單 卿 曾 捷 賈文寶 凌永生 黑大千 魏勇紅 張 焱

Garfield模擬工作氣體對涂硼MRPC熱中子探測器性能的影響

單 卿 曾 捷 賈文寶 凌永生 黑大千 魏勇紅 張 焱

（南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 南京 210016）

多氣隙電阻板室(Multi-gap Resistive Plate Chamber, MRPC)是一種新型氣體探測器，具有探測效率高和時間分辨好等優(yōu)點，在內(nèi)層玻璃涂硼后可用于熱中子探測。不同的工作氣體對涂硼MRPC熱中子探測器的性能有很大影響。利用Garfield模擬了不同工作氣體的湯生系數(shù)η、電子吸附系數(shù)α、漂移速度v、擴散系數(shù)D等物理參數(shù)，并計算給出了MRPC的時間分辨率σt、本征探測效率ε。通過模擬結(jié)果對工作氣體進行優(yōu)化，為探測器的實際制作和實驗測試提供必要的指導(dǎo)。

涂硼多氣隙電阻板室(Multi-gap Resistive Plate Chamber, MRPC)熱中子探測器，工作氣體，Garfield模擬，探測效率，時間分辨

多氣隙電阻板室(Multi-gap Resistive Plate Chamber, MRPC) 是20世紀90年代發(fā)展起來的一種新型氣體探測器，具有很高的時間分辨(＜100ps)[1]和本征探測效率(＞95%)[2]、抗輻照性能強[3]、結(jié)構(gòu)簡單且可以大面積制作[4]等優(yōu)點。在RHIC-STAR、LHC-ALICE、FAIR-CBM等大型實驗裝置上，MRPC已被廣泛的用于構(gòu)建飛行時間探測系統(tǒng)。鑒于MRPC優(yōu)良的性能，我們擬在MRPC內(nèi)層玻璃涂上熱中子轉(zhuǎn)換層，通過核反應(yīng)法來探測熱中子。

探測器結(jié)構(gòu)如圖1[5]所示，由2塊外層玻璃板和5塊內(nèi)層玻璃板組成，內(nèi)充有合適的工作氣體，高壓加在外層玻璃板上形成強電場，內(nèi)層玻璃板電位懸浮。在內(nèi)層玻璃板上涂上10B作為熱中子轉(zhuǎn)換體。熱中子進入MRPC后，與熱中子轉(zhuǎn)換體中的10B發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生α粒子和Li-7，帶電粒子在氣體的電離會導(dǎo)致氣體雪崩過程，并在讀出電極上產(chǎn)生感應(yīng)信號而被讀出。

MRPC常用的工作氣體是由惰性氣體、電負性氣體和猝滅氣體等按不同比例配制而成的混合氣體，不同組分的工作氣體對MRPC性能有很大的影響，因此選擇合適的工作氣體組分對于優(yōu)化涂硼MRPC熱中子探測器的性能是十分必要的。在本文中，我們利用Garfield模擬計算了不同比例工作氣體對涂硼MRPC熱中子探測器性能影響，從而選擇工作氣體的最佳比例。

圖1 涂硼MRPC熱中子探測器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of the boron-coated MRPC thermal neutron detector.

1 α粒子電離過程的模擬

利用Srim程序模擬了α粒子電離過程，包括單位距離的電子-離子團個數(shù)、電子-離子團的大小分布、帶電粒子的能量損失等參數(shù)，這些參數(shù)與入射粒子的能量和氣體成分有關(guān)。模擬中溫度設(shè)置為常溫，一個標準大氣壓，不同比例的混合氣體，入射粒子為α粒子。通過Srim模擬α粒子在單層氣隙電離的過程以及粒子團的參數(shù)（單位距離cluster數(shù)），從而為探測器本征時間分辨及單層α粒子的本征探測效率的計算提供數(shù)據(jù)。

根據(jù)模擬結(jié)果，統(tǒng)計了C2F4H2、i-C4H10和SF6按不同比例組成的混合氣體中α粒子在每毫米產(chǎn)生的cluster數(shù)隨α粒子能量的變化情況，結(jié)果如圖2所示。由圖2看出，α粒子在每毫米產(chǎn)生的cluster數(shù)隨α粒子的能量增加，而氣體成分的不同比例(C2F4H2:i-C4H10:SF6)對cluster數(shù)的影響很小。

圖2 在不同比例(C2F4H2:i-C4H10:SF6)混合氣體中α粒子在每毫米產(chǎn)生的cluster數(shù)隨能量的變化曲線Fig.2 Number of cluster per millimeter vs. the energy of alpha particle in gases (C2F4H2:i-C4H10:SF6) mixed with different proportions.

根據(jù)Geant4模擬結(jié)果，熱中子與轉(zhuǎn)換體中的10B作用產(chǎn)生的α粒子的平均能量為0.86MeV。由圖2可以看出，當α粒子的能量為0.86MeV時，α粒子在單位距離上產(chǎn)生的cluster數(shù)約為20，因此平均自由程λ=0.05mm。

2 電離常用參數(shù)的模擬

Garfield是一個用于漂移室的蒙特卡洛模擬程序，可以對某些混和氣體的氣體參數(shù)進行計算。利用Garfield軟件，計算了不同比例工作氣體下的漂移速度、擴散系數(shù)、湯生系數(shù)和吸附系數(shù)等參數(shù)。模擬中所加電場和磁場的角度取任意值，其它模擬條件設(shè)置為常溫(293K)，一個標準大氣壓，幾何體為一對平行板，電場強度范圍選取40-100kV·cm-1。

2.1 湯生系數(shù)η和吸附系數(shù)α

圖3給出不同比例混合氣體的湯生系數(shù)η和吸附系數(shù)α隨電場的變化趨勢。

圖3 不同比例(C2F4H2:i-C4H10:SF6)混合氣體的湯生系數(shù)η(a)和吸附系數(shù)α(b)隨電場的變化曲線Fig.3 Townsend coefficient η (a) and attachment coefficient α (b) vs. the electric field in gases (C2F4H2:i-C4H10:SF6) mixed with different proportions.

由圖3(a)看出，工作氣體的η隨電場強度快速增長，對于C2F4H2、i-C4H10和SF6按不同比例組成的混合氣體，比例成分的變化對η影響不大。

由圖3(b)看出，在同一電場條件下，隨著電場強度的增大，α呈現(xiàn)下降趨勢。混合氣體中SF6的百分比越大α也越大，α隨電場強度的增大而下降的越快，其原因在于SF6是一種強電負性氣體，對電子的吸附能力很強，但隨著電場的加強，電子運動速度加快，導(dǎo)致了α快速下降。

2.2 電子漂移速率v

圖4為不同比例混合氣體的電子漂移速度v隨電場的變化曲線。由圖4可以看出，電子漂移速度隨電場強度的變化近似線性增長，三種氣體成分的變化對v的影響不大。對于混合氣體，在C2F4H2不變的情況下，漂移速度隨混合氣體中i-C4H10的減少而增大，而SF6的加入有助于提高v。

圖4 不同比例(C2F4H2:i-C4H10:SF6)混合氣體的電子漂移速度v隨電場的變化曲線Fig.4 Electron drift velocity v vs. the electric field in gases (C2F4H2:i-C4H10:SF6) mixed with different proportions.

2.3 擴散系數(shù)D

圖5為不同比例混合氣體的縱向、橫向擴散系數(shù)D隨電場的變化曲線。由圖5可以看出，混合氣體的縱向D隨電場強度先變小后變大，而橫向D隨電場強度先變大后變小，但變化幅度都不大。

圖5 不同比例(C2F4H2:i-C4H10:SF6)混合氣體的縱向(a)、橫向(b)擴散系數(shù)D隨電場的變化曲線Fig.5 Longitudinal (a) and transverse (b) diffusion coefficient D vs. the electric field in gases (C2F4H2:i-C4H10:SF6) mixed with different proportions.

3 涂硼MRPC熱中子探測器性能參數(shù)的模擬

涂硼MRPC作為一種新型的熱中子氣體探測器，其時間分辨率和本征探測效率是重要的性能指標。利用電離參數(shù)的模擬結(jié)果，對涂硼MRPC熱中子探測器的時間分辨率和本征探測效率進行了計算。

3.1 時間分辨率σt

圖6給出了時間分辨率σt隨電場的變化曲線。由圖6看出，σt隨電場的增強而變好。在同一電壓下，SF6的含量越低，其σt越好，當混合氣體的比例為C2F4H2: i-C4H10:SF6=90:9.5:0.5時，σt最好。

圖6 混合氣體不同比例(C2F4H2:i-C4H10:SF6)下，時間分辨率σt隨電場強度變化示意圖Fig.6 Time resolution σt vs. the electric field in gases (C2F4H2:i-C4H10:SF6) mixed with different proportions.

3.2 本征探測效率ε

將前面模擬得到的v、η和α等參數(shù)帶入，可算出涂硼MRPC熱中子探測器的本征探測效率ε[6]：

其隨電場的變化如圖7所示。式中，電子學(xué)系統(tǒng)感應(yīng)電荷量的閾值Qt=20fC；玻璃厚度b=2mm；介電參數(shù)εg=10；氣隙厚度d=300μm；平均自由程λ=0.05mm；e0為電子電量。

圖7 不同比例(C2F4H2:i-C4H10:SF6)混合氣體的探測效率ε隨電場的變化曲線Fig.7 Detection efficiency ε vs. the electric field in gases (C2F4H2:i-C4H10:SF6) mixed with different proportions.

由圖7可以看出，MRPC的ε隨電場增加，當電場大于90 kV·cm-1以后隨著電場的變化不太顯著?；旌蠚怏w比例為C2F4H2:i-C4H10:SF6=90:9.5:0.5時，ε最高。

4 結(jié)語

利用Garfield模擬計算了電子在氣體中的η、α、v、橫向D和縱向D，并利用Srim模擬計算了α粒子在不同混合氣體中的電離情況。根據(jù)模擬結(jié)果計算得出了涂硼MRPC熱中子探測器的σt和ε，結(jié)果表明混合氣體比例C2F4H2:i-C4H10:SF6=90:9.5:0.5時，探測器的σt最好，同時ε最高，這為后續(xù)探測器制作及實驗測試提供了必要的基礎(chǔ)。

1 Abbrescia M, Alici A, An S, et al. Performance of a six gap MRPC built for large area coverage[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 2008, A593: 263-268

2 Geurts F, Shao M, Bonner B, et al. Performance of the prototype MRPC detector for STAR[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 2004, A533: 60-64

3 Wang Y, Kang K, Cheng J, et al. Aging test of multi-gap resistive plate chambers[J]. High Energy Physics and Nuclear Physics, 2006, 30(5): 441-444

4 Akindinov A, Alessandrini S, Alici A, et al. The MRPC detector for the ALLCE time of flight system: final design and performances[J]. Nuclear Physics B - Proceedings Supplements, 2006, 158: 60-65

5 賈文寶, 曾捷, 單卿, 等. 涂硼MRPC熱中子探測器用于補償中子測井的蒙特卡羅研究[J]. 核技術(shù), 2014, 37(6): 060201

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6 來永芳, 李金, 李元景, 等. MRPC物理機制研究[J].核電子學(xué)與探測技術(shù), 2006, 26(5): 591-595

LAI Yongfang, LI Jin, LI Yuanjing, et al. Study on the physical mechanism in multi-gap resistive plate chamber[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2006, 26(5): 591-595

CLC TL816+.3

Influence of working gas on the properties of boron-coated MRPC thermal neutron detector by Garfield simulation

SHAN Qing ZENG Jie JIA Wenbao LING Yongsheng HEI Daqian WEI Yonghong ZHANG Yan
(College of Material Science and Technology, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Background: Multi-gap Resistive Plate Chamber (MRPC) is a kind of gas detector developed in 1995. Purpose: For its excellent time resolution and high efficiency, MRPC is used to detect thermal neutron by coating boron on the inner glass. Methods: The performances of the boron-coated MRPC thermal neutron detector are largely affected by the component or proportion of the working gas, so it is important to optimize the proportion of working gas. Then Garfield was used to simulate the gas parameter, such as Townsend coefficient η, electron attachment coefficient α, drift velocity v and diffusion coefficient D. Results: The time resolution σtand detection efficiency ε of MRPC were calculated. Conclusion: Through the simulation, the proportion of working gas is optimized to provide necessary guidance for the fabrication of the detector.

Boron-coated Multi-gap Resistive Plate Chamber (MRPC) thermal neutron detector, Working gas, Garfield simulation, Detection efficiency, Time resolution

TL816+.3

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.070201

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(No.NS2012055)資助

單卿，男，1979年出生，2007年于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲博士學(xué)位，粒子物理與原子核物理

2013-10-21，

2013-12-27