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不同中子转换方式的nMCP探测器性能研究

不同中子转换方式的nMCP探测器性能研究

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作者：张连军哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着高通量中子源的建设和发展,中子成像已经成为一种重要的无损检测手段,其具有与X射线优势互补的特点。近些年,能量选择中子成像逐渐成为研究的热门,通过选择中子能量,实现对材料和器件内部的微观结构、缺陷、形貌和应力等信息的分析... 详细信息

随着高通量中子源的建设和发展,中子成像已经成为一种重要的无损检测手段,其具有与X射线优势互补的特点。近些年,能量选择中子成像逐渐成为研究的热门,通过选择中子能量,实现对材料和器件内部的微观结构、缺陷、形貌和应力等信息的分析。将会对航天飞机的叶片、航母甲板等重大工程装备部件制造过程中的无损检测提供强有力的手段。能量选择中子成像需求探测器具有高的位置分辨和快时间响应。中子灵敏微通道板（n MCP）因其具有高的探测效率、位置分辨以及优异的时间分辨能力,是能量选择中子成像探测器的有利选择之一。本文通过模拟和实验对不同中子转换方式的n MCP探测器性能开展研究。开展中子束流实验对基体掺杂3%mol的GdO-n MCP性能进行研究,利用n MCP与传统MCP背对背堆叠组成中子探测器,探索出一套简易高效的探测器安装方法,并在最后对探测器真空腔的改进提出设计参考。在n MCP探测器性能方面,实验获得典型中子和伽马信号的特征。对于中子信号输出电荷量在170 fc左右,信号的上升时间约为4 ns,下降时间约为16 ns,信号特征宽度约为20 ns。对于伽马信号的输出电荷量在140 fc左右,信号的上升时间约为40 ns,下降时间约为100 ns,信号特征宽度约为140 ns。针对信号特征,一方面我们可以设计后端读出电子学,另一方面发现二者信号幅度相差不大,因此,通过信号幅度实现中子伽马甄别这一方案很难实现。对于中子探测效率的研究,在中国散裂中子源20号束线上进行效率实验研究,获得了35%@2.9（?）和40%@4.8（?）的中子探测效率。最后采用GEM探测器对华中师范大学提供的Topmetal-II芯片及读出电子学进行初步测试,结果显示可以分辨GEM膜的孔道结构,具有相对较好的位置分辨能力。对基于原子层沉积技术的ALD-B-n MCP性能开展模拟研究,采用Geant4和数学建模的方式对n MCP的孔径、壁厚、倾角以及镀膜厚度等参数进行优化。结果显示当n MCP的几何参数选择为孔径10μm、壁厚1μm、倾角3°以及镀膜厚度1μm时,n MCP可以达到约56%的探测效率和约22μm的位置分辨。同时,通过经验公式计算得到,合理的增大MCP-Andoe电压和减小二者之间的距离对于减小电子云的扩散半径,提高位置分辨具有积极的意义。本研究所做工作对进一步开展中子灵敏微通道板的研究,包括:探测效率、位置分辨以及真空系统的优化奠定了一定的基础,具有较为重要的参考意义。

关键词：中子灵敏微通道板中国散裂中子源探测效率位置分辨参数优化

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用于成像的高位置分辨nMCP模拟研究

用于成像的高位置分辨nMCP模拟研究

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作者：谭金昊哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

中子成像已经发展成为一种重要的无损检测技术。能量分辨中子成像是一种新型中子成像技术,通过对中子能量进行选择,可以对晶体材料的晶格结构进行测量。从而对材料及器件的内部微观结构、缺陷、形貌和应力等信息进行分析。能量分辨中子... 详细信息

中子成像已经发展成为一种重要的无损检测技术。能量分辨中子成像是一种新型中子成像技术,通过对中子能量进行选择,可以对晶体材料的晶格结构进行测量。从而对材料及器件的内部微观结构、缺陷、形貌和应力等信息进行分析。能量分辨中子成像对成像探测器提出了高位置分辨、快时间分辨的需求。中子微通道板(nMCP)作为一种信号响应快、位置分辨高的中子探测器,是进行能量分辨中子成像的探测器选择之一。本论文通过蒙特卡洛模拟软件Geant4,对nMCP的探测效率、位置分辨和伽马甄别能力进行了研究。首先,对nMCP的掺杂材料种类及掺杂浓度进行了优化。模拟结果显示,在10mole%掺杂浓度下,掺硼nMCP的探测效率在20%左右,而掺钆nMCP在3mole%掺杂浓度下可以达到大于45%的探测效率。掺硼nMCP的位置分辨小于20μm,而掺钆nMCP的位置分辨大于50μm。可以得出在探测效率上,掺钆nMCP好于掺硼nMCP,但在位置分辨和伽马甄别能力方面,掺硼nMCP好于掺钆nMCP。对于掺杂材料为BO的nMCP,本论文对其探测效率、位置分辨、伽马甄别能力随几何参数的变化规律进行了模拟研究,并对几何参数进行了优化,得出了几种性能优异的nMCP探测器参数。根据模拟结果,当掺杂10mole%BO的nMCP厚度为0.6mm,孔径为6μm,壁厚为2μm,倾角在1°时nMCP性能,探测效率可以达到24%左右,位置分辨在X方向为13.47μm,在Y方向为11.22μm,且具有良好的伽马甄别能力。此外本文提出了一种硼钆混合掺杂的nMCP,可以突破单独掺硼nMCP的探测效率限制,同时位置分辨不会受到剧烈的恶化。根据模拟结果,在nMCP中同时掺杂10mole%的BO和0.2mole%的GdO,厚度为0.3mm,孔径为6μm,壁厚为3μm,倾角在2°下性能时,可以达到26%的探测效率,在X方向35.6μm,在Y方向34.1μm的位置分辨,以及较好的伽马甄别能力。本论文的模拟结果揭示了nMCP的性能随掺杂材料及几何参数的变化规律,为nMCP探测器的后续研究提供了研究基础及数据支撑。并且得出了几种性能优异,且在工艺上可以实现的nMCP探测器参数,为中子成像、能量分辨成像的高性能成像探测器提供了参考。

关键词：中子灵敏微通道板探测效率位置分辨伽马甄别参数优化

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