基于微通道板的快中子像探测器转换器的模拟研究.PDF

第 38 卷 第 9 期 核 技 术 Vol.38, No.9 2015 年 9 月 NUCLEAR TECHNIQUES September 2015 基于微通道板的快中子像探测器转换器的模拟研究 冉建玲 1 卢小龙 1,2 马占文 1 王 伟 1 张 杰 1 王 洁 1 孟繁良 1 张 宇 1,2 姚泽恩 1,2 1 （兰州大学 核科学与技术学院 兰州 730000 ） 2 （兰州大学教育部 中子应用技术工程研究中心 兰州 730000 ） 摘要 提出了一种由聚乙烯(Polyethylene, PE)转换器、微通道板(Microchannel Plate, MCP) 电子增强器和CCD (Charge-Coupled Device)相机组成的快中子照相像探测器新方案。采用 Geant4 软件模拟研究了 14.5 MeV 快中 子入射在 PE 转换器上的出射质子产额、能谱随 PE 厚度的变化规律，确定了 PE 转换器的厚度范围和转换效率 等重要参数。模拟结果显示，PE 转换器的厚度应该选择在 2.5 mm 左右，此时的转换效率约为 0.37% 。采用 Geant4 软件模拟了 14.5 MeV 快中子入射在 PE 转换器的质子输运和质子在 MCP 中电子的产生和倍增过程，给 出了MCP 输出的电子束斑图像。模拟结果显示，由 PE 和 MCP 组成的转换器系统能将入射的快中子转换成电 子束斑点阵信息，各电子束斑之间的界限清晰，单孔电子束斑直径略大于 MCP 孔径，即电子束斑点阵像素可 以达到MCP 孔径量级。 关键词 快中子照相，聚乙烯转换器，微通道板，电子增益，空间分辨 中图分类号 TL99 DOI: 10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.090401 中子照相可检测X 射线照相无法检测的被重元 Micomegas 探测器[15−16]、聚乙烯(Polyethylene, PE) 素物质包裹着的轻元素物质的分布及内部缺陷[1] 。 转换器加半导体阵列探测器[17]等多种形式的快 中子照相一般分为冷中子照相、热中子照相、共振 中子像探测器。采用光纤闪烁体转换器和 CCD 中子照相、快中子照相等几种类型[2−6] 。其中，热中 相机的探测器空间分辨只达到 1−2 mm[13] ； GEM 子照相研究较多，已发展出较完善的热中子照相的 和 Micomegas 探测器对 γ射线较敏感，且气体雪 像探测器和成像技术[3,7] 。与热中子照相相比，快中 崩放电会导致位置分辨下降。 子能量高，穿透能力强，能处理更大体积样品的中 在早先的研究中，微通道板 (Microchannel 子成像检测问题，具有更广泛的应用前景[6,8−10]。 Plate, MCP) 已成功用于带电粒子的二维位置信息 快中子照相系统研究涉及小型化快中子源、像 的探测[18] ，并达到了较高的二维位置分辨。本工 探测器、图像重建算法等基本问题。其中，D-T 聚 作将 PE 快中子-质子转换器和 MCP 的高位置分 变反应在低的氘束流能量下即可实现高的快中 辨及高电子倍增相结合，提出一种新型二维快中 子产额[11] ，采用中子产额为 1011 n·s−1 的 D-T 加 子像探测器系统，希望将快中子照相的二维空间 速器中子源可以产生满足快中子照相所需的能 分辨率提升到微米量级。本文主要是通过蒙特卡 量约为 14.5 MeV 的快中子束[12