用于CSNS反角白光中子源的雙屏柵電離室設(shè)計(jì)及性能研究

何逾洋，劉蘊(yùn)韜，劉毅娜，王志強(qiáng)，李春娟，夏 莉，駱海龍

(1.中國原子能科學(xué)研究院 核技術(shù)綜合研究所，北京 102413；2.計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102413)

自二十世紀(jì)八十年代以來，中高能強(qiáng)流脈沖質(zhì)子加速器的散裂中子源已成為世界上開展各種中子核數(shù)據(jù)測量及中子束應(yīng)用的重要平臺(tái)[1-3]。2018年中國散裂中子源(China Spallation Neutron Source, CSNS)反角白光中子束線(CSNS/Back-n)打靶出束，該束線也必將成為開展核數(shù)據(jù)測量、寬能區(qū)范圍探測器標(biāo)定和中子輻照效應(yīng)研究等應(yīng)用的大型綜合科學(xué)研究平臺(tái)。中子束線特征參數(shù)尤其是中子能譜和注量是在CSNS/Back-n上進(jìn)行其他實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)[4-6]。

CSNS/Back-n具有中子能量范圍寬及脈沖束特點(diǎn)，在距散裂靶76 m處的中子注量率約為8.6×106cm-2·s-1@100 kW。飛行時(shí)間法測量原理基于基本物理量(時(shí)間和距離)，對脈沖中子束能量測量具有很高的準(zhǔn)確度，國際上散裂中子源均采用飛行時(shí)間法測量中子束線能譜參數(shù)[7-10]。國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)推薦了一系列中子核反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)截面[11]，目前廣泛用于150 keV以下能區(qū)的是10B(n, α)7Li和6Li(n, t)α核反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)截面。基于這兩種核反應(yīng)探測原理的探測器類型主要有6Li玻璃閃爍體探測器、6Li-Si半導(dǎo)體探測器、10B和6Li電離室型探測器等。6Li玻璃閃爍探測器配快光電倍增管的時(shí)間特性適用于中子飛行時(shí)間法，但是鋰玻璃對γ射線探測效率很高，而CSNS/Back-n質(zhì)子打靶瞬間有很強(qiáng)的瞬間伴隨γ-閃光，會(huì)引起光輸出瞬間飽和。將鍍6LiF的鋁膜作為轉(zhuǎn)換靶置于束上，束外對稱放置多個(gè)Si半導(dǎo)體探測器的6Li-Si束流監(jiān)視器已在CSNS/Back-n上得到了很好的應(yīng)用[10]。電離室型探測器雖然時(shí)間分辨不如閃爍體探測器，但150 keV以下能區(qū)中子飛行76 m需要十幾微秒，因此具有百納秒量級時(shí)間分辨的電離室型探測器也可用于中子飛行時(shí)間法測量實(shí)驗(yàn)，多種方法間可以相互驗(yàn)證。此外，屏柵電離室型探測器具有探測效率高(100%)、探測立體角大(接近2π)、對帶電粒子同時(shí)具有能量和角度分辨能力和結(jié)構(gòu)上靈活多樣等優(yōu)點(diǎn)[12-13]。

中國原子能科學(xué)研究院核數(shù)據(jù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室使用235U多層裂變室對CSNS/Back-n的中子能譜進(jìn)行過測量，但在低能區(qū)由于235U的裂變截面存在共振，無法進(jìn)行精細(xì)能譜分析，有必要發(fā)展基于10B或6Li等其他標(biāo)準(zhǔn)截面的探測器能譜測量。本工作針對CSNS/Back-n在150 keV以下能區(qū)飛行時(shí)間法中子能譜測量，研制雙屏柵電離室。通過模擬計(jì)算，設(shè)計(jì)雙屏柵電離室的工作氣體、極間距和工作電壓等參數(shù)。采用α源對雙屏柵電離室的性能參數(shù)進(jìn)行測試，為進(jìn)一步開展CSNS/Back-n束線上基于10B(n, α)7Li和6Li(n, t)α核反應(yīng)中子能譜測量研究提供參考。

1 原理及結(jié)構(gòu)

通過柵極的靜電屏蔽作用將電離室分為電離發(fā)生區(qū)和信號產(chǎn)生區(qū)，電子只有通過柵極才會(huì)在陽極感應(yīng)出脈沖信號，從而使屏柵電離室可識(shí)別帶電粒子能量[14]，測量脈沖數(shù)可以得到入射粒子數(shù)，分析脈沖幅度可以得到入射粒子的能量[15]。

針對CSNS/Back-n中子束線中子產(chǎn)額高和很強(qiáng)的瞬間伴隨γ-閃光等特點(diǎn)，為避免γ-閃光與金屬物質(zhì)作用產(chǎn)生強(qiáng)干擾信號，采用微米厚度的雙面鍍鋁Mylar膜制做前后薄窗和薄底襯，以減少束上金屬物質(zhì)的量。研制的屏柵電離室結(jié)構(gòu)示意圖示于圖1，主要包括陰極(中子核反應(yīng)靶底襯)、兩個(gè)收集極(即陽極)、兩個(gè)柵極、極間絕緣材料和密封殼體等結(jié)構(gòu)。采用“背靠背”的方式放置兩塊靶片同時(shí)測量。密封殼體材料為鋁合金。通過專用工裝將兩片印制電路板(PCB)和Mylay膜粘合制成極板，由于Mylar膜具有一定的延展性，可以使底襯呈現(xiàn)光滑的鏡面效果。將鍍金鎢絲焊接在PCB環(huán)上制成柵極。極板通過絕緣性能好、硬度高、質(zhì)量輕的陶瓷柱和套圈支撐和固定，且可以靈活調(diào)節(jié)極間距。

2 工作參數(shù)模擬計(jì)算

2.1 工作氣體

電離室通過記錄α粒子在氣體中產(chǎn)生電離引起的電離電流來確定入射中子通量。工作氣體應(yīng)產(chǎn)生盡可能小的復(fù)合損失，具有較高的阻止本領(lǐng)，從而將陰極出射的帶電粒子在到達(dá)柵極前完全阻止。用于中子飛行時(shí)間法測量時(shí)，還應(yīng)具有較快的電子漂移速度以及較小的擴(kuò)散系數(shù)，以減少電子在漂移過程中被俘獲的概率，縮短電子到達(dá)陽極的時(shí)間，并產(chǎn)生較小的實(shí)驗(yàn)本底[16]。

本工作研制的屏柵電離室采用常溫常壓流氣方式。通過歐洲核子中心開發(fā)的面向?qū)ο竽M計(jì)算程序Garfield++[17]計(jì)算常溫常壓(20 ℃，1 atm)下單原子氣體(Ar、Kr)、多原子氣體(CO2、CH4和CF4)和混合氣體(90%Ar-10%CH4、90%Ar-10%CO2、90%Kr-10%CO2、95%Kr-5%CO2)的電子漂移速度和擴(kuò)散系數(shù)，電場強(qiáng)度在50～1 000 V/cm范圍共計(jì)算了20個(gè)場強(qiáng)點(diǎn)，結(jié)果示于圖2。

由圖2可知，電子在多原子分子氣體中的漂移速度相對較快，擴(kuò)散系數(shù)相對較??；在單原子分子氣體中添加少量多原子分子氣體可以降低負(fù)離子形成的概率，從而提高電子在其中的漂移速度，降低擴(kuò)散系數(shù)。在較低電場強(qiáng)度下，電子在90%Ar-10%CH4(以下稱P10)和CF4氣體中具有較快的漂移速度(最高可達(dá)5.5 cm/μs)和較小的擴(kuò)散系數(shù)；隨著電場強(qiáng)度的增大，電子在P10氣體中的漂移速度逐漸減小，在90%Ar-10%CO2、90%Kr-10%CO2、CF4和CH4氣體中的漂移速度逐漸增大(最高可達(dá)10.5 cm/μs)。電子在上述氣體中的擴(kuò)散系數(shù)均隨電場強(qiáng)度增大而減小，且在CF4氣體中的擴(kuò)散系數(shù)最小(最低為0.01 cm1/2)。電場強(qiáng)度>700 V/cm后，電子在氣體中的漂移速度和擴(kuò)散系數(shù)隨電場強(qiáng)度的改變逐漸變小。

a——不同氣體的漂移速度；b——不同氣體的縱向擴(kuò)散系數(shù)；c——不同氣體的橫向擴(kuò)散系數(shù)

在電子漂移速度較快的幾種氣體中，CH4屬于易燃易爆氣體，因此在很多工作場所不允許使用；CF4阻止本領(lǐng)大且較穩(wěn)定，適用于CSNS/Back-n中子束線實(shí)驗(yàn)；P10和90%Ar-10%CO2為常見的混合氣體，便宜易得。綜合考慮，本工作選用P10、90%Ar-10%CO2和CF4三種氣體進(jìn)行屏柵電離室的調(diào)試及性能對比。實(shí)驗(yàn)時(shí)還需保證工作氣體的純度，盡量避免混入O2、水蒸氣和鹵素等負(fù)電性氣體雜質(zhì)，從而降低電子被俘獲的概率。

2.2 極間距

在實(shí)際應(yīng)用中，屏柵電離室的柵極會(huì)有一定的屏蔽失效問題，通常用屏蔽失效因子σ來表示[18-19]，可通過公式(1)、(2)和(3)計(jì)算：

(1)

(2)

(3)

式中：EA為陽極和柵極之間的電場強(qiáng)度，V/mm；EC為陰極和柵極之間的電場強(qiáng)度，V/mm；p為柵極-陽極間距，mm；d為柵絲間距，mm；r為柵絲半徑，mm。

針對本電離室，柵絲半徑為0.05 mm，柵絲間距為2 mm，由式(1)、(2)和(3)可知增大柵極-陽極間距可以使屏蔽失效因子減小，當(dāng)柵極-陽極間距為5 mm或10 mm時(shí)，計(jì)算得到柵極的屏蔽失效因子σ分別為5.1%和2.6%。

陰極-柵極間距要大于被探測的α粒子的射程，使α粒子的能量盡可能全部沉積在電離發(fā)生區(qū)，但距離過大時(shí)會(huì)影響靈敏體積內(nèi)電場的均勻性，從而影響能量分辨率。采用SRIM(2013)程序[20]模擬計(jì)算常溫常壓(20 ℃，1 atm)下10B(n,α)7Li和6Li(n, t)α核反應(yīng)以及239Pu(5.16 MeV)、241Am(5.48 MeV)、244Cm(5.81 MeV)α源產(chǎn)生的α粒子分別在CF4、P10和90%Ar-10%CO2三種氣體中的射程，結(jié)果示于圖3。由圖3可知，兩種中子核反應(yīng)產(chǎn)生的α粒子在CF4、P10和90%Ar-10%CO2三種氣體中的射程分別小于5 mm、12 mm和12 mm；混合α源產(chǎn)生的α粒子在上述三種氣體中的射程分別小于17 mm、50 mm和46 mm。

圖3 20 ℃幾種α粒子在不同氣體中的射程

極板間距同時(shí)也會(huì)影響電場強(qiáng)度，極板間距越大陽極所需的高壓就越高。結(jié)合理論公式計(jì)算得到的柵極屏蔽失效因子，采用CF4在CSNS/Back-n束上進(jìn)行測試時(shí)，陰極-柵極間距設(shè)為20 mm，柵極-陽極間距設(shè)為5 mm。使用α源進(jìn)行調(diào)試及性能對比時(shí)，極間距根據(jù)選用的工作氣體進(jìn)行調(diào)整。

2.3 電場模擬

屏柵電離室采用柵極接地，各極板電壓要盡量使電子收集達(dá)到飽和條件，陰極-柵極之間的電場強(qiáng)度要足以克服電子吸附和離子復(fù)合效應(yīng)，且極板之間邊緣效應(yīng)可忽略，但也不能太強(qiáng)，使次級電子形成并進(jìn)入正比區(qū)。為防止電子被柵極捕獲，陰極和陽極的電壓應(yīng)使Z=EA/EC大于屏柵電離室的結(jié)構(gòu)因子ZC[21]：

(4)

(5)

針對本電離室，Z>1.373。

采用基于有限元算法的2D/3D電磁場仿真軟件Simcenter Magnet Electric[22]對屏柵電離室進(jìn)行常溫常壓(20 ℃，1 atm)下靜電場模擬，陰極-柵極間距為50 mm，柵極-陽極間距為10 mm，陽極電壓V+=1 200 V，陰極電壓V-=-1 200 V時(shí)模擬計(jì)算的電壓和電場分布示于圖4。由圖4可知，電場在Mylar膜底襯固定環(huán)周圍有明顯畸變。

a——模擬計(jì)算的電壓分布；b——模擬計(jì)算的柵極-陽極間電場分布圖

以極板中心對稱軸為零點(diǎn)，計(jì)算不同工作電壓下距零點(diǎn)0～50 mm范圍內(nèi)共18個(gè)點(diǎn)的單位電場強(qiáng)度，其與零點(diǎn)處的單位電場強(qiáng)度的相對偏差示于圖5。由圖5可知，收集區(qū)φ74 mm范圍內(nèi)場強(qiáng)的相對偏差≤0.03%，可以認(rèn)為是電場均勻區(qū)。改變陰極電壓，柵極-陽極間的電場強(qiáng)度基本不變，最佳工作電壓值由實(shí)驗(yàn)調(diào)試確定。

圖5 電離室不同區(qū)域內(nèi)單位電場強(qiáng)度的對比

3 性能測試

采用兩枚α源對該電離室(圖6)進(jìn)行能量分辨性能測試，探測器的氣體流量控制在15 mL/min左右，陽極信號引出后經(jīng)電荷靈敏前放ORTEC 142PC和主放大器ORTEC 572A后記錄脈沖幅度譜。

圖6 雙屏柵電離室

3.1 柵極對電離室能量分辨的影響

將241Am α源(活性區(qū)直徑小于3 mm)貼在屏柵電離室的陰極中心，工作氣體為P10時(shí)，測量有無柵極時(shí)241Am α源的脈沖幅度譜，結(jié)果示于圖7。由圖7可以看出，在相同的測試條件下，增加?xùn)艠O之后探測器的能量分辨明顯得到改善。

圖7 241Am α源脈沖幅度譜

3.2 屏柵電離室能量分辨驗(yàn)證

將一枚239Pu/241Am/244Cm混合α面源(活性區(qū)直徑小于5 mm)貼在陰極中心，工作氣體分別為P10、90%Ar-10%CO2和CF4時(shí)測得的混合α源的脈沖幅度譜示于圖8a。由圖8a結(jié)果可知，工作氣體為P10和CF4時(shí)探測器對α粒子有較好的能量分辨，工作氣體為CF4時(shí)對α粒子能量分辨率最好，為2.4%@5.48 MeV；工作氣體為90%Ar-10%CO2時(shí)探測器對α粒子的能量分辨較差，無法完全區(qū)分三種能量的α粒子。

將一枚239Pu/241Am/244Cm混合α面源緊貼500 μm厚的硅微條探測器(BB8 (DS)-500，美光半導(dǎo)體公司)，在10 Pa的真空罐中進(jìn)行測試，通過32通道的讀出電子學(xué)樣機(jī)[23]測得的硅微條探測器脈沖幅度譜示于圖8b，可知能量分辨率為3.1%@5.48 MeV。

a——屏柵電離室；b——硅微條探測器

比較兩種探測器的測量結(jié)果，屏柵電離室的工作氣體為P10時(shí)對α粒子的能量分辨效果與硅微條探測器相當(dāng)，工作氣體為CF4時(shí)對α粒子的能量分辨效果明優(yōu)于硅微條探測器。本工作研制的屏柵電離室實(shí)現(xiàn)了較好的α粒子能量分辨能力。

4 結(jié)論

本文針對CSNS/Back-n中子束線的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)加工了具有薄窗和薄底襯特點(diǎn)的雙屏柵電離室，用于該束線150 keV以下能區(qū)飛行時(shí)間法中子能譜的進(jìn)一步測量。通過Garfield++、SRIM和Simcenter Magnet Electric仿真程序?qū)ζ翓烹婋x室的工作氣體、極間距和電場分布等工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。計(jì)算并分析了電子在不同氣體中的電子漂移速度和擴(kuò)散系數(shù)，α粒子在不同氣體中的射程以及屏柵電離室的靜電場分布情況。根據(jù)模擬結(jié)果選定電子漂移速度快、擴(kuò)散系數(shù)小以及組織本領(lǐng)較大的CF4作為CSNS/Back-n束上測試時(shí)的工作氣體，陰極-柵極和柵極-陽極間距分別為20 mm和5 mm。

為進(jìn)行屏柵電離室的調(diào)試及性能對比，采用241Am α源和239Pu/241Am/244Cm混合α面源在CF4、P10和90%Ar-10%CO2三種氣體下對該電離室進(jìn)行性能參數(shù)測試。分別與平板型電離室和硅微條探測器的測量結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了本工作研制的屏柵型電離室的能量分辨優(yōu)勢。工作氣體為CF4時(shí)，探測器對混合α源具有很好的能量分辨，最佳能量分辨率為2.4%@5.48 MeV，好于硅微條探測器的3.1%@5.48 MeV。

飛行時(shí)間法測量中子能譜要求探測系統(tǒng)同時(shí)具備適當(dāng)?shù)哪芰糠直婧蜁r(shí)間分辨特性，因此需要選用具有快時(shí)間響應(yīng)特性的前置放大器。ORTEC 142A和Mesytec MSI-8的T輸出上升時(shí)間不超過5 ns，衰減時(shí)間幾十納秒，具有較快的定時(shí)特征。前放的調(diào)試及根據(jù)前放選定合適的工作電壓等工作正在進(jìn)行。本工作可為進(jìn)一步開展CSNS/Back-n在150 keV以下能區(qū)飛行時(shí)間法中子能譜測量提供參考。