基于GEM快中子探测器的模拟
暗物质粒子探测卫星中子探测器的GEANT4模拟
暗物质粒子探测卫星中子探测器的GEANT4模拟何明;马涛;常进;张岩;黄永益;藏京京;伍健;董铁矿【摘要】近几十年暗物质研究已逐渐成为天文学研究的重要领域之一,相关理论研究和试验项目日新月异,中国的暗物质粒子探测卫星正是在此背景下提出的.由于暗物质粒子探测卫星的探测对象涉及高能电子,为了减少其他带电粒子(主要是质子)被误认为是电子的事件率,必须采用适当的方法区分质子和电子.实验表明高能质子在BGO(锗酸铋)量能器内发生的强子簇射与电子在BGO量能器内发生的电磁簇射有明显的区别,且强子簇射通常伴随着大量的次级中子产生,通过测量BGO量能器底部出射的次级中子信号和入射粒子在BGO量能器中簇射的形状可以有效区分入射到BGO量能器的粒子是质子还是电子.介绍了暗物质粒子探测卫星中子探测器的构成以及探测原理,利用GEANT4软件,模拟了特征能量的质子和电子在中子探测器中产生的信号,并且总结出了中子探测器在不同电子接收效率情况下的电子、质子区分能力.【期刊名称】《天文学报》【年(卷),期】2016(057)001【总页数】8页(P1-8)【关键词】宇宙学:暗物质;仪器:探测器;技术:光测量【作者】何明;马涛;常进;张岩;黄永益;藏京京;伍健;董铁矿【作者单位】中国科学院紫金山天文台南京210008;中国科学院暗物质与空间天文重点实验室南京210008;中国科学院大学北京100049;中国科学院紫金山天文台南京210008;中国科学院暗物质与空间天文重点实验室南京210008;中国科学院紫金山天文台南京210008;中国科学院暗物质与空间天文重点实验室南京210008;中国科学院紫金山天文台南京210008;中国科学院暗物质与空间天文重点实验室南京210008;中国科学院紫金山天文台南京210008;中国科学院暗物质与空间天文重点实验室南京210008;中国科学院紫金山天文台南京210008;中国科学院暗物质与空间天文重点实验室南京210008;中国科学院紫金山天文台南京210008;中国科学院暗物质与空间天文重点实验室南京210008;中国科学院紫金山天文台南京210008;中国科学院暗物质与空间天文重点实验室南京210008【正文语种】中文【中图分类】P171近几十年暗物质研究已逐渐成为天文学研究的重要领域之一,相关理论研究和试验项目日新月异,我国的暗物质粒子探测卫星正是在此背景下提出的.暗物质粒子探测卫星的科学目标是:(1)通过在空间高分辨、宽波段观测高能电子和伽玛射线来寻找和研究暗物质粒子,间接测定其质量、湮灭截面或者是衰变寿命等重要的物理参量,并限定暗物质粒子的空间分布;(2)通过观测TeV以上的高能电子及原子核,力争在宇宙射线起源方面取得突破;(3)通过观测高能伽玛射线,从而在伽玛天文方面取得重要成果,并高精度检验或发现量子引力效应[1−2].如图1所示,暗物质粒子探测卫星载荷自上而下依次为:塑闪阵列探测器、硅微条阵列探测器、BGO量能器、中子探测器.整个探测系统实际构成了一个望远镜系统.顶部的塑料闪烁体探测器测量入射粒子是否带电;硅微条探测器阵列测量入射粒子的径迹; BGO闪烁体探测器是用来测量粒子簇射的形状和沉积的总能量;最底部是中子探测器,则是用来测量粒子在量能器底部出射的低能中子信号,辅助BGO量能器进一步区分入射是质子还是电子.2.1 中子探测器探测原理在原初宇宙线中,并没有中子成分.因此这里的中子探测器的设计并不是为了探测原初宇宙线的中子,而是测量宇宙线中的强子(主要为质子)与探测器物质发生作用后产生的次级中子,从而进一步区分入射粒子是质子还是电子.中子探测器由4块独立的塑闪烁体组成,闪烁体内掺杂1%的10B,塑料是良好的中子慢化材料[3].低能中子与塑料中的氢原子发生弹性碰撞后,快速衰减能量,称为慢化过程.在中子探测器中长时间慢化后,低能中子被慢化为热中子,而后热中子被中子探测器中的10B俘获[4].由于热中子与10B的中子俘获反应有很大的作用截面,发生核反应,见(1)式:核反应产生的α粒子会在中子探测器内沉积较高的能量,并在塑闪烁体内转化成荧光光子,这些荧光被光电倍增管收集,经过线性放大,形成电子学信号,其信号强度与沉积的能量有良好的线性关系,因此通过测量电子学信号可以分析在中子探测器内沉积的能量,从而分析入射到中子探测器内的低能中子数.试验证明质子的强子簇射中将产生大量的次级强子(其包含中子),而电磁簇射的次级粒子主要为电子和光子,少有中子,通常比质子产生的中子数目低一个数量级.同时电子学为了屏蔽掉由高能电子产生的带电粒子和伽玛射线对中子探测的干扰,设置了延迟门控开关.带电粒子入射到量能器产生击中信号几微秒之后测量到的信号主要来自中子的俘获反应,通过获取中子探测器中的能量沉积,可以分析出中子的个数[5],从而进一步利用模拟结果,分析入射到量能器的带电粒子种类,再结合BGO量能器获取的簇射形状[6−7],可以将质子与电子更为有效地区分开来.中子探测器的性能指标满足设计要求,中子探测器的寿命由探测器的元器件、材料以及工艺决定,探测器的寿命经过可靠性设计和相关工程试验验证,满足大于3 yr的实验要求.2.2 GEANT4模拟与分析2.2.1 GEANT4软件简介GEANT4是由欧洲粒子研究组织(CERN)主导开发的基于C++面向对象技术的蒙特卡罗应用软件包,主要计算粒子在探测器介质中的输运过程[8].许多大型物理实验都已采用GEANT4作为主要的物理模型模拟软件之一,其结果与真实结果比对,表现出良好的一致性,从而得到了广泛的认可.2.2.2 模拟中子探测器的方法分析目前GEANT4的最新版本(10.0)已经融合了大部分的中子反应截面实验数据和高能粒子物理模型包[9],其模拟的入射粒子能量上限可以达到100 TeV,而中子截面数据包也涵盖了10B原子的热中子俘获反应截面数据[10],可以正确地模拟暗物质粒子探测卫星的BGO量能器和中子探测器.2.3 中子探测器物理模型2.3.1 模拟µ子在探测器内的沉积能量宇宙线穿过大气时产生大量的次级粒子,其中µ子可以在实验室被探测到,因此通过模拟µ子在探测器内能量沉积谱可以验证我们建立的探测器模型[11].图2为模拟中子探测器被µ子击中后产生的荧光光子在探测器内的径迹,探测器几何模型和真实尺寸一致.GEANT4模拟所得的µ子能量沉积谱和荧光光子分布分别如图3和图4所示. 2.3.2 构建电子学模型通常认为探测器中的光子信号经过光电倍增管和放大器线性放大是理想条件下的,实际过程中,由于探测器内产生的光子频率有一定范围的波动,光电倍增管对不同频率的光子强度放大并不一致,且放大器的频响也不是完美的,会有一定的涨落.通常单一能量事件经过探测器电子学传输路径后,得到的信号分布呈现高斯分布[12],因此电子学模型主要是通过模拟结果和实际测量结果对比建立.假设其模拟结果经过一个高斯函数模型的卷积运算能够完美逼近实测信号输出谱,实际标定所得到的µ子信号输出谱如图5所示.通过设定不同参量的高斯函数,将模拟结果经过高斯函数卷积运算与实测结果逼近,得到基于最小偏差的高斯函数的参量[13−14].最优对比结果如图6所示.图6的下图为最优解情况下,模拟的µ子谱经过高斯函数卷积运算与实测的结果的绝对误差,误差最大处的值0.12,足够说明两曲线吻合得很好,同时证明了构建的探测器模型可以用来进一步模拟其他不同粒子.2.3.3 模拟电子和质子由于平均而言,质子在量能器中只沉积40%左右的总能量,并且,在实际实验中,我们只对沉积能量相同的事例进行比较,因此,我们选取了500 GeV的电子和1.5 TeV 的质子事件分别进行了模拟,并选取在BGO量能器中沉积能量相同的事例.这些事例在中子探测器中产生的光子数可以得到光子分布,再利用2.3.2节所得电子学模型得到信号输出谱,结果如图7～8所示.电子和质子模拟的目的在于得出中子探测器对电子和质子的区分能力,能够有效区分电子和质子是中子探测器的设计要求和初衷.由图7和图8对比可以看出,在BGO中沉积同样能量的电子和质子在中子探测器系统中得到的输出谱明显不同,现定义电子接收效率(Electron Acception)为:同时定义中子探测器的质子拒绝能力[15](Rejection Power)为:由2.3.3节中模拟结果可以得出质子拒绝能力和电子接收效率的关系,如图9所示. 由得到的中子探测器质子拒绝能力图可以看出,中子探测器在电子接收效率为50%时,质子拒绝能力为56.因此可以说明中子探测器在满足一定电子接收效率的前提下,可以有效地区分质子和电子.探测宇宙高能电子是一件很困难的事情,区分电子和宇宙线本底(主要是质子和氦核)需要特殊的探测器技术[16].中子探测器就是为了区分高能质子和电子而设计的.本文利用GEANT4模拟中子探测器µ子的沉积能谱和荧光光子分布,并结合实测结果验证了物理模型和电子学模型.而后利用模拟验证的物理模型和电子学模型进一步模拟高能电子和质子.由电子和质子的模拟结果表明中子探测器在电子接收效率为50%时,质子拒绝能力为56.足可说明中子探测器在满足一定电子接收效率的前提下利用中子探测器的信号可以良好地区分高能质子和电子.【相关文献】[1]蔡明生,郭建华,谢明刚,等.天文学报,2013,54:467[2]Cai M S,Guo J H,Xie M G,et al.ChA&A,2014,38:200[3]常乐,刘龙祥,王宏伟,等.核技术,2015,38:50403[4]Reiter A J H.Di ff erential Photoneutron Cross Sections of Light Nuclei for Neutron Dosimetry.Glasgow:University of Glasgow,2004[5]张国庆,李鹏波,李长园,等.核技术,2015,38:10501[6]郭建华,蔡明生,胡一鸣,等.天文学报,2012,53:72[7]Guo J H,Cai M S,Hu Y M,et al.ChA&A,2012,36:318[8]杜龙.基于6Li中子探测器的蒙特卡洛模拟及实验测量.上海:中国科学院上海应用物理研究所,2014[9]岳珂,徐瑚珊,梁晋洁,等.原子核物理评论,2010,27:445[10]吴冲,张强,孙志嘉,等.原子核物理评论,2012,29:173[11]Wolverton M.SciAm,2007,297:26[12]谢一冈,陈昌,王曼,等.粒子探测器与数据获取.北京:科学出版社,2003[13]张磊,郭建华,张永强.天文学报,2014,55:522[14]Zhang L,Guo J H,Zhang Y Q.ChA&A,2015,39:380[15]Drake D M,Feldman W C,Hurlbut C.NIMPR,1986,247:576[16]常进.工程研究—跨学科视野中的工程,2010,2:95。
基于GEM快中子探测器的n-γ甄别
基于GEM快中子探测器的n-γ甄别1.1中子信号的读出中子与转换层发生弹性散射作用，产生反冲质子，反冲质子在漂移区电离产生初级电子，初级电子到达GEM膜时的扩散程度与其漂移距离的平方根成正比。
图1.1记录了一个质子在漂移区引起电离产生的初级电子到达GEM电极时在GEM平面（x-y平面）上的位置信息。
图上的每一个点代表一个初级电离电子的位置。
图1.1清楚展示了反冲质子在漂移区的电离过程。
由于电子的漂移距离越大其横向扩散程度越大,质子在漂移区的起始点在y轴方向上应在大于-500um 处，结束点在约-2500um处。
因此，质子的运动方向反平行于y轴。
在实验中我们无法获得这些信息。
[13,14,15]图1.1 由一个质子引起电离产生的初级电子到达GEM平面时的位置信息图1.2是由一个质子在漂移区电离产生的初级电子从产生到漂移至GEM平面时的时间信息。
横轴是初级电子漂移到GEM平面时在y轴上的位置,纵轴是对应的初级电子从产生到漂移至GEM平面所需要的时间。
由于反冲质子的飞行速度很快,1MeV反冲质子穿过漂移区的时间不到0.5ns,可认为在漂移区中由同一个质子引起电离产生的所有初级电离电子同时被电离。
由图1.1和图1.2可知在距离GEM约4mm的漂移极附近产生的初级电子漂移至GEM膜约需要80ns,而在GEM膜附近产生的初级电子漂移至GEM膜仅需要几纳秒。
漂移区的电场近似为均匀电场,电子在其中的漂移近似为匀速运动。
因此电子的漂移时间与电子产生点到漂至GEM膜间的距离成正比。
图1.2 由一个质子引起电离产生的初级电子到达GEM平面时的时间信息1.2伽马信号的读出伽马射线与转换层材料通过光电效应，康普顿散射，电子对效应产生光电子，电子进入漂移区发生电离。
我们按照同样的方法对伽马射线产生的信号进行了模拟。
图1.3记录了一个电子在漂移区引起电离产生的初级电子到达GEM电极时在GEM平面（x-y平面）上的位置信息。
图1.3 由一个质子引起电离产生的初级电子到达GEM平面时的位置信息图1.4是由一个电子在漂移区电离产生的初级电子从产生到漂移至GEM平面时的时间信息。
多气隙电阻板室快中子探测器性能模拟
８ ６ ２
性气体（ 保证其工作在雪崩模 式下） 高压 加在 ， 最 外层 电阻 板 上 形 成 强 电场 ， 内层 电阻 板 电位
浮 置 。在 每层 内 电阻 板 上 贴 一 层 聚 乙烯 膜 ， 作
为中子转换 体 。当中子入 射时 ， 由于聚 乙烯 中
含 有 大量 的 氢 元 素 ， 中子 与 其 发 生 弹性 散 射 产
Hale Waihona Puke 生质子 ， 反冲质子在气体 中电离产生电子一 离子 团， 电子在强电场作用下雪崩放大 ， 在各个气隙 中作 漂移运 动 ， 在 读 出极 上 感 应 出 电荷 。探 并
在 电 阻 板 室 探 测 器 Ｉ Ｃ（ ｓｓｉｅＰａｅ Ｒｅｉｔ ｌｔ ｖ
Ｃ ａ ｅ 基础上发展起来 的多气 隙电阻板 室 ｈｍｂｒ ）
探 测 器 ＭＲＰ （ ｌ—ａ Ｒ ｓ ｔ ｅ ｌｔ Ｃ Ｍｕｔｇｐ ｅｉ ｉ Ｐａｅ ｉ ｓｖ
快 中子 的响应 灵敏度 。基本 原理是 在 ＭＲ Ｃ Ｐ 的电极玻璃表面加聚乙烯薄层 ， 中子与其相互
作用产生的次级质子进人工作气体中 ， ＭＲ 使 ～
Ｐ Ｃ的工作气体电离 ， 电离产生的电子和离子在 强 电场作用下 向两极漂移时在气体 中雪崩放大
并 在 收集 极 感应 出电荷 。 由于 中子 在 聚 乙烯 中
Ｃ ａ ｅ 具有结构简单 ， ｈｍｂｒ ） 探测效率高 （９ ） （５ ， 时间分辨率好（１Ｏ ｓ ， （Ｏ ｐ）价格低廉等优点 ， 广泛 应用于高能物理实 验 中。美 国能 源部 （ Ｏ ） Ｄ Ｅ
测器 的时 间分 辨 率 主 要 受 气 隙 厚 度 的影 响 ， 只
针对高探测效率热中子探测器的模拟研究陆年华清华
1.0
Detection Probability
Detection Probability
T=0.1um T=0.2um T=0.4um T=0.6um T=0.8um T=1.0um
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0
T=0.1um T=0.2um T=0.4um T=0.6um T=0.8um T=1.0um
9000 12000 15000 31000
150
Thickness (nm)
100
~208.65nm
50
0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Y (mm)
2018/8/22
Tsinghua University
19
Thanks for your attention!
2018/8/22
– 空间分辨率
– 计数率
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
2018/8/22
更好的探测系统？ 基于微通道板中子转换体
Tsinghua University
4
微通道板
D 12~13 μm P 15~16 μm
2018/8/22
Tsinghua University
厚度可以较小 带电粒子容易进入通道
– 可行√
2018/8/22 Tsinghua University 6
模拟研究
掺杂模型
镀膜模型
2018/8/22 Tsinghua University 7
模拟研究
• 模拟
– P1：中子在微通道板中消失的概率
基于MCP的快中子像探测器模拟研究
在类G4VProcess中被定义，不同的物理过程的设计在细节上是不同的。
（5）粒子和材料的定义
用于描述粒子和材料的物理特性来实现粒子与物质相互作用的模拟。粒子的 定义基于类G4ParticleDefinition
兰州大学
基于MCP的快中子像探测器模拟研究与设计
14
目录
一、选题背景 二、Geant4简介 三、 MCP的模拟研究与设计
基于MCP的快中子像探测器模拟研究与设计
9
设计概述
构成要素：事件产生器、探测器模拟、数据的重建和分析等 要求：(1)各个要素之间要有良好的交互窗口；
(2)这几个基本要素要能够被其它模块调用并使用。
设计理念（1）模块化
模块化的编写方式可以让使用者能够迅速 地调用所需的元素，提高了工作的效率
（2）灵活化
兰州大学
基于MCP的快中子像探测器模拟研究与设计
7
天体物理
Geant4简介
加速器 设计
粒子 物理
原子核物理应用探测器 Nhomakorabea设计医学 物理
辐射防护
兰州大学
基于MCP的快中子像探测器模拟研究与设计
8
Geant4简介
物理模型（核心）：包含了几乎所有的已知的粒子间相互作用（电磁
相互作用、弱相互作用、强子间强相互作用和光学现象）
Geant4简介
蒙卡方法：依靠重复的随机抽样以得到理想的数值结果
蒙卡方法解决问题的三个主要步骤： （1）构造或描述概率过程 （2）实现从已知概率分布抽样 （3）建立各种估计量
Geant4（for GEometry ANd Tracking）：基于蒙卡方法编写的程序
模拟粒子在物质中的输运过程的工具包，主要由粒子跟踪、几何模型、物 理模型和碰撞过程等几大模块组成。
基于GEM的高能X-CT探测的MCNP模拟
图 1 X 射线 CT 装置示意图 Fig.1 Schematic of X-CT system device
2 高能 X-CT 气体探测器结构模型
2.1 GEM 几何单元模型建立 GEM 探测器由阴极，GEM 复合膜，收集电极组成。GEM 探测器中最重要的部件是 GEM 膜，
GEM 膜微孔形状决定了微孔中电场的分布，进而影响 GEM 气体增益双锥形微孔可实现更高 的有效增益。一个标准的 GEM 膜材料的覆铜厚 5 µm，Kapton 膜厚 50 µm，孔间距 140 µm，孔 径 70 µm，见图 2。
Table 2 E = 1 or 2 MeV, photon and electron distribution of narrow X-ray beamthrough the thin metal film Cu materials
X 射线束 能/MeV
薄金属片 长度/cm
X 面光子 散射率/％
Y+面光子 直射率/％
由物理学中的吸收定律可知，当射线穿过靶材料时，它的强度由于与物质中原子相互 作用而衰减，衰减程度与物质厚度及其组成成分（或吸收系数）有关，其规律可表示为：
I
I0 exp
d
L
（1）
上式中 I 和 I0 分别为入射和透射光强度， d 为穿过物质的厚度， 为吸收系数。
A
N A
（2）
440
CT 理论与应用研究
0.18 0.15 0.12 0.11 0.09 0.23 0.21
E=2
6.00 8.00 10.00
29.10 36.80 43.60
70.80 63.00 56.10
29.60 37.40 44.40
闪烁光纤在快中子辐照下部分特性的蒙特卡罗模拟
根 据 实 际情 况 ， 计算 ０ １Ｍ Ｖ一１ ． Ｖ ． ｅ ４ １Ｍｅ
之间的中子照射， Ｇ ａｔ 在 ｅｎ ４模拟中对每次计算 运行 １ ０ ０次事例进行抽样 ； ００ ０ ０ 阈值范围选择
半径 为 ０ ０ １ｃ 的圆面 。 ． ０ ｍ
光纤长度 ， 效率提高并不显著 ， 其在 ２ ｍ处效 ０ｃ
以及价格便宜等诸多优点 ， 在快中子照相领域
正扮 演 越 来 越 重 要 的 角 色 。本 文 通 过 模 拟 计 算 ， 闪烁 光 纤 在 快 中子 辐 照 下 的部 分特 性进 对
入射中子 ， 使得闪烁光纤探测效率较高 。模 拟
时选 择光 纤长 度 为 １ ｍ， 径 为 ０ ０ ｍ， ０ｃ 半 ． ５ｅ 中 子能 量在 １ ｅ ２ Ｖ之 间变化 ， ０ｋＹ一 ０Ｍｅ 结果 如 图 ４所 示 。可 以看 到 ， 射 能量 小 于 ２Ｍｅ 能量 入 Ｖ， 沉 积效 率 变化缓 慢 ； 之后 随着 入射 能量 的增 加 ，
Ｍｅ Ｖ几种 情况 ； 闪烁 光 纤 长度 从 １ｃ 开 始 ， ｍ 选
图 １ 探测器几何结构示意 图
图 中光 纤 的几何 中心 与探 测 器 空 间 （ 方 长
体） 的几何 中心相重叠 ， 直角坐标 系如图 中所 示 ， 中 ｚ轴沿光纤 中心轴 向， 其 ｘ轴和 Ｙ轴则
是 沿光 纤 径 向 。对 于 中子 源 的位 置 选 取 沿 ｚ 轴 方 向对 准光 纤 探 测器 中心位 置 ， 离探 测器 距
１ 模型 的建 立
计算 中我们选 择 的闪烁光 纤型号 为美 国
Ｓ ＩＴ—Ｇ Ｂ Ｉ 圣 戈 班 公 司 生 产 的 Ｂ Ｆ一 ＡＮ Ｏ ＡＮ Ｃ
２ ０阻
，
（ ４ ６６ ４ ） 中国博士后科 学基 金资助项 目。 １０ ０ ０ Ｍ１８ ， １ 作者简介 ： 马庆 力 （ ９５一） 男 ， １７ ， 回族 ， 庆人 ， 重 解放
GEM探测器介绍
GEM探测器介绍本工作主要使用GEM 探测器作为探测中子的平台。
本章首先介绍GEM 探测器的发展，接着介绍GEM探测器工作原理，最后介绍GEM 探测器的基本性能参量。
1.1GEM探测器的发展与应用气体电子倍增器GEM(Gas Electron Multiplier)是欧洲高能物理中气体探测器研发室在20世纪90年代后期开发出的一种新型的气体探测器。
其基本部件是在两面敷铜且在其上蚀刻出大量微孔的聚酰亚胺(kapton)膜，并在两侧铜面上加高电压。
电子在孔内雪崩，对原初电离进行放大。
典型的GEM是由漂移电极．一片或多片GEM复台物薄膜网格和PCB(Printed Circuit Board-印刷电路板)读出电极组成，密闭在气室中的探测器。
随着近代探测技术的发展，对探测器提出了更高的要求：计数率更高，更高的位置分辨率、时间分辨率、抗辐射性、抗磁场和双径迹分辨等。
传统以丝型为主的气体探测器已经不能适应其探测要求，暴露出很多不足，比如正离子渡越时间信号为慢上升时间且延迟时间长等缺点。
GEM探测器的性能优越性主要表现在耐辐照能力强，有效增益可达106-107，位置分辨好于63μm，能量分辨率为 17%@55Fe，，计数率达 107mm-2s-1，灵敏区在 5 cm2-5 m2 区域可调，输出信号是由纯电子产生的，没有正离子带来的拖尾。
1.2GEM探测器的工作原理如图3.1所示为含有单级GEM膜[6]的示意图。
它的电子放大是用图3.1中的具有微孔的制造柔性印刷电路板所用的双面覆铜聚酰亚胺薄膜来完成的。
典型的GEM膜是在厚50微米的聚酰亚胺(kapton)膜的上、下表面各敷厚5微米的铜层，并在其上蚀刻直径为70微米，布局呈三角形，各孔中心距为140微米微孔的一种复合膜。
微孔内部形状为双圆锥形。
当用更厚的膜时，孔的直接和间距都要相应的加大。
图3.1 ：GEM膜孔规格如图3.2所示为以单级GEM膜为电子放大器的探测器的设计安排。
高纯锗探测器探测效率的MCNP模拟.pdf
论文分类号：O571单位代码：10183 研究生学号：2006322060 密级：内部吉林大学硕士学位论文高纯锗探测器探测效率的MCNP模拟The MCNP Simulation of HPGe Detector Efficiency作者姓名：张建芳专业：粒子物理与原子核物理研究方向：核技术应用指导导师：赵广义副教授培养单位：物理学院2009年3月高纯锗探测器探测效率的MCNP模拟The MCNP Simulation of HPGe Detector Efficiency作者姓名：张建芳专业名称：粒子物理与原子核物理指导教师：赵广义副教授学位类别：理学硕士答辩日期：2009年月日未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限）。
否则，应承担侵权的法律责任。
吉林大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名：日期：年月日《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》投稿声明研究生院：本人同意《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》出版章程的内容，愿意将本人的学位论文委托研究生院向中国学术期刊（光盘版）电子杂志社的《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》投稿，希望《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》给予出版，并同意在《中国博硕士学位论文评价数据库》和CNKI系列数据库中使用，同意按章程规定享受相关权益。
论文级别：□√硕士 □博士学科专业：粒子物理与原子核物理论文题目：高纯锗探测器探测效率的MCNP模拟作者签名： 指导教师签名：年 月 日作者联系地址（邮编）：吉林大学物理学院 130023作者联系电话：*************内 容 提 要论文由四部分组成，分别为引言、原理、蒙特卡罗方法以及MCNP程序的介绍、数学建模和数据分析。
Micromegas探测器测量快中子的蒙特卡罗模拟
பைடு நூலகம்
作者 简介 ：汪珊珊 （ １ ９ ７ ９ － ） ，女，四川成都人，讲师，硕士，研究方 向：原子 团簇物理及粒 子束应 用物理 ； Ｅ ｍａ ｉ ｌ ： １ ７ ９ ２ ７ ４ １ ＠ｑ ｑ ． ｃ ｏ ｍ；
ｔ ｗ ｉ ｎ ｋ ｌ ｅ ｌ ３ ３ ＠ｌ ６ ３ ． ｃ ｏ ｍ
第３ ９ 卷第 ５ 期
南 学学 自 学 １ Ｊ ｏ ｕ ｍａ １ ｏ ｆＳ ｏ ｕ ｔ ｈ ｗｅ ｓ ｔＵｎ ｉ ｖ ｅｒ ｓ ｉ ｔ ｙｆ ｏｒＮ ａ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｌ ｉ ｔ ｉ ｅ ｓ Ｎａ ｔ ｕ ｒ ａ １ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅＥ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ
模 拟中暂时不考虑金属 网和倍增区， 这是 因为在该项模拟中， 只计算在转换材料 中产生的质子飞如漂移 区以及 其在漂移区产生 电子－ 离子对的过程． 与文献 ［ Ｊ 】 中的设置相 同， 在模拟中将 漂移区的厚度设置为 ３ 毫米， 漂移区 气体为一 定比例的 Ａ ｒ 气和二氧化碳气体的混合．同时为 了精确描述漂移区内气体 的密度， 设定探测器的温度为 ３ ０ ０ Ｋ ， 压力为 １ 个标准大气压． 此外， 漂移区的 电场为 １ ｋ ｖ ／ ｃ ｍ 的静 电场， 这与文献［ 中的设置也是一致 的． 在 模拟程序 中， 每一个在转换材料中产生的质子在穿越转换层和漂移 区之 间的界面时都会被记录到数据文件 中． 在基于 Ｇ ａ ｒ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ的模拟程序 中， 探测器 的 ２维纵向剖面图见图 １ ．
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闪烁探测器在快中子探测方面的应用研究
闪烁探测器在快中子探测方面的应用研究
黎鹏
【期刊名称】《科技广场》
【年(卷),期】2013(000)002
【摘要】目前对快中子的探测主要有两种方法:一是将快中子慢化后进行探测,此种方法比较常用的探测器有3He正比计数管、BF3正比计数管等；一种是对快中子进行直接探测,这种方法常用的探测器是闪烁探测器.本文对用于快中子(能量大于1KeV)探测的闪烁探测器的种类及性能、应用等进行了综述,并简单讨论了中子探测的发展趋势.
【总页数】4页(P12-15)
【作者】黎鹏
【作者单位】东华理工大学核工程与地球物理学院,江西南昌330013
【正文语种】中文
【中图分类】TL812;TL816+.3
【相关文献】
1.提高Y01型γ闪烁探测器探测效率和测量精度的研究 [J], 杨其京
2.用于微中子震荡实验的液体闪烁探测器的探测效率研究 [J], 毛泽普;仲国
庆;Leung R;邓炳坤
3.双通道闪烁探测器探测脉冲中子技术 [J], 范锐锋;马景芳;艾杰;戴红跃
4.双通道闪烁探测器探测脉冲中子技术 [J], 范锐锋马景芳艾杰戴红跃
5.用于脉冲伽马探测的散射式闪烁探测器 [J],
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基于GEM快中子探测器的模拟
1.1GEM模拟研究
1.1.1电子在GEM孔中的雪崩效应
图1.1展示了两个电子分别在GEM孔中发生的雪崩效应，产生了大量的电子和离子。
通常电子的漂移速度比离子的快三个量级，所以它能快速通过GEM 孔到达收集区并产生快时间信号。
在漂移区入射粒子电离产生的初级电子在电场的作用下沿着电场线穿过GEM中在GEM产生的电场中，初级电子开始增殖，诱发雪崩。
图1.1两个电子在 GEM 孔中发生雪崩效应
1.1.2电子在GEM孔中的雪崩效应
漂移运动是指由宏观电场引起电子的定向移动。
定向移动的速度叫做漂移速度。
图 1.2描述了电子在混合气体中随漂移区电场的速度变化曲线，它包含三个部分：
1．当漂移区电场小于 1 KV/cm 时，电离电子一方面在与气体原子发生碰撞中损失能量又在两次碰撞之间从电场中获得能量，当电子在碰撞中损失的能量等于从电场获得的能量时，电离电子达到了动态平衡，此时电离电子的平均动能要比没有电场时的热运动能量大得多。
所以电子随机运动产生了一个与漂移区电场方向相反的新场，这种情况下电场越强，电子运动越混乱，反向电场也越强，最终使得电子的漂移速度随着电场增强而降低。
2．当电场大于 1 KV/cm 小于 3 KV/cm 时，电子漂移速度保持一个相对稳定的值。
这是因为电子随机运动引起的逆电场与漂移区电场基本相当。
所以电子在这一区域中的速度波动不大，所以速度曲线在 1-3 KV/cm 有一个小坪台。
3．随着漂移区电场持续增大，使得所有的电离电子的运动方向趋于一致，且速度随漂移区电场呈指数上升。
图 1.2电子漂移速度随漂移区电场的变化
1.2 Geant4简介
Geant4是欧洲核子研究中心(CERN)开发并于1999年开始公布的一个大型高能物理探测器模拟程序，是采用当代先进的面向对象程序设计技术的C++语言编写的。
该软件包提供了探测器几何描述、跟踪粒子在探测器介质中传输、探测器灵敏单元的响应、事例的管理、对象的存储、三维图形显示等工具，利用这些工具，用户可以精确的定义复杂探测器的几何结构和材料组成，可以模拟已知粒子与探测器介质之间各种可能的相互作用，可以用三维图形的方式查看探测器的几何结构以及粒子在探测器中的径迹。
Geant4不仅能够用于高能物理模拟，同时也可以应用于核技术领域的其他方面。
本文中模拟的平台是Ubuntu Linux，采用最新的Geant4.9.6版本。
Geant4程序模拟的基本流程如图1.3。
图1.3 Geant4程序模拟的基本流程图
1.3基于GEM的快中子探测器
GEM探测器不仅能够用来探测带电粒子，也能用来探测中子。
中子属于中性粒子，不直接与探测物体发生电离作用，所以要对中子进行探测必须要把它转
化为一种可探测的粒子，比如质子，阿尔法离子等带电粒子。
一般对热中子(∼0.0025 eV)的转化层使用具有高热俘获截面的B-10、Li-7和He-3。
但是对于能量比较高的中子，则需要用富含H的物质来探测，比如聚乙烯；一方面是因为H 核的散射截面大，另一方面是因为靶核越轻，散射时从中子获得的能量越多。
对于14 MeV 的中子来说，一般为聚乙烯膜（PE）或者高密度聚乙烯膜（HDPE）。
典型的中子探测器的组成部分为：一层或者多层转化材料和GEM膜，探测器通过探测中子转化的带电粒子作为中子的探测标签。
在本文中我们使用了高密度聚乙烯膜作为转化材料，把中子转化为质子，通过测量带电粒子间接的获得入射中子的信息。
1.1.1探测器描述
在我们的模拟工作中，GEM作为中子探测器的结构示意图如图1.1. 通过Geant4模拟，对基于 GEM 技术的中子探测器进行了建模和模拟。
在充分尊重实际情况的基础上，对模型进行了一些简化处理：使用一个标准的GEM膜作为基本的探测器，漂移区和收集区的宽度为 4 mm，并把他们设置为灵敏探测器。
由于我们只关注中子在探测器中产生的次级粒子以及它们在探测器中的沉积能量，所以GEM 没有微孔，工作气体是标准大气压下的Ar和CO2的混合气（它们比例可调），详细的建模尺寸、组成成份见表 3-1。
中子源主要是14MeV的单能中子源，中子源放置在距离探测器中心位置 10 cm 的地方，入射中子沿Z 轴正向垂直进入探测器，每次模拟使用5.0×105个各向同性的中子，模拟中子与物质发生作用的物理过程使用QGSP_BERT_HP[8]物理库。
局部模拟图如1.6所示，绿色代表中子，蓝色代表反冲质子，在质子经过的路径上与气体发生碰撞电离产生了大量的红色径迹，它们是电离电子和δ电子。
图 1.3中子在 GEM 探测器输运的局部示意图，绿色代表中性粒子，如中子，光子；蓝色代表带正电的离子，如反冲质子， Ar40 离子等；红色代表次级粒子在气体中发生碰撞电离产
生的电离电子或者高能δ电子。
表 3-1 几何尺寸和探测器的组成成份，X 和Y 方向为 10 cm
1.1.2物理过程描述
首先，当14MeV的中子射入探测器，与高密度聚乙烯膜（HDPE）发生弹性散射作用产生反冲质子。
当质子的能量足够大时，反冲质子在高密度聚乙烯中经直线连续慢化后飞出转化层进入漂移区。
然后，反冲质子在漂移区里与工作气体发生相互作用损失部分能量，使工作气体电离产生初级电子-离子对，产生的初级电离电子在电场的作用下沿电场方向漂至GEM膜。
在质子运动的每一步中，当质子损失的能量大于气体的平均电离能时,气体被电离,产生初始电子-离子对。
由Garfield中模拟的结果，可以知道电离能的分布函数如图 1.7.电子在漂移过程的横向与纵向扩散可以简单的看成两个高斯分布函数[9-12]。
图1.7 在Ar/CO2中气体电离能的分布
最后,所有的初级电离电子在电场作用下穿过GEM膜进入放大区,雪崩放大,雪崩电子最终在输运过程中在PCB电极板上产生感应电信号。
通过对电信号的收集,间接获得入射粒子的位置信息。
在本论文中我们只考虑了电子在漂移区内的运动，其他过程并没考虑。
利用Garfield中模拟结果,可将倍增电子的对数和雪崩的大小看作两个高斯分布函数[11,12]。
在我们的模拟，没有考虑由正离子感应产生的信号、空间电荷效应、微网对电子通过时产生的影响以及电子学噪声对最终收集到的信号的影响。
同时，我们假设每个进入GEM膜后经倍增放大的电子都可以被收集。