镀膜型nMCP探测效率和位置分辨优化的蒙特卡罗模拟研究

中子敏感微通道板(Neutron sensitive microchannel plate,nMCP)因其具有高探测效率和位置分辨,配合先进的读出电子学可作为能量分辨中子成像探测器的优先选择。相比于基体掺杂型的nMCP,基于原子层沉积技术(Atomic Layer Deposition,ALD)的nMCP具有原材料消耗少、通道内壁具有高的二次电子发射系数等优势。首先,通过实验对掺杂natGd型nMCP的典型中子和伽马信号进行研究。然后,采用Geant4模拟和理论计算对镀膜10B₂O₃型nMCP的孔径、壁厚、倾角和镀膜厚度进行优化。计算结果表明,当nMCP的几何参数选择为镀膜厚度1 μm、孔径10 μm、壁厚1 μm以及倾角3°时,nMCP性能达到约56%的热中子探测效率和约22 μm的位置分辨。计算结果对CSNS能量选择中子成像探测器nMCP的几何参数设计具有重要意义。     

新型热中子敏感微通道板探测效率的蒙特-卡罗模拟研究

基于microchannel plates (MCP)的中子探测技术近年来发展迅速, 因其具有较高的空间分辨率和中子探测效率以及优异的时间分辨能力, 可用于高分辨率中子照相和能量选择中子成像. 本文利用蒙特-卡罗(MC)程序, 对栅格为15 μm的热中子敏感MCP板进行MC模拟计算, 获得了不同几何结构和材料组成情况下, 掺杂型和镀膜型热中子敏感MCP板的探测效率. 计算结果表明, 增加中子敏感材料的比例可以获得更高的中子阻挡效率, 但同时也加大了次级粒子发射进入MCP板通道的难度, 掺杂型MCP 板的通道直径和镀膜型MCP板的镀膜厚度均存在最优值. MCP板厚度为0.4 mm时, 对¹⁰B₂O₃材料, 掺杂型MCP板的热中子探测效率可以超过40%, 镀膜型MCP板的热中子探测效率可以接近60%.     

沟槽型硅微结构中子探测器的蒙特卡罗模拟研究

采用蒙特卡罗模拟方法研究了微结构参数、填充致密度等因素对沟槽型微结构半导体中子探测器(MSND)性能的影响规律,并开展了沟槽型MSND的优化设计研究。研究表明,随着沟槽间距的增加,MSND的探测效率呈下降趋势;当沟槽间距固定时,存在最优的沟槽宽度使得探测效率最大化;沟槽深度越大,探测效率越高。沟槽宽度和沟槽间距为15μm和5μm是一对优化的参数组合,可保证较高的探测效率和较平稳的系统甄别阈-探测效率曲线。当系统甄别阈取300keV时,沟槽宽度、间距和深度分别为15,5μm和200μm时的MSND热中子本征探测效率可达37.77%,与平面探测器相比提高了9.2倍;对137 Cs源662keV伽马射线的中子-伽马射线甄别比可达4.1×103,与平面探测器相比提高了23.7倍。本工作从理论上证明了MSND可解决传统平面型半导体中子探测器探测效率低的难题,同时可保持半导体探测器中子-伽马射线甄别容易的特点。     

半导体玻璃微通道板的研制

介绍了半导体玻璃微通道板的主要性能，并与传统铅硅酸盐玻璃的相关性能进行了比较。阐述了半导体玻璃的研制工艺，研究了利用半导体玻璃材料制备微通道板的工艺途径，开发了靠玻璃本身体电导性质而无需氢还原工艺的微通道板，即半导体玻璃微通道板。研制出孔径为20μm、外径为12mm的半导体玻璃微通道板，实验利用紫外光电法测试了微通道板的增益、闪烁噪声和成像性能。结果表明新型微通道板具有明显的电子增益和低的闪烁噪声，并且通道表面稳定；利用磷硅酸盐玻璃材料可以实现体导电微通道板的制备。     

微通道板光子计数成像探测器预处理实验研究

微通道板光子计数成像探测器是嫦娥三号极紫外相机的关键成像器件,嫦娥三号极紫外相机被用于探测地球等离子层中极微弱的He+共振散射辐射,为了消除微通道板内部吸附的残余气体产生的离子反馈等背景噪音对探测器微弱信号成像性能的影响,需要对微通道板进行预处理.预处理包括高温真空烘烤和紫外光电子清刷.根据预处理的实验要求,设计了一套微通道板预处理装置,为微通道板预处理实验提供高真空环境和高温加热及保温功能.本文详细介绍了微通道板预处理实验的实现过程,对三片Z型级联的微通道板进行预处理实验后,背景噪音由27.09counts/s·cm2降低为0.53counts/s·cm2、空间分辨率达到125μm,上述实验结果表明MCP在预处理之后其表面、亚表面和体内吸附的杂质气体得以有效去除,获得了稳定的增益,成像性能也得以改善.     

小孔径微通道板

从空间分辨能力、时间分辨能力和动态范围方面介绍了通道小型化发展的趋势,根据微通道板性能和结构的关系分析了这种小型化带来的微通道板变形、破裂、结构错位等生产难题和解决方法.分析表明:美国MCP的孔径发展依次是12 μm,10 μm,9 μm,8 μm,6 μm和5 μm,先进国家微通道板孔径已经能够做到4 μm～5 μm,夜视仪的分辨能力已超过100 lp/mm;通道直径降至5 μm、4 μm甚至更低,通过改进材料成分和拉丝、排丝、压屏、酸溶工艺及设备可以实现5 μm以下小通道微通道板的制造.     

狭缝式高灵敏裂变中子探测系统

研制了狭缝-外延式高灵敏大面积PIN裂变中子探测系统. 其对14MeV，2.5MeV中子灵敏度可达10^-16C·cm²，比原有典型的脉冲裂变中子探测系统高4个量级. 采用外延式铅狭缝准直结构，研制灵敏区尺寸为60mm，厚度为200μm—300μm的大面积PIN半导体探测器、以Be膜为衬底，有效直径为60的²³⁵U裂变靶，解决了该探测器研制中的高灵敏度和n/γ分辨难题. 该系统已在实践中获得成功应用. 关键词： 裂变中子探测系统 大面积PIN探测器 大面积裂变靶 高灵敏探测系统     

微通道板型X射线探测器的脉冲信号探测能力实验分析

为了掌握微通道板探测器的X射线脉冲信号观测能力,利用X射线脉冲星地面实验装置,开展了长时间的不同流强和不同背景噪声强度下的微通道板探测器脉冲信号探测实验,并建立了一套X射线探测器脉冲观测能力评估方法,推导出基于光子计时模式下X射线探测器的脉冲信号信噪比、脉冲轮廓相似度、脉冲到达时间精度和最小可探测功率的关系表达式.实验中,利用面积20cm~2的微通道板探测器开展了8组10 000s的实验,采集到有效观测数据,然后搜索最佳脉冲周期,重构观测脉冲轮廓,估计脉冲轮廓特征参数.实验表明,微通道板探测器具备良好的X射线脉冲信号观测与恢复能力,在较弱脉冲信号强度(光子流量密度为0.05ph/cm~2/s)和较强背景噪声(背景噪声强度是脉冲信号的16倍)下获取观测脉冲轮廓的信噪比、相似度、脉冲到达时间观测精度分别为35.73、88.38%、51.53μs和64.89、89.72%、29.24μs,验证了微通道板探测器具备一定的暗弱X射线脉冲星观测能力,且微通道板探测器的脉冲探测能力随着脉冲信号强度增加、背景噪声强度减弱、累积观测时间增加而提升.     

微通道板光子计数成像探测器预处理实验研究

微通道板光子计数成像探测器是嫦娥三号极紫外相机的关键成像器件,嫦娥三号极紫外相机被用于探测地球等离子层中极微弱的He⁺共振散射辐射,为了消除微通道板内部吸附的残余气体产生的离子反馈等背景噪音对探测器微弱信号成像性能的影响,需要对微通道板进行预处理.预处理包括高温真空烘烤和紫外光电子清刷.根据预处理的实验要求,设计了一套微通道板预处理装置,为微通道板预处理实验提供高真空环境和高温加热及保温功能.本文详细介绍了微通道板预处理实验的实现过程,对三片Z型级联的微通道板进行预处理实验后,背景噪音由27.09 counts/s·cm²降低为0.53 counts/s·cm²、空间分辨率达到125 μm,上述实验结果表明MCP在预处理之后其表面、亚表面和体内吸附的杂质气体得以有效去除,获得了稳定的增益,成像性能也得以改善.     

基于微通道板的二维成像探测器

本文介绍了基于微通道板的二维成像探测器的基本原理、结构,制作了有效面积直径达70毫米的微通道板延迟线探测器,并利用辐射源对研制的探测器位置分辨等性能进行了测试,得到的最好位置分辨为0.1毫米;讨论了进一步优化探测器性能的方法.     

新型涂硼热中子MWPC探测器的时间信号读出方法

基于10B薄膜的二维灵敏探测器是新近发展起来的热中子探测器,其灵敏面积大,时间和位置分辨好,n/抑制能力高,抗辐射能力强,可二维读出且具有良好的耐计数能力。针对新型的涂硼灵敏热中子多丝正比（MWPC）探测器,在延迟线时间差方法的基础上,提出一种中子击中位置数字信息的读出方法,并设计NIM读出插件用以验证该方法对于二维中子探测位置信息的读出能力。测试结果表明,本方法能完成4通道探测器信号的实时测量,其时间测量精度好于50 ps。结合FPGA片上系统实时数据控制和处理技术,单插件可支持最高1.3MHz的探测计数率。     

EUV波段电光成像系统分辨率的实验研究

基于微通道板 (MicrochannelPlate ,MCP)探测器件设计一套成像系统 ,用于对极紫外 (ExtremeUl traviolet,EUV)波段的光进行成像。结果在 13,17 1,19 5和 30 4nm处获得了一个宽度为 3mm的狭缝的像 ,其相应的空间分辨率分别为 85 ,12 0 ,182和 4 95 μm ,最佳为 85 μm ,对应波长 13nm ,而且波长越短 ,分辨率越高 ,图像的亮度也越高。     

微通道板玻璃的二次电子发射系数

讨论微通道板玻璃的二次电子发射系数及其影响因素。通过将Rb^ 、Cs^2 离子部分或全部代替玻璃中的K^ 离子，调整玻璃网络结构参数以及PbO与Bi2O3的摩尔比例，使玻璃的二次电子发射系数从2．7增加到3．7，改善微通道板的增益稳定性和寿命。     

强辐射环境下高能脉冲裂变中子探测方法

在研究通道衰减、探测方法分离和探测器中子/射线本征分辨的基础上,研究了测量高能脉冲裂变中子数目的探测技术。基于电流型Si-PIN探测器,设计了减本底的背靠背探测结构,给出了测量强射线和低能散射中子干扰信号及有效扣除强辐射本底的实现方法,最终实现了高n/n和n/分辨测量和强裂变中子、射线混合场中的高能脉冲裂变中子数目探测,探测系统的信号/辐射本底比可达到10倍以上。     

一个宽范围能响平坦的长中子计数器

由于对γ射线灵敏度低，而且可在很宽的范围内中子能量响应比较平坦，长计数管在中子产额的测量中得到了广泛的应用。为了提高探测效率，一般用BF3或^3He正比管外包围一定厚度的石蜡或聚乙烯慢化体来构成长计数管探测系统。建立的长计数器主要是针对中子管产生的DD（2．4MeV）或DT（14．1MeV）或两种能量混合的脉冲中子进行测量。为了达到探测系统设计要求，首先详细模拟了慢化体尺寸及结构对探测效率的影响，以便对探测器系统的加工制作提供依据。根据模拟结果建立了探测器，从实验上对探测器的性能进行了测量。     

RIBLL终端大面积中子探测器阵列研制方案的理论计算

介绍了一种用于丰中子核研究的RIBLL终端大面积中子探测器阵列的研制.利用Geant4软件包对该探测系统的中子探测效率、时间分辨和位置分布等进行了蒙特卡罗模拟,同时对探测器的cross?talk进行了研究.给出了探测器的设计方案.     

介质型脉冲高能中子探测器

首次报道一种基于反冲质子法和高速带电粒子在物质表面引起二次电子发射的高能中子探测方法,研制成功的新一代强流脉冲高能中子探测器,即介质型脉冲高能中子探测器.与传统的强流脉冲中子探测器相比,该探测器对中子的探测及信号的传输过程是在介质中完成的,因而不需要真空和高压也可以正常工作,并具有多项优异的物理性能.该探测器的输出信号来自于高能中子在聚乙烯转换靶产生的高能反冲质子和这些质子穿越电荷收集极表面时产生的部分二次电子.选择适当的卡阈吸收片和电荷收集极材料,二次电子在探测灵敏度中的份额及其随能量的变化可由实验测定.     

极紫外波段微通道板光子计数探测器

研究了一种极紫外波段微通道板（MCP）光子计数探测器,用于探测地球等离子体层中极微弱的30.4 nm辐射。通过改变电压、温度等参数对比了该微通道板光子计数探测器的暗噪声和分辨率的变化。结果表明：微通道板探测器的暗噪声主要来源于残余气体离子反馈和热噪声,因此要降低探测器暗噪声,应对微通道进行彻底的预处理除气,并尽量避免探测器在高温状态下工作,常温下经过预处理的微通道板光子探测系统的暗计数率仅为0.34 count/（s.cm2）。系统的分辨率主要受电压和计数率的影响,受温度影响不明显。由于不同的微通道板有不同的耐压范围,过小或过大的电压或计数率都会造成系统分辨率的降低。     

掺铒磷酸盐玻璃微球吸收光谱上的形貌共振

利用高温熔融冷却法制备了直径为82．4μm的掺铒磷酸盐玻璃微球，并利用熔融拉丝法制备了锥腰直径为2．3μm的熔锥光纤与其进行耦合，发现了掺铒玻璃微球吸收光谱中出现的等间距分布的滤波谱线。利用光学微球腔理论讨论了玻璃微球吸收光谱中的形貌共振现象，计算出该耦合系统的品质因数为1．31×10^4。利用Mie散射理论计算了谱线的吸收峰位置和峰间间距，计算结果与实验结果相符合。最后比较了两种峰间间距算法的优劣。     

中国散裂中子源反角白光中子束流参数的初步测量

中国散裂中子源(CSNS)已于2018年5月建设完工,随后进行了试运行.其中的反角白光中子束线(Back-n)可用于中子核数据测量、中子物理研究和核技术应用等多方面的实验.本文报道对该中子束的品质参数测量实验过程以及最终实验结果.实验主要采用中子飞行时间法,利用~(235)U,~(238)U裂变室和~6Li-Si探测器测量了中子能谱和中子注量率,又利用闪烁体-互补金属氧化物半导体探测系统测量了中子束斑的剖面,得到了该束线的初步实验测量结果.其中白光中子的全能谱测量范围eV—100 MeV,给出了不确定度分析;给出了中子注量率两个实验厅位置的满功率值;给出了白光中子在直径60 mm情况下的全能区束斑.通过与模拟结果的比较探讨了以上结果的合理性,并提出了改进计划.这些实验结果为以后该束线的核数据测量和探测器标定实验奠定了基础.