快中子臨界裝置上中子動力學(xué)參數(shù)的測量是了解臨界裝置動力學(xué)特性的一種重要的手段�；跁r間概率分布測量動力學(xué)參數(shù)的方法要求探測器具有響應(yīng)時間快、n-γ甄別性能好以及探測效率適當(dāng)?shù)囊�。而傳統(tǒng)的鋰玻璃閃爍體探測器、~3He正比計數(shù)管、快中子裂變室和新型的SiC探測器存在各自的局限,無法滿足強γ環(huán)境下快中子的測量要求。以~4He為工作介質(zhì)的氣體閃爍體由于具有原子序數(shù)低、電子濃度低、γ甄別容易、快中子彈性散射截面高、響應(yīng)時間快、閃爍光輸出大等優(yōu)點,研發(fā)基于高壓~4He氣體閃爍體中子探測器有望滿足動力學(xué)參數(shù)對探測器提出的要求。目前國內(nèi)還沒有相關(guān)研究單位研制出高壓~4He氣體閃爍體探測器,且國外研究組正在研發(fā)并對該工藝技術(shù)進行了封鎖。針對制備出高壓~4He氣體閃爍體中子探測器原型樣機的研究目標(biāo),本文主要針對探測器設(shè)計、加工、測試過程中四個關(guān)鍵問題開展了研究:探測器的物理設(shè)計、TPB波長轉(zhuǎn)換層的性能測試、探測器的制備工藝、探測器的性能測試。在探測器物理設(shè)計方面,利用Geant4程序分析了探測器的氣壓、長度、管徑等因素對探測器性能影響,結(jié)合實際加工工藝給出了優(yōu)化后探測器的尺寸參數(shù)、氣壓。在TPB波長轉(zhuǎn)換層制備方面,研究了 TPB波長轉(zhuǎn)換材料的加工工藝和厚度對發(fā)射光譜強度的影響規(guī)律,給出了最優(yōu)的制備工藝和厚度。并利用此工藝方式制備的樣品,研究了 α粒子、γ射線和中子輻照后TPB發(fā)光性能的變化。最后詳細論述了探測器從設(shè)計到加工的整個過程,分析了該過程中遇到的問題并給出解決方案,最終成功制備探測器的原型樣機。通過對原型樣機計數(shù)率和波形的測試,確定了探測器的工作特性。利用飛行時間法,給出了中子和γ的飛行時間譜,并給出了中子和γ在波形上的差異,基于該差異建立了 n-γ甄別方法。通過本文的計算和實驗研究工作,掌握了高壓~4He氣體閃爍體中子探測器的物理設(shè)計方法和關(guān)鍵的制備工藝與技術(shù),掌握了 TPB波長轉(zhuǎn)換層的制備工藝和技術(shù),成功制備出探測器的原型樣機。
【學(xué)位單位】：中國工程物理研究院
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TL816.3
【部分圖文】：

４Ｈｅ氣體閃爍體探測器對快中子和Ｙ射線所產(chǎn)生的信號具有明顯不同的特征：中子信號逡逑和Ｙ信號的快成分（？ｎｓ）和慢成分（？畔）比例不同，中子信號的慢成分占總信號的８０％，逡逑而７信號的僅４０％，如圖１．２所示。表明高壓４Ｈｅ氣體閃爍體也具備脈沖波形甄別能力，逡逑抑制Ｙ信號。另外還有三個原因利于Ｙ信號的抑制：（ｌ）４Ｈｅ原子序數(shù)低，丫反應(yīng)截面逡逑�。唬ǎ玻怏w密度低，ｙ的次級電子能量沉積少；（３）沉積相同能量，對中子與Ｙ來說，逡逑產(chǎn)生的光子數(shù)目是一樣的。逡逑－Ｖ逡逑圖ｉ．ｉ探測器實物圖逡逑（0）邋＿＿邋邐逡逑Ｉ邋－ｒｆ邋｜ｆｎｎ邋１邋＾邐—逡逑１邋２？0邋＝－邋0邐Ｓ２邋（Ｓｌｏｗ邋ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）逡逑Ｉ邋２＾：邋８逡逑V邋ｉｘ邋—邋＂５５邐邐邐邐邋邐邐逡逑專邐ｒ邋＜ａ逡逑ｔＪ０邋Ｌ邋ｗ逡逑．．．邐．．邐．ｉ邐．邐．邐．邐．邐．邋ｉ邐．．．邐．邐．邋ｉ邐，邐．邐．邐＿，＿逡逑ｃ邐Ｓｔｆｌ邐ｉｎａ＞邋＇邐：ｍｃ邐？ａ）邐！？ｊｔ邐Ｓ３ｔｏ逡逑ｔｍｉ邋ｉｎｔｉ逡逑Ｉ邋－ｒ逡逑Ｉ邋＇ｒ逡逑？ＣＳ邋一逡逑－邐邋Ｉ邋，邐，．邐廣：－．一邋．．：＂／邋．邋Ｖ邋邐邐邐逡逑ｃ邐ｓａ邐ｎｘｏ邐ｈｏｃ邐？0邐ｊｘｏ邐ｌａｘ邐４0ｃｃｉ逡逑Ｕｍｅ邋ｆｎｓｆ逡逑圖１．２高壓４Ｈｅ氣體閃爍體探測器的信號：（ａ）邋Ｙ射線；（ｂ）快中子逡逑Ｍ．Ｃａａｃｃｉａ等人［１５］將直徑４４ｍｍ

相比光電倍增管，直接將ＳｉＰＭ放在探測器內(nèi)部，光收集效率改善很多。對ＩＭｅＶ逡逑快中子的本征探測效率達到１５％，波形甄別后，對裂變中子的探測效率達到５％。ＳｉＰＭ逡逑類型的探測器能夠同時分辨快中子、熱中子和Ｙ射線，圖１．３為三種粒子的甄別。它的逡逑缺點在于ｎ－ｙ甄別性能要差于普通光電倍增管，硅片也容易被中子損傷。逡逑＾邋ＥＯＯＯＱ邐逡逑Ｉ邋栙．邐ＣＯ６０逡逑ｍＣ邋１逡逑Ｕ邐２ＬＷ邐４Ｕ００邐ＨＷＪ邐ｔｆｉＪＯＯ邐１１Ｗ００逡逑ＩＨＴＣ（Ｗ．Ｌ邋ｒ邋ＡＳＴ逡逑圖１．３．熱中子、快中子和Ｙ射線甄別逡逑ＲＪｅｂａｌｉ等人［２５］進行了高壓４Ｈｅ探測器和ＮＥ－２１３液體閃爍體的ｎ－丫性能的對比實逡逑驗。研究結(jié)果表明，在入射中子最大能量為ｌｌＭｅＶ，入射Ｙ射線最大能量為４．４４ＭｅＶ逡逑情況下，ＮＥ－２１３的脈沖高度響應(yīng)上限達到了邋４．４４ＭｅＶ，下限為０．５５５ＭｅＶ；邋４Ｈｅ探測器逡逑的響應(yīng)上限為０．８３３邋ＭｅＶ，下限為０．１１１邋ＭｅＶ，圖１．４為二維波形甄別散射圖。一維波逡逑形甄別投影圖（圖１．５）：對于ＮＥ－２１３，能量截斷值從０．２５變化到３ＭｅＶ，ＦＯＭ從０．７５逡逑變到１．５；而對于４Ｈｅ探測器，截斷值從０．２５變到０．５，邋ＦＯＭ從１．３５變到１．７０，能量截逡逑斷值超過０．７５ＭｅＶ，只剩下中子信號。從這兩張圖可以直觀地看出４Ｈｅ氣體閃爍體探測逡逑器的ｎ－丫波形甄別性能優(yōu)于ＮＥ－２１３液體閃爍體探測器。逡逑Ｐｕｌｓｅ邋Ｓｈａｐｅ邋（ＰＳ）邐Ｐｕｌｓｅ邋Ｓｈａｐｅ邋（ＰＳ）逡逑ｐｏｏｐ邐ｐ邐0邋Ｐ邋ｐ邋Ｐ逡逑0邐ｊｓｊ邐0９邐ｂ0邐－ｋ邋１＊邐0邐－？邐Ｗ邐

相比光電倍增管，直接將ＳｉＰＭ放在探測器內(nèi)部，光收集效率改善很多。對ＩＭｅＶ逡逑快中子的本征探測效率達到１５％，波形甄別后，對裂變中子的探測效率達到５％。ＳｉＰＭ逡逑類型的探測器能夠同時分辨快中子、熱中子和Ｙ射線，圖１．３為三種粒子的甄別。它的逡逑缺點在于ｎ－ｙ甄別性能要差于普通光電倍增管，硅片也容易被中子損傷。逡逑＾邋ＥＯＯＯＱ邐逡逑Ｉ邋栙．邐ＣＯ６０逡逑ｍＣ邋１逡逑Ｕ邐２ＬＷ邐４Ｕ００邐ＨＷＪ邐ｔｆｉＪＯＯ邐１１Ｗ００逡逑ＩＨＴＣ（Ｗ．Ｌ邋ｒ邋ＡＳＴ逡逑圖１．３．熱中子、快中子和Ｙ射線甄別逡逑ＲＪｅｂａｌｉ等人［２５］進行了高壓４Ｈｅ探測器和ＮＥ－２１３液體閃爍體的ｎ－丫性能的對比實逡逑驗。研究結(jié)果表明，在入射中子最大能量為ｌｌＭｅＶ，入射Ｙ射線最大能量為４．４４ＭｅＶ逡逑情況下，ＮＥ－２１３的脈沖高度響應(yīng)上限達到了邋４．４４ＭｅＶ，下限為０．５５５ＭｅＶ；邋４Ｈｅ探測器逡逑的響應(yīng)上限為０．８３３邋ＭｅＶ，下限為０．１１１邋ＭｅＶ，圖１．４為二維波形甄別散射圖。一維波逡逑形甄別投影圖（圖１．５）：對于ＮＥ－２１３，能量截斷值從０．２５變化到３ＭｅＶ，ＦＯＭ從０．７５逡逑變到１．５；而對于４Ｈｅ探測器，截斷值從０．２５變到０．５，邋ＦＯＭ從１．３５變到１．７０，能量截逡逑斷值超過０．７５ＭｅＶ，只剩下中子信號。從這兩張圖可以直觀地看出４Ｈｅ氣體閃爍體探測逡逑器的ｎ－丫波形甄別性能優(yōu)于ＮＥ－２１３液體閃爍體探測器。逡逑Ｐｕｌｓｅ邋Ｓｈａｐｅ邋（ＰＳ）邐Ｐｕｌｓｅ邋Ｓｈａｐｅ邋（ＰＳ）逡逑ｐｏｏｐ邐ｐ邐0邋Ｐ邋ｐ邋Ｐ逡逑0邐ｊｓｊ邐0９邐ｂ0邐－ｋ邋１＊邐0邐－？邐Ｗ邐

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