基于微通道板的快中子照相二维像探测器的模拟研究与设计

发布时间：2020-07-20 09:28

【摘要】：提出了一种转换器、微通道板(Microchannel Plate-MCP)电子增强器和CCD(Charge-Coupled Device)相机组成的快中子照相(Fast Neutron Radiography-FNR)像探测器新方案。采用MCNPX程序,模拟研究了14.5MeV入射在8种含氢材料上所产生的出射质子积分产额随材料厚度的变换关系,选择了聚乙烯作为快中子像探测器中子-质子转换器材料。采用MCNPX和Geant4程序,分别模拟了14.5MeV和2.5MeV快中子在不同厚度PE转换器上产生的出射质子的积分产额、平均能谱、角分布及不同角度方向的能谱。通过数据的综合分析,最终确定：对14.5MeV快中子,PE转换器的厚度应该选择为2.5mm,此时的中子-质子转换效率约在0.37-0.39%区间；对2.5MeV快中子,PE转换器的厚度应该选择在85um-100um区间,此时的转换效率约在0.04-0.05%区间。采用Geant4软件模拟了质子及电子在MCP玻璃材料产生的二次电子的特性,结果显示：1)入射角越小,二次电子产额越大。质子轰击玻璃材料的电子产额在质子能量约0.12MeV时达到最大值(以入射角60为例,约为720个)；2)电子轰击玻璃材料的电子产额在能量约500eV时达到最大值(以入射角6°为例,约为1.7个)采用Geant4软件分别模拟了14.5MeV和2.5MeV快中子入射在PE转换器的质子输运和在单片MCP中的电子倍增过程,给出了MCP输出电子束斑图像。结果显示,所设计的PE+MCP系统能够将入射的快中子转换成电子束斑信息,单孔电子束斑直径略大于MCP孔径,即电子束斑的空间分辨接近于MCP孔径量级。14.5MeV和2.5MeV快中子在PE+单片MCP系统中的中子-电子转换效率约为10%。采用 Geant4软件分别模拟了14.5MeV和2.5MeV快中子入射在PE转换器的质子输运和双片“V”型MCP中的电子倍增过程,给出了MCP输出电子束斑图像。结果显示,所设计的PE+MCP系统能够将入射的快中子转换成电子束斑信息,单孔电子束斑直径略大于MCP孔径,即电子束斑的空间分辨接近于MCP孔径量级。14.5MeV和2.5MeV快中子在PE+双片“V”型MCP系统中的中子-电子转换效率分别约为3500%和1200%。双片“V”型MCP在信号增强方面优势明显。采用Geant4软件模拟了14.5MeV快中子与MCP壁材料相互作用产生的α粒子和质子导致的电子倍增过程。结果显示,此过程所产生的加强效应约为10%。采用Geant4软件分别模拟了快中子与PE作用产生的γ射线对微通道板像探测器成像特性的影响,结果显示,γ射线在MCP内形成的倍增电子数约占PE+MCP系统质子-电子过程的0.34%,即MCP对能量较高的γ射线不敏感。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TL816.3

【参考文献】