Garfield模拟工作气体对涂硼MRPC热中子探测器性能的影响.pdf

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1、第37卷第7期核技术Vb1．37．NO．72014年7月NUCLEARTECHNIQUESJuly2O14Garfield模拟工作气体对涂硼MRPC热中子探测器性能的影响单卿曾捷贾文宝凌永生黑大干魏勇红张焱(南京航空航天大学材料科学与技术学院南京210016)摘要多气隙电阻板室(Multi．gapResistivePlateChamber,MRPC)是一种新型气体探测器，具有探测效率高和时间分辨好等优点，在内层玻璃涂硼后可用于热中子探测。不同的工作气体对涂硼MRPC热中子探测器的性能有很大影响。利用Garfield模拟了不同工作气体的汤生系数玑电子

2、吸附系数口、漂移速度v、扩散系数D等物理参数，并计算给出了MRPC的时间分辨率，、本征探测效率。通过模拟结果对工作气体进行优化，为探测器的实际制作和实验测试提供必要的指导。关键词涂硼多气隙电阻板室(Multi．gapResistivePlateChamber,MRPC)热中子探测器，工作气体，Garfield模拟，探测效率，时间分辨中图分类号TL816+．3DOI：10．11889~．0253-3219．2014．his．37．070201多气隙电阻板室(Multi．gapResistivePlateChamber,MRPC)是20世纪90年代发展

3、起来的一Pad种新型气体探测器，具有很高的时间分辨(<100ps)EGraphite和本征探测效率(>95％)J、抗辐照性能强J、结构简单且可以大面积制作【4]等优点。在RHIC．STAR、LHC—ALICE、FAIR—CBM等大型实验装置上，MRPC已被广泛的用于构建飞行时间探测系统。鉴于MRPC优良的性能，我们拟在MRPC内层玻璃涂上热中子转换层，通过核反应法来探测热中子。探测器结构如图1L5J所示，由2块外层玻璃板图1涂硼MRPC热中子探测器结构示意图和5块内层玻璃板组成，内充有合适的工作气体，Fig．1Structureoftheboron

4、—coatedMRPCthermalneutrondetector．高压加在外层玻璃板上形成强电场，内层玻璃板电位悬浮。在内层玻璃板上涂上ⅢB作为热中子转换1粒子电离过程的模拟体。热中子进入MRPC后，与热中子转换体中的B发生核反应产生粒子和Li．7，带电粒子在气体的利用Srim程序模拟了粒子电离过程，包括单电离会导致气体雪崩过程，并在读出电极上产生感位距离的电子一离子团个数、电子一离子团的大小分应信号而被读出。布、带电粒子的能量损失等参数，这些参数与入射MRPC常用的工作气体是由惰性气体、电负性粒子的能量和气体成分有关。模拟中温度设置为常气体和猝

5、灭气体等按不同比例配制而成的混合气温，一个标准大气压，不同比例的混合气体，入射体，不同组分的工作气体对MRPC性能有很大的影粒子为粒子。通过Srim模拟仪粒子在单层气隙响，因此选择合适的工作气体组分对于优化涂硼电离的过程以及粒子团的参数(单位距离clusterMRPC热中子探测器的性能是十分必要的。在本文数)，从而为探测器本征时间分辨及单层仪粒子的中，我们利用Garfield模拟计算了不同比例工作气本征探测效率的计算提供数据。体对涂硼MRPC热中子探测器性能影响，从而选择根据模拟结果，统计了C2F4H2、i-C4H1o和SF6工作气体的最佳比例。按

6、不同比例组成的混合气体中粒子在每毫米产中央高校基本科研业务费专项资金(NoNS2012055)资助第一作者：单卿，男，1979年出生，2007年于中国科学技术大学获博士学位，粒子物理与原子核物理收稿日期：2013-10．21，修回日期：2013．12．27070201—1核技术2014，37(7)：070201生的cluster数随粒子能量的变化情况，结果如图根据Geant4模拟结果，热中子与转换体中的2所示。由图2看出，粒子在每毫米产生的cluster加B作用产生的粒子的平均能量为0．86MeV。由数随仅粒子的能量增加，而气体成分的不同比例图2可

7、以看出，当粒子的能量为O．86MeV时，仪(C2F4H2：i—C4H1o：SF6)对cluster数的影响很小。粒子在单位距离上产生的cluster数约为20，因此平均自由程2=0．05mln。2电离常用参数的模拟Garfield是一个用于漂移室的蒙特卡洛模拟程序，可以对某些混和气体的气体参数进行计算。利用Garfield软件，计算了不同比例工作气体下的漂移速度、扩散系数、汤生系数和吸附系数等参数。模拟中所加电场和磁场的角度取任意值，其它模拟条件设置为常温(293K)，一个标准大气压，几何体为一对平行板，电场强度范围选取40-100kV·cm～。2

8、．1汤生系数，7和吸附系数口图2在不同LL~(c2F4H2：i—C4Hl0：SF6)混合气体中粒子在每毫米产生的clust