基于“裂变-电子收集”原理的中子、gamma联合探测技术研究

Measurement of neutron/gamma information in pulse mixed field is an important means in the study of evolution characteristics for pulse radiation sources. "Fission electron-collection" neutron detector has fast time response and flat energy response, but it also give signal for the gamma rays, the improvement of SNR is difficult. The detector sensitivity is very low, limited its usage scenarios. This project intends to develop a new neutron/gamma joint detecting technique based on “fission electron-collection” principle. Its neutron signals come from secondary low-energy electrons of fission fragments, gamma signals come from secondary high-energy electron of gamma rays, and the low energy electrons are separated by the established electric field and are multiplied to solve the problems of both SNR and sensitivity are low. At the same time, the joint detection of gamma rays is achieved..In this project, the law of electron generation and distribution will be acquired first by theoretical calculation, and the electric field emulation and electron transport simulation are carried out to obtain the optimized electrodes design. On this basis, the physical & mechanical design and manufacturing work are performed for the detector prototype. By neutrons and gamma rays calibration experiments, the theoretical results will be verified and the design will be optimized. Through this project research, the basic understanding of new detection technology will be obtained, as well as the technologies of physical analysis, structural design, prototype manufacture and calibration experiment.

测量脉冲混合辐射场中的中子/gamma信息，是研究辐射源演化特性的重要手段。“裂变-电子收集”中子探测器具有时间响应快、能量响应平坦的特点，但其对gamma射线有输出，信噪比提升困难，该探测器灵敏度很低，使用场景受限。本项目拟发展一种基于“裂变-电子收集”原理的新型中子/gamma探测技术，其中子信号来自裂变碎片次级低能电子，gamma信号来自gamma次级高能电子，构造电场分离低能电子并倍增放大，解决上述中子测量信噪比低、灵敏度低的问题，同时实现gamma射线的联合探测。.本项目首先利用理论计算获取电子产生和分布的规律，构建模型进行电场仿真和电子输运模拟，反复迭代获得优化电极设计。在此基础上完成探测器原型机的设计和制造工作。通过标定实验研究，验证理论结果并优化、完善设计方案。本项目研究可获得对于新型探测技术的基本认识，掌握相应探测器的物理分析、结构设计、原型机制造和实验标定技术。

在高能量密度物理、新一代核能以及中子物理学研究涉及的大科学装置上，会产生极高通量的脉冲混合辐射场，通常这种混合辐射场的主要成分是中子和gamma 射线。对脉冲辐射测量，输出电信号的探测系统工作在电流模式下，现有探测系统对中子响应电流与对gamma射线的响应电流混合在一起难以区分，因此中子和gamma射线互为本底、互相干扰，区分中子和gamma各自的输出电流是一个长期难以解决的问题。本项目研究为区分二者，实现脉冲混合辐射场中中子和gamma射线的高精度测量提供了一条新的技术思路和途径。.项目研究目标：基于“裂变-电子收集”原理，采用电场筛选不同信号电子的新技术途径，对瞬发混合辐射场中中子和gamma的联合探测进行探索。主要研究内容：通过对不同来源电子特性的理论分析和数值计算，设计各电极构型；结合电场和输运模拟获得的电子空间和能量分布，确定电子倍增器件，完成探测系统整体物理设计和机械设计；开展探测系统样机制造和调试工作；通过中子和gamma射线标定实验，得到各类探测效率和输出电流等关键数据，分析不同类型本底的来源和影响。.重要结果和关键数据：在探测系统样机设计阶段增加中子信号电子漂移筒，以更好地实现引出的中子信号电子在无电场区内飞行。根据数值模拟结果，选择滨松公司的F2226型MCP作为电子倍增器件，结合电子引出和偏转要求，确定了各个部件加载电压的数值。探测器整体设计综合考虑了提升中子信号电子收集效率、抑制gamma电子到达MCP位置的各种措施。中子标定实验测量到的MCP最大输出为402.7nA，对应有效放大系数为3.76×10^3，探测系统对中子信号电子的收集效率为68.07%。gamma实验涂层电极直接输出电流接近20pA，MCP输出电流大于40nA，实验结果表明真空腔体内存在较多可被kV量级电场影响的低能电子，分析认为是由周边物质散射gamma射线产生。综合理论和实验研究结果，在混合场中进行测量时，源gamma射线在周围环境物质上散射后产生的低能电子是主要本底来源。在实际应用中，应对探测系统整体做好屏蔽。