薄膜闪烁中子探测器的设计和实验研究

论文摘要

脉冲辐射场具有脉冲持续时间短、通量密度大等特点,现代的技术水平和探测手段不能区分脉冲中单个粒子的行为,探测器的输出信号只能反映大量粒子的平均电离效果,这类探测器称为电流型探测器。测量脉冲裂变中子总数的电流型探测器有三个重要指标：中子灵敏度、中子伽马灵敏度比和中子能量响应平坦度。薄膜闪烁中子探测器是近年来出现的一种测量脉冲裂变中子总数的新型电流型探测器。该探测器性能优越,具有较高的中子灵敏度、较高的中子伽马灵敏度比和较平坦的中子能量响应。论文工作分为探测器结构设计和灵敏度标定实验两大部分。在探测器结构设计部分,对闪烁体厚度、窗材料、偏转磁铁磁感应强度和闪烁体与光电倍增管的相对位置进行了蒙卡程序模拟或理论分析。研究结果表明：①闪烁体的厚度小于等于0.3mm时,中子/伽马灵敏度比大于10；且闪烁体厚度越薄,中子能量响应曲线越平坦。②γ射线穿过铁窗较铝窗产生的康普顿电子少,入射窗选择铁材料。③在铁窗后加磁感应强度为1000gs的偏转磁铁,可在6cm的半径内将1.25MeV的康普顿电子偏转。④光电倍增管轴线与闪烁体法线呈68°左右时,收集荧光的效率较高。为了研究探测器的性能,进行了三次灵敏度标定实验,实验结论如下：①伽马灵敏度标定实验屏蔽良好,测得的伽马灵敏度随闪烁体厚度的变化趋势与模拟计算基本一致,其中0.35mm厚的闪烁体的伽马灵敏度为1.42x10-14C.cm2左右。实验还验证了前窗磁铁的必要性,采取长后窗（后窗距离闪烁体30cm）的形式可避免后窗散射电子的影响,从而可以去掉后窗磁铁。②DPF D-D中子产额较高,中子与伽马射线飞行时间的差异大大降低了屏蔽的难度,标定信噪比都在1倍以上。D-D中子灵敏度随闪烁体厚度的变化趋势与模拟计算比较吻合。其中0.35mm厚的闪烁体D-D中子灵敏度标定结果为6.41×10-14C.cm2左右,该厚度的闪烁体中子伽马灵敏度比为4.52,推算到0.1mm时可达10倍左右。③D-T中子灵敏度标定实验中,散射本底严重,探测器屏蔽不充分,导致对于大多数厚度的闪烁体,信噪比都小于1,D-T中子灵敏度随闪烁体厚度的变化趋势与模拟计算差别较大。利用MCNP设计的新屏蔽体可将0.35mm厚的闪烁体的标定信噪比提高到10倍以上。实验研究表明,薄膜闪烁中子探测器的灵敏度约为10-14C.cm2,DD中子/伽马灵敏度比在闪烁体厚度为0.35mm时可达4.52,推算到0.1mm时可达10倍左右；模拟计算表明,0.1mm和1mm厚的闪烁体中子能响平坦度分别为0.374和0.136,平坦度约可提高3倍。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 中子探测的基本方法
• 1.3 常用的脉冲中子探测器
• 1.4 研究内容及论文结构
• 第二章 闪烁探测器
• 2.1 闪烁探测器工作原理
• 2.2 闪烁体发光机理及特性参数
• 2.3 光收集系统
• 2.4 光电倍增管基本原理
• 第三章 薄膜闪烁中子探测器的理论设计
• 3.1 薄膜闪烁中子探测器的探测原理
• 3.2 模拟程序的建立及论证
• 3.3 探测器设计
• 3.4 本章小结
• 第四章 薄膜闪烁中子探测器的实验研究
• 4.1 γ射线灵敏度标定
• 4.2 D-T中子灵敏度标定
• 4.3 D-D中子灵敏度标定
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录