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二维灵敏 He中子探测器的研制
高能所实验物理中心MDC组
王小胡
2008-4-28
目的：
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为中国散裂中子源（CSNS）的多功能反射谱仪提
供二维位置灵敏探测器。多功能反射仪是CSNS初
期拟建的五台谱仪之一，中子的波长范围为0.5－
10 Å ，要求达到的位置分辨率为2×2 mm2 。
也可作为通用的高精度位置灵敏中子探测器用于热
中子探测。
原理：
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中子是电中性的，不能直接探测。实验中对中子的
探测都是通过核反应方法将中子转化成带电粒子来
实现的。
本装置通过中子与3He反应来探测中子，中子与
3He反应生成质子(573KeV)和氚核(191KeV)。质子
和氚核向相反的方向发射，并使工作气体电离。通
过探测质子和氚核电离的重心就可以得到入射中子
的位置。
n+3He→p+3H+764keV
工作气体的选择
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由于质子和氚核在工作气体中射程不一
样，因此电离重心与核反应位置有一定
的偏离。这种偏离是测量的主要误差来
源，为了减小测量误差，需要将质子和
氚核限定在一个很小的范围内。
3He即使在很高的气压下也不能将质子
和氚核阻止在足够小的范围内，工作气
体中还得加入其他对带电粒子阻止本领
强的气体，如C3H8， CF4等。
工作气体的选择
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C3H8因为对γ射线灵敏度低、
便于密封净化等特点，被广
泛用作工作气体。
C3H8的气压越高，质子和氚
核的射程越小，电离重心相
对核反应位置的偏离越小。
右图为电离重心偏离所引起
的测量误差随着工作气体气
压的变化。可见，要达到接
近1mm的定位精度， C3H8的
气压应在3atm以上。
探测效率
3He的密度和厚度直接决
定了系统对中子的探测效
率。由右图，对1.5cm厚
的探测器，如果要对波长
大于1Å的热中子有高于
50%的效率， 3He的气压
应该大于6atm。
位置测量：
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目前主要采用多丝正比室来进
行位置测量。
质子和氚核使工作气体发生电
离，产生大量初始电子－离子
对，电离电子在电场作用下漂
向阳极产生雪崩信号。雪崩信
号产生的正离子向阴极运动过
程中会在读出丝上感应出正电
荷，通过测量读出丝上感应电
荷分布的重心就可以确定雪崩
发生位置。
探测器设计
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计划制作一个有效面积200mm×200mm的
二维灵敏中子探测器，综合考虑探测效率和
测量精度两方面的要求，采用
5.5atm3He+2.5atmC3H8混合气体为工作气
体。
以二维灵敏多丝正比室作为探测单元，多丝
室采用阴极条感应读出，可以达到足够的定
位精度。
由于在高气压下工作，整个电子学装置都装
在一个密闭容器里面。读出条、阳极板等通
过耐高气压的密封接头与外界的电子学系统
相连。另外，为了保证室体内气体的纯度，
还设有一套循环净化系统。
端盖和底板
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密闭容器由铝合金端盖板和不锈钢底板
构成，如右图。为了便于密封，端盖和
底板都采用圆盘型结构，直径500mm。
为了减小对入射中子的散射，同时保证
能承受较高的压力，端盖采用强度较大
的6061型铝合金为材料。总体厚度为
48mm，中央设有面积
210mm×210mm、厚9mm的入射窗。
底板厚25mm，为了便于焊接管道，采
用不锈钢材料。底板上设有密封槽，信
号、高压法兰管接口，气管接口等。
信号引出、高压引入
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在底板上焊接有真空金属陶瓷接头，用
来实现信号的引出和高压的引入。系统
包括两个50针的多芯接头，每根读出条
通过Kapton电缆与多芯接头相接。阳极
丝和阴极板分别与两个高压接头相接，
实现高压的引入。
接头均采用玻璃陶瓷密封技术（Glassceramic sealing technology），不锈钢
材料。耐压高于60atm；漏气率（Leak
Rate ） <1x10-10 atm-cc/sec (He)。多
芯接头的安全电压和电流为500V5A；高
压接头15000V7A。
气体循环净化系统
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为了提高室体内气体的纯度，保
证探测器能长时间稳定工作，探
测器设有一套循环净化系统。
气体循环净化系统主要包括由电
磁泵、净化器两部分。在电磁泵
的驱动下，工作气体从室体流出
后经过净化器，然后再流回室体。
净化器由分子筛和吸收剂构成，
作用是吸收氧气、水蒸气以及工
作气体（丙烷）分解后的有机产
物。
多丝室结构示意图
多丝室的设计与制作
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多丝室的电子学结构如上图，它由一个阳极平面、两个读出平
面及一个阴极平面构成，有效面积200mm×200mm。两读出平
面位于阳极丝平面上下各3mm处，上方为读出丝，下方为读出
条。读出丝平面到上阴极之间为漂移区，厚度10mm。工作时，
阳极丝加正高压、读出丝接地、阴极板加负高压。
阳极丝平面：由一组相互平行的直径为15µm镀金钨丝构成，丝
间间距为2mm，丝的总数为100根。所有阳极丝连在一起用于
能谱测量和系统触发。
上读出平面：由与阳极丝平行的直径为50 µm的镀金钨丝构成，
丝间间距为1mm。丝的总数为201根，每4根丝连在一起形成一
个读出条。
下读出平面：50根覆铜读出条，宽度3mm，间距4mm，条的取
向与阳极丝垂直。
上阴极平面：覆铜Kapton膜。
读出电子学
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阳极：所有阳极丝连在一起。需要进行电荷测
量以进行n-γ鉴别；同时为读出条信号测量提
供触发。
读出信号：每个读出条单独读出，测量电荷信
息，共100路。
正在研制一套基于VME机箱的数据获取系统，
包括：适应阴极信号的电荷灵敏前置放大器、
主放大器、ADC等等。
多丝室模型的X射线测试
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建造了一个常压下的二维多丝正比室模型，灵敏面积200mm
× 200mm。模型采用Ar/CO2(90/10)作为工作气体；为了便
于进行X射线测试，采用50 µm 厚的Mylar膜作为入射窗。
用55Fe 5.9keV X射线对模型进行了性能测试，具体包括X射线
能谱、增益、位置分辨、线性等。
下图为基于CAMAC总线的测量系统方框图。
能谱、增益
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用电荷灵敏前放、主放、多道
分析器系统测量了55Fe X射线
能谱及增益。右上图为阳极高
压1800V时的能谱；右下图为
增益与阳极丝高压的关系。
探测器对55Fe 5.9keV X射线的
能量分辨率约为23%；当阳极
丝高压在1700V~2000V范围内
时探测器具有很好的正比性。
位置分辨、成像实验
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采用宽度0.2mm×7mm，
长30mm的准直孔，用55Fe
X射线源，对垂直于阳极丝
方向和平行于阳极丝方向
的位置分辨进行了测量。
用55Fe X射线均匀照射一个
呈的“Z”字形图案的准直
孔，用探测器可以再现准
直孔的形状。 孔的大小：
5mm×5mm。
线性测量、小结
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右图：将探测器放在可以精确移
动的平台上，改变探测器与入射
光束的相对位置，可以得到测量
位置与位移的线性关系。图中x、
y坐标的单位都是mm。
小结：探测器模型具有很好的位置分辨、正比性及
线性等，这种结构设计可以用于中子探测。该模型
如果配上合适的读出电子学系统，也可以直接作为
二维位置灵敏探测器用于同步辐射X射线测量。
中子探测器的预期性能
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探测效率：对波长1Å的热中子有接近50%的探测效率。
位置分辨：
根据文献，当C3H8的气压为2.5atm时，质子的射程为
Rp=1.8mm,由于电离重心对核反应位置的偏离所引起的测量误
差（FWHM）大约为Δxn=0.8Rp=1.44mm。若电子学系统的误
差（FWHM）为Δxe=0.3mm，则沿着阳极丝方向，总的位置分
辨率（FWHM）为Δx≈1.47mm。
在垂直于阳极丝方向，阳极丝丝距s决定测量的精度，该方
向的位置分辨（FWHM）约为0.7s。所以，阳极丝丝取2mm可
以达到较好的精度。
计数率：总的计数率达到1×105。
目前进展
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高气压容器腔体及气体循环净化系统已经加工完成；
用于中子探测的多丝室已经制作完成；
下一步：
探测器的组装；
充工作气体；
…………
谢谢！