基于微通道板的快中子像探測器轉(zhuǎn)換器的模擬研究

冉建玲 盧小龍,2 馬占文 王 偉 張 杰 王 潔 孟繁良 張 宇,2 姚澤恩,2

1（蘭州大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 蘭州 730000）

2（蘭州大學(xué) 教育部 中子應(yīng)用技術(shù)工程研究中心 蘭州 730000）

基于微通道板的快中子像探測器轉(zhuǎn)換器的模擬研究

冉建玲1盧小龍1,2馬占文1王 偉1張 杰1王 潔1孟繁良1張 宇1,2姚澤恩1,2

1（蘭州大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 蘭州 730000）

2（蘭州大學(xué) 教育部 中子應(yīng)用技術(shù)工程研究中心 蘭州 730000）

提出了一種由聚乙烯(Polyethylene, PE)轉(zhuǎn)換器、微通道板(Microchannel Plate, MCP)電子增強(qiáng)器和CCD (Charge-Coupled Device)相機(jī)組成的快中子照相像探測器新方案。采用Geant4軟件模擬研究了14.5 MeV快中子入射在PE轉(zhuǎn)換器上的出射質(zhì)子產(chǎn)額、能譜隨PE厚度的變化規(guī)律，確定了PE轉(zhuǎn)換器的厚度范圍和轉(zhuǎn)換效率等重要參數(shù)。模擬結(jié)果顯示，PE轉(zhuǎn)換器的厚度應(yīng)該選擇在2.5 mm左右，此時的轉(zhuǎn)換效率約為0.37%。采用Geant4軟件模擬了14.5 MeV快中子入射在PE轉(zhuǎn)換器的質(zhì)子輸運(yùn)和質(zhì)子在MCP中電子的產(chǎn)生和倍增過程，給出了MCP輸出的電子束斑圖像。模擬結(jié)果顯示，由PE和MCP組成的轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)能將入射的快中子轉(zhuǎn)換成電子束斑點(diǎn)陣信息，各電子束斑之間的界限清晰，單孔電子束斑直徑略大于MCP孔徑，即電子束斑點(diǎn)陣像素可以達(dá)到MCP孔徑量級。

快中子照相，聚乙烯轉(zhuǎn)換器，微通道板，電子增益，空間分辨

中子照相可檢測X射線照相無法檢測的被重元素物質(zhì)包裹著的輕元素物質(zhì)的分布及內(nèi)部缺陷[1]。中子照相一般分為冷中子照相、熱中子照相、共振中子照相、快中子照相等幾種類型[2-6]。其中，熱中子照相研究較多，已發(fā)展出較完善的熱中子照相的像探測器和成像技術(shù)[3,7]。與熱中子照相相比，快中子能量高，穿透能力強(qiáng)，能處理更大體積樣品的中子成像檢測問題，具有更廣泛的應(yīng)用前景[6,8-10]。

快中子照相系統(tǒng)研究涉及小型化快中子源、像探測器、圖像重建算法等基本問題。其中，D-T聚變反應(yīng)在低的氘束流能量下即可實(shí)現(xiàn)高的快中子產(chǎn)額[11]，采用中子產(chǎn)額為1011n.s-1的D-T加速器中子源可以產(chǎn)生滿足快中子照相所需的能量約為14.5 MeV的快中子束[12]。中子管具有結(jié)構(gòu)簡單、可小型化等優(yōu)點(diǎn)，是一種備選的D-T中子源。但目前國內(nèi)生產(chǎn)的中子管存在著中子產(chǎn)額偏低、壽命偏短等缺陷。因此，需進(jìn)一步開發(fā)可更換氚鈦靶的長壽命小型化D-T中子發(fā)生器。

快中子像探測器是需要解決的另一個重要問題之一。近年來已發(fā)展了光纖閃爍體轉(zhuǎn)換器加CCD (Charge-Coupled Device)相機(jī)探測器[9,13]、GEM (Gas Electron Multiplier)探測器[14]、 Micomegas探測器[15-16]、聚乙烯(Polyethylene, PE)轉(zhuǎn)換器加半導(dǎo)體陣列探測器[17]等多種形式的快中子像探測器。采用光纖閃爍體轉(zhuǎn)換器和CCD相機(jī)的探測器空間分辨只達(dá)到1-2 mm[13]； GEM和Micomegas探測器對γ射線較敏感，且氣體雪崩放電會導(dǎo)致位置分辨下降。

在早先的研究中，微通道板(Microchannel Plate, MCP)已成功用于帶電粒子的二維位置信息的探測[18]，并達(dá)到了較高的二維位置分辨。本工作將PE快中子-質(zhì)子轉(zhuǎn)換器和MCP的高位置分辨及高電子倍增相結(jié)合，提出一種新型二維快中子像探測器系統(tǒng)，希望將快中子照相的二維空間分辨率提升到微米量級。本文主要是通過蒙特卡羅模擬研究PE的轉(zhuǎn)換效率及MCP輸出電子束的空間分辨，為探測器的物理設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 快中子照相微通道板像探測器結(jié)構(gòu)及原理

提出的用于快中子照相的微通道板二維像探測器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。由真空室、PE、轉(zhuǎn)換器、MCP、熒光屏(Screen-SCR)、反射鏡、CCD相機(jī)等元件組成。其工作原理為：入射的快中子與PE轉(zhuǎn)換器中的氫發(fā)生彈性碰撞產(chǎn)生反沖質(zhì)子，質(zhì)子入射在MCP中產(chǎn)生二次電子并倍增，倍增后輸出的電子轟擊在熒光屏上發(fā)光，光子經(jīng)反射鏡進(jìn)入CCD相機(jī)成像。本研究是對PE轉(zhuǎn)換器效率、出射質(zhì)子特性和MCP電子倍增等相關(guān)問題進(jìn)行初步模擬研究。

圖1 微通道板快中子像探測器示意圖(1) 中子束，(2) 入射窗，(3) PE+MCP+SCR，(4) 真空室，(5) 反射鏡，(6) CCD相機(jī)系統(tǒng)，(7) 出射窗，(8) 真空抽氣口Fig.1 Schematic of the fast neutron imaging detector based on MCP.(1) Neutron beam, (2) Entrance window, (3) PE+MCP+SCR, (4) Vacuum chamber, (5) Reflector, (6) CCD camera, (7) Exit window, (8) Vacuum pumping pot

2 PE轉(zhuǎn)換器的模擬

就所提出的快中子像探測器系統(tǒng)方案而言，轉(zhuǎn)換器的最佳化是需要解決的首要問題。轉(zhuǎn)換器的氫含量越高，反沖質(zhì)子的產(chǎn)額越大，轉(zhuǎn)換效率將越高。含氫量比較高的材料有石蠟、聚乙烯、聚丙烯、水等，其中聚乙烯熔點(diǎn)高且易于加工，故在本研究中選PE作為轉(zhuǎn)換器材料。

14.5 MeV快中子在PE轉(zhuǎn)換器上產(chǎn)生的質(zhì)子產(chǎn)額、能譜及角分布等參數(shù)是設(shè)計(jì)PE轉(zhuǎn)換器的依據(jù)。為此，建立了如圖2所示模擬模型，采用Geant4程序[19]對14.5 MeV快中子入射在PE轉(zhuǎn)換器上產(chǎn)生的出射質(zhì)子的積分產(chǎn)額、能譜、角分布等參數(shù)進(jìn)行模擬。模擬時設(shè)置截面直徑為0.01 mm，且中子通量均勻分布的14.5 MeV快中子入射在PE轉(zhuǎn)換器（直徑5 mm，厚度可調(diào)）上，采用半徑為15 cm的半球殼探測器記錄出射質(zhì)子的積分產(chǎn)額和平均能譜；在球殼上0o-90o設(shè)置了多個點(diǎn)探測器（每隔5o設(shè)置一個點(diǎn)探測器），記錄了不同角度出射質(zhì)子的相對產(chǎn)額，以給出出射質(zhì)子角分布。

圖2 模擬模型Fig.2 Simulation model.

模擬得到的出射質(zhì)子產(chǎn)額隨PE厚度的變化數(shù)據(jù)如圖3所示。不同PE厚度下出射質(zhì)子的平均能譜模擬結(jié)果如圖4所示。圖5給出了不同PE厚度下出射質(zhì)子的角分布。

由圖3可見，當(dāng)PE厚度小于2 mm時，出射質(zhì)子積分產(chǎn)額隨PE厚度顯著增長，當(dāng)PE厚度大于2.5 mm時，質(zhì)子產(chǎn)額增長已不顯著。由圖4可見，當(dāng)PE厚度小于2.5 mm時，隨PE厚度增加質(zhì)子能譜向低能區(qū)域移動，當(dāng)厚度大于2.5 mm時，質(zhì)子能譜已不再有明顯變化。由圖5可看出，出射質(zhì)子角分布前傾，隨PE厚度增大，角分布前傾更顯著，PE厚度2.5 mm和3 mm的角分布數(shù)據(jù)趨于一致。說明厚度大于2.5 mm時，角分布不會有顯著變化。將圖5中的角分布數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合處理，并計(jì)算了每個角度范圍的出射質(zhì)子數(shù)占總質(zhì)子數(shù)的比例，以PE厚度為2.5 mm為例，分布在0o-15o、0o-30o、0o-45o、0o-60o的質(zhì)子數(shù)占總質(zhì)子數(shù)比例分別約為41.5%、79.9%、93.7%、97.5%。

按照轉(zhuǎn)換器質(zhì)子產(chǎn)額應(yīng)盡可能高、質(zhì)子能譜穩(wěn)定、質(zhì)子角分布盡可能前傾的原則，PE轉(zhuǎn)換器厚度應(yīng)選在2.5 mm左右較為合適，此時，14.5 MeV快中子在PE轉(zhuǎn)換器上的質(zhì)子轉(zhuǎn)換效率約為0.37%。

圖3 反沖質(zhì)子產(chǎn)額隨PE厚度的變化Fig.3 Yields of the recoiled protons as a function of PE thickness.

圖4 不同厚度PE的反沖質(zhì)子的能譜(1) 0.5 mm，(2) 1.0 mm，(3) 1.5 mm，(4) 2.0 mm，(5) 2.5 mm，(6) 3.0 mmFig.4 Energy spectra of the recoiled protons from different PE thicknesses.(1) 0.5 mm, (2) 1.0 mm, (3) 1.5 mm, (4) 2.0 mm, (5) 2.5 mm, (6) 3.0 mm

圖5 不同厚度PE的反沖質(zhì)子角分布Fig.5 Angular distribution of the recoiled protons from different PE thicknesses.

3 MCP材料二次電子發(fā)射模擬

質(zhì)子及電子在MCP玻璃材料上產(chǎn)生的二次電子的發(fā)射系數(shù)關(guān)系到MCP電子倍增增益的大小及MCP輸出信號的強(qiáng)弱，是探測器系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。二次電子的發(fā)射系數(shù)與質(zhì)子、電子的能量、入射角及MCP材料等有關(guān)。采用Geant4程序分別對不同入射角度、不同能量的質(zhì)子和電子在MCP材料上產(chǎn)生的二次電子的發(fā)射系數(shù)進(jìn)行了模擬。

根據(jù)圖4中PE轉(zhuǎn)換器出射質(zhì)子能譜模擬結(jié)果，模擬時質(zhì)子能量的取值設(shè)置為0.01-14.5 MeV；為研究二次電子發(fā)射系數(shù)與質(zhì)子入射角的關(guān)系，質(zhì)子入射方向與MCP材料表面的夾角被分別設(shè)置為6o、8o、12o；MCP半導(dǎo)體玻璃按照通常所用材料配比的平均成分進(jìn)行了輸入（即MCP材料成分質(zhì)量百分比為48% SiO2+32% PbO+7% Bi2O3+2.25% Na2O+ 2.25% K2O+2% Rb2O+2% Cs2O+3% BaO+1% Al2O3+0.5% As2O3）。另外，考慮到MCP在工作時，須在兩端加1 000-2 000 V的高壓，使電子得以加速，以提高電子的倍增效果，故模擬研究了電子能量取值為1-2 000 eV的二次電子發(fā)射系數(shù)。

不同能量質(zhì)子在MCP材料上產(chǎn)生的初級二次電子的發(fā)射系數(shù)模擬結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，質(zhì)子與MCP材料表面的夾角越小，二次電子發(fā)射系數(shù)越大；電子產(chǎn)額隨質(zhì)子能量的增大快速增加達(dá)到最大值，隨后快速減小。以6o入射角為例，在質(zhì)子能量約為0.012 MeV附近，二次電子發(fā)射系數(shù)達(dá)到最大，約為720；在質(zhì)子能量小于0.012 MeV區(qū)域，二次電子發(fā)射系數(shù)隨質(zhì)子能量快速增長；在質(zhì)子能量大于0.012 MeV區(qū)域，二次電子發(fā)射系數(shù)隨質(zhì)子能量增大快速減小。隨著質(zhì)子能量增高產(chǎn)生的二次電子產(chǎn)額下降的主要原因可能是：能量高的質(zhì)子在MCP材料里面的穿透深度大，深部產(chǎn)生的二次電子無法逸出MCP材料所致。

由圖6結(jié)果，為提高質(zhì)子在MCP材料上產(chǎn)生的初級二次電子的發(fā)射系數(shù)，應(yīng)該盡可能讓PE轉(zhuǎn)換器出射質(zhì)子能譜向低能區(qū)移動，但由圖4模擬結(jié)果可知，當(dāng)PE轉(zhuǎn)換器厚度大于2.5 mm時，質(zhì)子能譜已不再有明顯變化，此時大部分反沖質(zhì)子的能量主要分布在1-14.5 MeV，由圖6中質(zhì)子能量為1-14.5 MeV時的二次電子的發(fā)射系數(shù)模擬數(shù)據(jù)（圖6中放大部分），粗略估計(jì)14.5 MeV快中子在PE轉(zhuǎn)換器上產(chǎn)生的反沖質(zhì)子在MCP孔中產(chǎn)生的初級二次電子的發(fā)射系數(shù)在1-10。

圖6電子產(chǎn)額隨入射質(zhì)子能量的變化Fig.6 Electron yields as a function of the incident proton energy.

4 MCP輸出電子束斑圖像模擬

為對PE轉(zhuǎn)換器加MCP構(gòu)成的像探測器的本征空間分辨給出估計(jì)，采用Geant4程序開展了MCP輸出電子束束斑圖像的模擬研究。建立了如圖7所示的Geant4模擬模型，即讓一束均勻分布的能量為14.5 MeV的快中子束垂直入射在厚度為2.5 mm的PE轉(zhuǎn)換器上，PE轉(zhuǎn)換器之后為兩塊呈“V”型的MCP，MCP的幾何參數(shù)為：每塊MCP板厚度2 mm，微孔孔徑100 μm，微孔傾角取為6o，微孔間MCP材料壁厚為80 μm，MCP兩端加2 000 V電壓以在孔中產(chǎn)生電場。在微通道板之后設(shè)置了一臺電子計(jì)數(shù)器以記錄電子的計(jì)數(shù)及位置，計(jì)數(shù)器的像素取為10 μm×10 μm。模擬時跟蹤的中子數(shù)為106。

Fig.7 Simulation model for electronic imaging.圖7 電子成像的模擬模型

首先，開展了MCP單孔電子倍增過程及電子束束斑圖像的模擬，即設(shè)置截面直徑為100 μm，且均勻分布的14.5 MeV中子束正對著MCP的一個單孔入射。模擬得到的MCP單孔輸出電子計(jì)數(shù)約為3.5×107，電子束束斑圖像如圖8(a)所示，電子束的主斑清晰可辨，分布在直徑略大于100 μm的圓內(nèi)。還觀察到在電子束主斑周圍出現(xiàn)了少量電子形成的圖像，其原因可能是能量較高的反沖質(zhì)子穿越了MCP微孔壁在相鄰的微孔中產(chǎn)生的電子所致，這種效應(yīng)可能會對探測器的空間分辨產(chǎn)生負(fù)面影響。

圖8 電子束斑圖像中子束直徑分別為0.1 mm (a)、0.36 mm (b)和2 mm (c)Fig.8 Imaging of electron beam spot. The diameters of the neutron beam are 0.1 mm (a), 0.36 mm (b) and 2 mm (c)

隨后開展了大束斑中子束條件下MCP輸出電子圖像的模擬研究。分別讓截面直徑為0.36 mm和 2 mm的均勻分布的中子束入射在PE板上，即兩個直徑的中子束分別覆蓋了4個和95個MCP微孔。模擬得到的電子束圖像分別如圖8(b)和(c)所示。圖8(b)中4個MCP微孔的電子束斑邊界清晰，其直徑略大于MCP微孔直徑100 μm，同時也觀察到了較高能量的質(zhì)子穿越MCP微孔壁在鄰近微孔中形成的干擾電子圖像信息。圖8(c)中的?2 mm直徑快中子束形成的95個電子束斑分布在直徑?2 mm范圍內(nèi)，各電子束斑之間分界清晰。

為更進(jìn)一步定量分析電子束斑的大小，選擇圖8(b)中的兩個電子束斑，分別在其中心線上沿X和Y方向進(jìn)行掃描，給出了電子計(jì)數(shù)隨X和Y坐標(biāo)的變化曲線，結(jié)果如圖9(a)和(b)所示。圖9(b)中電子計(jì)數(shù)隨Y坐標(biāo)的變化曲線呈現(xiàn)出很好的對稱性，圖9(a)中電子計(jì)數(shù)隨X坐標(biāo)的變化曲線對稱性較差，這可能是MCP開孔的傾角所致。圖9(a)中的1號和2號分布的半高寬約為51 μm，底寬約為105 μm；圖9(b)中的1號和2號分布的半高寬分別約為73 μm，底寬約為108 μm。即電子束斑的最大直徑略大于MCP微孔直徑100 μm。

圖9 束斑的電子計(jì)數(shù)隨X (a)和Y (b)坐標(biāo)的變化曲線Fig.9 Electron counts distribution of beam spot in X (a) and Y (b) direction.

5 結(jié)語

提出了一種由PE轉(zhuǎn)換器、MCP電子增強(qiáng)器、熒光屏和CCD相機(jī)組成的快中子照相像探測器新方案，并對PE和MCP組成的轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)進(jìn)行了模擬研究。采用Geant4軟件模擬了14.5 MeV快中子入射在PE轉(zhuǎn)換器上的出射質(zhì)子產(chǎn)額、能譜隨PE厚度的變化規(guī)律，確定了PE轉(zhuǎn)換器的厚度應(yīng)該選擇在2.5 mm左右，對應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率約為0.37%。采用Geant4軟件模擬了14.5 MeV快中子入射在PE轉(zhuǎn)換器的質(zhì)子輸運(yùn)和MCP中的電子產(chǎn)生和電子倍增過程，給出了MCP輸出電子束的束斑的圖像。模擬結(jié)果驗(yàn)證了PE和MCP組成的轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)能夠?qū)⑷肷涞目熘凶愚D(zhuǎn)換成電子束斑點(diǎn)陣信息，各電子束斑之間的界限清晰，單孔電子束斑直徑略大于MCP孔徑，驗(yàn)證了PE和MCP組成的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)像素可以達(dá)到MCP孔徑量級。從電子束斑模擬圖像中觀察到了較高能量的質(zhì)子穿越MCP微孔壁在鄰近微孔中形成的干擾電子圖像信息，此效應(yīng)對整個中子像探測器的空間分辨可能會產(chǎn)生影響，需要進(jìn)一步研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

對所提出的像探測器方案，其二維空間分辨還應(yīng)該與熒光屏及CCD相機(jī)系統(tǒng)的參數(shù)及圖像重建方法相關(guān)，本文研究還沒有涉及此部分研究內(nèi)容。另外，由轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)MCP輸出的電子信息，還可以采用位置分辨較高的二維電阻膜陽極板及電子學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行讀出[18]，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖像重建。

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CLCTL99

Simulation study on the converter of fast neutron imaging detector based on micro-channel plates

RAN Jianling1LU Xiaolong1,2MA Zhanwen1WANG Wei1ZHANG Jie1WANG Jie1MENG Fanliang1ZHANG Yu1,2YAO Zeen1,2

1(School of Nuclear Science and Technology,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China)
2(Engineering Research Center for Neutron Application,Ministry of Education,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China)

Background:As a unique non-destructive testing technique, fast neutron radiography has been widely concerned in recent years. However, the fast neutron imaging detector with higher resolution and higher detection efficiency still needs to be researched.Purpose:A new fast neutron imaging detector consisting of a polyethylene (PE) converter and a microchannel plate (MCP), is proposed for 14.5-MeV fast neutron radiography. Simulation studies are conducted for the design aim.Methods:The yields and energy spectra of the recoil proton produced by 14.5-MeV fast neutron on the PE converter are simulated using Geant4 code. The yields and the energy spectra of the recoil proton under the different PE converter thicknesses are presented in order to determine the converter efficiency and the reasonable thickness of the PE converter. Less than 14.5 MeV, fast neutron incident, the electronic gain process in MCP is simulated using Geant4 code. In order to analyze spatial resolution, the electron beam spot images are recorded after MCP.Results:The simulation results show that the thickness of PE converter should be selected in the range of 2.5 mm, and the converter efficiency is about 0.37%. The electron images show that the electron beam spot diameter is slightly bigger than MCP aperture.Conclusion:It can be predicted that the spatial resolution of the detector is close to MCP aperture.

Fast neutron radiography, Polyethylene converter, MCP, Electron gain, Spatial resolution

TL99

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.090401

國家自然科學(xué)基金(No.11375077)、國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)(No.2013YQ40861)、蘭州大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金

(No.lzujbky-2015-bt07)資助

冉建玲，女，1989年出生，2015年于蘭州大學(xué)獲碩士學(xué)位，主要研究領(lǐng)域?yàn)榱Ｗ游锢砼c原子核物理

姚澤恩，E-mail: zeyao@lzu.edu.cn

2015-03-17，

2015-04-23