何逾洋，劉蘊韜，劉毅娜，王志強，李春娟，夏 莉，駱海龍

(1.中國原子能科學(xué)研究院 核技術(shù)綜合研究所，北京 102413；2.計量與校準(zhǔn)技術(shù)國防科技重點實驗室，北京 102413)

自二十世紀(jì)八十年代以來，中高能強流脈沖質(zhì)子加速器的散裂中子源已成為世界上開展各種中子核數(shù)據(jù)測量及中子束應(yīng)用的重要平臺[1-3]。2018年中國散裂中子源(China Spallation Neutron Source, CSNS)反角白光中子束線(CSNS/Back-n)打靶出束，該束線也必將成為開展核數(shù)據(jù)測量、寬能區(qū)范圍探測器標(biāo)定和中子輻照效應(yīng)研究等應(yīng)用的大型綜合科學(xué)研究平臺。中子束線特征參數(shù)尤其是中子能譜和注量是在CSNS/Back-n上進(jìn)行其他實驗的基礎(chǔ)[4-6]。

CSNS/Back-n具有中子能量范圍寬及脈沖束特點，在距散裂靶76 m處的中子注量率約為8.6×106cm-2·s-1@100 kW。飛行時間法測量原理基于基本物理量(時間和距離)，對脈沖中子束能量測量具有很高的準(zhǔn)確度，國際上散裂中子源均采用飛行時間法測量中子束線能譜參數(shù)[7-10]。國際原子能機構(gòu)(IAEA)推薦了一系列中子核反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)截面[11]，目前廣泛用于150 keV以下能區(qū)的是10B(n, α)7Li和6Li(n, t)α核反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)截面?；谶@兩種核反應(yīng)探測原理的探測器類型主要有6Li玻璃閃爍體探測器、6Li-Si半導(dǎo)體探測器、10B和6Li電離室型探測器等。6Li玻璃閃爍探測器配快光電倍增管的時間特性適用于中子飛行時間法，但是鋰玻璃對γ射線探測效率很高，而CSNS/Back-n質(zhì)子打靶瞬間有很強的瞬間伴隨γ-閃光，會引起光輸出瞬間飽和。將鍍6LiF的鋁膜作為轉(zhuǎn)換靶置于束上，束外對稱放置多個Si半導(dǎo)體探測器的6Li-Si束流監(jiān)視器已在CSNS/Back-n上得到了很好的應(yīng)用[10]。電離室型探測器雖然時間分辨不如閃爍體探測器，但150 keV以下能區(qū)中子飛行76 m需要十幾微秒，因此具有百納秒量級時間分辨的電離室型探測器也可用于中子飛行時間法測量實驗，多種方法間可以相互驗證。此外，屏柵電離室型探測器具有探測效率高(100%)、探測立體角大(接近2π)、對帶電粒子同時具有能量和角度分辨能力和結(jié)構(gòu)上靈活多樣等優(yōu)點[12-13]。

中國原子能科學(xué)研究院核數(shù)據(jù)重點實驗室使用235U多層裂變室對CSNS/Back-n的中子能譜進(jìn)行過測量，但在低能區(qū)由于235U的裂變截面存在共振，無法進(jìn)行精細(xì)能譜分析，有必要發(fā)展基于10B或6Li等其他標(biāo)準(zhǔn)截面的探測器能譜測量。本工作針對CSNS/Back-n在150 keV以下能區(qū)飛行時間法中子能譜測量，研制雙屏柵電離室。通過模擬計算，設(shè)計雙屏柵電離室的工作氣體、極間距和工作電壓等參數(shù)。采用α源對雙屏柵電離室的性能參數(shù)進(jìn)行測試，為進(jìn)一步開展CSNS/Back-n束線上基于10B(n, α)7Li和6Li(n, t)α核反應(yīng)中子能譜測量研究提供參考。

1 原理及結(jié)構(gòu)

通過柵極的靜電屏蔽作用將電離室分為電離發(fā)生區(qū)和信號產(chǎn)生區(qū)，電子只有通過柵極才會在陽極感應(yīng)出脈沖信號，從而使屏柵電離室可識別帶電粒子能量[14]，測量脈沖數(shù)可以得到入射粒子數(shù)，分析脈沖幅度可以得到入射粒子的能量[15]。

針對CSNS/Back-n中子束線中子產(chǎn)額高和很強的瞬間伴隨γ-閃光等特點，為避免γ-閃光與金屬物質(zhì)作用產(chǎn)生強干擾信號，采用微米厚度的雙面鍍鋁Mylar膜制做前后薄窗和薄底襯，以減少束上金屬物質(zhì)的量。研制的屏柵電離室結(jié)構(gòu)示意圖示于圖1，主要包括陰極(中子核反應(yīng)靶底襯)、兩個收集極(即陽極)、兩個柵極、極間絕緣材料和密封殼體等結(jié)構(gòu)。采用“背靠背”的方式放置兩塊靶片同時測量。密封殼體材料為鋁合金。通過專用工裝將兩片印制電路板(PCB)和Mylay膜粘合制成極板，由于Mylar膜具有一定的延展性，可以使底襯呈現(xiàn)光滑的鏡面效果。將鍍金鎢絲焊接在PCB環(huán)上制成柵極。極板通過絕緣性能好、硬度高、質(zhì)量輕的陶瓷柱和套圈支撐和固定，且可以靈活調(diào)節(jié)極間距。

2 工作參數(shù)模擬計算

2.1 工作氣體

電離室通過記錄α粒子在氣體中產(chǎn)生電離引起的電離電流來確定入射中子通量。工作氣體應(yīng)產(chǎn)生盡可能小的復(fù)合損失，具有較高的阻止本領(lǐng)，從而將陰極出射的帶電粒子在到達(dá)柵極前完全阻止。用于中子飛行時間法測量時，還應(yīng)具有較快的電子漂移速度以及較小的擴散系數(shù)，以減少電子在漂移過程中被俘獲的概率，縮短電子到達(dá)陽極的時間，并產(chǎn)生較小的實驗本底[16]。

本工作研制的屏柵電離室采用常溫常壓流氣方式。通過歐洲核子中心開發(fā)的面向?qū)ο竽M計算程序Garfield++[17]計算常溫常壓(20 ℃，1 atm)下單原子氣體(Ar、Kr)、多原子氣體(CO2、CH4和CF4)和混合氣體(90%Ar-10%CH4、90%Ar-10%CO2、90%Kr-10%CO2、95%Kr-5%CO2)的電子漂移速度和擴散系數(shù)，電場強度在50～1 000 V/cm范圍共計算了20個場強點，結(jié)果示于圖2。

由圖2可知，電子在多原子分子氣體中的漂移速度相對較快，擴散系數(shù)相對較??；在單原子分子氣體中添加少量多原子分子氣體可以降低負(fù)離子形成的概率，從而提高電子在其中的漂移速度，降低擴散系數(shù)。在較低電場強度下，電子在90%Ar-10%CH4(以下稱P10)和CF4氣體中具有較快的漂移速度(最高可達(dá)5.5 cm/μs)和較小的擴散系數(shù)；隨著電場強度的增大，電子在P10氣體中的漂移速度逐漸減小，在90%Ar-10%CO2、90%Kr-10%CO2、CF4和CH4氣體中的漂移速度逐漸增大(最高可達(dá)10.5 cm/μs)。電子在上述氣體中的擴散系數(shù)均隨電場強度增大而減小，且在CF4氣體中的擴散系數(shù)最小(最低為0.01 cm1/2)。電場強度>700 V/cm后，電子在氣體中的漂移速度和擴散系數(shù)隨電場強度的改變逐漸變小。

a——不同氣體的漂移速度；b——不同氣體的縱向擴散系數(shù)；c——不同氣體的橫向擴散系數(shù)

在電子漂移速度較快的幾種氣體中，CH4屬于易燃易爆氣體，因此在很多工作場所不允許使用；CF4阻止本領(lǐng)大且較穩(wěn)定，適用于CSNS/Back-n中子束線實驗；P10和90%Ar-10%CO2為常見的混合氣體，便宜易得。綜合考慮，本工作選用P10、90%Ar-10%CO2和CF4三種氣體進(jìn)行屏柵電離室的調(diào)試及性能對比。實驗時還需保證工作氣體的純度，盡量避免混入O2、水蒸氣和鹵素等負(fù)電性氣體雜質(zhì)，從而降低電子被俘獲的概率。

2.2 極間距

在實際應(yīng)用中，屏柵電離室的柵極會有一定的屏蔽失效問題，通常用屏蔽失效因子σ來表示[18-19]，可通過公式(1)、(2)和(3)計算：

(1)

(2)

(3)

式中：EA為陽極和柵極之間的電場強度，V/mm；EC為陰極和柵極之間的電場強度，V/mm；p為柵極-陽極間距，mm；d為柵絲間距，mm；r為柵絲半徑，mm。

針對本電離室，柵絲半徑為0.05 mm，柵絲間距為2 mm，由式(1)、(2)和(3)可知增大柵極-陽極間距可以使屏蔽失效因子減小，當(dāng)柵極-陽極間距為5 mm或10 mm時，計算得到柵極的屏蔽失效因子σ分別為5.1%和2.6%。

陰極-柵極間距要大于被探測的α粒子的射程，使α粒子的能量盡可能全部沉積在電離發(fā)生區(qū)，但距離過大時會影響靈敏體積內(nèi)電場的均勻性，從而影響能量分辨率。采用SRIM(2013)程序[20]模擬計算常溫常壓(20 ℃，1 atm)下10B(n,α)7Li和6Li(n, t)α核反應(yīng)以及239Pu(5.16 MeV)、241Am(5.48 MeV)、244Cm(5.81 MeV)α源產(chǎn)生的α粒子分別在CF4、P10和90%Ar-10%CO2三種氣體中的射程，結(jié)果示于圖3。由圖3可知，兩種中子核反應(yīng)產(chǎn)生的α粒子在CF4、P10和90%Ar-10%CO2三種氣體中的射程分別小于5 mm、12 mm和12 mm；混合α源產(chǎn)生的α粒子在上述三種氣體中的射程分別小于17 mm、50 mm和46 mm。

圖3 20 ℃幾種α粒子在不同氣體中的射程

極板間距同時也會影響電場強度，極板間距越大陽極所需的高壓就越高。結(jié)合理論公式計算得到的柵極屏蔽失效因子，采用CF4在CSNS/Back-n束上進(jìn)行測試時，陰極-柵極間距設(shè)為20 mm，柵極-陽極間距設(shè)為5 mm。使用α源進(jìn)行調(diào)試及性能對比時，極間距根據(jù)選用的工作氣體進(jìn)行調(diào)整。

2.3 電場模擬

屏柵電離室采用柵極接地，各極板電壓要盡量使電子收集達(dá)到飽和條件，陰極-柵極之間的電場強度要足以克服電子吸附和離子復(fù)合效應(yīng)，且極板之間邊緣效應(yīng)可忽略，但也不能太強，使次級電子形成并進(jìn)入正比區(qū)。為防止電子被柵極捕獲，陰極和陽極的電壓應(yīng)使Z=EA/EC大于屏柵電離室的結(jié)構(gòu)因子ZC[21]：

(4)

(5)

針對本電離室，Z>1.373。

采用基于有限元算法的2D/3D電磁場仿真軟件Simcenter Magnet Electric[22]對屏柵電離室進(jìn)行常溫常壓(20 ℃，1 atm)下靜電場模擬，陰極-柵極間距為50 mm，柵極-陽極間距為10 mm，陽極電壓V+=1 200 V，陰極電壓V-=-1 200 V時模擬計算的電壓和電場分布示于圖4。由圖4可知，電場在Mylar膜底襯固定環(huán)周圍有明顯畸變。

a——模擬計算的電壓分布；b——模擬計算的柵極-陽極間電場分布圖

以極板中心對稱軸為零點，計算不同工作電壓下距零點0～50 mm范圍內(nèi)共18個點的單位電場強度，其與零點處的單位電場強度的相對偏差示于圖5。由圖5可知，收集區(qū)φ74 mm范圍內(nèi)場強的相對偏差≤0.03%，可以認(rèn)為是電場均勻區(qū)。改變陰極電壓，柵極-陽極間的電場強度基本不變，最佳工作電壓值由實驗調(diào)試確定。

圖5 電離室不同區(qū)域內(nèi)單位電場強度的對比

3 性能測試

采用兩枚α源對該電離室(圖6)進(jìn)行能量分辨性能測試，探測器的氣體流量控制在15 mL/min左右，陽極信號引出后經(jīng)電荷靈敏前放ORTEC 142PC和主放大器ORTEC 572A后記錄脈沖幅度譜。

圖6 雙屏柵電離室

3.1 柵極對電離室能量分辨的影響

將241Am α源(活性區(qū)直徑小于3 mm)貼在屏柵電離室的陰極中心，工作氣體為P10時，測量有無柵極時241Am α源的脈沖幅度譜，結(jié)果示于圖7。由圖7可以看出，在相同的測試條件下，增加?xùn)艠O之后探測器的能量分辨明顯得到改善。

圖7 241Am α源脈沖幅度譜

3.2 屏柵電離室能量分辨驗證

將一枚239Pu/241Am/244Cm混合α面源(活性區(qū)直徑小于5 mm)貼在陰極中心，工作氣體分別為P10、90%Ar-10%CO2和CF4時測得的混合α源的脈沖幅度譜示于圖8a。由圖8a結(jié)果可知，工作氣體為P10和CF4時探測器對α粒子有較好的能量分辨，工作氣體為CF4時對α粒子能量分辨率最好，為2.4%@5.48 MeV；工作氣體為90%Ar-10%CO2時探測器對α粒子的能量分辨較差，無法完全區(qū)分三種能量的α粒子。

將一枚239Pu/241Am/244Cm混合α面源緊貼500 μm厚的硅微條探測器(BB8 (DS)-500，美光半導(dǎo)體公司)，在10 Pa的真空罐中進(jìn)行測試，通過32通道的讀出電子學(xué)樣機[23]測得的硅微條探測器脈沖幅度譜示于圖8b，可知能量分辨率為3.1%@5.48 MeV。

a——屏柵電離室；b——硅微條探測器

比較兩種探測器的測量結(jié)果，屏柵電離室的工作氣體為P10時對α粒子的能量分辨效果與硅微條探測器相當(dāng)，工作氣體為CF4時對α粒子的能量分辨效果明優(yōu)于硅微條探測器。本工作研制的屏柵電離室實現(xiàn)了較好的α粒子能量分辨能力。

4 結(jié)論

本文針對CSNS/Back-n中子束線的特點，設(shè)計加工了具有薄窗和薄底襯特點的雙屏柵電離室，用于該束線150 keV以下能區(qū)飛行時間法中子能譜的進(jìn)一步測量。通過Garfield++、SRIM和Simcenter Magnet Electric仿真程序?qū)ζ翓烹婋x室的工作氣體、極間距和電場分布等工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)計。計算并分析了電子在不同氣體中的電子漂移速度和擴散系數(shù)，α粒子在不同氣體中的射程以及屏柵電離室的靜電場分布情況。根據(jù)模擬結(jié)果選定電子漂移速度快、擴散系數(shù)小以及組織本領(lǐng)較大的CF4作為CSNS/Back-n束上測試時的工作氣體，陰極-柵極和柵極-陽極間距分別為20 mm和5 mm。

為進(jìn)行屏柵電離室的調(diào)試及性能對比，采用241Am α源和239Pu/241Am/244Cm混合α面源在CF4、P10和90%Ar-10%CO2三種氣體下對該電離室進(jìn)行性能參數(shù)測試。分別與平板型電離室和硅微條探測器的測量結(jié)果進(jìn)行對比，驗證了本工作研制的屏柵型電離室的能量分辨優(yōu)勢。工作氣體為CF4時，探測器對混合α源具有很好的能量分辨，最佳能量分辨率為2.4%@5.48 MeV，好于硅微條探測器的3.1%@5.48 MeV。

飛行時間法測量中子能譜要求探測系統(tǒng)同時具備適當(dāng)?shù)哪芰糠直婧蜁r間分辨特性，因此需要選用具有快時間響應(yīng)特性的前置放大器。ORTEC 142A和Mesytec MSI-8的T輸出上升時間不超過5 ns，衰減時間幾十納秒，具有較快的定時特征。前放的調(diào)試及根據(jù)前放選定合適的工作電壓等工作正在進(jìn)行。本工作可為進(jìn)一步開展CSNS/Back-n在150 keV以下能區(qū)飛行時間法中子能譜測量提供參考。