针对高探测效率 热中子探测器的模拟研究
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针对高探测效率 热中子探测器的模拟研究. 学生 陆年华 指导老师 杨祎罡 清华大学工程物理系 粒子技术与辐射成像教育部重点实验室 [email protected]. 报告提纲. 背景介绍 探测器设计 基于 MCP 的热中子转换体 提升 MCP 的热中子吸收能力 模拟计算 中子在 MCP 中的衰减 带电粒子的出射 热中子探测效率 结论与展望. 背景介绍. 安全检查 & 无损检测 X 射线方法 技术成熟 应用广泛 中子方法 补充 X 射线方法 大部分重元素 某些轻元素 有机物质 爆炸物 区分同位素. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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针对高探测效率热中子探测器的模拟研究
学生 陆年华指导老师 杨祎罡
清华大学工程物理系粒子技术与辐射成像教育部重点实验室
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报告提纲• 背景介绍• 探测器设计
– 基于 MCP 的热中子转换体– 提升 MCP 的热中子吸收能力
• 模拟计算– 中子在 MCP 中的衰减– 带电粒子的出射– 热中子探测效率
• 结论与展望
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背景介绍• 安全检查 & 无损检测
– X 射线方法• 技术成熟• 应用广泛
– 中子方法• 补充 X 射线方法
– 大部分重元素– 某些轻元素
» 有机物质» 爆炸物
– 区分同位素
X-ray & Neutron
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中子探测器气体探测器
– 灵敏体积大– 信噪比较好– 空间分辨率差
• 气体对带电粒子的阻止能力
固体探测器– 结构紧凑– 空间分辨率好– 探测效率不高
• 中子的吸收• 带电粒子的出射
微型脉冲强子源（ CPHS ）@Tsinghua University参数实现
– 探测效率• >50% @ 25.3meV 热中子
– 空间分辨率• <100 μm
– 计数率• 103
counts/mm2/s
更好的探测系统？基于微通道板中子转换体
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微通道板
D 12~13 μm
P 15~16 μm
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中子转换实现• MCP 只是载体
– 结构的优异性• 中子吸收核素
– 10B~3835b– natGd~49700b
• MCP 结合中子吸收核素– 掺杂– 镀膜
• 掺杂：– 受 MCP 玻璃成分的限制– 中子吸收核素的密度较小
• 需要大的厚度• 带电粒子不容易进入通道
– 可行？？• 镀膜：
– 不受 MCP 玻璃成分的限制– 中子吸收核素的密度很大
厚度可以较小 带电粒子容易进入通道
– 可行√√
模拟研究
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掺杂模型
镀膜模型
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模拟研究• 模拟
– P1 ：中子在微通道板中消失的概率• MCNP5 模拟• 25.3meV Neutron
• natGd2O3 镀膜
– P2 ：电子从镀层中出射到通道中的概率• MCNP5 模拟
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P1 : 中子在 MCP 中的衰减概率• 25.3meV thermal neutron @ MCP• 镀膜 & 掺杂• 中子俘获后放出的带电粒子的概率为 Pne
– 10B(n, α)7Li @ Pne=1
– natGd (n, γ) @ Pne=0.794
– 157Gd(n, γ)158Gd@ Pne=0.5887
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P2 : 带电粒子的出射概率• 中子俘获得到的带电粒子
– α 、 7Li+ 、内转换电子、俄歇电子• 10B(n, α)7Li 中子俘获反应产物能量及其射程
• 中子俘获反应形成连续的带电粒子源
10B (n,α)7Li（ MeV ）
MCP 玻璃（ 3.80g/
cm3 ）
B2O3 （ 2.55g/cm3 ）
6% α 1.777 5.51 µm 4.66 μm7Li 1.014 2.64 µm 2.38 μm
94% α 1.472 4.53 µm 3.84 μm7Li 0.838 2.32 µm 2.12 μm
dxxexpP )()(2
热中子探测效率10B 掺杂 MCP
0 1 2 3 4 5 6 7 80.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
Det
ectio
n P
roba
bilit
y
incident angle (degree)
P=0.05mol P=0.09mol P=0.13mol P=0.17mol
157Gd 掺杂 MCP
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
Det
ectio
n P
roba
bilit
y
incident angle (degree)
P=0.05mol P=0.09mol P=0.13mol P=0.17mol
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热中子探测效率10B2O3 镀膜 natGd2O3 镀膜
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0 1 2 3 4 5 6 7 80.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Det
ectio
n P
roba
bilit
y
incident angle (degree)
T=0.1um T=0.2um T=0.4um T=0.6um T=0.8um T=1.0um
0 1 2 3 4 5 6 7 80.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
Det
ectio
n P
roba
bilit
y
incident angle
T=0.1um T=0.2um T=0.4um T=0.6um T=0.8um T=1.0um
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镀膜研究
• 优点 : – 极好的保形性– 大面积、均匀性的纯薄膜– 简单精确地薄膜厚度控制– 不需要控制反应物流量的均一
性– 薄膜生长可在低温下进行（室
温到 400oC ）• 缺点 :
– 沉积速度慢– 沉积材料的选择
ALD: Atomic Layer Deposition 原子层沉积
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镀膜研究
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镀膜研究
孔深度 77μμm m ，直径，直径100nm100nm使用 ALD 镀膜得到 46nm 厚的均匀薄膜保形效果很好
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初步镀膜效果
微通道板孔，是凹下去的
交界处
玻璃断面
镀层 natGd2O3
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初步镀膜效果
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初步镀膜效果
镀膜结果
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0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50
50
100
150
200
Thic
kness
(nm
)
Y (mm)
9000 12000 15000 31000
~208.65nm
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