基于10B4C转换体的多层多丝正比室中子探测器模拟

随着国内高通量中子源及中子散射谱仪的快速发展,对高探测效率、高位置分辨、低伽玛灵敏度的位置灵敏型热中子探测器需求日益迫切。目前国际上中子散射谱仪大多数采用了基于3He的热中子探测器,由于当前3He价格昂贵,寻求3He替代型热中子探测器的相关研究任务紧迫。提出了一种基于10B₄C转换体的多层多丝正比室新型二维位置灵敏型热中子探测器,并利用蒙特卡罗模拟软件Geant4和Garfield++对其探测效率、位置分辨、n/γ抑制比等性能展开了详细的模拟研究。结果表明,当多丝正比室单元为40层,阈值为200 keV时,热中子（E=0.025 eV）探测效率可达到~54%,位置分辨为2.6 mm （FWHM）,n/γ抑制比为~107,可以满足大多数中子散射谱仪的需求,为此类探测器设计及实验研究提供了理论依据。As the development of high flux neutron sources and neutron scattering spectrometers in China, more and more neutron detectors with high detection efficiency, high position resolution, high time resolution and low gamma sensitivity are need ungently. 3He based neutron detector is one of the best options. Recently, because of the 3He gas shortage and its expensive price, we must find a new replacement of 3He. A two-dimensional position sensitive neutron detector based on multi-layer Multi Wires Proportional Chambers (mMWPC) with 10B₄C converter was proposed in this paper. The neutron detection efficiency, position resolution and γ compression were simulated with Geant4 and Garfield++. The results show that with 40 layers of neutron convertor, high themal neutron (E=0.025 eV) detection of~54%, best position resolution of 2.6 mm (FWHM) and high n/γ rejection ratio of~107 with the threshold of 200 keV can be achieved, which can meet the requirements of most spectrometers. This simulation results lay a good foundation for the next step of detector construction and test.     

一个宽范围能响平坦的长中子计数器

由于对γ射线灵敏度低，而且可在很宽的范围内中子能量响应比较平坦，长计数管在中子产额的测量中得到了广泛的应用。为了提高探测效率，一般用BF3或^3He正比管外包围一定厚度的石蜡或聚乙烯慢化体来构成长计数管探测系统。建立的长计数器主要是针对中子管产生的DD（2．4MeV）或DT（14．1MeV）或两种能量混合的脉冲中子进行测量。为了达到探测系统设计要求，首先详细模拟了慢化体尺寸及结构对探测效率的影响，以便对探测器系统的加工制作提供依据。根据模拟结果建立了探测器，从实验上对探测器的性能进行了测量。     

用于位置灵敏型中子探测器的6LiF/ZnS（Ag）闪烁体性能研究

研究了掺杂6LiF的ZnS(Ag)闪烁体对中子、γ射线的发光特性和EJ426闪烁体样品的热中子探测效率、出射光产额和γ灵敏度。EJ426的热中子探测效率为32.4%,出射光产额为8.01×103光子/中子,70 mV阈值时的γ灵敏度小于10-7,表明EJ426是较理想的闪烁体型位置灵敏中子探测器材料。     

高探测效率低噪声的大面阵热中子敏感微通道板

在微通道板玻璃中掺中子灵敏核素,并去除玻璃中的天然放射性同位素成份,可以实现微通道板对热中子的敏感,使探测器具有极低的背景事件率.在微通道板玻璃中掺加3mol%的Gd2O3,同时去除玻璃中的K2O和/或Rb2O,制作成50 mm直径、0.6 mm厚度、10μm孔径的微通道板,实现了对25.3meV热中子33%的探测效率,同时探测器的暗计数率低至0.11events cm-2·s-1.通过计算和分析热中子在微通道板基体中的俘获概率和155,157 Gd(n,γ)156,158 Gd反应所能引发的有效信号,说明了通过微通道板的结构优化,掺3mol%Gd2O3的微通道板可以实现最大50%的热中子探测效率.在此基础上,进一步完成了106mm直径10μm孔径的掺3mol%Gd2O3的优化结构大面阵低噪声中子敏感微通道板的制作.     

利用~3He中子监测仪对中子管产额进行实验监测

以自主研制的ZFD-1型中子发生器为例,研究了在不同加速高压下D-D型中子管中子的轴向分布情况,以及影响3He中子监测仪探测性能的一些主要因素.根据所得实验数据拟合图线,可对中子管产生中子的轴向分布进行标定.     

新型涂硼热中子MWPC探测器的时间信号读出方法

基于10B薄膜的二维灵敏探测器是新近发展起来的热中子探测器,其灵敏面积大,时间和位置分辨好,n/抑制能力高,抗辐射能力强,可二维读出且具有良好的耐计数能力。针对新型的涂硼灵敏热中子多丝正比（MWPC）探测器,在延迟线时间差方法的基础上,提出一种中子击中位置数字信息的读出方法,并设计NIM读出插件用以验证该方法对于二维中子探测位置信息的读出能力。测试结果表明,本方法能完成4通道探测器信号的实时测量,其时间测量精度好于50 ps。结合FPGA片上系统实时数据控制和处理技术,单插件可支持最高1.3MHz的探测计数率。     

用于中国散裂中子源多功能反射谱仪的高气压多丝正比室探测器的研制

中国散裂中子源需要建设一台多功能反射谱仪中子探测器,满足在10年运行期间内,50%(@2A)以上的探测效率、好于2 mm的二维位置分辨、200 mm×200 mm的灵敏面积、3倍的n/γ分辨能力及良好的二维成像性能.基于此要求,探测器因此采用基于高气压~3He气体的多丝正比室,并以满足反射谱仪的探测效率、位置分辨、长期稳定工作和n/y分辨能力为目标进行探测器的设计.本文经过模拟和实验计算得出:以9 mm厚的铝合金入射窗、铝丝密封的高气压腔体和6 bar~3He+2.5 bar C_3H_8的工作气体的设计,可满足探测器对2 A中子10年运行期间内54%以上的探测效率要求;探测器对中子的位置分辨可达到1.4 mm左右;设计的气体净化系统,拥有2 L/min的气流速度可有效去除探测器内的负电性杂质气体,气体循环净化后可提高探测器约27%的气体增益,保证探测器长期稳定的运行;通过对~(252)Cf中子源的能谱测量和成像测量,得出探测器的n/γ分辨能力在5倍以上和均匀的成像结果.研制的探测器满足反射谱仪需求,并已在中国散裂中子源反射谱仪靶站就位联调.     

新型热中子敏感微通道板探测效率的蒙特-卡罗模拟研究

基于microchannel plates (MCP)的中子探测技术近年来发展迅速, 因其具有较高的空间分辨率和中子探测效率以及优异的时间分辨能力, 可用于高分辨率中子照相和能量选择中子成像. 本文利用蒙特-卡罗(MC)程序, 对栅格为15 μm的热中子敏感MCP板进行MC模拟计算, 获得了不同几何结构和材料组成情况下, 掺杂型和镀膜型热中子敏感MCP板的探测效率. 计算结果表明, 增加中子敏感材料的比例可以获得更高的中子阻挡效率, 但同时也加大了次级粒子发射进入MCP板通道的难度, 掺杂型MCP 板的通道直径和镀膜型MCP板的镀膜厚度均存在最优值. MCP板厚度为0.4 mm时, 对¹⁰B₂O₃材料, 掺杂型MCP板的热中子探测效率可以超过40%, 镀膜型MCP板的热中子探测效率可以接近60%.     

BGO高能γ探测器性能测定与效率模拟

实验测定了两套新制作的φ75×100 BGO高能γ探测器的能量分辨与时间分辨,根据BGO晶体中Ge的热中子俘获所释放的2条高能γ射线对γ能谱作能量刻度.模拟计算了4—30MeV能量区间BGOγ探测器的全能峰效率、单逃逸率与双逃逸率,计算了入射γ光子在0—30MeV区间均匀分布时BGO探测器的实际计数响应与计数效率随γ光子能量的变化,分析了γ光子在探测介质中的能损向下延展造成的能谱扭曲.     

反冲原子对低速离子轰击Si表面时电子发射产额的影响

在兰州重离子加速器国家实验室电子回旋共振离子源高电荷态原子物理实验平台上,用低能(0.75keV/u≤EP/MP≤10.5keV/u,即3.8×105m/s≤vP≤1.42×106m/s)He2+,O2+和Ne2+离子束正入射到自清洁Si表面时二次电子发射产额的实验结果.结果表明电子发射产额γ近似正比于入射离子动能EP/MP.在相同动能下,γ(O)γ(Ne)γ(He),对于原子序数ZP比较大的O2+和Ne2+离子,ZP大者反而γ小,这与较高入射能量时的结果截然不同.通过计算不同入射能量下入射离子的阻止能损S,发现反冲原子对激发二次电子的作用随入射离子能量的降低显著增大,这正是导致在较低能量范围内二次电子发射产额与较高入射能量时存在差异的主要原因.     

高效率BF3正比探测器阵列探测中子技术

针对中子产额范围宽、下限低，研制4个具有高中子探测效率的正比探测器，由置于慢化体内的BF3正比计数管阵列和电压前置放大器组成。每个探测器内共包括12支BF3正比计数管，并根据不同的数目分为两组。在图l所示的实验中，利用这种多管的正比探测器，可以对产额变化范围宽、下限低的不同脉冲中子源产额进行测量。     

基于紧凑型D-D中子发生器的热中子照相慢化准直器设计

热中子照相是一种重要的无损检测技术,是X射线照相技术的重要补充,小型化热中子照相系统有重要研究应用前景。基于紧凑型D-D中子发生器,采用蒙特卡罗程序MCNP-4C,通过中子和γ射线的输运模拟,完成了热中子照相慢化准直器的模拟研究与设计。慢化准直器准直比约为3.58,模拟研究结果显示,在D-D中子发生器中子产额大于5×10⁸ n/s条件下,样品平面内热中子注量率可大于10³ n/(cm²·s),准直中子束中热中子占比可大于74%,在Φ70 mm的照射视野范围内,热中子注量的不均匀度约为7.3%,基本满足热中子照相的成像要求。     

γ-Fe_2O_3中的氢含量

利用热中子透射法测定γ-Fe_2O_3的氢含量。利用差热分析、磁分析以及穆斯堡尔效应研究γ-Fe_2O_3的相变,实验结果表明在γ-Fe_2O_3结构中确实含有一定量的氢,当γ-Fe_2O_3结构中的阳离子空位被H~(1 ),Co~(2 ),Si~(4 ),P~(5 )等离子占据时,将有利于γ-Fe_2O_3晶体结构的稳定,从而使γ-Fe_2O_3转变为α-Fe_2O_3的相变温度有所提高。     

等离子体中充入工作气体抑制电子逃逸行为分析

利用NaI闪烁体探测器组成的伽马射线探测系统和BF3 正比计数管、3He正比计数管和ZnS闪烁体探测器组成的中子探测系统,研究了欧姆放电平稳阶段充入工作气体后对逃逸电子产生过程的影响。实验结果表明：在欧姆放电平稳阶段充入工作气体严重影响了逃逸电子行为,充入的工作气体能有效抑制逃逸电子的产生。     

NaI(Tl)探测器对23.8MeV γ射线的效率刻度方法

低能D(d,γ)~4He辐射俘获反应截面的研究在聚变领域和天体物理等领域中起到非常重要的作用。由于受到标准γ源能量的制约,在研究D(d,γ)~4He反应产生的23.8 MeV高能γ射线产额实验过程中不能用标准源进行效率刻度。采用实验测量与计算相结合的方法实现NaI(Tl)探测器对23.8 MeVγ射线的效率刻度是比较成熟可靠的。针对高能γ射线的产额低、本底大的情况,实验采用一个大型NaI(Tl)反康谱仪进行测量,以提高探测效率。NaI(Tl)探测器的效率,独特地采用了包括全能峰、单逃逸峰和双逃逸峰在内的效率来计算,经MCNP-4C程序模拟计算,结合实验测量的19F(p,αγ)~(16)O反应产生的6.13 MeVγ射线探测效率推算出该NaI(Tl)探测器在23.8 MeV的效率为(2.23±0.34)‰。该方法对研究高能γ射线效率刻度具有重要的参考价值。     

高密度多丝室中性粒子探测器的研究

本文描述了一种位置灵敏多丝正比室, 其有效面积为200×200mm², 多丝室与多层铅γ射线转换体相配合, 组成了高密度多丝室γ射线探测器. 铅转换体做成均匀排布的0.9mm圆孔、孔心距1.1mm的阵列共样. 探测器对511keV光子的探测效率为5.6%, 空间分辨1mm. 这种探测器已经被用在正电子相机研究工作中, 也可以用于探测X射线.     

中国散裂中子源小角中子散射谱仪探测器研制

中子小角散射探测器是小角散射（SANS）谱仪的关键设备之一,探测器要求有足够大的探测面积、较高的探测效率及较好的空间分辨率,能够在真空腔中稳定地工作并可在腔体内前后移动。综合考虑,SANS探测器采用120只8 mm直径位置灵敏3He管,组成有效面积1 000 mm（X）×1 020 mm（Y）的二维探测器阵列。探测器阵列分为10个模块,每一个模块功能完全独立,包括12只3He管及其对应的读出电子学和数据获取系统。读出电子学位于探测器背面的回字形密闭腔体内,由CSNS电子学组自主研发。SANS探测器从设计、选型、样机、调试到安装历时三年,中子束流实验结果显示探测器探测效率大于50%（@2Å）,空间分辨率好于10 mm（FWHM）,完全达到设计要求,目前正在中国散裂中子源小角散射谱仪运行使用。     

Three-Body Calculation of the 4He（aH,γ）7Li and 4He（aHe,γ）7Be Reactions and Structure of the 7Li and 7Be at Solar Energies

The two 3H＋4He and 3He＋4He fusion reactions at low energies are usually viewed as an approximate external capture process. We study the 4He（3H,γ）rLi and 4He（SHe,γ）7Be reactions in a cluster model, which can take into account two- and three-body electromagnetic currents, using minimal substitution in the explicit momentum dependence of the two- and three-cluster interactions. Our main goal is to explore how the cross section of the low-energy 3H＋4He or 3He＋4He capture reactions depends on energy. The astrophysical S-factors for these reactions are calculated at very low energies. We construct the conserved realistic Argonne v18 for two nucleons and Urbana IX or Tucson-Melbourne three-cluster interactions, which are considered for calculation. We also calculate the binding energies and the structural properties of a Hq-4He or 3He＋4 He systems. The binding energies are found to be -37.72 （-36.32） MeV and -39.35 （-37.43） MeV, with （without） three-body interactions for 7Be and 7 Li, in satisfactory agreement with other theoretical results and experimental data, respectively.     

封闭型超软X射线正比计数管

正比计数管是基于光电离效应的X射线探测器件,它可同时测定入射X光的强度和波长,主要用于X光的波长标定和强度计量.它在X射线天文学、X射线光谱分析,等离子诊断、表面物理、应力分析等许多领域已有广泛的应用. 随着软X射线探测器的研究和发展,出现了流气型超软X射线正比计数管.这种计数管采用极薄的有机膜窗口,获得了高的探测效率,可探测10—100A的超软X射线.但是,它存在着输出脉冲幅度漂移严重、温度效应强烈以及使用不方便等缺点.这就促使人们设法延伸封闭型软X射线正比计数的探测波长,并研制封闭型超软X射线正比计数管.该种计数管虽…     

高能量γ射线刻度源装置

在核物理实验和γ剂量探测中,γ射线探测器,如 Ge(Li),HpGe,Nal(T1)和 BGO等都需要刻度能量线性和相对效率.在兆电子伏能区,在加速器上可以利用不同的核反应获得不同能量γ射线.但在没有加速器的地方则无法进行.我们利用一个～105中子/s的Am-Be中子源制成了高能量γ射线刻度源装置.实验装置见图1.这个装置简单、方便.对于没有加速器的地方尤为实用. 一个原子核俘获一个热中子后,由于中子结合能,复合核将处在较高的激发态,它在退激时放出特征的单色γ射线,其能量由激发态的能级决定.一般来说,俘获γ射线谱是多线结构的,但是在高能部分,…