用于中國散裂中子源多功能反射譜儀的高氣壓多絲正比室探測器的研制?

溫志文祁輝榮張余煉王海云4)劉凌王艷鳳張建李玉紅孫志嘉

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

2)(核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100049)

3)(中國科學(xué)院高能物理研究所,北京 100049)

4)(中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

1 引 言

中國散裂中子源[1?4]是國內(nèi)第一座散裂中子源裝置,提供2.5×1016/cm2/s通量的脈沖中子束流,在廣東東莞完成建設(shè),于2017年11月份打靶束流測試中獲得25 Hz,10 kW的質(zhì)子束流,進(jìn)入了中子譜儀的聯(lián)調(diào)和驗(yàn)收階段.目前設(shè)計(jì)的中子譜儀共建設(shè)了三條,包括小角散射譜儀、高通量粉末衍射儀和多功能反射譜儀.其中,中子反射譜儀主要目標(biāo)為測量薄膜樣品的厚度信息、散射長度密度分布、樣品表面和界面的粗糙度信息[5,6]等.采用中子反射原理,測量中子的散射矢量Q值和反射率,分析兩者的關(guān)系曲線,得到樣品的微觀結(jié)構(gòu)信息.對(duì)于鏡面中子反射,其散射矢量為中子的波長,θ為入射中子與樣品平面的夾角),方向垂直于樣品表面.因此反射譜儀探測器需要測量得到反射中子的強(qiáng)度、能量和位置信息,來實(shí)現(xiàn)反射譜儀的目標(biāo).中國散裂中子源多功能反射譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1,其中樣品至探測器中心的距離約為2 m,200 mm×200 mm的有效探測面積可滿足約5.8°范圍內(nèi)的反射中子探測.中子反射譜儀探測器除了需要探測鏡面反射的中子,還需要測量漫反射和掠入衍射的中子,因此反射譜儀探測器需要2 mm左右的二維位置分辨來區(qū)分鏡面反射和漫反射的中子[7?9].探測器的探測效率決定對(duì)樣品反射率的測量精度,因此中子反射譜儀要求設(shè)計(jì)的探測器對(duì)2 ?中子的探測效率通常要滿足50%以上.由于反射譜儀安裝的實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)會(huì)存在γ射線本底,因此要求探測器具有較高的n/γ的分辨能力.由于譜儀運(yùn)行周期的需求,應(yīng)用在散裂中子源反射譜儀工程項(xiàng)目中的探測器必須要保持長期的穩(wěn)定性能.

圖1 (a)多功能反射譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖;(b)高氣壓MWPCs探測器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.(a)The schematic diagram of the multipurpose reflectometer;(b)the high pressure MWPCs neutron detector.

根據(jù)中子反射譜儀的需求,中國散裂中子源多功能反射譜儀探測器所需參數(shù)如表1所列.依據(jù)參數(shù)要求進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì),采用具有較高的探測效率、優(yōu)越的位置分辨、易于大面積制作和長期穩(wěn)定工作的高氣壓3He氣體的多絲正比室(multi-wire proportional chambers,MWPCs)探測器[10,11].高氣壓MWPCs探測器如圖1(b)所示,主要包括高氣壓腔體、氣體凈化系統(tǒng)、工作氣體、內(nèi)部絲室結(jié)構(gòu)、支撐平臺(tái)和氣路系統(tǒng)等.本文將根據(jù)探測器的探測效率要求,主要討論探測器高氣壓腔體的設(shè)計(jì)和工作氣體3He氣壓的選擇;根據(jù)探測器的位置分辨要求,實(shí)驗(yàn)測量設(shè)計(jì)的MWPCs探測器內(nèi)部絲結(jié)構(gòu)的本征位置分辨和通過模擬計(jì)算選擇探測器阻止氣體的種類和氣壓;為了保持探測器的長期穩(wěn)定工作,研制一套氣體凈化系統(tǒng),通過對(duì)探測器工作氣體凈化前后的氣體增益測量,判斷對(duì)影響探測器穩(wěn)定性能的雜質(zhì)氣體是否有效去除;根據(jù)探測器的n/γ的分辨能力要求,采用252Cf中子源初步測量了探測器的計(jì)數(shù)坪區(qū),在坪區(qū)電壓內(nèi)的n/γ分辨能力和二維成像性能.

表1 多功能反射譜儀探測器性能指標(biāo)Table 1.The requirements of the 2D position resolution neutron detector.

2 探測器設(shè)計(jì)

2.1 探測器效率

中國散裂中子源多功能反射譜儀對(duì)中子的探測器效率要求是10年內(nèi)保持50%(@2 ?)以上.基于高氣壓3He氣體的MWPCs探測器對(duì)中子的探測效率主要由探測器高氣壓腔體入射窗對(duì)中子的透射率、高氣壓腔體的氣密性、工作氣體的厚度和工作氣體3He的氣壓決定,以下將分別討論這四個(gè)決定因素的設(shè)計(jì).

探測器的漂移電極是以高氣壓腔體入射窗的內(nèi)表面為基底安裝的,入射窗在高氣壓條件下的變形會(huì)導(dǎo)致探測器的氣體增益和探測器效率不一致性明顯.因此漂移電極的平坦度要求小于探測器陽極到漂移電極間距的百分之一[12].探測器的入射窗材料選用具有較高強(qiáng)度的7075鋁合金,材料成分為:0.4%Si,0.5%Fe,1.2%—2.0%Cu,0.3%Mn,2.1%—2.9%Mg,0.18%—0.28%Cr,5.1%—6.1%Zn,0.2%Ti,88.67%Al.表2為ANSYS和MCNP模擬計(jì)算不同厚度入射窗在8.5 atm氣壓條件下的最大變形量和熱中子穿過入射窗后散射角小于0.1°的百分比.根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果,為了滿足入射窗的最大變形量小于0.3 mm以及90%以上的熱中子有效透射率,探測器的入射窗厚度設(shè)計(jì)為9 mm.因此小于0.1°的熱中子透射率達(dá)到90.26%.

表2 不同厚度7075鋁合金入射窗在8.5 bar的變形量和對(duì)熱中子小于0.1°的透射率Table 2.The deformation and the less than 0.1 degrees of thermal neutrons transmittance for 7075 aluminum alloy at 8.5 bar pressure.

工作氣體厚度也是決定探測器對(duì)中子探測效率的關(guān)鍵因素之一.增加探測器的工作氣體厚度可以提高探測器的探測效率,但對(duì)于電極為平面的MWPCs探測器,斜入射的中子會(huì)引起更大像差,即中子的入射位置與探測器測量到的位置之差.為了限制像差的大小,探測器需要選擇一個(gè)合理的氣體厚度.可模擬計(jì)算出:在探測器腔體能夠承受的氣壓(8.5 bar)范圍內(nèi),15 mm的氣體厚度可滿足探測器50%以上的探測效率;且15 mm的氣體厚度引起的像差小于探測器的位置分辨.因此,探測器的氣體厚度為15 mm[13,14].

圖2 不同氣壓3He氣體對(duì)中子的探測效率(氣體厚度15 mm)Fig.2.The detection efficiency as a function of the pressure of3He(gas thickness=15 mm).

根據(jù)不同波長中子與3He的反應(yīng)截面,可計(jì)算出不同氣壓,15 mm厚的3He氣體對(duì)中子的探測效率,如圖2所示.考慮探測器入射窗對(duì)中子的吸收和散射,3He氣體對(duì)中子的探測效率必須滿足56%以上.從圖2可以看出4 bar3He氣體可滿足56%以上的中子探測效率,因此設(shè)計(jì)的高氣壓腔體的密封性能需滿足10年內(nèi)探測器內(nèi)工作氣體3He的氣壓為4 bar以上.

探測器的前端是采用對(duì)中子透射率大的7075鋁合金材料,后端為了便于焊接密封,采用不銹鋼材料.鋁合金與不銹鋼組成的探測器腔體,高氣壓條件下保證長期良好的氣密性是比較困難的.之前制作的探測器高氣壓腔體采用雙橡膠O圈進(jìn)行密封,實(shí)驗(yàn)記錄探測器腔體從最初的7.4 bar氣壓,經(jīng)過4年的時(shí)間氣壓降至6.2 bar,可估算雙橡膠O圈密封的腔體10年內(nèi)氣體泄漏量為2.64 bar.探測器的工作氣體除了有3He氣體外,還有限制次級(jí)離子射程的阻止氣體,第3部分將介紹該阻止氣體為2.5 bar丙烷,丙烷分子遠(yuǎn)大于3He分子,可認(rèn)為探測器泄露的工作氣體都是3He氣體.因此10年后雙橡膠O圈密封的高氣壓MWPCs探測器的3He氣壓為2.26 bar,該氣壓是滿足不了對(duì)2 ?中子50%以上的探測器效率要求.目前設(shè)計(jì)的高氣壓腔體,改進(jìn)為直徑1.6 mm的鋁絲密封,密封后的鋁絲厚度壓縮為0.15 mm左右.通過高氣壓腔體的保壓實(shí)驗(yàn),記錄腔體溫度和氣壓的變化,得到8.6 bar4He(99.999%)氣體近1個(gè)月的保壓記錄,如圖3(a)所示.因?yàn)?He分子和3He分子的大小接近,可近似得到3He氣體的漏氣率.通過測量到腔體的溫度和氣壓的線性關(guān)系,將保壓實(shí)驗(yàn)記錄的氣壓轉(zhuǎn)換成相同溫度下的氣壓值,使用指數(shù)函數(shù)擬合相同溫度條件下的相對(duì)氣壓變化,如圖3(b)所示,得到設(shè)計(jì)的高氣壓腔體在8.6 bar初始?xì)鈮簵l件下的漏氣率,見(1)式.根據(jù)(1)和(2)式,可計(jì)算在8.5 bar氣壓條件下,設(shè)計(jì)的高氣壓腔體10年的氣體泄漏量為1.7 bar,遠(yuǎn)好于雙橡膠O圈的密封性能.因此,鋁絲密封的高氣壓腔體和6 bar3He+2.5 bar C3H8的設(shè)計(jì),10年內(nèi)3He的氣壓為4.3—6 bar,考慮探測器入射窗對(duì)中子的吸收和散射,探測器在10年運(yùn)行時(shí)間內(nèi)的探測效率約為54%—67.5%,完全滿足反射譜儀的探測效率要求.由于二維多絲室探測器特有的結(jié)構(gòu)特性,其在200 mm×200 mm有效面積內(nèi)保持了很好的二維同向性.實(shí)驗(yàn)中采用252Cf中子源對(duì)探測器16個(gè)5 mm×5 mm的區(qū)域(每次測量保持在面積中心位置)進(jìn)行探測效率的測量,得到探測器在這16個(gè)區(qū)域的探測器效率均在67%左右,與探測器在初始?xì)鈮簵l件下的模擬計(jì)算結(jié)果接近.

圖3 (a)腔體保壓測試記錄的絕壓和溫度的變化;(b)同一溫度條件下相對(duì)氣壓的變化Fig.3.(a)The absolute pressure and temperature as a function of the record time;(b)the relative pressure as a function of the record time.

2.2 位置分辨

中子與3He核反應(yīng)產(chǎn)生573 keV的質(zhì)子和191 keV的氚核,兩個(gè)次級(jí)離子沿相反方向運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生的原初電子重心位置與中子發(fā)生核反應(yīng)的位置并不相等,兩者之差由質(zhì)子和氚核在探測器內(nèi)的電離分布決定.為了限制質(zhì)子和氚核在探測器內(nèi)的射程,探測器的工作氣體除了3He氣體外,還需要加入對(duì)質(zhì)子和氚核阻止能力強(qiáng)的氣體.所以探測器對(duì)中子的位置分辨主要由阻止氣體和探測器的本征位置分辨決定.下面將主要介紹阻止氣體的選擇和探測器的本征位置分辨測量.

表3 573 keV質(zhì)子和191 keV氚核在1 atm阻止氣體內(nèi)的射程和電離重心Table 3.The range and the ionization center of gravity of 573 keV proton and 191 keV triton at 1atm stopping gas.

表3為通過SRIM[15]模擬計(jì)算573 keV的質(zhì)子和191 keV的氚核在8種阻止氣體,一個(gè)氣壓條件下的射程和電離重心位置(center of gravity,COG).根據(jù)電離重心位置比較,8種阻止氣體的阻止能力依次為C3F8>C4H10>CF4>C2H4F2>C3H8>Xe>CO2>Ar.C3F8,CF4和C2H4F2雖然阻止能力較強(qiáng),但屬于含氟負(fù)電性氣體,容易與正離子復(fù)合,所以不考慮這三種阻止氣體.另外C4H10的阻止能力雖然比C3H8強(qiáng),但是C4H10在室溫條件下,2.1 bar即會(huì)發(fā)生液化[16,17].最終選擇阻止能力強(qiáng)且對(duì)γ射線不敏感的C3H8作為探測器的阻止氣體.圖4(a)為SRIM計(jì)算573 keV的質(zhì)子和191 keV的氚核在1 bar C3H8內(nèi)的電離分布,可以看出質(zhì)子的電離分布存在明顯的布拉格峰,而氚核由于能量低沒有布拉格峰,質(zhì)子末端布拉格峰的存在增加了電離重心位置與中子核反應(yīng)位置的偏差.

SRIM模擬計(jì)算573 keV質(zhì)子和191 keV氚核在不同氣壓丙烷的射程和電離重心位置,模擬計(jì)算結(jié)果如圖4(b)所示,可以看出,對(duì)于丙烷阻止氣體,573 keV質(zhì)子和191 keV氚核的電離重心約等于0.42倍質(zhì)子的射程.中子核反應(yīng)產(chǎn)生的質(zhì)子和氚核的運(yùn)動(dòng)方向是各向同性的,因此質(zhì)子和氚核電離分布導(dǎo)致的中子探測位置偏差為0—0.84倍質(zhì)子的射程[13].

圖4 (a)573 keV質(zhì)子和191 keV氚核在1 atm C3H8內(nèi)的電離分布;(b)次級(jí)離子在不同氣壓丙烷的射程、產(chǎn)生的位置偏差和中子的位置分辨Fig.4.(a)The ionization distribution of the 573 keV proton and the 191 keV tritium at 1 atm propane;(b)the range,the COG and the position resolution for neutron as a function of the pressure of propane.

探測器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5(a)所示,詳細(xì)設(shè)計(jì)原理可參考文獻(xiàn)[18].X射線經(jīng)過100μm準(zhǔn)直狹縫后測量該結(jié)構(gòu)探測器的本征位置分,得到探測器的本征位置分辨FWHMX為0.235 mm,如圖5(b)所示.然后通過(3)式和丙烷對(duì)質(zhì)子射程的模擬結(jié)果,可以計(jì)算出探測器對(duì)中子的位置分辨FWHMn.圖4(b)可以看到不同氣壓丙烷對(duì)中子的位置分辨計(jì)算結(jié)果,得出1.8 atm丙烷可達(dá)到2 mm的位置分辨的要求,探測器實(shí)際選擇的丙烷氣壓為2.5 atm,這樣探測器對(duì)中子的位置分辨可以達(dá)到約1.4 mm,滿足譜儀要求的好于2 mm的位置分辨.

圖5 (a)MWPCs探測器的內(nèi)部結(jié)構(gòu);(b)X射線測量探測器的本征位置分辨(FWHMX=0.1×2.35 mm)Fig.5.(a)The structure schematic of the MWPCs detector;(b)the position resolution for X-rays.

2.3 長期穩(wěn)定工作

多功能反射譜儀探測器需要在密閉條件下長期穩(wěn)定工作近10年之久.探測器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的組成部件,如PCB板的“Outgassing”效應(yīng)[19,20],將會(huì)帶來氧氣和水蒸氣等雜質(zhì)氣體.氧氣和水蒸氣因增加氣體的吸附系數(shù)而降低探測器的氣體增益,其中氧氣表現(xiàn)最為明顯.圖6為Garf i eld[21]模擬不同含量的氧氣導(dǎo)致氣體增益降低的情況,可以看出300 ppm的氧氣在3500 V工作電壓處降低約30%的氣體增益.在探測器的電子雪崩倍增過程中,將引起有機(jī)氣體的分解和聚合,當(dāng)聚合鏈足夠大時(shí)將發(fā)生冷凝、擴(kuò)散并吸附在探測器電極的表面,由此帶來探測器的氣體增益不穩(wěn)定,漏電流增加[22,23].因此,為了保證探測器長期的穩(wěn)定工作,需要一套氣體凈化設(shè)備,定期地清除以上雜質(zhì)氣體.

圖6 (a)不同含量的氧氣對(duì)探測器增益的影響;(b)MWPCs探測器的過濾器和電磁泵Fig.6.(a)The gas gain as a function of the oxygen;(b)the f i lter and the electromagnetic pump of the MWPCs detector.

設(shè)計(jì)的氣體凈化系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分,氣體過濾器和驅(qū)動(dòng)氣體循環(huán)的電磁泵,如圖6(b)所示.氣體過濾器結(jié)構(gòu)較為簡單,通過一個(gè)不銹鋼圓柱形容器裝入吸收氧氣、水蒸氣和有機(jī)物雜質(zhì)氣體的材料.吸收材料有兩種:一種是用于吸收氧氣的“Ridox”材料,它主要由99%以上的氧化鋁和少于1%的銅組成;另外一種是用于吸收屬于極性分子的水蒸氣和有機(jī)物雜質(zhì)氣體的分子篩,選用的分子篩孔直徑為3 ?,分子篩通過庫侖吸引力吸收直徑小于3 ?的極性分子.探測器工作氣體的丙烷也屬于極性分子,在經(jīng)過凈化器會(huì)被分子篩吸收和釋放,分子篩的吸收能力與溫度成反比關(guān)系,因此在凈化系統(tǒng)工作時(shí),保持環(huán)境溫度變化不超過±5℃,使過濾器對(duì)丙烷的吸收和釋放達(dá)到平衡.“Ridox”和分子篩吸收材料可進(jìn)行更新,通過在200℃條件下沖入95%Ar+5%H2可釋放吸收材料已吸收的雜質(zhì)氣體.電磁泵的作用是在高氣壓條件下驅(qū)動(dòng)探測器內(nèi)部的氣體與過濾器之間循環(huán),結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,主要由一對(duì)單向閥、一對(duì)法蘭、若干節(jié)波紋管、純鐵塊和電磁鐵吸盤等組成.電磁泵的工作原理是通過電磁鐵吸盤驅(qū)動(dòng)純鐵塊上下振動(dòng),帶動(dòng)波紋管上下振動(dòng),從而改變波紋管內(nèi)部的氣壓,打開和關(guān)閉與波紋管連接的單向閥,單向閥使探測器的氣體單向循環(huán)流動(dòng),最后達(dá)到探測器的氣體凈化目的.電磁泵設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵在于波紋管振動(dòng)產(chǎn)生的壓差能否打開單向閥.(4)式為計(jì)算波紋管振動(dòng)產(chǎn)生的最大壓差公式,式中?Pmax和P0分別為波紋管振動(dòng)產(chǎn)生的最大壓差和波紋管的初始?xì)鈮?V0和V1分別為波紋管的初始體積和振動(dòng)改變的體積.因?yàn)殡姶盆F吸盤與純鐵塊之間隔一個(gè)法蘭,所以電磁鐵吸盤對(duì)純鐵塊的吸引力因?yàn)檩^遠(yuǎn)的距離而有限,因此應(yīng)找到純鐵塊與波紋管的共振頻率,才能在有限的吸引力下得到最大的波紋管振幅.通過電磁泵在常壓條件下的測試,得到設(shè)計(jì)的電磁泵的共振頻率為62 Hz,電源電壓為24 V.測量到波紋管的振幅,可以計(jì)算出在常壓和8.5 bar工作氣壓下,波紋管振動(dòng)產(chǎn)生的最大壓差分別為0.15 bar和1.1 bar.采用的單向閥開啟壓力為0.03—0.21 bar.通過常壓條件下的實(shí)驗(yàn)測試,電磁泵成功驅(qū)動(dòng)氣體循環(huán)流動(dòng),氣體流速達(dá)到2 L/min.探測器的工作氣壓條件是8.5 bar,波紋管振動(dòng)可產(chǎn)生更大的壓差,因此更容易打開單向閥驅(qū)動(dòng)氣體循環(huán)流動(dòng).探測器的體積約為4 L,因此大約需要2 min可將探測器氣體凈化一遍.

測量探測器工作氣體經(jīng)過凈化前后的氣體增益變化,可驗(yàn)證研制的凈化系統(tǒng)的效果.探測器的坪區(qū)電壓在3400—3600 V之間,測量該高壓區(qū)間的中子能譜,比較中子能譜峰位的變化,即可得到探測器相對(duì)氣體增益的變化情況.凈化探測器工作氣體前后,探測器的相對(duì)氣體增益變化測量結(jié)果如圖7所示.可以看出,工作氣體經(jīng)過凈化后,探測器的相對(duì)氣體增益在3500 V高壓處,提高了約27%.證明研制的氣體凈化系統(tǒng)可有效地去除雜質(zhì)氣體.

圖7 凈化系統(tǒng)工作前后探測器相對(duì)氣體增益的測量結(jié)果Fig.7.The relative gain as a function of the anode high voltage with and without purif i cation of the working gases.

3 初步性能測試

實(shí)驗(yàn)中采用252Cf中子源,經(jīng)過聚乙烯慢化后,進(jìn)入探測器.首先測量探測器的計(jì)數(shù)坪區(qū)確定探測器的工作電壓,固定探測器陰極高壓為?1800 V,陽極高壓從2900—3650 V逐漸遞增測量探測器的計(jì)數(shù)率.當(dāng)陽極高壓為3650 V,探測器出現(xiàn)信號(hào)過大,超出電子學(xué)測量事例的范圍.為了避免打火以及保護(hù)探測器的安全,沒有繼續(xù)增加陽極高壓.測量結(jié)果如圖8(a)所示,探測器的陽極坪區(qū)電壓為3400—3600 V.因此選擇探測器的坪區(qū)電壓,陽極3500 V,陰極?1800 V,通過測量單個(gè)陰極層的總感應(yīng)電荷來得到入射粒子的能量信息.圖8(b)為通過下陰極層的總感應(yīng)電荷測量到的能譜.為了去除本底信號(hào)的干擾,陰極層的總感應(yīng)電荷量是通過每個(gè)通道的電荷測量值減去該通道的本底值,當(dāng)該值大于某個(gè)閾值的條件下,才累加到陰極層的總感應(yīng)電荷中.由于測量環(huán)境的γ本底較多而中子源強(qiáng)度較弱,圖8(b)測量的能譜中γ的計(jì)數(shù)較高,由于中子和γ射線在探測器沉積的能量不一樣,還是可以明顯區(qū)分出中子的能譜峰,位于150 fC左右位置,且中子和γ的峰位比值在5以上,可以得出探測器具有較高的n/γ分辨能力.根據(jù)中子核反應(yīng)后次級(jí)離子產(chǎn)生的原初電子數(shù)約為30000個(gè),單個(gè)陰極層收集的感應(yīng)電荷約為原初電子倍增后的總電荷量的1/2.因此可以計(jì)算出150 fC的中子峰位對(duì)應(yīng)探測器的氣體增益約為62.探測器在如此低的氣體增益下,有利于保持長期穩(wěn)定的工作.

圖8 探測器的計(jì)數(shù)坪曲線(a)和中子能譜測量(b)Fig.8.The curve of the high pressure MWPCs neutron detector(a)and neutron spectrum(b).

圖9 “H”字母的鎘板(a)和探測器的二維成像(b)Fig.9.A cadmium plate with a hole of the character“H”(a)and the two dimension image(b).

實(shí)驗(yàn)中制作一個(gè)如圖9(a)所示的鎘板,鎘板的厚度為4 mm.鎘板放置在探測器的入射窗前進(jìn)行二維成像測試,因?yàn)闇y試環(huán)境中γ本底較高,而中子源強(qiáng)度較低,數(shù)據(jù)分析中根據(jù)圖8(b)能譜的測試結(jié)果,將陰極層總感應(yīng)電荷量低于100 fC的事例剔除,去除γ事例對(duì)成像的影響,最終經(jīng)過近10 h的成像測試結(jié)果如圖9(b),得出均勻響應(yīng)的“H”字母成像.因?yàn)?52Cf中子源經(jīng)過慢化后,還存在能量在0.3—0.5 eV之上的較多的鎘上中子,鎘板對(duì)這些中子的吸收截面較低;且中子經(jīng)過聚乙烯慢化后相當(dāng)于一個(gè)平面源,成發(fā)散角分布,難以用鎘板狹縫對(duì)低強(qiáng)度的252Cf中子源進(jìn)行準(zhǔn)直測量,所以使用的252Cf較難準(zhǔn)確測出探測器對(duì)中子的位置分辨.

4 結(jié) 論

通過對(duì)探測器不同厚度鋁合金入射窗的模擬計(jì)算,9 mm厚的入射窗設(shè)計(jì),可滿足在8.5 bar氣壓條件下小于0.3 mm的變形量,同時(shí)也可滿足90.26%的熱中子有效透射率;根據(jù)對(duì)鋁絲密封的探測器高氣壓腔體氣密性測量,10年減少的氣體量約為1.7 bar,因此6 bar的初始3He氣體可滿足探測器在運(yùn)行時(shí)間內(nèi)54%—67.5%全面積的探測器效率要求.通過X射線對(duì)探測器進(jìn)行測量,獲得的位置分辨約為0.235 mm;中子與3He核反應(yīng)生成的次級(jí)離子,在2.5 bar丙烷的阻止氣體條件下產(chǎn)生的位置偏差約為1.37 mm;因此探測器對(duì)中子的位置分辨可達(dá)到1.4 mm.探測器設(shè)計(jì)的氣體凈化系統(tǒng)可有效地去除氧氣、水蒸氣和有機(jī)雜質(zhì)氣體等負(fù)電性雜質(zhì)氣體,提高探測器約27%的氣體增益,保證探測器長期穩(wěn)定運(yùn)行.使用252Cf中子源對(duì)探測器進(jìn)行初步性能的測試:由于中子與本底γ射線沉積的能量不一樣,中子和本底γ射線的峰位比在5倍以上,中子和本底γ射線在能譜測量中很容易被區(qū)分;對(duì)鎘板的成像測量中,獲得探測器對(duì)中子源的均勻響應(yīng)成像.研制的高氣壓3He氣體MWPCs探測器滿足多功能反射譜儀的性能要求,并已在中國散裂中子源靶站安裝就位,準(zhǔn)備聯(lián)調(diào).下一步將在在中國散裂中子源束流上實(shí)驗(yàn)測量和驗(yàn)證探測器對(duì)中子的探測效率和位置分辨.

[1]Zhang L Y,Jing H T,Tang J Y,Li Q,Ruan X C,Ren J,Ning C J,Yu Y J,Tan Z X,Wang P C,He Y C,Wang X Q 2018Appl Radiat Isotopes132 212

[2]Chen J,Kang L,Lu H L,Luo P,Wang F W,He L H 2017Physica B(accepted)

[3]Shen F,Liang T R,Yin W,Yu Q Z,Zuo T S,Yao Z E,Zhu T,Liang T J 2014Acta Phys.Sin.63 152801(in Chinese)[沈飛,梁泰然,殷雯,于全芝,左太森,姚澤恩,朱濤,梁天驕2014物理學(xué)報(bào)63 152801]

[4]Yu Q Z,Yin W,Liang T J 2011Acta Phys.Sin.60 052501(in Chinese)[于全芝,殷雯,梁天驕2011物理學(xué)報(bào)60 052501]

[5]Huang C Q,Chen B,Li X X,Syromyatnikov V G,Pleshanov N K 2008Acta Phys.Sin.57 364(in Chinese)[黃朝強(qiáng),陳波,李新喜,Syromyatnikov V G,Pleshanov N K 2008物理學(xué)報(bào)57 364]

[6]Li T F,Chen D F,Wang H L,Sun K,Liu Y T 2009Acta Phys.Sin.58 7993(in Chinese)[李天富,陳東風(fēng),王洪立,孫凱,劉蘊(yùn)韜2009物理學(xué)報(bào)58 7993]

[7]Kampmann R, Marmotti M, Haese-Seiller M,Kudryashov V 2004Physica B350 e845

[8]Mattauch S,Ioffe A,Lott D,Menelle A,Ott F,Medic Z 2016J.Phys.:Conf.Ser.711 012009

[9]Avdeev M V,Bodnarchuk V I,Lauter-Pasyuk V V,Lauter H,Aksenov V L,Yaradaikin S P,Ulyanov V A,Trounov V A,Kalinin S I 2010J.Phys.:Conf.Ser.251 012060

[10]Orban J,Cser L,Rosta L,Torok G,Nagy A 2011NIMA632 124

[11]Eijk C W 2002NIMA477 383

[12]BoieJ R A,Fischer,Inagaki Y,Merritt F C,Okuno H,Radeka V 1982NIM200 533

[13]Radeka V,Schaknowski N A,Smith G C,Yu B 1998NIMA419 642

[14]Fried J,Harder J A,Mahler G J,Makowiecki D S,Mead J A,Radeka V,Schaknowski N A,Smith G C,Yu B 2002NIMA478 415

[15]S R I M,Ziegler J F,http://www.srim.org/[2017-12-8]

[16]Doumas A,Smith G C 2012NIMA675 8

[17]Desai S S,Desai A M 2006NIMA557 607

[18]Wen Z W,Qi H R,Wang Y F,Sun Z J,Zhang Y L,Wang H Y,Zhang J,Ouyang Q,Chen Y B,Li Y H 2017Acta Phys.Sin.66 072901(in Chinese)[溫志文,祁輝榮,王艷鳳,孫志嘉,張余煉,王海云,張建,歐陽群,陳元柏,李玉紅2017物理學(xué)報(bào)66 072901]

[19]Abuhoza A,Schmidt H R,Biswas S,Frankenfeld U,Hehner J,Schmidt C J 2013NIMA718 400

[20]Bouclier R,Capeans M,Garabatos C,Sauli F,Silander F 1994NIMA350 464

[21]Garf i eld,Veenhof R,http://garf i eld.web.cern.ch/garf i eld/[2017-12-8]

[22]Niebuhr C 2006NIMA566 118

[23]Kadyk J A 1991NIMA300 436