快中子臨界裝置上中子動力學參數的測量是了解臨界裝置動力學特性的一種重要的手段。基于時間概率分布測量動力學參數的方法要求探測器具有響應時間快、n-γ甄別性能好以及探測效率適當的要求。而傳統的鋰玻璃閃爍體探測器、~3He正比計數管、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為工作介質的氣體閃爍體由于具有原子序數低、電子濃度低、γ甄別容易、快中子彈性散射截面高、響應時間快、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參數對探測器提出的要求。目前國內還沒有相關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,本文主要針對探測器設計、加工、測試過程中四個關鍵問題開展了研究:探測器的物理設計、TPB波長轉換層的性能測試、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,結合實際加工工藝給出了優(yōu)化后探測器的尺寸參數、氣壓。在TPB波長轉換層制備方面,研究了 TPB波長轉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計方法和關鍵的制備工藝與技術,掌握了 TPB波長轉換層的制備工藝和技術,成功制備出探測器的原型樣機。
【學位單位】：中國工程物理研究院
【學位級別】：碩士
【學位年份】：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原子序數低，丫反應截面逡逑��；（２）氣體密度低，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，逡逑產生的光子數目是一樣的。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的脈沖高度響應上限達到了邋４．４４ＭｅＶ，下限為０．５５５ＭｅＶ；邋４Ｈｅ探測器逡逑的響應上限為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的脈沖高度響應上限達到了邋４．４４ＭｅＶ，下限為０．５５５ＭｅＶ；邋４Ｈｅ探測器逡逑的響應上限為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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本文編號：2813003