掺钆液闪中子探测器的研制.pdf

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1、第27卷第6期强激光与粒子束Vo1．27，NO．62015年6月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJun．，2015掺钆液闪中子探测器的研制魏伟伟，杜强，王力。，余训臻。，张才勋，幸浩洋，林兴德，唐昌建，岳骞。，朱敬军(1．四川大学原子核科学技术研究所，辐射物理与技术教育部重点实验室，成都610065；2．四川大学物理科学与技术学院，成都610065；3．清华大学工程物理系，北京100084)摘要：中子在探测器中能产生与暗物质粒子(WIMPs)类似的核反冲信号，对于低背景的暗物质直接探测实

2、验，精确测量和排除中子的干扰尤其重要。为测量中国锦屏地下实验室(CJPL)中子本底的通量，研制了高效的、具有很强“中子一伽马”分辨的掺钆液闪快中子探测器。介绍了掺钆液闪中子探测器的研制和性能，包括探测器形状和尺寸的设计，液体闪烁体类型、光电倍增管型号以及液闪容器材料的选择，探测器的伽马能量刻度以及中子与伽马信号的甄别。用Am—Be中子源对探测器进行探测效率刻度，得到阈值为0．2MeV等效电子能量的中子探测效率为(6．3O±0．30)，满足中国锦屏地下实验室对中子通量测量的要求。关键词：暗物质；快中子；液闪探测器；能

3、量刻度；n一7甄别；探测效率中图分类号：O571．53文献标志码：Adoi：10．11884／HPLPB201527．066001在中国锦屏地下实验室(CJPL)中，中国暗物质实验组(CDEX)采用高纯锗阵列系统直接探测暗物质，暗物质粒子与高纯锗中的原子核碰撞产生核反冲，测量核反冲的信号，即可探测暗物质_1]。中子与暗物质粒子一样不带电荷，因此中子在探测器中引起的核反冲信号与暗物质粒子引起的核反冲信号极为相似。而高纯锗探测器不能分辨这两种信号，因此地下实验室中子通量的准确测量对于暗物质探测来说就极为重要]。地下实验

4、室的中子探测与地面中子探测不同，其主要区别在于：地下实验室中子通量很低，能区很宽，如意大利的GranSasso地下实验室的大厅A，在1～10MeV能区的中子通量为(0．60±0．07)×10n·cm·sl_6]，西班牙的Canfranc地下实验室在1～10MeV能区中子通量为(O．65±0．02)×10n·cm·s]，预计CJPL在此能区的中子通量数量级也为10n·cm·s_。。为高效测量宽能区、低通量的快中子，需要研制高灵敏度的中子探测器，并完成对该探测器各个参数的刻度。由于液闪探测器的响应时间快，探测效率高，且

5、具有较好的n一7甄别能力[8]，本文采用液体闪烁体作为探测器的灵敏介质，为进一步增强n—y甄别能力，采用了掺Gd的液闪和快慢信号符合的技术。1掺Gd液闪中子探测器的研制1．1原理中子本身不带电，它经过物质时不会与物质中的电子发生电磁相互作用，不会与物质产生直接的电离或激发。探测中子，主要是靠中子与原子核发生相互作用产生的次级带电粒子引起电离和激发。中子与原子核的相互作用主要有如下四种方式：核反应、核反冲、核裂变和活化等。掺Gd液闪中子探测器是基于核反冲与中子辐射俘获相结合的原理研制的探测器。当中子进入探测器后，先与

6、H，c等原子核发生弹性碰撞，产生反冲核信号，可称之为快信号；同时，中子被慢化，成为热中子后很容易被液闪中的Gd，H和C等元素俘获，其中Gd对中子的俘获截面最大，中子被Gd俘获后产生一组总能量约8MeV的7光子]，并在探测器中产生一个很强的信号，称之为慢信号。快慢信号之间有一定的时间间隔(通常为肛s量级)，因此我们通过快慢信号符合的方法以及n一7分辨方法来挑选中子事例，以达到高灵敏度探测中子的目的。1．2设计及组装液闪探测器的核心是液体闪烁体。鉴于地下实验室的中子通量极低，一般会在闪烁体中掺人一些热中子俘*收稿日期：

7、2015—01—28；修订日期：2015—03—24基金项目：国家自然科学基金项目(11275134，11475117)；国家自然科学基金重点项目(10935005)；国家自然科学基金委主任基金项目(11055002)作者简介：魏伟伟(1989一)，女，硕士，从事中子探测研究；triplewei@163．corn。通信作者：朱敬军(1977一)，男，博士，从事中子探测、背散射、核分析技术研究；zhujingjun@SCU．edu．cn。O66OO1—1Jf>>强激光与粒子束获截面较高的物质(如Gd)来增加热中子的俘

8、获概率。这种液闪主要有两个优点_1。。：一是Gd的同位素Gd及¨Gd有很高的热中子俘获截面，可以提高热中子的俘获概率并缩短俘获时间；二是Gd俘获热中子后会放出一组总能量约为8MeV的7射线，其能量高于环境本底中的7信号，有利于提高中子探测器的探测效率。我们选择EljenTechnology公司生产的EJ一335液体闪烁体作为探测器的灵敏介质，EJ一335拥有