CSNS中子谱仪探测器设计.pptVIP

MPGD 2015， 兰州大学， 2015年7月 GEM中子探测器研究 1)，1,2)，周良1)，孙志嘉1)，胡碧涛2)，陈元柏1) 1)中国散裂中子源(CSNS) 1) 2) 2015年7月 内容提纲 研究背景与科学意义 研究内容及关键技术 样机研制与测试结果 总结与下一步研究计划 致谢 广泛应用的中子技术 中子的优势： Ⅰ. 电中性 ，穿透力强，轻元素敏感，同位 素分辨，有磁矩 ，磁性微观分析 Ⅱ. 与X射线技术互补，是研究物质微观结构 的重要手段 中子照相 X照相 蛋白质结构 X散射技术 中子散射技术 储氢纳米管 可燃冰 天然气管道裂痕检测 国内三大中子科学平台未来对中子探测器有着迫切的需求 中国原子能研究院先进研究堆- CARR 中物院核物理与化学研究所反应堆-CMRR 中国散裂中子源-CSNS 中子探测技术发展与现状 世界上约75%以上的位置灵敏热 中子探测器采用基于3He的探测技术，主要有3He管与MWPC 中子探测器发展瓶颈： 3He气体短缺：美国限制 3He气体的出口，供应量是原来的1/5，价格是原来的20-30倍！ 计数率低：100kHz 必须研制替代3He的高计数率中子探测器，以满足国内当前和未来中子散射实验的需求。 3He气体的来源：氚的副产物中获得3He： 小角散射谱仪 常用中子探测材料：3He，6Li，10B 国际上3He替代中子探测技术比较 探测器类型 研究现状 技术瓶颈 研究实验室 6LiF/ZnS(Ag) 探测效率大于30%，位置分辨率约1mm γ抑制能力低 J-PARC，SNS，ISIS，IHEP BF3管 2atm BF3管，探测效率约30% 探测效率低 Centronic， ILL 网格探测器 (Multi-Grid) 像素2cm，探测效率大于40%，容易大面积扩展，位置分辨可提高，综合性能与3He探测器相当 大面积读出电子学庞大 ESS, ILL,TUM, ISIS，IHEP 内涂硼管 热中子探测效率约30% 探测效率低 PTI, Centronic， GE，清华 涂硼GEM 探测效率大于30%，位置分辨率约3mm 探测效率低 德国海德堡大学， KEK，GSI, IHEP GEM探测器的优势 1997年由Fabio Sauli 于CERN发明 核心优势： 作为一种微结构气体探测器，代表未来气体探测器的发展方向 高计数率(10MHz/mm2)，测量动态范围广 高分辨，本征位置分辨率~100μm，本征时间分辨率～10ns 可制作成各种形状，如平面、桶型、弧形等 可大面积制作，成本相对较低 涂硼GEM中子探测器应用和发展目标 束流测量：中子束监测器/诊断器，测量波长，强度及形状 中子散射实验： 小面积、高精度谱仪探测器 GEM Ar/CO2 ｎ a or 7Li 3kV/cm 1 kV/cm 涂硼漂移电极 二维读出电路 漂移区 感应区 Replace Replace 涂硼GEM中子探测器 GEM Ar/CO2 ｎ 涂硼漂移电极 漂移区 感应区 关键技术： 涂硼技术? 磁控溅射镀膜 GEM膜? IHEP自研的THGEM 高密度、高速读出电子学? ASIC+FPGA+Ethernet 探测器系统集成设计? 以工程应用为驱动 Cu ｎ a a ｎ 10B Insulator 技术要求： 基材：铜膜，硼结合牢固 厚度：~1um，厚度偏差小于5% 纯度：大于99%, 10B丰都大于90% 有效面积：50mm×50mm, 100mm×100mm, 200mm×200mm 硼作为中子转换层的优点： 反应截面大，转换粒子能量高，固体转换层厚度薄(3μm)，时间分辨高，天然存在易获得，化学稳定，低Z Gamma不敏感 难点：属于非金属介质，熔点高(2076℃)，不易镀膜 可能方法：热蒸发(×)，电泳(×) ，CVD (√) ，ALD (√) 以及磁控溅射(√) 磁控溅射镀硼技术(北航和九院) Kapton Copper B-10 Ceramics Copper Copper B-10 B-10 d p 1. 漂移电极涂硼 2. GEM两侧涂硼 研发中子探测专用GEM膜—nTHGEM(谢宇广) Insulator Copper 伴随快中子 反冲质子 Copper Insulator Copper Copper B-10 B-10 n d p 1. 热中子的散射 2. 伴随快中子反冲质子影响 3. 孔间距与敷铜率对探测效率和位置分辨的影响 有效面积：50mm×50mm，100mm×100mm，200mm×200mm 单位 GEM 膜 绝缘