基于GEM-TPC的快中子能谱仪的物理设计与模拟计算.docxVIP

基于GEM-TPC的快中子能谱仪的物理设计与模拟计算 清华大学工程物理系 黄孟 2012.12.14 内容提要 课题研究背景 nTPC探测器工作原理及优势 模拟计算方法与结果 nTPC测量平台介绍 课题研究背景 在许多科学研究和工程应用中，需要精确测量快中子能谱，如中子场参数的确定、热核聚变等离子体诊断等。 测量快中子能谱最常用的方法之一是核反冲法，可以归纳为两类：分别是基于闪烁体的核反冲法和基于气体探测器的核反冲法。 时间投影室(TPC)可以给出带电粒子的三维径迹及径迹上的dE/dx值，若工作气体中含有H，则入射的中子与其发生弹性碰撞后产生的质子会进一步电离形成径迹，而TPC通过记录反冲质子径迹和能量来反推出中子的能量。 nTPC探测器模型与工作原理 图1 nTPC探测器结构图 相比传统中子能谱仪的优势 nTPC工作气体同时也是中子-质子转换体，避免了使用转换膜造成的能量歧离； nTPC在中子入射方向上有很大的作用深度，同时整个端部读出探测器的面积都是探测质子的灵敏区域，可以实现较高的探测效率； 由于电子的dE/dx值明显低于质子的dE/dx值，可以据此区分γ事例和中子事例，实现较高的n/γ抑制比； 模拟计算方法 电子漂移速度 电子横向、纵向扩散系数 Garfield 中子散射 反冲质子的电离 Geant4 电子的漂移、扩散、吸附 Pad上信号的产生 反冲质子径迹的重建 中子能谱的计算 ROOT 模拟参数设置 表1 电子输运参数 图2 不同能量入射中子的探测效率 图3 不同能量中子产生的反冲质子径迹末端的空间分布 1MeV 2MeV 3MeV 4MeV 5MeV 6MeV 反冲质子性质研究 图4 反冲质子的反冲角分布 图5 反冲质子的能量分布 图6 反冲质子径迹径向长度的分布 反冲核 最大反冲能量Er 射程R 1H 5 MeV 263.49 mm 12C 1.420 MeV 2.32 mm 40Ar 0.476 MeV 581.94 um 表2 中子入射能量为5MeV时反冲核最大能量和射程 (MeV) (Degree) 反冲质子径迹的重建方法 按电子到达pad的时间生成信号，采样间隔为10ns，将信号的达峰时间用于径迹重建 以环形pad的中心为径向坐标，以信号达峰时间×电子漂移速度为纵坐标绘制反冲质子径迹 为了避免反冲质子径迹尾部的不规则引入的拟合误差，取径迹长度的0.8倍作为拟合长度 对拟合长度上的点进行直线拟合，直线的斜率即对应了质子的反冲角 图8 反冲质子的径迹重建 图7 环形pad上接收到的电子信号 达峰时间用于径迹的重建 质子反冲角 拟合径迹长=径迹总长×0.8 反冲质子径迹和中子能量的重建结果 图9 一条质子重建径迹和能量沉积分布 Bragg peak Recoil angle 图11 质子反冲角对中子能量分辨率(FWHM)和探测效率的影响 图10 中子重建能量散点图 径迹重建选用环形pad宽度为1mm 环形pad宽度对结果的影响 环形pad宽度 10mm 能量分辨率(FWHM) 5% 探测效率 1.3×10-3 图12 环形pad宽度对中子能量分辨率(FWHM)和探测效率的影响 （仅选取质子反冲角小于30°的事例） 图13 中子能谱（环形pad宽度为1mm） n/γ粒子鉴别 Eγ=50keV dE/dx曲线：反冲质子是连续的，光电子则是分离的； 能量沉积：反冲质子是0~5MeV，光电子则是0.4MeV。 Eγ=5MeV Eγ=500keV Emax=0.4MeV En=5MeV Emax=0.33MeV 图14 光电子的dE/dx曲线和在探测器中沉积的总能量谱 图15 反冲质子的dE/dx曲线和在探测器中沉积的总能量谱 Emax=5MeV 信号时间信息统计 peak locates around 200ns maximum reach about 6.8us 图16 单pad读出信号的脉宽分布 图17 反冲质子信号的时间跨度 径迹重建选用环形pad宽度为2mm 本底模拟 图18 nTPC本底模拟图 图19 进入工作气体的核素分布 图20 进入工作气体的H核来源 前端盖和漂移极PCB板开窗，尽管保留铜电极，但反应产生的反冲核只有极少量进入到工作气体中； 后端的GEM膜和读出PCB板虽然对中子有一定的散射效率，但反应产物是前冲的，很难从物理体中分离并进入工作气体，因此本底对真实信号的干扰十分微弱。 H核占绝大部分 工作气体产生的H核占绝大部分 GEM膜 漂移Cu电极 C核 Ar核 TU-TPC原型机与nTPC测量平台 图21 TU-TPC原型机 nTPC探测器 CASA前放板 DAQ数字化芯片 数据处理软件 图23 nTPC测量平台 图22 读出pad的排布 读出电路板 探测面积：10cm