溫志文祁輝榮張余煉王海云4)劉凌王艷鳳張建李玉紅孫志嘉

1)(蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,蘭州 730000)

2)(核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100049)

3)(中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所,北京 100049)

4)(中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

1 引 言

中國(guó)散裂中子源[1?4]是國(guó)內(nèi)第一座散裂中子源裝置,提供2.5×1016/cm2/s通量的脈沖中子束流,在廣東東莞完成建設(shè),于2017年11月份打靶束流測(cè)試中獲得25 Hz,10 kW的質(zhì)子束流,進(jìn)入了中子譜儀的聯(lián)調(diào)和驗(yàn)收階段.目前設(shè)計(jì)的中子譜儀共建設(shè)了三條,包括小角散射譜儀、高通量粉末衍射儀和多功能反射譜儀.其中,中子反射譜儀主要目標(biāo)為測(cè)量薄膜樣品的厚度信息、散射長(zhǎng)度密度分布、樣品表面和界面的粗糙度信息[5,6]等.采用中子反射原理,測(cè)量中子的散射矢量Q值和反射率,分析兩者的關(guān)系曲線,得到樣品的微觀結(jié)構(gòu)信息.對(duì)于鏡面中子反射,其散射矢量為中子的波長(zhǎng),θ為入射中子與樣品平面的夾角),方向垂直于樣品表面.因此反射譜儀探測(cè)器需要測(cè)量得到反射中子的強(qiáng)度、能量和位置信息,來(lái)實(shí)現(xiàn)反射譜儀的目標(biāo).中國(guó)散裂中子源多功能反射譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1,其中樣品至探測(cè)器中心的距離約為2 m,200 mm×200 mm的有效探測(cè)面積可滿足約5.8°范圍內(nèi)的反射中子探測(cè).中子反射譜儀探測(cè)器除了需要探測(cè)鏡面反射的中子,還需要測(cè)量漫反射和掠入衍射的中子,因此反射譜儀探測(cè)器需要2 mm左右的二維位置分辨來(lái)區(qū)分鏡面反射和漫反射的中子[7?9].探測(cè)器的探測(cè)效率決定對(duì)樣品反射率的測(cè)量精度,因此中子反射譜儀要求設(shè)計(jì)的探測(cè)器對(duì)2 ?中子的探測(cè)效率通常要滿足50%以上.由于反射譜儀安裝的實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)會(huì)存在γ射線本底,因此要求探測(cè)器具有較高的n/γ的分辨能力.由于譜儀運(yùn)行周期的需求,應(yīng)用在散裂中子源反射譜儀工程項(xiàng)目中的探測(cè)器必須要保持長(zhǎng)期的穩(wěn)定性能.

圖1 (a)多功能反射譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖;(b)高氣壓MWPCs探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.(a)The schematic diagram of the multipurpose reflectometer;(b)the high pressure MWPCs neutron detector.

根據(jù)中子反射譜儀的需求,中國(guó)散裂中子源多功能反射譜儀探測(cè)器所需參數(shù)如表1所列.依據(jù)參數(shù)要求進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì),采用具有較高的探測(cè)效率、優(yōu)越的位置分辨、易于大面積制作和長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的高氣壓3He氣體的多絲正比室(multi-wire proportional chambers,MWPCs)探測(cè)器[10,11].高氣壓MWPCs探測(cè)器如圖1(b)所示,主要包括高氣壓腔體、氣體凈化系統(tǒng)、工作氣體、內(nèi)部絲室結(jié)構(gòu)、支撐平臺(tái)和氣路系統(tǒng)等.本文將根據(jù)探測(cè)器的探測(cè)效率要求,主要討論探測(cè)器高氣壓腔體的設(shè)計(jì)和工作氣體3He氣壓的選擇;根據(jù)探測(cè)器的位置分辨要求,實(shí)驗(yàn)測(cè)量設(shè)計(jì)的MWPCs探測(cè)器內(nèi)部絲結(jié)構(gòu)的本征位置分辨和通過(guò)模擬計(jì)算選擇探測(cè)器阻止氣體的種類(lèi)和氣壓;為了保持探測(cè)器的長(zhǎng)期穩(wěn)定工作,研制一套氣體凈化系統(tǒng),通過(guò)對(duì)探測(cè)器工作氣體凈化前后的氣體增益測(cè)量,判斷對(duì)影響探測(cè)器穩(wěn)定性能的雜質(zhì)氣體是否有效去除;根據(jù)探測(cè)器的n/γ的分辨能力要求,采用252Cf中子源初步測(cè)量了探測(cè)器的計(jì)數(shù)坪區(qū),在坪區(qū)電壓內(nèi)的n/γ分辨能力和二維成像性能.

表1 多功能反射譜儀探測(cè)器性能指標(biāo)Table 1.The requirements of the 2D position resolution neutron detector.

2 探測(cè)器設(shè)計(jì)

2.1 探測(cè)器效率

中國(guó)散裂中子源多功能反射譜儀對(duì)中子的探測(cè)器效率要求是10年內(nèi)保持50%(@2 ?)以上.基于高氣壓3He氣體的MWPCs探測(cè)器對(duì)中子的探測(cè)效率主要由探測(cè)器高氣壓腔體入射窗對(duì)中子的透射率、高氣壓腔體的氣密性、工作氣體的厚度和工作氣體3He的氣壓決定,以下將分別討論這四個(gè)決定因素的設(shè)計(jì).

探測(cè)器的漂移電極是以高氣壓腔體入射窗的內(nèi)表面為基底安裝的,入射窗在高氣壓條件下的變形會(huì)導(dǎo)致探測(cè)器的氣體增益和探測(cè)器效率不一致性明顯.因此漂移電極的平坦度要求小于探測(cè)器陽(yáng)極到漂移電極間距的百分之一[12].探測(cè)器的入射窗材料選用具有較高強(qiáng)度的7075鋁合金,材料成分為:0.4%Si,0.5%Fe,1.2%—2.0%Cu,0.3%Mn,2.1%—2.9%Mg,0.18%—0.28%Cr,5.1%—6.1%Zn,0.2%Ti,88.67%Al.表2為ANSYS和MCNP模擬計(jì)算不同厚度入射窗在8.5 atm氣壓條件下的最大變形量和熱中子穿過(guò)入射窗后散射角小于0.1°的百分比.根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果,為了滿足入射窗的最大變形量小于0.3 mm以及90%以上的熱中子有效透射率,探測(cè)器的入射窗厚度設(shè)計(jì)為9 mm.因此小于0.1°的熱中子透射率達(dá)到90.26%.

表2 不同厚度7075鋁合金入射窗在8.5 bar的變形量和對(duì)熱中子小于0.1°的透射率Table 2.The deformation and the less than 0.1 degrees of thermal neutrons transmittance for 7075 aluminum alloy at 8.5 bar pressure.

工作氣體厚度也是決定探測(cè)器對(duì)中子探測(cè)效率的關(guān)鍵因素之一.增加探測(cè)器的工作氣體厚度可以提高探測(cè)器的探測(cè)效率,但對(duì)于電極為平面的MWPCs探測(cè)器,斜入射的中子會(huì)引起更大像差,即中子的入射位置與探測(cè)器測(cè)量到的位置之差.為了限制像差的大小,探測(cè)器需要選擇一個(gè)合理的氣體厚度.可模擬計(jì)算出:在探測(cè)器腔體能夠承受的氣壓(8.5 bar)范圍內(nèi),15 mm的氣體厚度可滿足探測(cè)器50%以上的探測(cè)效率;且15 mm的氣體厚度引起的像差小于探測(cè)器的位置分辨.因此,探測(cè)器的氣體厚度為15 mm[13,14].

圖2 不同氣壓3He氣體對(duì)中子的探測(cè)效率(氣體厚度15 mm)Fig.2.The detection efficiency as a function of the pressure of3He(gas thickness=15 mm).

根據(jù)不同波長(zhǎng)中子與3He的反應(yīng)截面,可計(jì)算出不同氣壓,15 mm厚的3He氣體對(duì)中子的探測(cè)效率,如圖2所示.考慮探測(cè)器入射窗對(duì)中子的吸收和散射,3He氣體對(duì)中子的探測(cè)效率必須滿足56%以上.從圖2可以看出4 bar3He氣體可滿足56%以上的中子探測(cè)效率,因此設(shè)計(jì)的高氣壓腔體的密封性能需滿足10年內(nèi)探測(cè)器內(nèi)工作氣體3He的氣壓為4 bar以上.

探測(cè)器的前端是采用對(duì)中子透射率大的7075鋁合金材料,后端為了便于焊接密封,采用不銹鋼材料.鋁合金與不銹鋼組成的探測(cè)器腔體,高氣壓條件下保證長(zhǎng)期良好的氣密性是比較困難的.之前制作的探測(cè)器高氣壓腔體采用雙橡膠O圈進(jìn)行密封,實(shí)驗(yàn)記錄探測(cè)器腔體從最初的7.4 bar氣壓,經(jīng)過(guò)4年的時(shí)間氣壓降至6.2 bar,可估算雙橡膠O圈密封的腔體10年內(nèi)氣體泄漏量為2.64 bar.探測(cè)器的工作氣體除了有3He氣體外,還有限制次級(jí)離子射程的阻止氣體,第3部分將介紹該阻止氣體為2.5 bar丙烷,丙烷分子遠(yuǎn)大于3He分子,可認(rèn)為探測(cè)器泄露的工作氣體都是3He氣體.因此10年后雙橡膠O圈密封的高氣壓MWPCs探測(cè)器的3He氣壓為2.26 bar,該氣壓是滿足不了對(duì)2 ?中子50%以上的探測(cè)器效率要求.目前設(shè)計(jì)的高氣壓腔體,改進(jìn)為直徑1.6 mm的鋁絲密封,密封后的鋁絲厚度壓縮為0.15 mm左右.通過(guò)高氣壓腔體的保壓實(shí)驗(yàn),記錄腔體溫度和氣壓的變化,得到8.6 bar4He(99.999%)氣體近1個(gè)月的保壓記錄,如圖3(a)所示.因?yàn)?He分子和3He分子的大小接近,可近似得到3He氣體的漏氣率.通過(guò)測(cè)量到腔體的溫度和氣壓的線性關(guān)系,將保壓實(shí)驗(yàn)記錄的氣壓轉(zhuǎn)換成相同溫度下的氣壓值,使用指數(shù)函數(shù)擬合相同溫度條件下的相對(duì)氣壓變化,如圖3(b)所示,得到設(shè)計(jì)的高氣壓腔體在8.6 bar初始?xì)鈮簵l件下的漏氣率,見(jiàn)(1)式.根據(jù)(1)和(2)式,可計(jì)算在8.5 bar氣壓條件下,設(shè)計(jì)的高氣壓腔體10年的氣體泄漏量為1.7 bar,遠(yuǎn)好于雙橡膠O圈的密封性能.因此,鋁絲密封的高氣壓腔體和6 bar3He+2.5 bar C3H8的設(shè)計(jì),10年內(nèi)3He的氣壓為4.3—6 bar,考慮探測(cè)器入射窗對(duì)中子的吸收和散射,探測(cè)器在10年運(yùn)行時(shí)間內(nèi)的探測(cè)效率約為54%—67.5%,完全滿足反射譜儀的探測(cè)效率要求.由于二維多絲室探測(cè)器特有的結(jié)構(gòu)特性,其在200 mm×200 mm有效面積內(nèi)保持了很好的二維同向性.實(shí)驗(yàn)中采用252Cf中子源對(duì)探測(cè)器16個(gè)5 mm×5 mm的區(qū)域(每次測(cè)量保持在面積中心位置)進(jìn)行探測(cè)效率的測(cè)量,得到探測(cè)器在這16個(gè)區(qū)域的探測(cè)器效率均在67%左右,與探測(cè)器在初始?xì)鈮簵l件下的模擬計(jì)算結(jié)果接近.

圖3 (a)腔體保壓測(cè)試記錄的絕壓和溫度的變化;(b)同一溫度條件下相對(duì)氣壓的變化Fig.3.(a)The absolute pressure and temperature as a function of the record time;(b)the relative pressure as a function of the record time.

2.2 位置分辨

中子與3He核反應(yīng)產(chǎn)生573 keV的質(zhì)子和191 keV的氚核,兩個(gè)次級(jí)離子沿相反方向運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生的原初電子重心位置與中子發(fā)生核反應(yīng)的位置并不相等,兩者之差由質(zhì)子和氚核在探測(cè)器內(nèi)的電離分布決定.為了限制質(zhì)子和氚核在探測(cè)器內(nèi)的射程,探測(cè)器的工作氣體除了3He氣體外,還需要加入對(duì)質(zhì)子和氚核阻止能力強(qiáng)的氣體.所以探測(cè)器對(duì)中子的位置分辨主要由阻止氣體和探測(cè)器的本征位置分辨決定.下面將主要介紹阻止氣體的選擇和探測(cè)器的本征位置分辨測(cè)量.

表3 573 keV質(zhì)子和191 keV氚核在1 atm阻止氣體內(nèi)的射程和電離重心Table 3.The range and the ionization center of gravity of 573 keV proton and 191 keV triton at 1atm stopping gas.

表3為通過(guò)SRIM[15]模擬計(jì)算573 keV的質(zhì)子和191 keV的氚核在8種阻止氣體,一個(gè)氣壓條件下的射程和電離重心位置(center of gravity,COG).根據(jù)電離重心位置比較,8種阻止氣體的阻止能力依次為C3F8>C4H10>CF4>C2H4F2>C3H8>Xe>CO2>Ar.C3F8,CF4和C2H4F2雖然阻止能力較強(qiáng),但屬于含氟負(fù)電性氣體,容易與正離子復(fù)合,所以不考慮這三種阻止氣體.另外C4H10的阻止能力雖然比C3H8強(qiáng),但是C4H10在室溫條件下,2.1 bar即會(huì)發(fā)生液化[16,17].最終選擇阻止能力強(qiáng)且對(duì)γ射線不敏感的C3H8作為探測(cè)器的阻止氣體.圖4(a)為SRIM計(jì)算573 keV的質(zhì)子和191 keV的氚核在1 bar C3H8內(nèi)的電離分布,可以看出質(zhì)子的電離分布存在明顯的布拉格峰,而氚核由于能量低沒(méi)有布拉格峰,質(zhì)子末端布拉格峰的存在增加了電離重心位置與中子核反應(yīng)位置的偏差.

SRIM模擬計(jì)算573 keV質(zhì)子和191 keV氚核在不同氣壓丙烷的射程和電離重心位置,模擬計(jì)算結(jié)果如圖4(b)所示,可以看出,對(duì)于丙烷阻止氣體,573 keV質(zhì)子和191 keV氚核的電離重心約等于0.42倍質(zhì)子的射程.中子核反應(yīng)產(chǎn)生的質(zhì)子和氚核的運(yùn)動(dòng)方向是各向同性的,因此質(zhì)子和氚核電離分布導(dǎo)致的中子探測(cè)位置偏差為0—0.84倍質(zhì)子的射程[13].

圖4 (a)573 keV質(zhì)子和191 keV氚核在1 atm C3H8內(nèi)的電離分布;(b)次級(jí)離子在不同氣壓丙烷的射程、產(chǎn)生的位置偏差和中子的位置分辨Fig.4.(a)The ionization distribution of the 573 keV proton and the 191 keV tritium at 1 atm propane;(b)the range,the COG and the position resolution for neutron as a function of the pressure of propane.

探測(cè)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5(a)所示,詳細(xì)設(shè)計(jì)原理可參考文獻(xiàn)[18].X射線經(jīng)過(guò)100μm準(zhǔn)直狹縫后測(cè)量該結(jié)構(gòu)探測(cè)器的本征位置分,得到探測(cè)器的本征位置分辨FWHMX為0.235 mm,如圖5(b)所示.然后通過(guò)(3)式和丙烷對(duì)質(zhì)子射程的模擬結(jié)果,可以計(jì)算出探測(cè)器對(duì)中子的位置分辨FWHMn.圖4(b)可以看到不同氣壓丙烷對(duì)中子的位置分辨計(jì)算結(jié)果,得出1.8 atm丙烷可達(dá)到2 mm的位置分辨的要求,探測(cè)器實(shí)際選擇的丙烷氣壓為2.5 atm,這樣探測(cè)器對(duì)中子的位置分辨可以達(dá)到約1.4 mm,滿足譜儀要求的好于2 mm的位置分辨.

圖5 (a)MWPCs探測(cè)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu);(b)X射線測(cè)量探測(cè)器的本征位置分辨(FWHMX=0.1×2.35 mm)Fig.5.(a)The structure schematic of the MWPCs detector;(b)the position resolution for X-rays.

2.3 長(zhǎng)期穩(wěn)定工作

多功能反射譜儀探測(cè)器需要在密閉條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作近10年之久.探測(cè)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的組成部件,如PCB板的“Outgassing”效應(yīng)[19,20],將會(huì)帶來(lái)氧氣和水蒸氣等雜質(zhì)氣體.氧氣和水蒸氣因增加氣體的吸附系數(shù)而降低探測(cè)器的氣體增益,其中氧氣表現(xiàn)最為明顯.圖6為Garf i eld[21]模擬不同含量的氧氣導(dǎo)致氣體增益降低的情況,可以看出300 ppm的氧氣在3500 V工作電壓處降低約30%的氣體增益.在探測(cè)器的電子雪崩倍增過(guò)程中,將引起有機(jī)氣體的分解和聚合,當(dāng)聚合鏈足夠大時(shí)將發(fā)生冷凝、擴(kuò)散并吸附在探測(cè)器電極的表面,由此帶來(lái)探測(cè)器的氣體增益不穩(wěn)定,漏電流增加[22,23].因此,為了保證探測(cè)器長(zhǎng)期的穩(wěn)定工作,需要一套氣體凈化設(shè)備,定期地清除以上雜質(zhì)氣體.

圖6 (a)不同含量的氧氣對(duì)探測(cè)器增益的影響;(b)MWPCs探測(cè)器的過(guò)濾器和電磁泵Fig.6.(a)The gas gain as a function of the oxygen;(b)the f i lter and the electromagnetic pump of the MWPCs detector.

設(shè)計(jì)的氣體凈化系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分,氣體過(guò)濾器和驅(qū)動(dòng)氣體循環(huán)的電磁泵,如圖6(b)所示.氣體過(guò)濾器結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,通過(guò)一個(gè)不銹鋼圓柱形容器裝入吸收氧氣、水蒸氣和有機(jī)物雜質(zhì)氣體的材料.吸收材料有兩種:一種是用于吸收氧氣的“Ridox”材料,它主要由99%以上的氧化鋁和少于1%的銅組成;另外一種是用于吸收屬于極性分子的水蒸氣和有機(jī)物雜質(zhì)氣體的分子篩,選用的分子篩孔直徑為3 ?,分子篩通過(guò)庫(kù)侖吸引力吸收直徑小于3 ?的極性分子.探測(cè)器工作氣體的丙烷也屬于極性分子,在經(jīng)過(guò)凈化器會(huì)被分子篩吸收和釋放,分子篩的吸收能力與溫度成反比關(guān)系,因此在凈化系統(tǒng)工作時(shí),保持環(huán)境溫度變化不超過(guò)±5℃,使過(guò)濾器對(duì)丙烷的吸收和釋放達(dá)到平衡.“Ridox”和分子篩吸收材料可進(jìn)行更新,通過(guò)在200℃條件下沖入95%Ar+5%H2可釋放吸收材料已吸收的雜質(zhì)氣體.電磁泵的作用是在高氣壓條件下驅(qū)動(dòng)探測(cè)器內(nèi)部的氣體與過(guò)濾器之間循環(huán),結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,主要由一對(duì)單向閥、一對(duì)法蘭、若干節(jié)波紋管、純鐵塊和電磁鐵吸盤(pán)等組成.電磁泵的工作原理是通過(guò)電磁鐵吸盤(pán)驅(qū)動(dòng)純鐵塊上下振動(dòng),帶動(dòng)波紋管上下振動(dòng),從而改變波紋管內(nèi)部的氣壓,打開(kāi)和關(guān)閉與波紋管連接的單向閥,單向閥使探測(cè)器的氣體單向循環(huán)流動(dòng),最后達(dá)到探測(cè)器的氣體凈化目的.電磁泵設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵在于波紋管振動(dòng)產(chǎn)生的壓差能否打開(kāi)單向閥.(4)式為計(jì)算波紋管振動(dòng)產(chǎn)生的最大壓差公式,式中?Pmax和P0分別為波紋管振動(dòng)產(chǎn)生的最大壓差和波紋管的初始?xì)鈮?V0和V1分別為波紋管的初始體積和振動(dòng)改變的體積.因?yàn)殡姶盆F吸盤(pán)與純鐵塊之間隔一個(gè)法蘭,所以電磁鐵吸盤(pán)對(duì)純鐵塊的吸引力因?yàn)檩^遠(yuǎn)的距離而有限,因此應(yīng)找到純鐵塊與波紋管的共振頻率,才能在有限的吸引力下得到最大的波紋管振幅.通過(guò)電磁泵在常壓條件下的測(cè)試,得到設(shè)計(jì)的電磁泵的共振頻率為62 Hz,電源電壓為24 V.測(cè)量到波紋管的振幅,可以計(jì)算出在常壓和8.5 bar工作氣壓下,波紋管振動(dòng)產(chǎn)生的最大壓差分別為0.15 bar和1.1 bar.采用的單向閥開(kāi)啟壓力為0.03—0.21 bar.通過(guò)常壓條件下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試,電磁泵成功驅(qū)動(dòng)氣體循環(huán)流動(dòng),氣體流速達(dá)到2 L/min.探測(cè)器的工作氣壓條件是8.5 bar,波紋管振動(dòng)可產(chǎn)生更大的壓差,因此更容易打開(kāi)單向閥驅(qū)動(dòng)氣體循環(huán)流動(dòng).探測(cè)器的體積約為4 L,因此大約需要2 min可將探測(cè)器氣體凈化一遍.

測(cè)量探測(cè)器工作氣體經(jīng)過(guò)凈化前后的氣體增益變化,可驗(yàn)證研制的凈化系統(tǒng)的效果.探測(cè)器的坪區(qū)電壓在3400—3600 V之間,測(cè)量該高壓區(qū)間的中子能譜,比較中子能譜峰位的變化,即可得到探測(cè)器相對(duì)氣體增益的變化情況.凈化探測(cè)器工作氣體前后,探測(cè)器的相對(duì)氣體增益變化測(cè)量結(jié)果如圖7所示.可以看出,工作氣體經(jīng)過(guò)凈化后,探測(cè)器的相對(duì)氣體增益在3500 V高壓處,提高了約27%.證明研制的氣體凈化系統(tǒng)可有效地去除雜質(zhì)氣體.

圖7 凈化系統(tǒng)工作前后探測(cè)器相對(duì)氣體增益的測(cè)量結(jié)果Fig.7.The relative gain as a function of the anode high voltage with and without purif i cation of the working gases.

3 初步性能測(cè)試

實(shí)驗(yàn)中采用252Cf中子源,經(jīng)過(guò)聚乙烯慢化后,進(jìn)入探測(cè)器.首先測(cè)量探測(cè)器的計(jì)數(shù)坪區(qū)確定探測(cè)器的工作電壓,固定探測(cè)器陰極高壓為?1800 V,陽(yáng)極高壓從2900—3650 V逐漸遞增測(cè)量探測(cè)器的計(jì)數(shù)率.當(dāng)陽(yáng)極高壓為3650 V,探測(cè)器出現(xiàn)信號(hào)過(guò)大,超出電子學(xué)測(cè)量事例的范圍.為了避免打火以及保護(hù)探測(cè)器的安全,沒(méi)有繼續(xù)增加陽(yáng)極高壓.測(cè)量結(jié)果如圖8(a)所示,探測(cè)器的陽(yáng)極坪區(qū)電壓為3400—3600 V.因此選擇探測(cè)器的坪區(qū)電壓,陽(yáng)極3500 V,陰極?1800 V,通過(guò)測(cè)量單個(gè)陰極層的總感應(yīng)電荷來(lái)得到入射粒子的能量信息.圖8(b)為通過(guò)下陰極層的總感應(yīng)電荷測(cè)量到的能譜.為了去除本底信號(hào)的干擾,陰極層的總感應(yīng)電荷量是通過(guò)每個(gè)通道的電荷測(cè)量值減去該通道的本底值,當(dāng)該值大于某個(gè)閾值的條件下,才累加到陰極層的總感應(yīng)電荷中.由于測(cè)量環(huán)境的γ本底較多而中子源強(qiáng)度較弱,圖8(b)測(cè)量的能譜中γ的計(jì)數(shù)較高,由于中子和γ射線在探測(cè)器沉積的能量不一樣,還是可以明顯區(qū)分出中子的能譜峰,位于150 fC左右位置,且中子和γ的峰位比值在5以上,可以得出探測(cè)器具有較高的n/γ分辨能力.根據(jù)中子核反應(yīng)后次級(jí)離子產(chǎn)生的原初電子數(shù)約為30000個(gè),單個(gè)陰極層收集的感應(yīng)電荷約為原初電子倍增后的總電荷量的1/2.因此可以計(jì)算出150 fC的中子峰位對(duì)應(yīng)探測(cè)器的氣體增益約為62.探測(cè)器在如此低的氣體增益下,有利于保持長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作.

圖8 探測(cè)器的計(jì)數(shù)坪曲線(a)和中子能譜測(cè)量(b)Fig.8.The curve of the high pressure MWPCs neutron detector(a)and neutron spectrum(b).

圖9 “H”字母的鎘板(a)和探測(cè)器的二維成像(b)Fig.9.A cadmium plate with a hole of the character“H”(a)and the two dimension image(b).

實(shí)驗(yàn)中制作一個(gè)如圖9(a)所示的鎘板,鎘板的厚度為4 mm.鎘板放置在探測(cè)器的入射窗前進(jìn)行二維成像測(cè)試,因?yàn)闇y(cè)試環(huán)境中γ本底較高,而中子源強(qiáng)度較低,數(shù)據(jù)分析中根據(jù)圖8(b)能譜的測(cè)試結(jié)果,將陰極層總感應(yīng)電荷量低于100 fC的事例剔除,去除γ事例對(duì)成像的影響,最終經(jīng)過(guò)近10 h的成像測(cè)試結(jié)果如圖9(b),得出均勻響應(yīng)的“H”字母成像.因?yàn)?52Cf中子源經(jīng)過(guò)慢化后,還存在能量在0.3—0.5 eV之上的較多的鎘上中子,鎘板對(duì)這些中子的吸收截面較低;且中子經(jīng)過(guò)聚乙烯慢化后相當(dāng)于一個(gè)平面源,成發(fā)散角分布,難以用鎘板狹縫對(duì)低強(qiáng)度的252Cf中子源進(jìn)行準(zhǔn)直測(cè)量,所以使用的252Cf較難準(zhǔn)確測(cè)出探測(cè)器對(duì)中子的位置分辨.

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)探測(cè)器不同厚度鋁合金入射窗的模擬計(jì)算,9 mm厚的入射窗設(shè)計(jì),可滿足在8.5 bar氣壓條件下小于0.3 mm的變形量,同時(shí)也可滿足90.26%的熱中子有效透射率;根據(jù)對(duì)鋁絲密封的探測(cè)器高氣壓腔體氣密性測(cè)量,10年減少的氣體量約為1.7 bar,因此6 bar的初始3He氣體可滿足探測(cè)器在運(yùn)行時(shí)間內(nèi)54%—67.5%全面積的探測(cè)器效率要求.通過(guò)X射線對(duì)探測(cè)器進(jìn)行測(cè)量,獲得的位置分辨約為0.235 mm;中子與3He核反應(yīng)生成的次級(jí)離子,在2.5 bar丙烷的阻止氣體條件下產(chǎn)生的位置偏差約為1.37 mm;因此探測(cè)器對(duì)中子的位置分辨可達(dá)到1.4 mm.探測(cè)器設(shè)計(jì)的氣體凈化系統(tǒng)可有效地去除氧氣、水蒸氣和有機(jī)雜質(zhì)氣體等負(fù)電性雜質(zhì)氣體,提高探測(cè)器約27%的氣體增益,保證探測(cè)器長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行.使用252Cf中子源對(duì)探測(cè)器進(jìn)行初步性能的測(cè)試:由于中子與本底γ射線沉積的能量不一樣,中子和本底γ射線的峰位比在5倍以上,中子和本底γ射線在能譜測(cè)量中很容易被區(qū)分;對(duì)鎘板的成像測(cè)量中,獲得探測(cè)器對(duì)中子源的均勻響應(yīng)成像.研制的高氣壓3He氣體MWPCs探測(cè)器滿足多功能反射譜儀的性能要求,并已在中國(guó)散裂中子源靶站安裝就位,準(zhǔn)備聯(lián)調(diào).下一步將在在中國(guó)散裂中子源束流上實(shí)驗(yàn)測(cè)量和驗(yàn)證探測(cè)器對(duì)中子的探測(cè)效率和位置分辨.

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