CN218848344U - 一种基于气体时间投影室的中子探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于气体时间投影室的中子探测器，包括罐体、场笼、阴极板、读出平面，所述罐体为密闭结构，所述场笼为两端敞口的笼状结构，所述场笼设于所述罐体内，所述阴极板平行于所述场笼的敞口面，所述阴极板设于所述场笼内，所述读出平面设于所述场笼的敞口端，所述阴极板朝向所述读出平面的表面设有中子转换层，所述中子转换层与所述读出平面设有间隙。本实用新型的中子探测器，计数率高，工作稳定，位置分辨率高，并且成本低，适合于大批量生产。

Description

一种基于气体时间投影室的中子探测器

技术领域

本实用新型涉及中子探测技术领域，尤其涉及一种基于气体时间投影室的中子探测器。

背景技术

中子探测器属于高端分析仪器，是诸多相关技术研究的基础。中子探测器在各领域都有着广泛的应用，其与各个领域的结合，可以极大地实现对相关领域技术产品的赋能，对环保、食品、生命科学、新能源、半导体、航空航天、辐射防护、核物理等领域的研发、生产、销售都有着全方位立体化的贡献。随着中子技术应用的发展，对中子的探测也提出了一些新的需求，例如：高能物理研究中需要掌握中子的入射方向、能量等信息，中子照相技术需要针对研究对象的类型、中子源能量设计位置分辨率高、时间响应快的中子成像装置，反应堆中子学物理实验研究过程中需要在堆芯内部、燃料空隙间布置中子探测器实现堆芯中子通量分布的实时测量。这些需求对中子探测器的探测精度和探测效率提出了新的要求。

现有中子探测器大多基于气体探测器，其主要包含电离室、正比计数器和盖革-弥勒(G-M)计数器。这些探测器均以气体为探测媒介，一般都是具有两个电极的容器，充有某种气体，电极间加电压。

一种含有氢正比管、硼电离室、He-3正比计数器的气体探测器，这种探测器具有耐高温、抗辐照、制备简单、使用方便、在线获取数据等特点。He-3探测器通过测量He-3气体与中子相互作用产生的次级带电粒子来间接实现对中子的测量，由于其检测效率高、不用低温保存、低伽马射线灵敏度、结构简单、性能稳定等特点而得到了广泛的应用。然而，He-3中子探测器也有明显的缺点，基于He-3的探测器成本普遍较高，国产化程度较低，其位置分辨率较差；He-3气体资源逐年减少，进一步造成其价格昂贵且正常情况下无固态，不易密封。

硼具有较高的热中子截面、探测效率和较低的γ截面，利用B-10和Li-7探测中子的BF₃管应用广泛。但是BF₃气体与He-3气体一样需要较大的探测体积且对环境有潜在的危害而逐渐被较少地使用。涂硼电子倍增管和涂硼电离室也受到了较多的关注，一种基于涂硼GEM结构的中子探测器，采用5个级联的GEM膜以实现中子转换的功能，读出电极实现信号收集的功能，工作气体采用常用的Ar和CO₂混合气体，其优势在于可大量获得B-10作为中子转换体，中子计数率高，时间分辨率好。然而，基于涂硼厚GEM的中子探测器，探测平面和中子转化层高度耦合，自由度较低；多层级联可以增加中子探测效率，但是安装和操作较为困难，特别是几十层GEM级联后高电压操作和工作稳定性有一定的挑战。

因此，本领域的技术人员致力于提供一种基于气体时间投影室的中子探测器，解决He-3价格昂贵、粒子鉴别能力差以及涂硼中子转化层与探测器耦合度过高等问题。

实用新型内容

有鉴于现有技术上的缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是如何提供一种鉴别能力高、成本低的基于气体时间投影室的中子探测器。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于气体时间投影室的中子探测器，包括罐体、场笼、阴极板、读出平面，所述罐体为密闭结构，所述场笼为两端敞口的笼状结构，所述场笼设于所述罐体内，所述阴极板平行于所述场笼的敞口面，所述阴极板设于所述场笼内，所述读出平面设于所述场笼的敞口端，所述阴极板朝向所述读出平面的表面设有中子转换层，所述中子转换层与所述读出平面设有间隙。

优选地，所述场笼的两个敞口端均设有所述读出平面，所述阴极板设于所述场笼的中间位置。

优选地，所述场笼包括铜环和所述铜环之间的电阻。

优选地，所述铜环通过特氟龙螺丝连接，所述电阻与所述铜环焊接连接。

优选地，所述中子转换层为镀B-10的涂硼网。

优选地，所述涂硼网为一层或多层，所述涂硼网之间的间隙相等或不等。

优选地，所述读出平面为Micromegas气体微结构探测器。

优选地，所述罐体上设有可拆卸的顶盖。

优选地，所述罐体的侧面设有导气孔。

优选地，所述罐体、所述场笼为六面体结构。

本实用新型至少具有如下有益技术效果：

本实用新型提供的基于气体时间投影室的中子探测器，中子转换层与读出平面脱耦合，增加了自由度，实现了探测器的高计数率、工作稳定和高位置分辨率，并且对粒子的鉴别能力高；采用涂硼网作为中子转换层，根据探测需要可以调节涂硼网的层数和位置，实现了对探测效率的调节。

本实用新型提供的基于气体时间投影室的中子探测器，替代了He-3等探测方式，降低了装置的成本，适合大批量生产，且安装和操作较为方便。

以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的基于气体时间投影室的中子探测器结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的基于气体时间投影室的中子探测器另一示意图；

图3是本实用新型实施例提供的基于气体时间投影室的中子探测器的局部示意图；

图4是本实用新型实施例提供的基于气体时间投影室的中子探测器的中子入射示意图；

图5是本实用新型实施例提供的基于气体时间投影室的中子探测器的电子漂移示意图；

图6是本实用新型实施例提供的基于气体时间投影室的中子探测器的热中子与中子转换层层数和探测效率分布示意图；

图7是本实用新型实施例提供的基于气体时间投影室的中子探测器的超热中子与中子转换层层数和探测效率分布示意图。

图中，

1-罐体，2-场笼，3-顶盖，4-读出平面，5-阴极板，6-中子转换层。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本实用新型的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本实用新型可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本实用新型的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本实用新型并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

本实用新型提供了一种基于气体时间投影室的中子探测器，使读出平面与中子转换层脱耦合，实现高时间及空间分辨率的空间探测。

如图1、图2和图3所示，本实施例的基于气体时间投影室的中子探测器，包括罐体1、场笼2、阴极板5、中子转换层6、读出平面4。罐体1为密闭结构，位于整个装置的最外侧，保证整个探测器在稳定的气体环境中工作。场笼2、阴极板5、中子转换层6、读出平面4位于罐体1内，构成气体时间投影室，为探测器的核心部件。

场笼2设于罐体1内，场笼2为两端敞口的笼状结构，具体由铜环和电阻连接而成，铜环由特氟龙螺丝连接，形成场笼2的框架，电阻与铜环焊接连接，形成笼状结构。通过在铜环间焊接电阻，能够形成梯度下降的负高压漂移电场。

在其他实施方式中，场笼2也可以采用PCB电路板、阻性层镀膜等形式。

阴极板5设于场笼2内，并且与场笼2的敞口端面相平行。在工作过程中，阴极板5接负高压，以在场笼2内形成电场梯度。

在场笼2的敞口端面上设有读出平面4，由读出平面4提供中子位置。读出平面4为Micromegas气体微结构探测器，由数个微小的读出单元构成，以读出条方式读出，可以提供关于中子位置的高分辨率。读出平面4既可以设置在场笼2的一端，也可以设置在场笼2的两端。

在其他实施方式中，读出平面4也可以采用GEM、μ-Well的气体微结构探测器，读出方式可以为像素读出。

在阴极板5朝向读出平面4的端面上设有中子转换层6，中子转换层6为镀有B-10的涂硼网，可以设置一层，也可以设置多层，且涂硼网间的位置可调整。当在场笼2的两端均设置读出平面4时，阴极板5位于场笼2的中间位置，中子转换层6、读出平面4均关于阴极板5对称设置。对称性的设置可以减少探测器的漂移距离，并且提高探测效率。中子转换层6与读出平面4之间设有一定间隙，使中子转换层6与读出平面4脱耦合。

在其他实施方式中，中子转换层6也可以采用Li等中子俘获或者散射截面较大的材料。

罐体1的上端设有顶盖3，顶盖3与罐体1之间可拆卸地连接，便于拆装操作。罐体1的侧面设有导气孔，使整个装置可以在流气状态下工作。

本实施例中，罐体1和场笼2为长方体结构，便于在大面积中子探测装置中的排列布置。

如图4和图5所示，本实用新型的基于气体时间投影室的中子探测器，在工作过程中，探测器的阴极板5接负高压，探测器内带电粒子会沿着其飞行方向电离电子，之后电离电子在电场作用下漂移到读出平面4被进一步放大和收集。其具体工作过程如下：

探测器工作过程中充入工作气体，一般为惰性气体；入射的中子与探测器中的工作气体和中子转换层6发生相互作用产生带电粒子，不同能量的中子与探测器气体发生相互作用的截面不同，在热中子和超热中子区间则主要是与B-10发生相互作用产生反冲核子和α粒子。带电粒子在运动过程中会与探测器工作气体发生相互作用，沿着飞行方向电离气体损失能量。工作过程中位于场笼2中间的阴极板5加负高压，提供漂移电场，场笼2用于束缚漂移电场的方向，保证电离的电子能竖直漂向阳极读出平面4。读出平面4上的气体微结构探测器会收集、放大这些电子信号，从而完成一次探测。这样带电粒子的能量损失和粒子飞行径迹都会被记录下来，利用粒子径迹信息可以进行电子、α粒子、离子等的鉴别。对于更高能的中子，其在探测器中发生散射，反冲核径迹为中子的方向性探测提供了信息。

具体地，中子与硼网发生反应后生成α粒子，具体反应如下：

¹⁰B+n→⁷Li+α+2.792MeV

⁷Li+α+2.310MeV

α粒子电离罐体1内气体的电子，其电离的电子量正相关于α粒子的能量。利用高分辨率读出平面4和电子到达读出平面4的先后时间差，实现三维度粒子径迹的还原，计算其能量沉积速度，由此实现利用粒子径迹进行伽马本底和探测转化产物α粒子和反冲核信号的识别。

采用本实用新型的基于气体时间投影室的中子探测器，对热中子和超热中子分别进行了探测，结果如图6和图7所示。对于热中子和超热中子，探测器的效率可以达到40％。对于超热中子，对于不同数目的中子转换层6，均存在一个最佳转换层厚度，使得转换效率最大，可以根据需求调节中子转换层6的数目和厚度。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于气体时间投影室的中子探测器，其特征在于，包括罐体、场笼、阴极板、读出平面，所述罐体为密闭结构，所述场笼为两端敞口的笼状结构，所述场笼设于所述罐体内，所述阴极板平行于所述场笼的敞口面，所述阴极板设于所述场笼内，所述读出平面设于所述场笼的敞口端，所述阴极板朝向所述读出平面的表面设有中子转换层，所述中子转换层与所述读出平面设有间隙。

2.如权利要求1所述的基于气体时间投影室的中子探测器，其特征在于，所述场笼的两个敞口端均设有所述读出平面，所述阴极板设于所述场笼的中间位置。

3.如权利要求1所述的基于气体时间投影室的中子探测器，其特征在于，所述场笼包括铜环和所述铜环之间的电阻。

4.如权利要求3所述的基于气体时间投影室的中子探测器，其特征在于，所述铜环通过特氟龙螺丝连接，所述电阻与所述铜环焊接连接。

5.如权利要求1所述的基于气体时间投影室的中子探测器，其特征在于，所述中子转换层为镀B-10的涂硼网。

6.如权利要求5所述的基于气体时间投影室的中子探测器，其特征在于，所述涂硼网为一层或多层，所述涂硼网之间的间隙相等或不等。

7.如权利要求1所述的基于气体时间投影室的中子探测器，其特征在于，所述读出平面为Micromegas气体微结构探测器。

8.如权利要求1所述的基于气体时间投影室的中子探测器，其特征在于，所述罐体上设有可拆卸的顶盖。

9.如权利要求1所述的基于气体时间投影室的中子探测器，其特征在于，所述罐体的侧面设有导气孔。

10.如权利要求1所述的基于气体时间投影室的中子探测器，其特征在于，所述罐体、所述场笼为六面体结构。

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