Garfield模拟工作气体对涂硼MRPC热中子探测器性能的影响

单 卿 曾 捷 贾文宝 凌永生 黑大千 魏勇红 张 焱

Garfield模拟工作气体对涂硼MRPC热中子探测器性能的影响

单 卿 曾 捷 贾文宝 凌永生 黑大千 魏勇红 张 焱

（南京航空航天大学 材料科学与技术学院 南京 210016）

多气隙电阻板室(Multi-gap Resistive Plate Chamber, MRPC)是一种新型气体探测器，具有探测效率高和时间分辨好等优点，在内层玻璃涂硼后可用于热中子探测。不同的工作气体对涂硼MRPC热中子探测器的性能有很大影响。利用Garfield模拟了不同工作气体的汤生系数η、电子吸附系数α、漂移速度v、扩散系数D等物理参数，并计算给出了MRPC的时间分辨率σt、本征探测效率ε。通过模拟结果对工作气体进行优化，为探测器的实际制作和实验测试提供必要的指导。

涂硼多气隙电阻板室(Multi-gap Resistive Plate Chamber, MRPC)热中子探测器，工作气体，Garfield模拟，探测效率，时间分辨

多气隙电阻板室(Multi-gap Resistive Plate Chamber, MRPC) 是20世纪90年代发展起来的一种新型气体探测器，具有很高的时间分辨(＜100ps)[1]和本征探测效率(＞95%)[2]、抗辐照性能强[3]、结构简单且可以大面积制作[4]等优点。在RHIC-STAR、LHC-ALICE、FAIR-CBM等大型实验装置上，MRPC已被广泛的用于构建飞行时间探测系统。鉴于MRPC优良的性能，我们拟在MRPC内层玻璃涂上热中子转换层，通过核反应法来探测热中子。

探测器结构如图1[5]所示，由2块外层玻璃板和5块内层玻璃板组成，内充有合适的工作气体，高压加在外层玻璃板上形成强电场，内层玻璃板电位悬浮。在内层玻璃板上涂上10B作为热中子转换体。热中子进入MRPC后，与热中子转换体中的10B发生核反应产生α粒子和Li-7，带电粒子在气体的电离会导致气体雪崩过程，并在读出电极上产生感应信号而被读出。

MRPC常用的工作气体是由惰性气体、电负性气体和猝灭气体等按不同比例配制而成的混合气体，不同组分的工作气体对MRPC性能有很大的影响，因此选择合适的工作气体组分对于优化涂硼MRPC热中子探测器的性能是十分必要的。在本文中，我们利用Garfield模拟计算了不同比例工作气体对涂硼MRPC热中子探测器性能影响，从而选择工作气体的最佳比例。

图1 涂硼MRPC热中子探测器结构示意图Fig.1 Structure of the boron-coated MRPC thermal neutron detector.

1 α粒子电离过程的模拟

利用Srim程序模拟了α粒子电离过程，包括单位距离的电子-离子团个数、电子-离子团的大小分布、带电粒子的能量损失等参数，这些参数与入射粒子的能量和气体成分有关。模拟中温度设置为常温，一个标准大气压，不同比例的混合气体，入射粒子为α粒子。通过Srim模拟α粒子在单层气隙电离的过程以及粒子团的参数（单位距离cluster数），从而为探测器本征时间分辨及单层α粒子的本征探测效率的计算提供数据。

根据模拟结果，统计了C2F4H2、i-C4H10和SF6按不同比例组成的混合气体中α粒子在每毫米产生的cluster数随α粒子能量的变化情况，结果如图2所示。由图2看出，α粒子在每毫米产生的cluster数随α粒子的能量增加，而气体成分的不同比例(C2F4H2:i-C4H10:SF6)对cluster数的影响很小。

图2 在不同比例(C2F4H2:i-C4H10:SF6)混合气体中α粒子在每毫米产生的cluster数随能量的变化曲线Fig.2 Number of cluster per millimeter vs. the energy of alpha particle in gases (C2F4H2:i-C4H10:SF6) mixed with different proportions.

根据Geant4模拟结果，热中子与转换体中的10B作用产生的α粒子的平均能量为0.86MeV。由图2可以看出，当α粒子的能量为0.86MeV时，α粒子在单位距离上产生的cluster数约为20，因此平均自由程λ=0.05mm。

2 电离常用参数的模拟

Garfield是一个用于漂移室的蒙特卡洛模拟程序，可以对某些混和气体的气体参数进行计算。利用Garfield软件，计算了不同比例工作气体下的漂移速度、扩散系数、汤生系数和吸附系数等参数。模拟中所加电场和磁场的角度取任意值，其它模拟条件设置为常温(293K)，一个标准大气压，几何体为一对平行板，电场强度范围选取40-100kV·cm-1。

2.1 汤生系数η和吸附系数α

图3给出不同比例混合气体的汤生系数η和吸附系数α随电场的变化趋势。

图3 不同比例(C2F4H2:i-C4H10:SF6)混合气体的汤生系数η(a)和吸附系数α(b)随电场的变化曲线Fig.3 Townsend coefficient η (a) and attachment coefficient α (b) vs. the electric field in gases (C2F4H2:i-C4H10:SF6) mixed with different proportions.

由图3(a)看出，工作气体的η随电场强度快速增长，对于C2F4H2、i-C4H10和SF6按不同比例组成的混合气体，比例成分的变化对η影响不大。

由图3(b)看出，在同一电场条件下，随着电场强度的增大，α呈现下降趋势。混合气体中SF6的百分比越大α也越大，α随电场强度的增大而下降的越快，其原因在于SF6是一种强电负性气体，对电子的吸附能力很强，但随着电场的加强，电子运动速度加快，导致了α快速下降。

2.2 电子漂移速率v

图4为不同比例混合气体的电子漂移速度v随电场的变化曲线。由图4可以看出，电子漂移速度随电场强度的变化近似线性增长，三种气体成分的变化对v的影响不大。对于混合气体，在C2F4H2不变的情况下，漂移速度随混合气体中i-C4H10的减少而增大，而SF6的加入有助于提高v。

图4 不同比例(C2F4H2:i-C4H10:SF6)混合气体的电子漂移速度v随电场的变化曲线Fig.4 Electron drift velocity v vs. the electric field in gases (C2F4H2:i-C4H10:SF6) mixed with different proportions.

2.3 扩散系数D

图5为不同比例混合气体的纵向、横向扩散系数D随电场的变化曲线。由图5可以看出，混合气体的纵向D随电场强度先变小后变大，而横向D随电场强度先变大后变小，但变化幅度都不大。

图5 不同比例(C2F4H2:i-C4H10:SF6)混合气体的纵向(a)、横向(b)扩散系数D随电场的变化曲线Fig.5 Longitudinal (a) and transverse (b) diffusion coefficient D vs. the electric field in gases (C2F4H2:i-C4H10:SF6) mixed with different proportions.

3 涂硼MRPC热中子探测器性能参数的模拟

涂硼MRPC作为一种新型的热中子气体探测器，其时间分辨率和本征探测效率是重要的性能指标。利用电离参数的模拟结果，对涂硼MRPC热中子探测器的时间分辨率和本征探测效率进行了计算。

3.1 时间分辨率σt

图6给出了时间分辨率σt随电场的变化曲线。由图6看出，σt随电场的增强而变好。在同一电压下，SF6的含量越低，其σt越好，当混合气体的比例为C2F4H2: i-C4H10:SF6=90:9.5:0.5时，σt最好。

图6 混合气体不同比例(C2F4H2:i-C4H10:SF6)下，时间分辨率σt随电场强度变化示意图Fig.6 Time resolution σt vs. the electric field in gases (C2F4H2:i-C4H10:SF6) mixed with different proportions.

3.2 本征探测效率ε

将前面模拟得到的v、η和α等参数带入，可算出涂硼MRPC热中子探测器的本征探测效率ε[6]：

其随电场的变化如图7所示。式中，电子学系统感应电荷量的阈值Qt=20fC；玻璃厚度b=2mm；介电参数εg=10；气隙厚度d=300μm；平均自由程λ=0.05mm；e0为电子电量。

图7 不同比例(C2F4H2:i-C4H10:SF6)混合气体的探测效率ε随电场的变化曲线Fig.7 Detection efficiency ε vs. the electric field in gases (C2F4H2:i-C4H10:SF6) mixed with different proportions.

由图7可以看出，MRPC的ε随电场增加，当电场大于90 kV·cm-1以后随着电场的变化不太显著。混合气体比例为C2F4H2:i-C4H10:SF6=90:9.5:0.5时，ε最高。

4 结语

利用Garfield模拟计算了电子在气体中的η、α、v、横向D和纵向D，并利用Srim模拟计算了α粒子在不同混合气体中的电离情况。根据模拟结果计算得出了涂硼MRPC热中子探测器的σt和ε，结果表明混合气体比例C2F4H2:i-C4H10:SF6=90:9.5:0.5时，探测器的σt最好，同时ε最高，这为后续探测器制作及实验测试提供了必要的基础。

1 Abbrescia M, Alici A, An S, et al. Performance of a six gap MRPC built for large area coverage[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 2008, A593: 263-268

2 Geurts F, Shao M, Bonner B, et al. Performance of the prototype MRPC detector for STAR[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 2004, A533: 60-64

3 Wang Y, Kang K, Cheng J, et al. Aging test of multi-gap resistive plate chambers[J]. High Energy Physics and Nuclear Physics, 2006, 30(5): 441-444

4 Akindinov A, Alessandrini S, Alici A, et al. The MRPC detector for the ALLCE time of flight system: final design and performances[J]. Nuclear Physics B - Proceedings Supplements, 2006, 158: 60-65

5 贾文宝, 曾捷, 单卿, 等. 涂硼MRPC热中子探测器用于补偿中子测井的蒙特卡罗研究[J]. 核技术, 2014, 37(6): 060201

JIA Wenbao, ZENG Jie, SHAN Qing, et al. Monte Carlo simulation on the application of boron-coated MRPC thermal neutron detector to the compensated neutron logging[J]. Nuclear Techniques, 2014, 37(6): 060201

6 来永芳, 李金, 李元景, 等. MRPC物理机制研究[J].核电子学与探测技术, 2006, 26(5): 591-595

LAI Yongfang, LI Jin, LI Yuanjing, et al. Study on the physical mechanism in multi-gap resistive plate chamber[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2006, 26(5): 591-595

CLC TL816+.3

Influence of working gas on the properties of boron-coated MRPC thermal neutron detector by Garfield simulation

SHAN Qing ZENG Jie JIA Wenbao LING Yongsheng HEI Daqian WEI Yonghong ZHANG Yan
(College of Material Science and Technology, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Background: Multi-gap Resistive Plate Chamber (MRPC) is a kind of gas detector developed in 1995. Purpose: For its excellent time resolution and high efficiency, MRPC is used to detect thermal neutron by coating boron on the inner glass. Methods: The performances of the boron-coated MRPC thermal neutron detector are largely affected by the component or proportion of the working gas, so it is important to optimize the proportion of working gas. Then Garfield was used to simulate the gas parameter, such as Townsend coefficient η, electron attachment coefficient α, drift velocity v and diffusion coefficient D. Results: The time resolution σtand detection efficiency ε of MRPC were calculated. Conclusion: Through the simulation, the proportion of working gas is optimized to provide necessary guidance for the fabrication of the detector.

Boron-coated Multi-gap Resistive Plate Chamber (MRPC) thermal neutron detector, Working gas, Garfield simulation, Detection efficiency, Time resolution

TL816+.3

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.070201

中央高校基本科研业务费专项资金(No.NS2012055)资助

单卿，男，1979年出生，2007年于中国科学技术大学获博士学位，粒子物理与原子核物理

2013-10-21，

2013-12-27