二维高分辨密闭GEM中子探测器研究

As an ideal probe to detect the structure and dynamics behavior of a matter,neutron scattering has been widely applied to many scientific fields. The neutron science facilities in CSNS, CMRR and CARR would need the neutron detectors which have large sensitive area, high detection efficiency and high position resolution.For the instrument with the measurement near beam, the detector should still have the measurement capacity of high flux. At present, there exist the global crisis of 3He supply and the urgent demand on the high resolution detector, especially on the detector alternative to 3He, used for many neutron scattering facilities which have been under construction and which will be in the construction. Based on the present conditions and the research, the project will do the further studies on the sealed GEM neutron detector with high resolution, develop the high temperature ceramic GEM and the ceramic PCB for signal readout, make the sealed detector working steadily with long time, realize all the key technologies made in China and improve the working life of the detector. It will lay the foundation to make the novel boron coated GEM neutron detector in true aplications.

作为研究物质结构和动力学性质的理想探针，中子散射技术已在众多学科领域研究中被广泛采用。中国散裂中子源(CSNS) ，中国绵阳研究堆(CMRR)和中国先进研究堆(CARR)等大型中子科学装置对中子探测器，要求具有大面积、高效率和高精度的探测能力，对于近束测量的谱仪对探测器还要求具有高通量在线测量能力。面对当前3He气体资源严重短缺国际形势，和国内一大批在建与即将建设的中子实验装置对高分辨中子探测器，尤其是能够替代3He的先进中子探测器，有着十分迫切需求，本项目结合国际上的发展方向和项目组现有的研究基础和条件，主要研究二维高分辨密闭GEM中子探测器，开发耐高温陶瓷GEM膜和陶瓷信号读出电路板，实现密封探测器长期稳定工作和相应关键技术的国产化，最终提高探测器的稳定性能和工作寿命，从而为涂硼GEM中子探测器这一新型先进技术真正走向应用奠定坚实的基础。

随着中子源技术的发展，中子通量朝着更高通量方向发展。中子谱仪对探测器提出了更高的要求：高分辨、高计数率、适用于真空环境等，而传统丝结构的3He探测器无法满足未来发展的需求。GEM(Gas Electron Multiplier)中子探测器作为3He多丝正比室的替代方案，具有位置分辨好、计数率高等优势，是未来中子谱仪探测器发展的重要方向，而如何实现探测器密闭是推动GEM中子探测器走向应用的“最后一公里”难题。本项目通过Geant4和Garfield++蒙卡模拟软件对探测器物理进行了理论研究，为探测器设计与优化提供了理论指导。通过对现有陶瓷GEM制备工艺优化和改进，成功实现了有效面积100mm×100mm可以120摄氏度烘烤的耐高温陶瓷GEM，为探测器烘烤除气实现密闭提供了保障。设计了128通道的二维柔性读出板和基于FPGA的快速读出电子学。在此基础上成功研制了一台有效面积100mm×100mm的密闭GEM中子探测器，通过在中国散裂中子源(CSNS)束流测试，结果表明探测器位置分辨好于2.77mm(FWHM)，系统最大计数率达到了1.2MHz。探测器能够长期稳定工作，658小时的稳定性测试中计数率波动小于0.25%(RSD)。该探测器是国际上首台密闭GEM中子探测器，项目组具有完全自主知识产权，并且实现了关键技术国产化，为今后国内提供高性能的新一代中子探测器奠定了坚实的技术基础。本项目圆满完成了所有研究任务，达到了项目研究的预期目标。