CSNS中子谱仪探测器设计.ppt
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200mm×200mm
研发中子探测专用GEM膜—nTHGEM(谢宇广)
为什么研发中子探测专用nTHGEM 膜？----减少含氢材料使用
1. 热中子的散射
位置分辨变差
2. 伴随快中子反冲质子影响
伴随快中子
Copper
反冲质子
Insulator Copper
3. 孔间距与敷铜率对探测效率和位置分辨的影响
像 素 2cm，探测效率大于40%，容易 大面积扩展，位置分辨可提高， 综 合性能与3He探测器相当
大面积读出 电子学庞大
ESS, ILL,TUM, ISIS， IHEP
热中子探测效率约30%
探测效率低 PTI, Centronic， GE ，
GEM探测器的优势
核心优势：
作为一种微结构气体探测器，代表未来气体探测器的发展方向 高计数率(10MHz/mm2)，测量动态范围广
计数率测试@X 光机
X光机与测试现场 高压分配盒 探测器
铅屏风
牛津X 光机参数： 靶： 铜
特征X射线：8keV 工作电压：10-50keV 电流：0.1-1mA
X光机
探测器坪曲线、总计数率随X光机电流变化
中国计量院强流X光机测试
X光机 准直器 能量：60keV
X 射线单能光子源
单色器
准直器
GEM探测器 HV=-2250V
GEM中子探测器研究
1)，1,2)，周良1)，孙志嘉1)，胡碧涛2)，陈元柏1) 1)中国散裂中子源(CSNS)
1)
内容提纲
研究背景与科学意义 研究内容及关键技术 样机研制与测试结果 总结与下一步研究计划 致谢
广泛应用的中子技术
蛋白质结构
X散射技术
中子散射技术
储氢纳米管
可燃冰
天然气管道裂痕检测
国内三大中子科学平台未来对中子探 测器有着迫切的需求
中国原子能研究院先进研究堆- CARR
中国散裂中子源-CSNS
中子探测技术发展与现状
常用中子探测材料：3He，6Li，10B
小角散射谱仪
3He气体的来源：氚的副产物中获得3He：
中子探测器发展瓶颈： 3He气体短缺：美国限制
3He气体的出口，供应量是 原来的1/5，价格是原来的 20-30倍！ 计数率低：<100kHz
Specifications：
读出电子学与数据获取
采用二维信号符合的方法确定中子击中的位置，与重心法相比，不需要
读取电荷，速度快，包括模拟部分和数字部分：
模拟部分：由4片64路ASIC芯片(国外采购)完成，每一路包含前置放大器、成
形电路与比较器，输出带有时间戳和读出条ID的数字信号
数字部分：基于FPGA实现，中子击中时一般2~3个相邻读出条相应，通过信
中国原子能科学研究院CARR堆中子束流测试
反射谱仪： 单色器： 石墨 中子波长：4.75 /2.4 Å 出口通量：～5×103 n/cm2·s 束斑形状： ～20mm×40mm
TOF 测试
聚焦硅单色器焦距和焦斑测量
Ar/CO2
ｎ
ｎபைடு நூலகம்
Cu
a
a
关键技术：
10B Insulator
涂硼技术 磁控溅射镀膜
GEM膜 IHEP自研的THGEM
磁控溅射镀硼技术(北航和九院)
硼作为中子转换层的优点：
反应截面大，转换粒子能量高，固体转换层厚度薄(<3μm)，时间分辨高，天然存在易获得， 化学稳定，低Z Gamma不敏感
难点：属于非金属介质，熔点高(2076℃)，不易镀膜
号符合，挑选相邻且同时的事例，最终给出中子击中的位置与时间信息，数据
由网络端口传送至PC
ASIC
FPGA
DAC
探测器原理样机设计
探测器结构：
IHEP-BUAA 涂硼漂移电极
漂移区
IHEP-THGEM 感应区
系统布局：
ｎ
Ar/CO2 (90/10)
a or 7Li
1 kV/cm
4 mm
2kV/cm
2mm
二维读出电路
性能参数 有效面积 热中子注量率 位置分辨率 TOF时间分辨率 探测效率@1.8Å 总计数率
设计指标 50mm*50mm <109n/cm2.s <3mm(FWHM) <1μs ～5% >1MHz
通气口
DAQ –Box
面均匀性测试 @ 55Fe X ray
55Fe 放射源通过2mm直径准直孔对准探测器面 上5个点，分别测量5各点计数，5个点计数不 均匀性小于5%
可能方法：热蒸发(×)，电泳(×) ，CVD (√) ，ALD (√) 以及磁控溅射(√)
1. 漂移电极涂硼
Kapton
Copper
B-10
2. GEMd两侧涂硼
B-10 Copper
Ceramics Copper
p
B-10
技术要求：
基材：铜膜，硼结合牢固 厚度：~1um，厚度偏差小于5% 纯度：大于99%, 10B丰都大于90% 有效面积：50mm×50mm, 100mm×100mm,
dn
有效面积：50mm×50mm，100mm×100mm，200mm×200mm
B-10
单位
GEM 膜
绝缘介质
孔直径 孔心间距
铜厚
膜总厚
敷铜率ɳ
高压与信号引出
高压引出： 采用1路高压通过电阻链分配的方式同时为nTHGEM提供 多路高压。
HV-in
Cathode
nTHGEM
GND
信号引出：
nTHGEM
专用高压电源设计(手动控制)
研究目的：
高压电源靠近探测器，减少高压引入的噪声 小型化，提高系统集成度，便携，降低功耗，真空下使用
纹波小于20mV
专用高压电源设计(远程控制)
基于NI-SOM的网络控制, 运行实时Linux系统，集成 EPICS，精度16 bit(ADC/DAC)，功耗4W
Detector HV Module SOM Switch/PC
国际上3He替代中子探测技术比较
探测器类型
研究现状
技术瓶颈 研究实验室
6LiF/ZnS(Ag)
探 测 效 率 大 于 30%，位置分辨率约 1mm
γ抑制能力低
J-PARC，SNS，ISIS， IHEP
BF3管
网格探测器 (Multi-Grid) 内涂硼管
2atm BF3管，探测效率约30%
探测效率低 Centronic， ILL
涂硼GEM中子探测器应用和发展目标
束流测量：中子束监测器/诊断器，测量波长，强度及形状
涂硼漂移电极 漂移区 GEM 感应区
ｎ
Ar/CO2
a or 7Li
1 kV/cm
Replace
3kV/cm 二维读出电路
中子散射实验： 小面积、高精度谱仪探测器
涂硼GEM中子探测器
ｎ
涂硼漂移电极
漂移区 GEM 感应区
研发中子探测专用GEM膜—nTHGEM(谢宇广)
为什么研发中子探测专用nTHGEM 膜？----减少含氢材料使用
1. 热中子的散射
位置分辨变差
2. 伴随快中子反冲质子影响
伴随快中子
Copper
反冲质子
Insulator Copper
3. 孔间距与敷铜率对探测效率和位置分辨的影响
像 素 2cm，探测效率大于40%，容易 大面积扩展，位置分辨可提高， 综 合性能与3He探测器相当
大面积读出 电子学庞大
ESS, ILL,TUM, ISIS， IHEP
热中子探测效率约30%
探测效率低 PTI, Centronic， GE ，
GEM探测器的优势
核心优势：
作为一种微结构气体探测器，代表未来气体探测器的发展方向 高计数率(10MHz/mm2)，测量动态范围广
计数率测试@X 光机
X光机与测试现场 高压分配盒 探测器
铅屏风
牛津X 光机参数： 靶： 铜
特征X射线：8keV 工作电压：10-50keV 电流：0.1-1mA
X光机
探测器坪曲线、总计数率随X光机电流变化
中国计量院强流X光机测试
X光机 准直器 能量：60keV
X 射线单能光子源
单色器
准直器
GEM探测器 HV=-2250V
GEM中子探测器研究
1)，1,2)，周良1)，孙志嘉1)，胡碧涛2)，陈元柏1) 1)中国散裂中子源(CSNS)
1)
内容提纲
研究背景与科学意义 研究内容及关键技术 样机研制与测试结果 总结与下一步研究计划 致谢
广泛应用的中子技术
蛋白质结构
X散射技术
中子散射技术
储氢纳米管
可燃冰
天然气管道裂痕检测
国内三大中子科学平台未来对中子探 测器有着迫切的需求
中国原子能研究院先进研究堆- CARR
中国散裂中子源-CSNS
中子探测技术发展与现状
常用中子探测材料：3He，6Li，10B
小角散射谱仪
3He气体的来源：氚的副产物中获得3He：
中子探测器发展瓶颈： 3He气体短缺：美国限制
3He气体的出口，供应量是 原来的1/5，价格是原来的 20-30倍！ 计数率低：<100kHz
Specifications：
读出电子学与数据获取
采用二维信号符合的方法确定中子击中的位置，与重心法相比，不需要
读取电荷，速度快，包括模拟部分和数字部分：
模拟部分：由4片64路ASIC芯片(国外采购)完成，每一路包含前置放大器、成
形电路与比较器，输出带有时间戳和读出条ID的数字信号
数字部分：基于FPGA实现，中子击中时一般2~3个相邻读出条相应，通过信
中国原子能科学研究院CARR堆中子束流测试
反射谱仪： 单色器： 石墨 中子波长：4.75 /2.4 Å 出口通量：～5×103 n/cm2·s 束斑形状： ～20mm×40mm
TOF 测试
聚焦硅单色器焦距和焦斑测量
Ar/CO2
ｎ
ｎபைடு நூலகம்
Cu
a
a
关键技术：
10B Insulator
涂硼技术 磁控溅射镀膜
GEM膜 IHEP自研的THGEM
磁控溅射镀硼技术(北航和九院)
硼作为中子转换层的优点：
反应截面大，转换粒子能量高，固体转换层厚度薄(<3μm)，时间分辨高，天然存在易获得， 化学稳定，低Z Gamma不敏感
难点：属于非金属介质，熔点高(2076℃)，不易镀膜
号符合，挑选相邻且同时的事例，最终给出中子击中的位置与时间信息，数据
由网络端口传送至PC
ASIC
FPGA
DAC
探测器原理样机设计
探测器结构：
IHEP-BUAA 涂硼漂移电极
漂移区
IHEP-THGEM 感应区
系统布局：
ｎ
Ar/CO2 (90/10)
a or 7Li
1 kV/cm
4 mm
2kV/cm
2mm
二维读出电路
性能参数 有效面积 热中子注量率 位置分辨率 TOF时间分辨率 探测效率@1.8Å 总计数率
设计指标 50mm*50mm <109n/cm2.s <3mm(FWHM) <1μs ～5% >1MHz
通气口
DAQ –Box
面均匀性测试 @ 55Fe X ray
55Fe 放射源通过2mm直径准直孔对准探测器面 上5个点，分别测量5各点计数，5个点计数不 均匀性小于5%
可能方法：热蒸发(×)，电泳(×) ，CVD (√) ，ALD (√) 以及磁控溅射(√)
1. 漂移电极涂硼
Kapton
Copper
B-10
2. GEMd两侧涂硼
B-10 Copper
Ceramics Copper
p
B-10
技术要求：
基材：铜膜，硼结合牢固 厚度：~1um，厚度偏差小于5% 纯度：大于99%, 10B丰都大于90% 有效面积：50mm×50mm, 100mm×100mm,
dn
有效面积：50mm×50mm，100mm×100mm，200mm×200mm
B-10
单位
GEM 膜
绝缘介质
孔直径 孔心间距
铜厚
膜总厚
敷铜率ɳ
高压与信号引出
高压引出： 采用1路高压通过电阻链分配的方式同时为nTHGEM提供 多路高压。
HV-in
Cathode
nTHGEM
GND
信号引出：
nTHGEM
专用高压电源设计(手动控制)
研究目的：
高压电源靠近探测器，减少高压引入的噪声 小型化，提高系统集成度，便携，降低功耗，真空下使用
纹波小于20mV
专用高压电源设计(远程控制)
基于NI-SOM的网络控制, 运行实时Linux系统，集成 EPICS，精度16 bit(ADC/DAC)，功耗4W
Detector HV Module SOM Switch/PC
国际上3He替代中子探测技术比较
探测器类型
研究现状
技术瓶颈 研究实验室
6LiF/ZnS(Ag)
探 测 效 率 大 于 30%，位置分辨率约 1mm
γ抑制能力低
J-PARC，SNS，ISIS， IHEP
BF3管
网格探测器 (Multi-Grid) 内涂硼管
2atm BF3管，探测效率约30%
探测效率低 Centronic， ILL
涂硼GEM中子探测器应用和发展目标
束流测量：中子束监测器/诊断器，测量波长，强度及形状
涂硼漂移电极 漂移区 GEM 感应区
ｎ
Ar/CO2
a or 7Li
1 kV/cm
Replace
3kV/cm 二维读出电路
中子散射实验： 小面积、高精度谱仪探测器
涂硼GEM中子探测器
ｎ
涂硼漂移电极
漂移区 GEM 感应区