“裂变-电子收集”中子探测技术研究

Fission method is one of neutron measuring methods in common use, and usually it gets signals from fission fragments which leave from target material. The subject want to make a research on a novel neutron measuring technique, here we call it "fission electron-collection" technique. The difference from traditional techniques is that the new technique gets signals from the secondary electrons produced by the fission fragments in the fission material. Through optimizing the structure design and material choice, the detection system which employ this new technique have characteristics of little volume, flat energy response, fast time response, strong n/γ discrimination and wide dynamic range. Through developing simulation software based on Geant4 Monte Carlo toolkits, the research can make a simulation of full process from neutron incidence to electron collection, the simplifications and hypotheses can be reduced in physical model building. After mastering of the rules between the detector parameters and performance, the physical and mechanical design can be implemented, and the design scheme can be examined and optimized through the neutron and gamma irradiation experiment, then get the best parameters. The detection system based on this technique could be used in neutron measurement of many high flux radiation field, and could have a broad application.

裂变法是中子测量的常用方法之一，主要是通过探测离开靶物质表面的裂变碎片来获得测量信号，本课题拟对一种新型的中子探测技术进行研究，这里称之为"裂变-电子收集"技术，与传统技术的不同之处在于，该技术通过收集裂变碎片在裂变材料内产生的次级电子获取信号。通过优化结构材料和布局设计，可使采用该技术的探测系统具备体积小、能量响应平坦、时间响应快、n/γ甄别能力强和动态范围大的优点。课题研究采用蒙卡模拟的方法，编制基于Geant4工具包的模拟软件，完整模拟从中子入射到电子收集的探测过程，减少物理建模中的简化和假设，掌握探测器参数与性能之间的规律关系，随后进行探测系统的物理设计和机械设计，试制探测器并针对探测器性能进行实验研究，对设计方案进行验证和完善，获取最佳的性能参数。基于该技术的探测系统可应用于多种高通量辐射场中子测量，具有广泛的应用前景。

在ICF、核武器等强脉冲辐射源研究中，中子通量测量具有重要地位，其测量系统要求具备平坦的能量响应、快的时间响应和高的n/γ甄别能力。裂变是探测中子常用的反应之一，在特定能段内裂变截面变化较小，基于裂变的探测器具备实现能响平坦的潜力。.本项目提出的“裂变-电子收集”探测器是一种基于裂变的中子探测器，其主要由真空中的涂层电极和收集电极构成。涂层电极表面涂有裂变材料，收集电极用于收集裂变碎片在涂层内产生并逸出的电子，探测器工作于电流模式。本项目通过理论研究获得了对测量中各类物理现象特点的认识，掌握了探测器结构布局、参数设置与性能之间的规律关系，在此基础上进行探测器的物理及机械设计，完成原型机研制，利用实验对理论研究结果进行了验证。.理论研究表明“裂变-电子收集”探测器对中子能量响应的平坦程度与裂变截面类似，电荷收集时间在ns量级，对快中子的灵敏度大于10-21C∙cm2；逃逸的裂变碎片、电极材料选择及电极间距均不会对探测器输出产生实质影响；在一定范围内，中子灵敏度随涂层厚度增加而增加，超出此范围灵敏度趋于固定；通过优化电极参数可降低探测器γ灵敏度，提高其n/γ甄别能力。.实验研究表明，探测器对热中子和DT中子的灵敏度分别为1.33×10^-18C∙cm2和1.68×10^-20C∙cm2，对Co60源γ射线的灵敏度为1.79×10^-21C∙cm2。电压加载对探测器中子输出提升明显，而电压变化对探测器中子灵敏度影响不大。由于功能所限，现有模拟软件无法对本项目所涉及的能量范围及反应类型进行精确模拟，探测器对中子灵敏度的理论计算在给出规律性、趋势性结果时具有参考价值，精确数值应以实验标定数据为准。.通过理论和实验研究，本项目获得了对“裂变-电子收集”中子探测技术的基本认识：1）该技术无中间介质的能量沉积和转换过程，可较好体现裂变截面的平坦特性；2）探测器的真空环境中利于电子的收集，可获得较快的时间响应；3）可通过调整电极参数来抑制γ灵敏度，提高测量信噪比；4）探测器可以不加载电压直接收集电荷，作为无源探测器使用。.“裂变-电子收集”中子探测器适用于高强度（大于10^7n/cm2/s）、短脉冲（脉冲半高宽约100ns）的快中子通量测量，也适用于高强度热中子（大于10^5n/cm2/s）通量测量，在激光ICF、Z-pinch以及反应堆等大科学装置的中子测量领域具有广泛应用前景。