微小角中子散射谱仪的高分辨中子闪烁体探测器研究

微小角中子散射谱仪是中国散裂中子源(China spallation neutron source,CSNS)工程目前在建的谱仪之一,为了实现微小角散射模式下中子衍射的精确测量,要求中子探测器的位置分辨≤2 mm、探测效率≥60%@0.4 nm。在此物理精度需求下,研制了基于⁶LiF/ZnS(Ag)闪烁屏、波移光纤阵列和硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier,SiPM)结构的位置灵敏型闪烁体探测器,以实现热中子的高效率和高分辨实时探测。探测效率测试以标准3He管的入射中子数归一化计算得到,位置分辨通过含有“CSNS”字样的含硼铝板验证。本文详细研究了0.5 mm直径波移光纤的光传输性能,对比了不同硅光电倍增管的增益和热噪声特性,并以此设计了有效面积为300 mm×300 mm的探测器工程样机。经测试,该探测器的位置分辨为1.2 mm×1.2 mm,探测效率为(61.8±0.2)%@0.4 nm,达到了工程设计指标,满足了CSNS工程微小角谱仪的中子衍射测量需求。     

~6LiI/~(nat)LiI闪烁体探测器效率的模拟计算及实验测量

碘化锂晶体闪烁体具有中子测量效率高、探测器尺寸小等优点,它是目前相当成熟和用途广泛的探测器,在中子测量及环境监测等各方面均有广泛应用,它由闪烁体、光导、光电倍增管、高压四部分组成。本工作利用Monte Carlo程序研究了6LiI/natLiI闪烁体探测器尺寸与探测效率的关系,并通过GEANT4及MCNP程序模拟计算了高富集度的6LiI晶体和天然LiI晶体及纯7LiI晶体的探测效率。从理论模拟结果可以看出10 mm厚度的两种探测器对热中子探测效率都很高,6LiI达到98%,而natLiI也能达到65%。利用反应堆热中子刻度了6LiI/natLiI闪烁体探测器的热中子探测效率,考虑了铅砖及高密度聚乙烯的散射,以及环境中子的贡献后,实际测量6LiI探测器探测效率在90%左右,natLiI探测器探测效率在70%左右。     

一个二维读出多丝正比室的实验研究

中国散裂中子源(CSNS)反射谱仪中的高精度二维位置灵敏中子探测器以多丝正比室为探测单元.为了深入了解二维读出多丝正比室的性能及为中子探测器多丝室单元设计提供参考和依据,制作了一个二维读出多丝正比室模型.对模型的能量分辨率、正比性、位置分辨率等各种性能进行了较为系统的实验研究.测量得到当阳极高压在1700V～1900V时,多丝正比室模型的能量分辨率在23.5%左右,正比性较好,沿着阳极丝的位置分辨(FWHM)为0.3mm左右.     

位置灵敏热中子探测器设计

研究了一种位置灵敏热中子探测器的设计方案.该方案基于热中子与硼-10的核反应10B(n,α)7Li,采用固体硼-10作为靶物质,探测出射粒子α和产物粒子7Li获得中子的位置信息.利用MC-NP软件模拟了α粒子在靶内的分布,从而求出该探测器的靶厚,物理效率以及位置分辨能力.     

中子通量探测丝的自屏因子计算

中子通量探测丝的自屏因子计算李兆桓（中国原子能科学研究院）关键词自屏因子，探测丝，中子散射影响在许多情况下，热中子反应堆内的中子通量是采用丝状探测器测量的。这类探测器的自屏大，不易处理。本文采用一种方法，既考虑中子散射的影响，又能获得较满意的结果。现...     

Garfield模拟工作气体对涂硼MRPC热中子探测器性能的影响

多气隙电阻板室(Multi-gap Resistive Plate Chamber,MRPC)是一种新型气体探测器,具有探测效率高和时间分辨好等优点,在内层玻璃涂硼后可用于热中子探测。不同的工作气体对涂硼MRPC热中子探测器的性能有很大影响。利用Garfield模拟了不同工作气体的汤生系数η、电子吸附系数α、漂移速度v、扩散系数D等物理参数,并计算给出了MRPC的时间分辨率σt、本征探测效率ε。通过模拟结果对工作气体进行优化,为探测器的实际制作和实验测试提供必要的指导。     

基于6Li+CdTe的新型中子探测器的优化设计研究

面对~3He气体资源严重短缺的国际形势,2018年基于~6Li+CdTe新型中子探测器方案被提了出来,其具备热中子探测效率高、γ灵敏度低及可与~3He气体中子探测器相比拟的特点,有很好的应用前景。本文分析~6Li+CdTe中子探测器的结构和工作原理,采用MCNP6软件对~6Li+CdTe中子探测器进行物理建模并且对其物理性能、结构参数、中子慢化体设计等进行模拟计算,并就该探测器在特殊核材料监测系统中的应用开展了探索研究。结果显示:CdTe吸收层的最佳厚度为10μm;当6层~6Li+CdTe的中子探测单元叠加时,~6Li转化层的最佳厚度为60μm,此时热中子探测效率超过50%;探测系统的尺寸达到4 m×32 cm时,可以满足特殊核物质监测的要求。整个模拟研究获得了探测器最佳工作参数以及辐射监测系统设计方案,对特殊核材料在线中子监测装置的实验研究具有指导意义。     

康普顿相机的GEANT4模拟与反投影图像重建

模拟构建了双层康普顿相机,利用康普顿散射原理,获取γ光子在两层探测器发生散射前后沉积的能量和位置信息,通过一定算法进行图像重建,获得放射源位置信息。该相机具有灵敏度高、体积小、应用范围广等优点。通过蒙特卡罗方法模拟了具有双层条状结构位置灵敏探测器(散射探测器、吸收探测器)组成的康普顿相机,其两层探测器分别由Si和Ge材料构成。利用反投影图像重建算法实现了放射源图像重建,当单点源与探测器距离为40 mm时,成像的效率为0.38%,位置分辨率达到8.0 mm,角分辨率达到3°。对于不同位置和不同个数点源的情况下,检验了反投影重建算法在康普顿相机放射源空间重建中的效果。     

基于伴随粒子的快中子成像系统角分辨研究

不同于传统的快中子成像系统,采用伴随粒子成像技术无需机械准直即可消除大部分γ射线和散射中子的干扰,实现对厚重物体的高对比度成像。角分辨是影响系统成像质量的一项重要参数。通过理论分析,研究了入射离子的初始动量、靶点尺寸和探测器空间分辨等多个因素对系统角分辨的影响。利用基于GEANT4的模拟程序,计算了不同参数下被标记中子出射角分布的二维图像。分析及模拟结果表明,靶点直径和α探测器空间分辨率是影响角分辨的重要因素。为满足系统角分辨小于1°的设计目标,入射离子的初始动量变化范围应较小,靶点直径应小于1 mm,同时α探测器的空间分辨率应小于0.5 mm。     

基于伴随粒子的快中子成像系统角分辨研究

不同于传统的快中子成像系统,采用伴随粒子成像技术无需机械准直即可消除大部分γ射线和散射中子的干扰,实现对厚重物体的高对比度成像。角分辨是影响系统成像质量的一项重要参数。通过理论分析,研究了入射离子的初始动量、靶点尺寸和探测器空间分辨等多个因素对系统角分辨的影响。利用基于GEANT4的模拟程序,计算了不同参数下被标记中子出射角分布的二维图像。分析及模拟结果表明,靶点直径和α探测器空间分辨率是影响角分辨的重要因素。为满足系统角分辨小于1°的设计目标,入射离子的初始动量变化范围应较小,靶点直径应小于1 mm,同时α探测器的空间分辨率应小于0.5 mm。     

碳化硅热中子探测器的优化设计

采用MC法对用于热中子探测的碳化硅探测器开展设计。优化了中子转换层参数和半导体器件参数,研究表明采用~(10)B作为中子转换材料,其最优厚度为2μm,在系统甄别阈为300 keV时对应的探测效率理论值为3.29%。制备了碳化硅外延层厚度20μm,灵敏区面积5 mm×5 mm的碳化硅器件,在外加反向偏压达180V时,其漏电流仅20.8 nA。性能测试表明:该器件对4.7-6.0 MeV的α粒子具有极好的能量线性,其线性度达0.999 97。对5.49 MeV的α粒子的能量分辨率为1.03%,对应半高宽57.3keV,与SiC高分辨α探测器分辨率相当。     

小单元多丝漂移室探测器系统研制

为精确测量CSR外靶终端靶前入射粒子的径迹,研制了多套小单元多丝漂移室探测器,该探测器灵敏面积为80 mm×80 mm,每套探测器包括x、x′、y、y′4个探测电极面,每个电极面引出16个阳极丝信号。前端电子学采用基于SFE16芯片的放大器,数据读出系统采用基于HPTDC芯片的数据采集卡。采用两套小单元多丝漂移室对400 MeV/u的¹⁶O束流位置进行了测试,探测器的工作气体为Ar(80%)+CO₂(20%),阳极丝电压为+900 V,场丝与阴极丝均接地,拟合得到的单层电极的位置分辨(拟合残差)为105.9μm,探测效率为99.3%,该指标可以满足现阶段CSR外靶终端大部分核物理实验对反应靶点的定位要求。     

单球中子谱仪n-γ混合辐射场中子甄别技术研究

正单球中子谱仪利用单慢化球、位置灵敏探测器的组合实现了多球谱仪的功能。采用~6Li、~7Li玻璃闪烁体实现了n-γ混合辐射场的中子甄别,探测器组件结构如图1所示。~6Li闪烁体对热中子和γ射线均有响应,而~7Li闪烁体对热中子无响应。通过前者与后者探测信号的扣除得到热中子信号,实现n-γ混合辐射场内中子甄别。在n-γ场中对单球中子谱仪使用的探测器组件开展了相应研究,探测器组件测试电路如图2所示,其中主放大器增益为10倍,ADC采集时间为300s,ROI设置为200～1 023道,并通过ADC     

高分辨中子闪烁体探测器读出电子学研制

能量分辨中子成像谱仪是中国散裂中子源当前在建的谱仪之一,其衍射探测器90°分区采用6LiF/ZnS中子闪烁体探测器作为探测设备。为实现探测器高位置分辨,读出电子学系统采用了一种电容网络复合读出电路和电荷重心法相结合的实现方法,并研制了电子学样机。该样机由电容网络复合读出电路、前置放大板和数字读出板三部分组成,基本功能验证完成后,分别在实验室和中国散裂中子源的20号束线上进行了相关性能参数测试,测试结果显示：电子学的积分非线性≤0.95%,时间分辨约为12 ns;探测器位置分辨为1 mm、探测效率为65%@1.6?,均达到了工程设计指标。该样机的成功研制为能量分辨中子成像谱仪未来顺利开展谱仪实验提供了可靠的技术保障。     

铀钚溶液设备外中子探测效率研究

中子探测技术作为一种非破坏性分析技术,是铀钚溶液系统钚含量监测的一个较好的选择.基于典型的盛放铀钚溶液的圆柱形设备和典型的热中子探测器,开展了设备外中子探测效率研究,以实现对铀钚溶液系统的钚含量监测.对探测器的位置、慢化体及屏蔽体布置、料液浓度和料液分段对探测响应计数的影响进行了研究,获得了优化的探测效率以及不同轴向段...     

碲锌镉探测器中子探测性能研究

研究了基于碲锌镉可以吸收其与中子的~(113)Cd(n,γ)反应产生的瞬发γ,采用~(241)Am-Be源进行中子探测实验,结果表明碲锌镉探测器对中子有较好的响应,能量分辨率较高;通过探测带电粒子间接探测中子,即在碲锌镉晶体表面涂硼,基于硼与中子反应产生的α和~7Li在碲锌镉中电离进行探测。采用MCNPX及Geant4两种软件模拟硼层厚度及CZT厚度对中子探测效率的影响,设置适当的甄别阈以降低γ射线的影响。模拟结果表明:当硼层厚度为2.7μm,碲锌镉厚度为1.6μm时可达到最大探测效率。对两种探测方法进行了对比研究,证明了碲锌镉应用于中子探测的可行性。     

~6Li玻璃闪烁体中子脉冲的等效电子能量

ST-602型铈(Ce)激话的~6Li玻璃闪烁体是探测慢中子、特别是热中子的高效率探测器。3mm厚的这种闪烁体对热中子的探测效率可达90％以上,但它对γ射线的探测效率也较高,这对于中子探测来说是极为不利的。因为中子束经常伴随γ射线。为了合理使用~6Li玻璃闪烁体探测中子并有效地甄别掉γ射线,为了正确地选择γ射线的能量,以便使~6Li玻璃探测器能同时用作γ射线和中子的探测元件,因此研究中子、电子(或     

瞬发裂变中子铀矿测井中超热中子探测器的优化研究

瞬发裂变中子铀矿测井是利用脉冲中子源和超热中子探测器,记录热中子和235U发生裂变反应产生的瞬发超热中子,得到地层含铀量信息的测井方法。为提高仪器中超热中子探测器的探测效率,利用蒙特卡罗数值计算程序MCNP5对中子铀矿测井仪的探测器进行了优化计算研究,得到最优的中子慢化体和中子探测器尺寸组合,并将计算结果用于仪器的改进,取得了满意的实验结果。     

基于6LiF/ZnS(Ag)和闪烁光纤的宽能谱中子探测技术研究

为了解决传统中子探测器在狭窄空间、强电磁干扰、远距离传输等复杂环境下探测中子时存在的不足,本研究将6LiF/ZnS(Ag)混合材料和闪烁光纤相结合,设计了一种可用于宽能谱中子测量的新型闪烁体光纤中子探测器。基于蒙特卡罗粒子输运计算程序FLUKA对该新型光纤中子探测器的中子探测性能进行了模拟研究,完成了闪烁体光纤探头的优化设计。结果表明,当入射中子的能量在0.01~10 eV和0.5~10 MeV范围时,该新型中子探测器具有较高的中子探测效率,可用于热中子-快中子宽能谱范围中子的探测;通过对比脉冲幅度的差异,该新型中子探测器能够实现n-γ信号的甄别。      

D-T脉冲中子发生器随钻中子孔隙度测井的蒙特卡罗模拟

利用蒙特卡罗方法模拟研究了D-T脉冲中子发生器和241Am-Be中子源产生的中子与地层的作用过程,以探讨D-T脉冲中子发生器在随钻中子孔隙度测井中的应用价值。模拟结果显示,使用这两种中子源,热中子计数均随源距增加而呈指数下降;孔隙度较小时,两者的计数差异较小,当地层孔隙度达到40%时,D-T脉冲中子发生器产生的热中子和超热中子计数均比²⁴¹Am-Be中子源高很多,其分布范围也更宽,近探测器的源距选择20～30 cm,远探测器的源距选择约60～70 cm;D-T脉冲中子发生器用于中子孔隙度测井时对地层孔隙度的灵敏度降低,而相同源距条件下探测深度几乎不变。以上结果提示,利用D-T脉冲中子发生器可以进行补偿中子孔隙度测井,在增加源距的同时既可以保证计数统计性,又可以提高灵敏度和探测深度,在随钻测井仪器设计中可以取代²⁴¹Am-Be中子源。