表层电极(1021)与下表层电极(1022)之间的电压差为300～400V；漂移区(104)的场强为1000～2500V/cm；收集区(105)的场强为2000～4000V/cm。

10.如权利要求9所述的基于GEM的裂变室，其特征在于，氩气与二氧化碳的体积比为4：1；收集区(105)的场强为3000V/cm。

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