基于_6lif_zns_ag_闪烁体波移光纤读出中子探测器模拟研究

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1、第４１卷第２期２０１２年３月内蒙古师范大学学报（自然科学汉文版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｖｏｌ．４１Ｎｏ．２Ｍａｒ．２０１２基于６ＬｉＦ／ＺｎＳ（Ａｇ）闪烁体波移光纤读出中子探测器模拟研究吴冲１，张强１，张鹏１，孙志嘉２，唐彬２，王拓１（１．中国石油大学（北京）理学院，北京１０２２４９；２．中国科学院高能物理研究所实验物理中心，北京１０００４９）摘要：利用ＧＥＡＮＴ４构建二维位置灵敏型闪烁体中子探测器模型，

2、并对探测器的关键性能进行了系统的模拟研究．计算结果表明，采用双层闪烁屏与波移光纤作为夹层的“三明治”式结构探测器，其热中子探测效率可以达到４９．１％．模拟和实验均表明：探测器具有较好的ｎ／γ抑制能力，γ灵敏度小于１０－５；中子位置分辨率随着光纤芯间距和光纤与闪烁屏距离的减小呈现减小趋势，本征空间分辨率最好可以达到Ｘ轴０．０８ｍｍ，Ｙ轴０．１２ｍｍ；光纤与闪烁屏之间采用空气耦合位置分辨率好于硅油耦合．模拟结果与部分实验结果的对比验证显示，探测器具有较好的二维成像能力．关键词：６ＬｉＦ／ＺｎＳ（Ａｇ）闪烁体

3、；热中子探测；ＧＥＡＮＴ４；波移光纤；中国散裂中子源中图分类号：Ｏ５７１．５３文献标志码：Ａ文章编号：１００１－－８７３５（２０１２）０２－－０１６３－－０５中子源是中子技术综合应用和研究的大型技术平台，美国、英国和日本等均建有大型高通量脉冲散裂中子源，如美国散裂中子源（ＳＮＳ）［１］、日本散裂中子源（Ｊ－ＰＡＲＣ）［２］、英国散裂中子源（ＩＳＩＳ）［３］等．ＣＳＮＳ［４］是我国“十二五”期间重点建设的大科学装置，其质子束功率为１００ｋＷ，有效脉冲中子通量与ＩＳＩＳ目前所达到的水平相当，居世界前列．高通

4、量粉末衍射仪（ＨｉｇｈＩｎｔｅｎｓｉｔｙＰｏｗｄｅｒＤｉｆｆｒａｃｔｏｍｅｔｅｒ，ＨＩＰＤ）是ＣＳＮＳ首批建设的三台谱仪之一，主要用于研究物质的晶体结构和磁结构，以满足来自材料科学、纳米科学、凝聚态物理和化学等众多领域的科学研究和工业应用的需求．而中子探测器是高通量粉末衍射仪的一个重要部件，用来探测经样品散射的中子信息，所以要求中子探测器有较高的探测效率和位置分辨率．近年来，由于３Ｈｅ气体较昂贵，国际上正在积极研发新型位置灵敏中子探测器来替代基于３Ｈｅ气体的中子探测器，如半导体探测器［５］、微结构气体探

5、测器（Ｍｉｃｒｏ－ＰａｔｔｅｒｎＧａｓＤｅｔｅｃｔｏｒ）［６］和闪烁体探测器等．其中基于闪烁材料和光电技术发展起来的闪烁体型中子探测器，因其对热中子具有较高的探测效率、较好的位置分辨率，并且可大面积加工和较低成本等特点，日益受到国际相关领域的重视．特别是基于６ＬｉＦ／ＺｎＳ（Ａｇ）闪烁体、波移光纤（ＷａｖｅＬｅｎｇｔｈＳｈｉｆｔｉｎｇＦｉｂｅｒ，ＷＬＳＦ）阵列和光电倍增管技术的位置灵敏中子探测器，在国际中子探测成像领域得到了较快发展．本文利用ＧＥＡＮＴ４［７］和ＲＯＯＴ［７］程序包自编了蒙特卡罗模拟程序

6、及数据处理程序，构建基于６ＬｉＦ／ＺｎＳ（Ａｇ）闪烁体和ＷＬＳＦ的中子探测器（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈＳｈｉｆｔｉｎｇｆｉｂｅｒＳｃｉｎｔｉｌｌａｔｏｒＮｅｕｔｒｏｎＤｅｔｅｃｔｏｒ，ＳＳＮＤ）模型，研究ＳＳＮＤ的热中子探测效率、ｎ／γ抑制能力、中子位置分辨率和中子成像等性能，为基于６ＬｉＦ／ＺｎＳ（Ａｇ）闪烁体及二维光纤读出的中子探测器在中国散裂中子源上的应用提供技术支持．１ＳＳＮＤ模型探测器工作原理ＳＳＮＤ采用上下两块平板型６ＬｉＦ／ＺｎＳ（Ａｇ）闪烁屏，中间二维ＷＬＳＦ阵列作为夹层的几何结构（简称“三

7、明治”式结构），光纤末端与多阳极光电倍增管（Ｍｕｌｔｉ－ａｎｏｄｅＰｈｏｔｏＭｕｌｔｉｐｌｉｅｒＴｕｂｅｓ，Ｍ－ＰＭＴｓ）耦合，该１．１收稿日期：２０１１－１２－２０基金项目：国家自然科学基金资助项目（１１１７５２５７）作者简介：吴冲（１９６９－），男，安徽省合肥市人，中国石油大学（北京）副教授，主要从事原子核与粒子物理研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｕｃ＠ｉｈｅｐ．ａｃ．ｃｎ通信作者：张鹏（１９６３－），女，内蒙古通辽市人，中国石油大学（北京）教授，主要从事凝聚态物理研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｐｅｎｇ１９９

8、８＠１２６．ｃｏｍ．结构可在一定程度上提高探测器的热中子探测效率．图１为模拟所构建的探测器模型．根据中子在第一层或第二层闪烁屏中，与６Ｌｉ发生以下核反应实现对热中子的探测：ｎ＋６Ｌｉ→α（２．０５ＭｅＶ）＋３Ｈ（２．７３ＭｅＶ）σ＝９４０±４ｂ其中核反应产生的α粒子和氚核，在闪烁体中通过电离激发损失能量产生闪烁光子．从闪烁体中出射的闪烁光子被分布于闪烁体表面的ＷＬＳＦ阵列俘获吸收，并被转换为较长波长的光子，由光纤传输到光电倍增管，经光电转