基于气体电子倍增器的位置灵敏快中子探测器优化设计

魏阳东 周健荣 周晓娟 朱 林 周建晋,4 许 虹 杨桂安 王小胡 孙志嘉 陈元柏

1（西南科技大学核废物与环境安全国防重点学科实验室绵阳621900）

2（散裂中子源科学中心东莞523803）

3（中国科学院高能物理研究所核探测与核电子学国家重点实验室北京100049）

4（兰州大学核科学与技术学院兰州730000）

地球空间中广泛分布着各种能量的大气中子，在海平面或者飞机上运行的电子设备长期暴露在大气中子的辐照下可能会由于单粒子效应造成器件数据出错、功能失效甚至烧毁［1］。为此，国际上许多中子源都有大气中子辐照束线来测试电子设备的抗辐照性能和单事件效应的容错性。中国散裂中子源（Chinese Spallation Neutron Source，CSNS）即将建成的大气中子辐照谱仪，能提供与大气中子能谱接近的、能谱覆盖meV～GeV的全能谱中子束流，样品处提供的中子通量相当于地面中子通量约109倍，具有快速测试能力，填补了我国全能谱大气中子辐照环境的空白，提供了国际领先的大气中子辐照试验平台［2］。根据大气中子辐照谱仪束流监测要求，对束流监测器提出快中子敏感、具有一定的位置分辨能力等需求。

国内外常用的快中子监测器方案包括薄膜击穿计数器［3］、金刚石探测器［4］、气体电子倍增器（Gas Electron Multiplier，GEM）探测器［5］等。其中前两类探测器只能得到束流中子通量和能谱信息，而GEM探测器是近年来中子探测领域研究的热点技术，其具有良好的空间分辨、时间分辨、计数率高、较好的n/γ甄别能力以及易大面积制作等特点，被广泛应用于束流监测器、在束和近束测量的高通量与高分辨中子谱仪［6-8］。意大利核物理国家实验室（Istituto Nazionale di Fisica Nucleare，INFN）于2012年研制出一个快中子GEM束流监测器，并在英国散裂中子源（ISIS）进行了束流测试，得到很好的结果［9］。CSNS研制的基于GEM的涂硼探测器已作为飞行时间中子束流监测器成功应用于CSNS一期三台谱仪束线［10］。因此，基于聚乙烯转换层的快中子GEM探测器，将是大气中子谱仪的束流监测器的理想选择。

本文通过蒙特卡罗模拟程序Geant4模拟探测器的物理过程，研究不同厚度聚乙烯转换层对快中子探测效率的影响，反冲质子出射能谱和角度分布随阻止层厚度的变化关系，以及不同厚度工作气体下出射质子的能量沉积，同厚度气体下质子与γ射线的能量沉积对比，以此优化探测器的结构。根据优化得到的参数制作了一个快中子GEM探测器样机，在CSNS—20号束线进行了束斑成像测试，并测量了探测器的位置分辨率。

1 探测器结构与原理

探测器结构如图1所示，主要由漂移极、陶瓷GEM、收集极、高压分配电路组成。其中漂移极是聚乙烯和Al的双层结构，聚乙烯实现对快中子的转换，Al作为次级粒子阻止层，起到减小粒子出射能量和降低粒子出射角度的作用；陶瓷GEM对中子散射影响小，更适于中子束流的监测［11］；收集极由水平和垂直方向正交排列的微条（strips）读出条（readout strips）组成，可实现对入射粒子二维位置的读出。当快中子进入到漂移极中与聚乙烯中氢元素发生弹性碰撞（n，p）产生反冲质子，穿越Al阻止层进入漂移区，电离工作气体产生原初电子-电离对。原初电子在漂移电场作用下漂移到GEM膜，穿越GEM膜孔时在强电场作用下发生雪崩效应，电子倍增。倍增电子在收集区运动过程中探测器收集极产生初始电信号，经过探测器电子学处理后可得到入射中子的入射时间和位置。

图1 探测器结构图Fig.1 Structure diagram of detector

2 蒙特卡罗模拟与结果分析

2.1 聚乙烯厚度对探测效率的影响及质子出射能谱和角度

漂移极只有中子转换层时，中子探测效率主要取决于聚乙烯转换层的转换效率，这与转换层的厚度直接相关。利用Geant4模拟入射中子进入到聚乙烯层中的物理过程，统计产生的出射反冲质子数量。在简化模型中通常认为出射反冲质子探测效率为100%，每个质子只要进入到探测器漂移区即可产生电信号，所以探测器的探测效率简化为计算出射质子数与总入射中子数的比值。对于不同能量的快中子，探测效率也会不同，分别选取7 MeV、10 MeV和14 MeV单能中子，计算了0.2～3 mm厚度聚乙烯层下探测器的探测效率，如图2所示。

图2 不同厚度聚乙烯层下中子探测效率Fig.2 The detection efficiency vs.polyethylene thickness

从图2可以看出，三种能量中子的探测效率都随着转换层厚度而增加，在达到某个值之后探测效率趋于饱和值，不再增加，这是由于随着聚乙烯厚度的增加，对反冲质子的自吸收率也会增加。对于三种能量的入射中子，达到的最大探测效率随中子能量而升高，这是因为在三种能量中子与氢元素发生弹性碰撞的作用截面相差不大情况下，更高能量的中子产生反冲质子的能量也越高，更易从聚乙烯出射到工作气体中，导致最大探测效率也随之升高。当聚乙烯厚度增加到0.6 mm（7 MeV中子）、1 mm（10 MeV中子）和2 mm（14 MeV中子）时，达到的最大探测效率分别为2.0‰、2.8‰和3.9‰。对于三种能量快中子的探测，过厚的聚乙烯对提高探测器探测效率不再有意义，取2 mm聚乙烯作为探测器中子转换层即可。

根据反冲质子在探测器中信号的产生过程，探究进一步优化漂移极结构的可能性，计算了2 mm聚乙烯厚度下三种能量中子产生反冲质子的出射能谱和出射角度分布，其中出射角度为质子出射方向与中子垂直入射探测器方向所成角度，计算结果如图3所示。从图3（a）可以看出，出射质子的能谱分布在一个相当大的范围内，基本都呈对称分布，谱宽随着入射中子的能量而增加，得到出射质子能量的最概然值分别为3.5 MeV（7 MeV中子）、4.8 MeV（10 MeV中子）和7.2 MeV（14 MeV中子）。从图3（b）可以看出，出射质子的角度基本分布在0°～65°的范围内，而角度最概然值都在24°左右。利用Geant4模拟计算1～14 MeV质子在4 mm工作气体（90%Ar+10%CO2）的沉积能量，得到入射质子的能量越高，其在工作气体中的沉积能量越低。得到反冲质子的能量影响着反冲质子在工作气体（90% Ar+10%CO2）中的沉积能量，而质子沉积能量越大越有利于与背景噪声分开；此外质子的出射角度反映质子在漂移区运动径迹与中子入射方向的偏离程度，角度越大，偏离越大，得到入射中子的位置分辨越差，这可为漂移极接下来的结构设计提供理论依据。

图3 2 mm厚度的聚乙烯下质子出射能谱(a)和角度分布(b)Fig.3 Proton emission spectrum(a)and angular distribution(b)in 2 mm polyethylene

2.2 阻止层对出射质子能量、角度以及探测效率的影响

综上所述，为了增加出射质子在漂移区气体中的沉积能量，同时获得到更好的位置分辨，通过在2 mm厚聚乙烯转换层后加入阻止层，可起到降低质子出射能量和减小出射角度的作用。采用Al作为漂移极的阻止层，计算三种能量中子产生反冲质子穿越0～300μm不同厚度Al阻止层的出射能谱和角度分布，得到出射质子能量最概然值和角度最概然值随着Al层厚度的变化情况，如图4所示。

图4 质子能量(a)和出射角度(b)随阻止层厚度变化Fig.4 The proton energy(a)and emission angle(b)vs.the thickness of the barrier layer

由图4（a）可以得到，随着阻止层厚度的增加，质子出射能量逐渐降低，当阻止层厚度达到300μm时，三种能量入射中子下出射质子能量的最概然值分别降低到1 MeV（7 MeV中子）、3.4 MeV（10 MeV中子）和5.8 MeV（14 MeV中子）。从图4（b）可以看出，质子出射角度随着阻止层厚度的增加而逐渐减小，当阻止层厚度达到300μm时，三种能量入射中子下质子角度分布的最概然值分别减小到9°（7 MeV中子）、17°（10 MeV中子）和19°（14 MeV中子）。

值得注意的是，加入阻止层之后，将导致部分低能量以及大角度质子无法出射到工作气体中，从而造成探测效率的降低。如图5所示，当阻止层厚度为300μm时，三种能量中子的探测效率分别只有0.03‰（7 MeV中子）、0.68‰（10 MeV中子）和1.91‰（14 MeV中子）。CSNS规划的大气中子谱仪束线平均快中子通量大于106cm-2·s-1，要求探测器在束流实时监测时计数率大于200 cm-2·s-1，才可作为束流监测器使用，因此探测效率应至少大于0.2‰。可选择阻止层厚度200μm，对于7 MeV、10 MeV和14 MeV入射中子的探测效率分别达到0.29‰、1.18‰和2.44‰。

2.3 气体厚度对能量沉积的影响

图5 探测效率随阻止层厚度的变化Fig.5 The detection efficiency vs the thickness of the barrier layer

为了比较不同气体厚度出射质子的能量沉积，通过Geant4计算，当聚乙烯厚度为2 mm、阻止层厚度为200μm、工作气体（90%Ar+10%CO2）、漂移区厚度为2～6 mm，共5个厚度下不同能量入射中子的出射质子在气体中的沉积能量，计算结果如图6所示。图6（a～c）分别对应7 MeV、10 MeV、14 MeV入射中子产生出射质子在漂移区厚度2 mm、4 mm、6 mm的沉积能谱。由图6可以看出，随着漂移区气体厚度的增加，沉积能谱峰位逐渐右移，质子在气体中沉积能量增多；而对于不同能量入射中子在同一气体厚度下的质子沉积能谱，随着中子能量的升高，沉积能谱峰位左移，质子在工作气体中沉积能量降低。对于探测器来说带电粒子在气体中能量沉积越高，探测器信噪比越好，但过厚的气体厚度会导致质子在漂移区气体中的径迹更长，将增大出射质子电离重心与中子入射位置的横向距离，从而降低探测器的位置分辨，综合考虑两种因素选择4 mm的气体厚度作为漂移区厚度。

使用γ射线（661 keV）模拟在4 mm厚度工作气体内的沉积能谱，并与三种能量中子下的出射质子沉积能谱对比。如图7所示，γ射线沉积能谱峰位为1.3 keV，而三种能量中子下的出射质子沉积能谱峰位分别为61.6 keV（7 MeV中子）、36.7 keV（10 MeV中子）、27.5 keV（14 MeV中子），可见γ射线沉积能谱与出射质子沉积能谱分离较明显。进一步分析γ射线能谱图可得，当γ射线沉积能量为17.5 keV时，γ信号个数占比为其能谱峰值的2.6%，该位置到14 MeV中子出射质子的能谱峰位27.5 keV存在10 keV的区间。如果将电子学阈值设置在此区间上，既有效地过滤掉大多数γ信号，又保留了大部分的中子信号，获得探测器较好的n/γ信噪比。

图6 7 MeV(a)、10 MeV(b)和14 MeV(c)中子产生质子在不同气体厚度下的能量沉积Fig.6 Energy deposition of protons produced by 7 MeV(a),10 MeV(b)and 14 MeV(c)neutrons at different gas thicknesses

图7 4 mm气体厚度下γ射线与不同能量中子出射质子能量沉积Fig.7 Energy deposition of gamma rays and neutrons with different energies at 4 mm thick gas

3 初步中子束流实验

根据上述模拟结果，研制了一个小面积（5 cm×5 cm）快中子探测器样机，在CSNS—20号束线上对样机进行了快中子二维成像测试。测试时中子源功率为100 kW［12］，20号束线最高快中子注量达到1×106cm-2·s-1。探测器样机以CSNS所使用的热中子GEM束流监测器为基础，将加工的漂移极（2 mm聚乙烯层+200μm Al阻止层）安装到探测器内，重新设置漂移区气体厚度为4 mm，收集区厚度为2 mm，工作气体（90%Ar+10%CO2），信号收集极由X方向和Y方向都为32路的strips二维读出条组成，条周期为1.56 mm。测试时中子束流为直径ø20 mm的直通束，将样机紧贴束流孔道出口放置，以便能较准确地测量探测器对快中子的位置分辨率。图8（a）、（b）分别为测试现场和测得束斑成像图。从图8（b）可以看出，束斑二维成像与束流形状及尺寸符合较好。

为了得到快中子探测器的位置分辨率，对束斑图像进行高斯边缘累积分析，通过累积分布函数实现。在束斑二维成像图中心X方向取两列strips读出条向Y方向进行投影，得到直方图（图8（c）），对直方图进行边缘累积分布函数拟合，即可得到探测器在Y方向的位置分辨率为2.9 mm，与当前CSNS谱仪所用涂硼GEM热中子监测器位置分辨率3.0 mm［13］相当。该样机位置分辨率满足束流监测器的使用需求。

图8 探测器测试现场(a)、束斑成像(b)和位置分辨率(c)Fig.8 Photograph of detector test site(a),beam profile(b)and spatial resolution(c)

4 结语

本文使用Geant4工具包，选择7 MeV、10 MeV和14 MeV三种单能中子对基于聚乙烯转换层GEM的快中子探测器的物理性能进行了模拟。模拟得到：聚乙烯转换层2 mm时，探测器探测效率达到最大值；Al阻止层厚度200μm时，可以在一定程度上减小反冲质子出射能量和角度，且探测效率大于0.2‰；漂移区气体厚度取4 mm时，可使反冲质子在漂移区有足够的能量沉积，探测器具有良好的n/γ区分能力。将模拟优化的参数应用到快中子GEM样机并在CSNS束线上进行了二维成像测量，成像效果较好，位置分辨率达2.9 mm。