基于高压~4He气体闪烁体的中子探测器关键技术研究

发布时间：2020-09-05 12:08

　　 快中子临界装置上中子动力学参数的测量是了解临界装置动力学特性的一种重要的手段。基于时间概率分布测量动力学参数的方法要求探测器具有响应时间快、n-γ甄别性能好以及探测效率适当的要求。而传统的锂玻璃闪烁体探测器、~3He正比计数管、快中子裂变室和新型的SiC探测器存在各自的局限,无法满足强γ环境下快中子的测量要求。以~4He为工作介质的气体闪烁体由于具有原子序数低、电子浓度低、γ甄别容易、快中子弹性散射截面高、响应时间快、闪烁光输出大等优点,研发基于高压~4He气体闪烁体中子探测器有望满足动力学参数对探测器提出的要求。目前国内还没有相关研究单位研制出高压~4He气体闪烁体探测器,且国外研究组正在研发并对该工艺技术进行了封锁。针对制备出高压~4He气体闪烁体中子探测器原型样机的研究目标,本文主要针对探测器设计、加工、测试过程中四个关键问题开展了研究:探测器的物理设计、TPB波长转换层的性能测试、探测器的制备工艺、探测器的性能测试。在探测器物理设计方面,利用Geant4程序分析了探测器的气压、长度、管径等因素对探测器性能影响,结合实际加工工艺给出了优化后探测器的尺寸参数、气压。在TPB波长转换层制备方面,研究了 TPB波长转换材料的加工工艺和厚度对发射光谱强度的影响规律,给出了最优的制备工艺和厚度。并利用此工艺方式制备的样品,研究了 α粒子、γ射线和中子辐照后TPB发光性能的变化。最后详细论述了探测器从设计到加工的整个过程,分析了该过程中遇到的问题并给出解决方案,最终成功制备探测器的原型样机。通过对原型样机计数率和波形的测试,确定了探测器的工作特性。利用飞行时间法,给出了中子和γ的飞行时间谱,并给出了中子和γ在波形上的差异,基于该差异建立了 n-γ甄别方法。通过本文的计算和实验研究工作,掌握了高压~4He气体闪烁体中子探测器的物理设计方法和关键的制备工艺与技术,掌握了 TPB波长转换层的制备工艺和技术,成功制备出探测器的原型样机。
【学位单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TL816.3
【部分图文】：

４Ｈｅ气体闪烁体探测器对快中子和Ｙ射线所产生的信号具有明显不同的特征：中子信号逡逑和Ｙ信号的快成分（？ｎｓ）和慢成分（？畔）比例不同，中子信号的慢成分占总信号的８０％，逡逑而７信号的仅４０％，如图１．２所示。表明高压４Ｈｅ气体闪烁体也具备脉冲波形甄别能力，逡逑抑制Ｙ信号。另外还有三个原因利于Ｙ信号的抑制：（ｌ）４Ｈｅ原子序数低，丫反应截面逡逑小；（２）气体密度低，ｙ的次级电子能量沉积少；（３）沉积相同能量，对中子与Ｙ来说，逡逑产生的光子数目是一样的。逡逑－Ｖ逡逑图ｉ．ｉ探测器实物图逡逑（0）邋＿＿邋逦逡逑Ｉ邋－ｒｆ邋｜ｆｎｎ邋１邋＾逦—逡逑１邋２？0邋＝－邋0逦Ｓ２邋（Ｓｌｏｗ邋ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）逡逑Ｉ邋２＾：邋８逡逑V邋ｉｘ邋—邋＂５５逦逦逦逦邋逦逦逡逑专逦ｒ邋＜ａ逡逑ｔＪ０邋Ｌ邋ｗ逡逑．．．逦．．逦．ｉ逦．逦．逦．逦．逦．邋ｉ逦．．．逦．逦．邋ｉ逦，逦．逦．逦＿，＿逡逑ｃ逦Ｓｔｆｌ逦ｉｎａ＞邋＇逦：ｍｃ逦？ａ）逦！？ｊｔ逦Ｓ３ｔｏ逡逑ｔｍｉ邋ｉｎｔｉ逡逑Ｉ邋－ｒ逡逑Ｉ邋＇ｒ逡逑？ＣＳ邋一逡逑－逦邋Ｉ邋，逦，．逦广：－．一邋．．：＂／邋．邋Ｖ邋逦逦逦逡逑ｃ逦ｓａ逦ｎｘｏ逦ｈｏｃ逦？0逦ｊｘｏ逦ｌａｘ逦４0ｃｃｉ逡逑Ｕｍｅ邋ｆｎｓｆ逡逑图１．２高压４Ｈｅ气体闪烁体探测器的信号：（ａ）邋Ｙ射线；（ｂ）快中子逡逑Ｍ．Ｃａａｃｃｉａ等人［１５］将直径４４ｍｍ

相比光电倍增管，直接将ＳｉＰＭ放在探测器内部，光收集效率改善很多。对ＩＭｅＶ逡逑快中子的本征探测效率达到１５％，波形甄别后，对裂变中子的探测效率达到５％。ＳｉＰＭ逡逑类型的探测器能够同时分辨快中子、热中子和Ｙ射线，图１．３为三种粒子的甄别。它的逡逑缺点在于ｎ－ｙ甄别性能要差于普通光电倍增管，硅片也容易被中子损伤。逡逑＾邋ＥＯＯＯＱ逦逡逑Ｉ邋栙．逦ＣＯ６０逡逑ｍＣ邋１逡逑Ｕ逦２ＬＷ逦４Ｕ００逦ＨＷＪ逦ｔｆｉＪＯＯ逦１１Ｗ００逡逑ＩＨＴＣ（Ｗ．Ｌ邋ｒ邋ＡＳＴ逡逑图１．３．热中子、快中子和Ｙ射线甄别逡逑ＲＪｅｂａｌｉ等人［２５］进行了高压４Ｈｅ探测器和ＮＥ－２１３液体闪烁体的ｎ－丫性能的对比实逡逑验。研究结果表明，在入射中子最大能量为ｌｌＭｅＶ，入射Ｙ射线最大能量为４．４４ＭｅＶ逡逑情况下，ＮＥ－２１３的脉冲高度响应上限达到了邋４．４４ＭｅＶ，下限为０．５５５ＭｅＶ；邋４Ｈｅ探测器逡逑的响应上限为０．８３３邋ＭｅＶ，下限为０．１１１邋ＭｅＶ，图１．４为二维波形甄别散射图。一维波逡逑形甄别投影图（图１．５）：对于ＮＥ－２１３，能量截断值从０．２５变化到３ＭｅＶ，ＦＯＭ从０．７５逡逑变到１．５；而对于４Ｈｅ探测器，截断值从０．２５变到０．５，邋ＦＯＭ从１．３５变到１．７０，能量截逡逑断值超过０．７５ＭｅＶ，只剩下中子信号。从这两张图可以直观地看出４Ｈｅ气体闪烁体探测逡逑器的ｎ－丫波形甄别性能优于ＮＥ－２１３液体闪烁体探测器。逡逑Ｐｕｌｓｅ邋Ｓｈａｐｅ邋（ＰＳ）逦Ｐｕｌｓｅ邋Ｓｈａｐｅ邋（ＰＳ）逡逑ｐｏｏｐ逦ｐ逦0邋Ｐ邋ｐ邋Ｐ逡逑0逦ｊｓｊ逦0９逦ｂ0逦－ｋ邋１＊逦0逦－？逦Ｗ逦

相比光电倍增管，直接将ＳｉＰＭ放在探测器内部，光收集效率改善很多。对ＩＭｅＶ逡逑快中子的本征探测效率达到１５％，波形甄别后，对裂变中子的探测效率达到５％。ＳｉＰＭ逡逑类型的探测器能够同时分辨快中子、热中子和Ｙ射线，图１．３为三种粒子的甄别。它的逡逑缺点在于ｎ－ｙ甄别性能要差于普通光电倍增管，硅片也容易被中子损伤。逡逑＾邋ＥＯＯＯＱ逦逡逑Ｉ邋栙．逦ＣＯ６０逡逑ｍＣ邋１逡逑Ｕ逦２ＬＷ逦４Ｕ００逦ＨＷＪ逦ｔｆｉＪＯＯ逦１１Ｗ００逡逑ＩＨＴＣ（Ｗ．Ｌ邋ｒ邋ＡＳＴ逡逑图１．３．热中子、快中子和Ｙ射线甄别逡逑ＲＪｅｂａｌｉ等人［２５］进行了高压４Ｈｅ探测器和ＮＥ－２１３液体闪烁体的ｎ－丫性能的对比实逡逑验。研究结果表明，在入射中子最大能量为ｌｌＭｅＶ，入射Ｙ射线最大能量为４．４４ＭｅＶ逡逑情况下，ＮＥ－２１３的脉冲高度响应上限达到了邋４．４４ＭｅＶ，下限为０．５５５ＭｅＶ；邋４Ｈｅ探测器逡逑的响应上限为０．８３３邋ＭｅＶ，下限为０．１１１邋ＭｅＶ，图１．４为二维波形甄别散射图。一维波逡逑形甄别投影图（图１．５）：对于ＮＥ－２１３，能量截断值从０．２５变化到３ＭｅＶ，ＦＯＭ从０．７５逡逑变到１．５；而对于４Ｈｅ探测器，截断值从０．２５变到０．５，邋ＦＯＭ从１．３５变到１．７０，能量截逡逑断值超过０．７５ＭｅＶ，只剩下中子信号。从这两张图可以直观地看出４Ｈｅ气体闪烁体探测逡逑器的ｎ－丫波形甄别性能优于ＮＥ－２１３液体闪烁体探测器。逡逑Ｐｕｌｓｅ邋Ｓｈａｐｅ邋（ＰＳ）逦Ｐｕｌｓｅ邋Ｓｈａｐｅ邋（ＰＳ）逡逑ｐｏｏｐ逦ｐ逦0邋Ｐ邋ｐ邋Ｐ逡逑0逦ｊｓｊ逦0９逦ｂ0逦－ｋ邋１＊逦0逦－？逦Ｗ逦

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本文编号：2813003