魏陽(yáng)東 周健榮 周曉娟 朱 林 周建晉,4 許 虹 楊桂安 王小胡 孫志嘉 陳元柏

1（西南科技大學(xué)核廢物與環(huán)境安全國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室綿陽(yáng)621900）

2（散裂中子源科學(xué)中心東莞523803）

3（中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京100049）

4（蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院蘭州730000）

地球空間中廣泛分布著各種能量的大氣中子，在海平面或者飛機(jī)上運(yùn)行的電子設(shè)備長(zhǎng)期暴露在大氣中子的輻照下可能會(huì)由于單粒子效應(yīng)造成器件數(shù)據(jù)出錯(cuò)、功能失效甚至燒毀［1］。為此，國(guó)際上許多中子源都有大氣中子輻照束線來(lái)測(cè)試電子設(shè)備的抗輻照性能和單事件效應(yīng)的容錯(cuò)性。中國(guó)散裂中子源（Chinese Spallation Neutron Source，CSNS）即將建成的大氣中子輻照譜儀，能提供與大氣中子能譜接近的、能譜覆蓋meV～GeV的全能譜中子束流，樣品處提供的中子通量相當(dāng)于地面中子通量約109倍，具有快速測(cè)試能力，填補(bǔ)了我國(guó)全能譜大氣中子輻照環(huán)境的空白，提供了國(guó)際領(lǐng)先的大氣中子輻照試驗(yàn)平臺(tái)［2］。根據(jù)大氣中子輻照譜儀束流監(jiān)測(cè)要求，對(duì)束流監(jiān)測(cè)器提出快中子敏感、具有一定的位置分辨能力等需求。

國(guó)內(nèi)外常用的快中子監(jiān)測(cè)器方案包括薄膜擊穿計(jì)數(shù)器［3］、金剛石探測(cè)器［4］、氣體電子倍增器（Gas Electron Multiplier，GEM）探測(cè)器［5］等。其中前兩類探測(cè)器只能得到束流中子通量和能譜信息，而GEM探測(cè)器是近年來(lái)中子探測(cè)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)技術(shù)，其具有良好的空間分辨、時(shí)間分辨、計(jì)數(shù)率高、較好的n/γ甄別能力以及易大面積制作等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于束流監(jiān)測(cè)器、在束和近束測(cè)量的高通量與高分辨中子譜儀［6-8］。意大利核物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Istituto Nazionale di Fisica Nucleare，INFN）于2012年研制出一個(gè)快中子GEM束流監(jiān)測(cè)器，并在英國(guó)散裂中子源（ISIS）進(jìn)行了束流測(cè)試，得到很好的結(jié)果［9］。CSNS研制的基于GEM的涂硼探測(cè)器已作為飛行時(shí)間中子束流監(jiān)測(cè)器成功應(yīng)用于CSNS一期三臺(tái)譜儀束線［10］。因此，基于聚乙烯轉(zhuǎn)換層的快中子GEM探測(cè)器，將是大氣中子譜儀的束流監(jiān)測(cè)器的理想選擇。

本文通過(guò)蒙特卡羅模擬程序Geant4模擬探測(cè)器的物理過(guò)程，研究不同厚度聚乙烯轉(zhuǎn)換層對(duì)快中子探測(cè)效率的影響，反沖質(zhì)子出射能譜和角度分布隨阻止層厚度的變化關(guān)系，以及不同厚度工作氣體下出射質(zhì)子的能量沉積，同厚度氣體下質(zhì)子與γ射線的能量沉積對(duì)比，以此優(yōu)化探測(cè)器的結(jié)構(gòu)。根據(jù)優(yōu)化得到的參數(shù)制作了一個(gè)快中子GEM探測(cè)器樣機(jī)，在CSNS—20號(hào)束線進(jìn)行了束斑成像測(cè)試，并測(cè)量了探測(cè)器的位置分辨率。

1 探測(cè)器結(jié)構(gòu)與原理

探測(cè)器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由漂移極、陶瓷GEM、收集極、高壓分配電路組成。其中漂移極是聚乙烯和Al的雙層結(jié)構(gòu)，聚乙烯實(shí)現(xiàn)對(duì)快中子的轉(zhuǎn)換，Al作為次級(jí)粒子阻止層，起到減小粒子出射能量和降低粒子出射角度的作用；陶瓷GEM對(duì)中子散射影響小，更適于中子束流的監(jiān)測(cè)［11］；收集極由水平和垂直方向正交排列的微條（strips）讀出條（readout strips）組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)入射粒子二維位置的讀出。當(dāng)快中子進(jìn)入到漂移極中與聚乙烯中氫元素發(fā)生彈性碰撞（n，p）產(chǎn)生反沖質(zhì)子，穿越Al阻止層進(jìn)入漂移區(qū)，電離工作氣體產(chǎn)生原初電子-電離對(duì)。原初電子在漂移電場(chǎng)作用下漂移到GEM膜，穿越GEM膜孔時(shí)在強(qiáng)電場(chǎng)作用下發(fā)生雪崩效應(yīng)，電子倍增。倍增電子在收集區(qū)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中探測(cè)器收集極產(chǎn)生初始電信號(hào)，經(jīng)過(guò)探測(cè)器電子學(xué)處理后可得到入射中子的入射時(shí)間和位置。

圖1 探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of detector

2 蒙特卡羅模擬與結(jié)果分析

2.1 聚乙烯厚度對(duì)探測(cè)效率的影響及質(zhì)子出射能譜和角度

漂移極只有中子轉(zhuǎn)換層時(shí)，中子探測(cè)效率主要取決于聚乙烯轉(zhuǎn)換層的轉(zhuǎn)換效率，這與轉(zhuǎn)換層的厚度直接相關(guān)。利用Geant4模擬入射中子進(jìn)入到聚乙烯層中的物理過(guò)程，統(tǒng)計(jì)產(chǎn)生的出射反沖質(zhì)子數(shù)量。在簡(jiǎn)化模型中通常認(rèn)為出射反沖質(zhì)子探測(cè)效率為100%，每個(gè)質(zhì)子只要進(jìn)入到探測(cè)器漂移區(qū)即可產(chǎn)生電信號(hào)，所以探測(cè)器的探測(cè)效率簡(jiǎn)化為計(jì)算出射質(zhì)子數(shù)與總?cè)肷渲凶訑?shù)的比值。對(duì)于不同能量的快中子，探測(cè)效率也會(huì)不同，分別選取7 MeV、10 MeV和14 MeV單能中子，計(jì)算了0.2～3 mm厚度聚乙烯層下探測(cè)器的探測(cè)效率，如圖2所示。

圖2 不同厚度聚乙烯層下中子探測(cè)效率Fig.2 The detection efficiency vs.polyethylene thickness

從圖2可以看出，三種能量中子的探測(cè)效率都隨著轉(zhuǎn)換層厚度而增加，在達(dá)到某個(gè)值之后探測(cè)效率趨于飽和值，不再增加，這是由于隨著聚乙烯厚度的增加，對(duì)反沖質(zhì)子的自吸收率也會(huì)增加。對(duì)于三種能量的入射中子，達(dá)到的最大探測(cè)效率隨中子能量而升高，這是因?yàn)樵谌N能量中子與氫元素發(fā)生彈性碰撞的作用截面相差不大情況下，更高能量的中子產(chǎn)生反沖質(zhì)子的能量也越高，更易從聚乙烯出射到工作氣體中，導(dǎo)致最大探測(cè)效率也隨之升高。當(dāng)聚乙烯厚度增加到0.6 mm（7 MeV中子）、1 mm（10 MeV中子）和2 mm（14 MeV中子）時(shí)，達(dá)到的最大探測(cè)效率分別為2.0‰、2.8‰和3.9‰。對(duì)于三種能量快中子的探測(cè)，過(guò)厚的聚乙烯對(duì)提高探測(cè)器探測(cè)效率不再有意義，取2 mm聚乙烯作為探測(cè)器中子轉(zhuǎn)換層即可。

根據(jù)反沖質(zhì)子在探測(cè)器中信號(hào)的產(chǎn)生過(guò)程，探究進(jìn)一步優(yōu)化漂移極結(jié)構(gòu)的可能性，計(jì)算了2 mm聚乙烯厚度下三種能量中子產(chǎn)生反沖質(zhì)子的出射能譜和出射角度分布，其中出射角度為質(zhì)子出射方向與中子垂直入射探測(cè)器方向所成角度，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。從圖3（a）可以看出，出射質(zhì)子的能譜分布在一個(gè)相當(dāng)大的范圍內(nèi)，基本都呈對(duì)稱分布，譜寬隨著入射中子的能量而增加，得到出射質(zhì)子能量的最概然值分別為3.5 MeV（7 MeV中子）、4.8 MeV（10 MeV中子）和7.2 MeV（14 MeV中子）。從圖3（b）可以看出，出射質(zhì)子的角度基本分布在0°～65°的范圍內(nèi)，而角度最概然值都在24°左右。利用Geant4模擬計(jì)算1～14 MeV質(zhì)子在4 mm工作氣體（90%Ar+10%CO2）的沉積能量，得到入射質(zhì)子的能量越高，其在工作氣體中的沉積能量越低。得到反沖質(zhì)子的能量影響著反沖質(zhì)子在工作氣體（90% Ar+10%CO2）中的沉積能量，而質(zhì)子沉積能量越大越有利于與背景噪聲分開(kāi)；此外質(zhì)子的出射角度反映質(zhì)子在漂移區(qū)運(yùn)動(dòng)徑跡與中子入射方向的偏離程度，角度越大，偏離越大，得到入射中子的位置分辨越差，這可為漂移極接下來(lái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

圖3 2 mm厚度的聚乙烯下質(zhì)子出射能譜(a)和角度分布(b)Fig.3 Proton emission spectrum(a)and angular distribution(b)in 2 mm polyethylene

2.2 阻止層對(duì)出射質(zhì)子能量、角度以及探測(cè)效率的影響

綜上所述，為了增加出射質(zhì)子在漂移區(qū)氣體中的沉積能量，同時(shí)獲得到更好的位置分辨，通過(guò)在2 mm厚聚乙烯轉(zhuǎn)換層后加入阻止層，可起到降低質(zhì)子出射能量和減小出射角度的作用。采用Al作為漂移極的阻止層，計(jì)算三種能量中子產(chǎn)生反沖質(zhì)子穿越0～300μm不同厚度Al阻止層的出射能譜和角度分布，得到出射質(zhì)子能量最概然值和角度最概然值隨著Al層厚度的變化情況，如圖4所示。

圖4 質(zhì)子能量(a)和出射角度(b)隨阻止層厚度變化Fig.4 The proton energy(a)and emission angle(b)vs.the thickness of the barrier layer

由圖4（a）可以得到，隨著阻止層厚度的增加，質(zhì)子出射能量逐漸降低，當(dāng)阻止層厚度達(dá)到300μm時(shí)，三種能量入射中子下出射質(zhì)子能量的最概然值分別降低到1 MeV（7 MeV中子）、3.4 MeV（10 MeV中子）和5.8 MeV（14 MeV中子）。從圖4（b）可以看出，質(zhì)子出射角度隨著阻止層厚度的增加而逐漸減小，當(dāng)阻止層厚度達(dá)到300μm時(shí)，三種能量入射中子下質(zhì)子角度分布的最概然值分別減小到9°（7 MeV中子）、17°（10 MeV中子）和19°（14 MeV中子）。

值得注意的是，加入阻止層之后，將導(dǎo)致部分低能量以及大角度質(zhì)子無(wú)法出射到工作氣體中，從而造成探測(cè)效率的降低。如圖5所示，當(dāng)阻止層厚度為300μm時(shí)，三種能量中子的探測(cè)效率分別只有0.03‰（7 MeV中子）、0.68‰（10 MeV中子）和1.91‰（14 MeV中子）。CSNS規(guī)劃的大氣中子譜儀束線平均快中子通量大于106cm-2·s-1，要求探測(cè)器在束流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)計(jì)數(shù)率大于200 cm-2·s-1，才可作為束流監(jiān)測(cè)器使用，因此探測(cè)效率應(yīng)至少大于0.2‰?？蛇x擇阻止層厚度200μm，對(duì)于7 MeV、10 MeV和14 MeV入射中子的探測(cè)效率分別達(dá)到0.29‰、1.18‰和2.44‰。

2.3 氣體厚度對(duì)能量沉積的影響

圖5 探測(cè)效率隨阻止層厚度的變化Fig.5 The detection efficiency vs the thickness of the barrier layer

為了比較不同氣體厚度出射質(zhì)子的能量沉積，通過(guò)Geant4計(jì)算，當(dāng)聚乙烯厚度為2 mm、阻止層厚度為200μm、工作氣體（90%Ar+10%CO2）、漂移區(qū)厚度為2～6 mm，共5個(gè)厚度下不同能量入射中子的出射質(zhì)子在氣體中的沉積能量，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。圖6（a～c）分別對(duì)應(yīng)7 MeV、10 MeV、14 MeV入射中子產(chǎn)生出射質(zhì)子在漂移區(qū)厚度2 mm、4 mm、6 mm的沉積能譜。由圖6可以看出，隨著漂移區(qū)氣體厚度的增加，沉積能譜峰位逐漸右移，質(zhì)子在氣體中沉積能量增多；而對(duì)于不同能量入射中子在同一氣體厚度下的質(zhì)子沉積能譜，隨著中子能量的升高，沉積能譜峰位左移，質(zhì)子在工作氣體中沉積能量降低。對(duì)于探測(cè)器來(lái)說(shuō)帶電粒子在氣體中能量沉積越高，探測(cè)器信噪比越好，但過(guò)厚的氣體厚度會(huì)導(dǎo)致質(zhì)子在漂移區(qū)氣體中的徑跡更長(zhǎng)，將增大出射質(zhì)子電離重心與中子入射位置的橫向距離，從而降低探測(cè)器的位置分辨，綜合考慮兩種因素選擇4 mm的氣體厚度作為漂移區(qū)厚度。

使用γ射線（661 keV）模擬在4 mm厚度工作氣體內(nèi)的沉積能譜，并與三種能量中子下的出射質(zhì)子沉積能譜對(duì)比。如圖7所示，γ射線沉積能譜峰位為1.3 keV，而三種能量中子下的出射質(zhì)子沉積能譜峰位分別為61.6 keV（7 MeV中子）、36.7 keV（10 MeV中子）、27.5 keV（14 MeV中子），可見(jiàn)γ射線沉積能譜與出射質(zhì)子沉積能譜分離較明顯。進(jìn)一步分析γ射線能譜圖可得，當(dāng)γ射線沉積能量為17.5 keV時(shí)，γ信號(hào)個(gè)數(shù)占比為其能譜峰值的2.6%，該位置到14 MeV中子出射質(zhì)子的能譜峰位27.5 keV存在10 keV的區(qū)間。如果將電子學(xué)閾值設(shè)置在此區(qū)間上，既有效地過(guò)濾掉大多數(shù)γ信號(hào)，又保留了大部分的中子信號(hào)，獲得探測(cè)器較好的n/γ信噪比。

圖6 7 MeV(a)、10 MeV(b)和14 MeV(c)中子產(chǎn)生質(zhì)子在不同氣體厚度下的能量沉積Fig.6 Energy deposition of protons produced by 7 MeV(a),10 MeV(b)and 14 MeV(c)neutrons at different gas thicknesses

圖7 4 mm氣體厚度下γ射線與不同能量中子出射質(zhì)子能量沉積Fig.7 Energy deposition of gamma rays and neutrons with different energies at 4 mm thick gas

3 初步中子束流實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述模擬結(jié)果，研制了一個(gè)小面積（5 cm×5 cm）快中子探測(cè)器樣機(jī)，在CSNS—20號(hào)束線上對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了快中子二維成像測(cè)試。測(cè)試時(shí)中子源功率為100 kW［12］，20號(hào)束線最高快中子注量達(dá)到1×106cm-2·s-1。探測(cè)器樣機(jī)以CSNS所使用的熱中子GEM束流監(jiān)測(cè)器為基礎(chǔ)，將加工的漂移極（2 mm聚乙烯層+200μm Al阻止層）安裝到探測(cè)器內(nèi)，重新設(shè)置漂移區(qū)氣體厚度為4 mm，收集區(qū)厚度為2 mm，工作氣體（90%Ar+10%CO2），信號(hào)收集極由X方向和Y方向都為32路的strips二維讀出條組成，條周期為1.56 mm。測(cè)試時(shí)中子束流為直徑?20 mm的直通束，將樣機(jī)緊貼束流孔道出口放置，以便能較準(zhǔn)確地測(cè)量探測(cè)器對(duì)快中子的位置分辨率。圖8（a）、（b）分別為測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)和測(cè)得束斑成像圖。從圖8（b）可以看出，束斑二維成像與束流形狀及尺寸符合較好。

為了得到快中子探測(cè)器的位置分辨率，對(duì)束斑圖像進(jìn)行高斯邊緣累積分析，通過(guò)累積分布函數(shù)實(shí)現(xiàn)。在束斑二維成像圖中心X方向取兩列strips讀出條向Y方向進(jìn)行投影，得到直方圖（圖8（c）），對(duì)直方圖進(jìn)行邊緣累積分布函數(shù)擬合，即可得到探測(cè)器在Y方向的位置分辨率為2.9 mm，與當(dāng)前CSNS譜儀所用涂硼GEM熱中子監(jiān)測(cè)器位置分辨率3.0 mm［13］相當(dāng)。該樣機(jī)位置分辨率滿足束流監(jiān)測(cè)器的使用需求。

圖8 探測(cè)器測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)(a)、束斑成像(b)和位置分辨率(c)Fig.8 Photograph of detector test site(a),beam profile(b)and spatial resolution(c)

4 結(jié)語(yǔ)

本文使用Geant4工具包，選擇7 MeV、10 MeV和14 MeV三種單能中子對(duì)基于聚乙烯轉(zhuǎn)換層GEM的快中子探測(cè)器的物理性能進(jìn)行了模擬。模擬得到：聚乙烯轉(zhuǎn)換層2 mm時(shí)，探測(cè)器探測(cè)效率達(dá)到最大值；Al阻止層厚度200μm時(shí)，可以在一定程度上減小反沖質(zhì)子出射能量和角度，且探測(cè)效率大于0.2‰；漂移區(qū)氣體厚度取4 mm時(shí)，可使反沖質(zhì)子在漂移區(qū)有足夠的能量沉積，探測(cè)器具有良好的n/γ區(qū)分能力。將模擬優(yōu)化的參數(shù)應(yīng)用到快中子GEM樣機(jī)并在CSNS束線上進(jìn)行了二維成像測(cè)量，成像效果較好，位置分辨率達(dá)2.9 mm。