基于微通道板的快中子像探测器转换器的模拟研究

冉建玲 卢小龙,2 马占文 王 伟 张 杰 王 洁 孟繁良 张 宇,2 姚泽恩,2

1（兰州大学 核科学与技术学院 兰州 730000）

2（兰州大学 教育部 中子应用技术工程研究中心 兰州 730000）

基于微通道板的快中子像探测器转换器的模拟研究

冉建玲1卢小龙1,2马占文1王 伟1张 杰1王 洁1孟繁良1张 宇1,2姚泽恩1,2

1（兰州大学 核科学与技术学院 兰州 730000）

2（兰州大学 教育部 中子应用技术工程研究中心 兰州 730000）

提出了一种由聚乙烯(Polyethylene, PE)转换器、微通道板(Microchannel Plate, MCP)电子增强器和CCD (Charge-Coupled Device)相机组成的快中子照相像探测器新方案。采用Geant4软件模拟研究了14.5 MeV快中子入射在PE转换器上的出射质子产额、能谱随PE厚度的变化规律，确定了PE转换器的厚度范围和转换效率等重要参数。模拟结果显示，PE转换器的厚度应该选择在2.5 mm左右，此时的转换效率约为0.37%。采用Geant4软件模拟了14.5 MeV快中子入射在PE转换器的质子输运和质子在MCP中电子的产生和倍增过程，给出了MCP输出的电子束斑图像。模拟结果显示，由PE和MCP组成的转换器系统能将入射的快中子转换成电子束斑点阵信息，各电子束斑之间的界限清晰，单孔电子束斑直径略大于MCP孔径，即电子束斑点阵像素可以达到MCP孔径量级。

快中子照相，聚乙烯转换器，微通道板，电子增益，空间分辨

中子照相可检测X射线照相无法检测的被重元素物质包裹着的轻元素物质的分布及内部缺陷[1]。中子照相一般分为冷中子照相、热中子照相、共振中子照相、快中子照相等几种类型[2-6]。其中，热中子照相研究较多，已发展出较完善的热中子照相的像探测器和成像技术[3,7]。与热中子照相相比，快中子能量高，穿透能力强，能处理更大体积样品的中子成像检测问题，具有更广泛的应用前景[6,8-10]。

快中子照相系统研究涉及小型化快中子源、像探测器、图像重建算法等基本问题。其中，D-T聚变反应在低的氘束流能量下即可实现高的快中子产额[11]，采用中子产额为1011n.s-1的D-T加速器中子源可以产生满足快中子照相所需的能量约为14.5 MeV的快中子束[12]。中子管具有结构简单、可小型化等优点，是一种备选的D-T中子源。但目前国内生产的中子管存在着中子产额偏低、寿命偏短等缺陷。因此，需进一步开发可更换氚钛靶的长寿命小型化D-T中子发生器。

快中子像探测器是需要解决的另一个重要问题之一。近年来已发展了光纤闪烁体转换器加CCD (Charge-Coupled Device)相机探测器[9,13]、GEM (Gas Electron Multiplier)探测器[14]、 Micomegas探测器[15-16]、聚乙烯(Polyethylene, PE)转换器加半导体阵列探测器[17]等多种形式的快中子像探测器。采用光纤闪烁体转换器和CCD相机的探测器空间分辨只达到1-2 mm[13]； GEM和Micomegas探测器对γ射线较敏感，且气体雪崩放电会导致位置分辨下降。

在早先的研究中，微通道板(Microchannel Plate, MCP)已成功用于带电粒子的二维位置信息的探测[18]，并达到了较高的二维位置分辨。本工作将PE快中子-质子转换器和MCP的高位置分辨及高电子倍增相结合，提出一种新型二维快中子像探测器系统，希望将快中子照相的二维空间分辨率提升到微米量级。本文主要是通过蒙特卡罗模拟研究PE的转换效率及MCP输出电子束的空间分辨，为探测器的物理设计提供基础数据。

1 快中子照相微通道板像探测器结构及原理

提出的用于快中子照相的微通道板二维像探测器的基本结构如图1所示。由真空室、PE、转换器、MCP、荧光屏(Screen-SCR)、反射镜、CCD相机等元件组成。其工作原理为：入射的快中子与PE转换器中的氢发生弹性碰撞产生反冲质子，质子入射在MCP中产生二次电子并倍增，倍增后输出的电子轰击在荧光屏上发光，光子经反射镜进入CCD相机成像。本研究是对PE转换器效率、出射质子特性和MCP电子倍增等相关问题进行初步模拟研究。

图1 微通道板快中子像探测器示意图(1) 中子束，(2) 入射窗，(3) PE+MCP+SCR，(4) 真空室，(5) 反射镜，(6) CCD相机系统，(7) 出射窗，(8) 真空抽气口Fig.1 Schematic of the fast neutron imaging detector based on MCP.(1) Neutron beam, (2) Entrance window, (3) PE+MCP+SCR, (4) Vacuum chamber, (5) Reflector, (6) CCD camera, (7) Exit window, (8) Vacuum pumping pot

2 PE转换器的模拟

就所提出的快中子像探测器系统方案而言，转换器的最佳化是需要解决的首要问题。转换器的氢含量越高，反冲质子的产额越大，转换效率将越高。含氢量比较高的材料有石蜡、聚乙烯、聚丙烯、水等，其中聚乙烯熔点高且易于加工，故在本研究中选PE作为转换器材料。

14.5 MeV快中子在PE转换器上产生的质子产额、能谱及角分布等参数是设计PE转换器的依据。为此，建立了如图2所示模拟模型，采用Geant4程序[19]对14.5 MeV快中子入射在PE转换器上产生的出射质子的积分产额、能谱、角分布等参数进行模拟。模拟时设置截面直径为0.01 mm，且中子通量均匀分布的14.5 MeV快中子入射在PE转换器（直径5 mm，厚度可调）上，采用半径为15 cm的半球壳探测器记录出射质子的积分产额和平均能谱；在球壳上0º-90º设置了多个点探测器（每隔5º设置一个点探测器），记录了不同角度出射质子的相对产额，以给出出射质子角分布。

图2 模拟模型Fig.2 Simulation model.

模拟得到的出射质子产额随PE厚度的变化数据如图3所示。不同PE厚度下出射质子的平均能谱模拟结果如图4所示。图5给出了不同PE厚度下出射质子的角分布。

由图3可见，当PE厚度小于2 mm时，出射质子积分产额随PE厚度显著增长，当PE厚度大于2.5 mm时，质子产额增长已不显著。由图4可见，当PE厚度小于2.5 mm时，随PE厚度增加质子能谱向低能区域移动，当厚度大于2.5 mm时，质子能谱已不再有明显变化。由图5可看出，出射质子角分布前倾，随PE厚度增大，角分布前倾更显著，PE厚度2.5 mm和3 mm的角分布数据趋于一致。说明厚度大于2.5 mm时，角分布不会有显著变化。将图5中的角分布数据进行了拟合处理，并计算了每个角度范围的出射质子数占总质子数的比例，以PE厚度为2.5 mm为例，分布在0º-15º、0º-30º、0º-45º、0º-60º的质子数占总质子数比例分别约为41.5%、79.9%、93.7%、97.5%。

按照转换器质子产额应尽可能高、质子能谱稳定、质子角分布尽可能前倾的原则，PE转换器厚度应选在2.5 mm左右较为合适，此时，14.5 MeV快中子在PE转换器上的质子转换效率约为0.37%。

图3 反冲质子产额随PE厚度的变化Fig.3 Yields of the recoiled protons as a function of PE thickness.

图4 不同厚度PE的反冲质子的能谱(1) 0.5 mm，(2) 1.0 mm，(3) 1.5 mm，(4) 2.0 mm，(5) 2.5 mm，(6) 3.0 mmFig.4 Energy spectra of the recoiled protons from different PE thicknesses.(1) 0.5 mm, (2) 1.0 mm, (3) 1.5 mm, (4) 2.0 mm, (5) 2.5 mm, (6) 3.0 mm

图5 不同厚度PE的反冲质子角分布Fig.5 Angular distribution of the recoiled protons from different PE thicknesses.

3 MCP材料二次电子发射模拟

质子及电子在MCP玻璃材料上产生的二次电子的发射系数关系到MCP电子倍增增益的大小及MCP输出信号的强弱，是探测器系统设计所需的基础数据。二次电子的发射系数与质子、电子的能量、入射角及MCP材料等有关。采用Geant4程序分别对不同入射角度、不同能量的质子和电子在MCP材料上产生的二次电子的发射系数进行了模拟。

根据图4中PE转换器出射质子能谱模拟结果，模拟时质子能量的取值设置为0.01-14.5 MeV；为研究二次电子发射系数与质子入射角的关系，质子入射方向与MCP材料表面的夹角被分别设置为6º、8º、12º；MCP半导体玻璃按照通常所用材料配比的平均成分进行了输入（即MCP材料成分质量百分比为48% SiO2+32% PbO+7% Bi2O3+2.25% Na2O+ 2.25% K2O+2% Rb2O+2% Cs2O+3% BaO+1% Al2O3+0.5% As2O3）。另外，考虑到MCP在工作时，须在两端加1 000-2 000 V的高压，使电子得以加速，以提高电子的倍增效果，故模拟研究了电子能量取值为1-2 000 eV的二次电子发射系数。

不同能量质子在MCP材料上产生的初级二次电子的发射系数模拟结果如图6所示。由图6可以看出，质子与MCP材料表面的夹角越小，二次电子发射系数越大；电子产额随质子能量的增大快速增加达到最大值，随后快速减小。以6º入射角为例，在质子能量约为0.012 MeV附近，二次电子发射系数达到最大，约为720；在质子能量小于0.012 MeV区域，二次电子发射系数随质子能量快速增长；在质子能量大于0.012 MeV区域，二次电子发射系数随质子能量增大快速减小。随着质子能量增高产生的二次电子产额下降的主要原因可能是：能量高的质子在MCP材料里面的穿透深度大，深部产生的二次电子无法逸出MCP材料所致。

由图6结果，为提高质子在MCP材料上产生的初级二次电子的发射系数，应该尽可能让PE转换器出射质子能谱向低能区移动，但由图4模拟结果可知，当PE转换器厚度大于2.5 mm时，质子能谱已不再有明显变化，此时大部分反冲质子的能量主要分布在1-14.5 MeV，由图6中质子能量为1-14.5 MeV时的二次电子的发射系数模拟数据（图6中放大部分），粗略估计14.5 MeV快中子在PE转换器上产生的反冲质子在MCP孔中产生的初级二次电子的发射系数在1-10。

图6电子产额随入射质子能量的变化Fig.6 Electron yields as a function of the incident proton energy.

4 MCP输出电子束斑图像模拟

为对PE转换器加MCP构成的像探测器的本征空间分辨给出估计，采用Geant4程序开展了MCP输出电子束束斑图像的模拟研究。建立了如图7所示的Geant4模拟模型，即让一束均匀分布的能量为14.5 MeV的快中子束垂直入射在厚度为2.5 mm的PE转换器上，PE转换器之后为两块呈“V”型的MCP，MCP的几何参数为：每块MCP板厚度2 mm，微孔孔径100 μm，微孔倾角取为6º，微孔间MCP材料壁厚为80 μm，MCP两端加2 000 V电压以在孔中产生电场。在微通道板之后设置了一台电子计数器以记录电子的计数及位置，计数器的像素取为10 μm×10 μm。模拟时跟踪的中子数为106。

Fig.7 Simulation model for electronic imaging.图7 电子成像的模拟模型

首先，开展了MCP单孔电子倍增过程及电子束束斑图像的模拟，即设置截面直径为100 μm，且均匀分布的14.5 MeV中子束正对着MCP的一个单孔入射。模拟得到的MCP单孔输出电子计数约为3.5×107，电子束束斑图像如图8(a)所示，电子束的主斑清晰可辨，分布在直径略大于100 μm的圆内。还观察到在电子束主斑周围出现了少量电子形成的图像，其原因可能是能量较高的反冲质子穿越了MCP微孔壁在相邻的微孔中产生的电子所致，这种效应可能会对探测器的空间分辨产生负面影响。

图8 电子束斑图像中子束直径分别为0.1 mm (a)、0.36 mm (b)和2 mm (c)Fig.8 Imaging of electron beam spot. The diameters of the neutron beam are 0.1 mm (a), 0.36 mm (b) and 2 mm (c)

随后开展了大束斑中子束条件下MCP输出电子图像的模拟研究。分别让截面直径为0.36 mm和 2 mm的均匀分布的中子束入射在PE板上，即两个直径的中子束分别覆盖了4个和95个MCP微孔。模拟得到的电子束图像分别如图8(b)和(c)所示。图8(b)中4个MCP微孔的电子束斑边界清晰，其直径略大于MCP微孔直径100 μm，同时也观察到了较高能量的质子穿越MCP微孔壁在邻近微孔中形成的干扰电子图像信息。图8(c)中的ø2 mm直径快中子束形成的95个电子束斑分布在直径ø2 mm范围内，各电子束斑之间分界清晰。

为更进一步定量分析电子束斑的大小，选择图8(b)中的两个电子束斑，分别在其中心线上沿X和Y方向进行扫描，给出了电子计数随X和Y坐标的变化曲线，结果如图9(a)和(b)所示。图9(b)中电子计数随Y坐标的变化曲线呈现出很好的对称性，图9(a)中电子计数随X坐标的变化曲线对称性较差，这可能是MCP开孔的倾角所致。图9(a)中的1号和2号分布的半高宽约为51 μm，底宽约为105 μm；图9(b)中的1号和2号分布的半高宽分别约为73 μm，底宽约为108 μm。即电子束斑的最大直径略大于MCP微孔直径100 μm。

图9 束斑的电子计数随X (a)和Y (b)坐标的变化曲线Fig.9 Electron counts distribution of beam spot in X (a) and Y (b) direction.

5 结语

提出了一种由PE转换器、MCP电子增强器、荧光屏和CCD相机组成的快中子照相像探测器新方案，并对PE和MCP组成的转换器系统进行了模拟研究。采用Geant4软件模拟了14.5 MeV快中子入射在PE转换器上的出射质子产额、能谱随PE厚度的变化规律，确定了PE转换器的厚度应该选择在2.5 mm左右，对应的转换效率约为0.37%。采用Geant4软件模拟了14.5 MeV快中子入射在PE转换器的质子输运和MCP中的电子产生和电子倍增过程，给出了MCP输出电子束的束斑的图像。模拟结果验证了PE和MCP组成的转换器系统能够将入射的快中子转换成电子束斑点阵信息，各电子束斑之间的界限清晰，单孔电子束斑直径略大于MCP孔径，验证了PE和MCP组成的转换系统像素可以达到MCP孔径量级。从电子束斑模拟图像中观察到了较高能量的质子穿越MCP微孔壁在邻近微孔中形成的干扰电子图像信息，此效应对整个中子像探测器的空间分辨可能会产生影响，需要进一步研究和实验验证。

对所提出的像探测器方案，其二维空间分辨还应该与荧光屏及CCD相机系统的参数及图像重建方法相关，本文研究还没有涉及此部分研究内容。另外，由转换器系统MCP输出的电子信息，还可以采用位置分辨较高的二维电阻膜阳极板及电子学系统进行读出[18]，再进行数据处理和图像重建。

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CLCTL99

Simulation study on the converter of fast neutron imaging detector based on micro-channel plates

RAN Jianling1LU Xiaolong1,2MA Zhanwen1WANG Wei1ZHANG Jie1WANG Jie1MENG Fanliang1ZHANG Yu1,2YAO Zeen1,2

1(School of Nuclear Science and Technology,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China)
2(Engineering Research Center for Neutron Application,Ministry of Education,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China)

Background:As a unique non-destructive testing technique, fast neutron radiography has been widely concerned in recent years. However, the fast neutron imaging detector with higher resolution and higher detection efficiency still needs to be researched.Purpose:A new fast neutron imaging detector consisting of a polyethylene (PE) converter and a microchannel plate (MCP), is proposed for 14.5-MeV fast neutron radiography. Simulation studies are conducted for the design aim.Methods:The yields and energy spectra of the recoil proton produced by 14.5-MeV fast neutron on the PE converter are simulated using Geant4 code. The yields and the energy spectra of the recoil proton under the different PE converter thicknesses are presented in order to determine the converter efficiency and the reasonable thickness of the PE converter. Less than 14.5 MeV, fast neutron incident, the electronic gain process in MCP is simulated using Geant4 code. In order to analyze spatial resolution, the electron beam spot images are recorded after MCP.Results:The simulation results show that the thickness of PE converter should be selected in the range of 2.5 mm, and the converter efficiency is about 0.37%. The electron images show that the electron beam spot diameter is slightly bigger than MCP aperture.Conclusion:It can be predicted that the spatial resolution of the detector is close to MCP aperture.

Fast neutron radiography, Polyethylene converter, MCP, Electron gain, Spatial resolution

TL99

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.090401

国家自然科学基金(No.11375077)、国家重大科学仪器设备开发专项(No.2013YQ40861)、兰州大学中央高校基本科研业务费专项资金

(No.lzujbky-2015-bt07)资助

冉建玲，女，1989年出生，2015年于兰州大学获硕士学位，主要研究领域为粒子物理与原子核物理

姚泽恩，E-mail: zeyao@lzu.edu.cn

2015-03-17，

2015-04-23