用于CSNS反角白光中子源的双屏栅电离室设计及性能研究

何逾洋，刘蕴韬，刘毅娜，王志强，李春娟，夏 莉，骆海龙

(1.中国原子能科学研究院 核技术综合研究所，北京 102413；2.计量与校准技术国防科技重点实验室，北京 102413)

自二十世纪八十年代以来，中高能强流脉冲质子加速器的散裂中子源已成为世界上开展各种中子核数据测量及中子束应用的重要平台[1-3]。2018年中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source, CSNS)反角白光中子束线(CSNS/Back-n)打靶出束，该束线也必将成为开展核数据测量、宽能区范围探测器标定和中子辐照效应研究等应用的大型综合科学研究平台。中子束线特征参数尤其是中子能谱和注量是在CSNS/Back-n上进行其他实验的基础[4-6]。

CSNS/Back-n具有中子能量范围宽及脉冲束特点，在距散裂靶76 m处的中子注量率约为8.6×106cm-2·s-1@100 kW。飞行时间法测量原理基于基本物理量(时间和距离)，对脉冲中子束能量测量具有很高的准确度，国际上散裂中子源均采用飞行时间法测量中子束线能谱参数[7-10]。国际原子能机构(IAEA)推荐了一系列中子核反应标准截面[11]，目前广泛用于150 keV以下能区的是10B(n, α)7Li和6Li(n, t)α核反应标准截面。基于这两种核反应探测原理的探测器类型主要有6Li玻璃闪烁体探测器、6Li-Si半导体探测器、10B和6Li电离室型探测器等。6Li玻璃闪烁探测器配快光电倍增管的时间特性适用于中子飞行时间法，但是锂玻璃对γ射线探测效率很高，而CSNS/Back-n质子打靶瞬间有很强的瞬间伴随γ-闪光，会引起光输出瞬间饱和。将镀6LiF的铝膜作为转换靶置于束上，束外对称放置多个Si半导体探测器的6Li-Si束流监视器已在CSNS/Back-n上得到了很好的应用[10]。电离室型探测器虽然时间分辨不如闪烁体探测器，但150 keV以下能区中子飞行76 m需要十几微秒，因此具有百纳秒量级时间分辨的电离室型探测器也可用于中子飞行时间法测量实验，多种方法间可以相互验证。此外，屏栅电离室型探测器具有探测效率高(100%)、探测立体角大(接近2π)、对带电粒子同时具有能量和角度分辨能力和结构上灵活多样等优点[12-13]。

中国原子能科学研究院核数据重点实验室使用235U多层裂变室对CSNS/Back-n的中子能谱进行过测量，但在低能区由于235U的裂变截面存在共振，无法进行精细能谱分析，有必要发展基于10B或6Li等其他标准截面的探测器能谱测量。本工作针对CSNS/Back-n在150 keV以下能区飞行时间法中子能谱测量，研制双屏栅电离室。通过模拟计算，设计双屏栅电离室的工作气体、极间距和工作电压等参数。采用α源对双屏栅电离室的性能参数进行测试，为进一步开展CSNS/Back-n束线上基于10B(n, α)7Li和6Li(n, t)α核反应中子能谱测量研究提供参考。

1 原理及结构

通过栅极的静电屏蔽作用将电离室分为电离发生区和信号产生区，电子只有通过栅极才会在阳极感应出脉冲信号，从而使屏栅电离室可识别带电粒子能量[14]，测量脉冲数可以得到入射粒子数，分析脉冲幅度可以得到入射粒子的能量[15]。

针对CSNS/Back-n中子束线中子产额高和很强的瞬间伴随γ-闪光等特点，为避免γ-闪光与金属物质作用产生强干扰信号，采用微米厚度的双面镀铝Mylar膜制做前后薄窗和薄底衬，以减少束上金属物质的量。研制的屏栅电离室结构示意图示于图1，主要包括阴极(中子核反应靶底衬)、两个收集极(即阳极)、两个栅极、极间绝缘材料和密封壳体等结构。采用“背靠背”的方式放置两块靶片同时测量。密封壳体材料为铝合金。通过专用工装将两片印制电路板(PCB)和Mylay膜粘合制成极板，由于Mylar膜具有一定的延展性，可以使底衬呈现光滑的镜面效果。将镀金钨丝焊接在PCB环上制成栅极。极板通过绝缘性能好、硬度高、质量轻的陶瓷柱和套圈支撑和固定，且可以灵活调节极间距。

2 工作参数模拟计算

2.1 工作气体

电离室通过记录α粒子在气体中产生电离引起的电离电流来确定入射中子通量。工作气体应产生尽可能小的复合损失，具有较高的阻止本领，从而将阴极出射的带电粒子在到达栅极前完全阻止。用于中子飞行时间法测量时，还应具有较快的电子漂移速度以及较小的扩散系数，以减少电子在漂移过程中被俘获的概率，缩短电子到达阳极的时间，并产生较小的实验本底[16]。

本工作研制的屏栅电离室采用常温常压流气方式。通过欧洲核子中心开发的面向对象模拟计算程序Garfield++[17]计算常温常压(20 ℃，1 atm)下单原子气体(Ar、Kr)、多原子气体(CO2、CH4和CF4)和混合气体(90%Ar-10%CH4、90%Ar-10%CO2、90%Kr-10%CO2、95%Kr-5%CO2)的电子漂移速度和扩散系数，电场强度在50～1 000 V/cm范围共计算了20个场强点，结果示于图2。

由图2可知，电子在多原子分子气体中的漂移速度相对较快，扩散系数相对较小；在单原子分子气体中添加少量多原子分子气体可以降低负离子形成的概率，从而提高电子在其中的漂移速度，降低扩散系数。在较低电场强度下，电子在90%Ar-10%CH4(以下称P10)和CF4气体中具有较快的漂移速度(最高可达5.5 cm/μs)和较小的扩散系数；随着电场强度的增大，电子在P10气体中的漂移速度逐渐减小，在90%Ar-10%CO2、90%Kr-10%CO2、CF4和CH4气体中的漂移速度逐渐增大(最高可达10.5 cm/μs)。电子在上述气体中的扩散系数均随电场强度增大而减小，且在CF4气体中的扩散系数最小(最低为0.01 cm1/2)。电场强度>700 V/cm后，电子在气体中的漂移速度和扩散系数随电场强度的改变逐渐变小。

a——不同气体的漂移速度；b——不同气体的纵向扩散系数；c——不同气体的横向扩散系数

在电子漂移速度较快的几种气体中，CH4属于易燃易爆气体，因此在很多工作场所不允许使用；CF4阻止本领大且较稳定，适用于CSNS/Back-n中子束线实验；P10和90%Ar-10%CO2为常见的混合气体，便宜易得。综合考虑，本工作选用P10、90%Ar-10%CO2和CF4三种气体进行屏栅电离室的调试及性能对比。实验时还需保证工作气体的纯度，尽量避免混入O2、水蒸气和卤素等负电性气体杂质，从而降低电子被俘获的概率。

2.2 极间距

在实际应用中，屏栅电离室的栅极会有一定的屏蔽失效问题，通常用屏蔽失效因子σ来表示[18-19]，可通过公式(1)、(2)和(3)计算：

(1)

(2)

(3)

式中：EA为阳极和栅极之间的电场强度，V/mm；EC为阴极和栅极之间的电场强度，V/mm；p为栅极-阳极间距，mm；d为栅丝间距，mm；r为栅丝半径，mm。

针对本电离室，栅丝半径为0.05 mm，栅丝间距为2 mm，由式(1)、(2)和(3)可知增大栅极-阳极间距可以使屏蔽失效因子减小，当栅极-阳极间距为5 mm或10 mm时，计算得到栅极的屏蔽失效因子σ分别为5.1%和2.6%。

阴极-栅极间距要大于被探测的α粒子的射程，使α粒子的能量尽可能全部沉积在电离发生区，但距离过大时会影响灵敏体积内电场的均匀性，从而影响能量分辨率。采用SRIM(2013)程序[20]模拟计算常温常压(20 ℃，1 atm)下10B(n,α)7Li和6Li(n, t)α核反应以及239Pu(5.16 MeV)、241Am(5.48 MeV)、244Cm(5.81 MeV)α源产生的α粒子分别在CF4、P10和90%Ar-10%CO2三种气体中的射程，结果示于图3。由图3可知，两种中子核反应产生的α粒子在CF4、P10和90%Ar-10%CO2三种气体中的射程分别小于5 mm、12 mm和12 mm；混合α源产生的α粒子在上述三种气体中的射程分别小于17 mm、50 mm和46 mm。

图3 20 ℃几种α粒子在不同气体中的射程

极板间距同时也会影响电场强度，极板间距越大阳极所需的高压就越高。结合理论公式计算得到的栅极屏蔽失效因子，采用CF4在CSNS/Back-n束上进行测试时，阴极-栅极间距设为20 mm，栅极-阳极间距设为5 mm。使用α源进行调试及性能对比时，极间距根据选用的工作气体进行调整。

2.3 电场模拟

屏栅电离室采用栅极接地，各极板电压要尽量使电子收集达到饱和条件，阴极-栅极之间的电场强度要足以克服电子吸附和离子复合效应，且极板之间边缘效应可忽略，但也不能太强，使次级电子形成并进入正比区。为防止电子被栅极捕获，阴极和阳极的电压应使Z=EA/EC大于屏栅电离室的结构因子ZC[21]：

(4)

(5)

针对本电离室，Z>1.373。

采用基于有限元算法的2D/3D电磁场仿真软件Simcenter Magnet Electric[22]对屏栅电离室进行常温常压(20 ℃，1 atm)下静电场模拟，阴极-栅极间距为50 mm，栅极-阳极间距为10 mm，阳极电压V+=1 200 V，阴极电压V-=-1 200 V时模拟计算的电压和电场分布示于图4。由图4可知，电场在Mylar膜底衬固定环周围有明显畸变。

a——模拟计算的电压分布；b——模拟计算的栅极-阳极间电场分布图

以极板中心对称轴为零点，计算不同工作电压下距零点0～50 mm范围内共18个点的单位电场强度，其与零点处的单位电场强度的相对偏差示于图5。由图5可知，收集区φ74 mm范围内场强的相对偏差≤0.03%，可以认为是电场均匀区。改变阴极电压，栅极-阳极间的电场强度基本不变，最佳工作电压值由实验调试确定。

图5 电离室不同区域内单位电场强度的对比

3 性能测试

采用两枚α源对该电离室(图6)进行能量分辨性能测试，探测器的气体流量控制在15 mL/min左右，阳极信号引出后经电荷灵敏前放ORTEC 142PC和主放大器ORTEC 572A后记录脉冲幅度谱。

图6 双屏栅电离室

3.1 栅极对电离室能量分辨的影响

将241Am α源(活性区直径小于3 mm)贴在屏栅电离室的阴极中心，工作气体为P10时，测量有无栅极时241Am α源的脉冲幅度谱，结果示于图7。由图7可以看出，在相同的测试条件下，增加栅极之后探测器的能量分辨明显得到改善。

图7 241Am α源脉冲幅度谱

3.2 屏栅电离室能量分辨验证

将一枚239Pu/241Am/244Cm混合α面源(活性区直径小于5 mm)贴在阴极中心，工作气体分别为P10、90%Ar-10%CO2和CF4时测得的混合α源的脉冲幅度谱示于图8a。由图8a结果可知，工作气体为P10和CF4时探测器对α粒子有较好的能量分辨，工作气体为CF4时对α粒子能量分辨率最好，为2.4%@5.48 MeV；工作气体为90%Ar-10%CO2时探测器对α粒子的能量分辨较差，无法完全区分三种能量的α粒子。

将一枚239Pu/241Am/244Cm混合α面源紧贴500 μm厚的硅微条探测器(BB8 (DS)-500，美光半导体公司)，在10 Pa的真空罐中进行测试，通过32通道的读出电子学样机[23]测得的硅微条探测器脉冲幅度谱示于图8b，可知能量分辨率为3.1%@5.48 MeV。

a——屏栅电离室；b——硅微条探测器

比较两种探测器的测量结果，屏栅电离室的工作气体为P10时对α粒子的能量分辨效果与硅微条探测器相当，工作气体为CF4时对α粒子的能量分辨效果明优于硅微条探测器。本工作研制的屏栅电离室实现了较好的α粒子能量分辨能力。

4 结论

本文针对CSNS/Back-n中子束线的特点，设计加工了具有薄窗和薄底衬特点的双屏栅电离室，用于该束线150 keV以下能区飞行时间法中子能谱的进一步测量。通过Garfield++、SRIM和Simcenter Magnet Electric仿真程序对屏栅电离室的工作气体、极间距和电场分布等工作参数进行设计。计算并分析了电子在不同气体中的电子漂移速度和扩散系数，α粒子在不同气体中的射程以及屏栅电离室的静电场分布情况。根据模拟结果选定电子漂移速度快、扩散系数小以及组织本领较大的CF4作为CSNS/Back-n束上测试时的工作气体，阴极-栅极和栅极-阳极间距分别为20 mm和5 mm。

为进行屏栅电离室的调试及性能对比，采用241Am α源和239Pu/241Am/244Cm混合α面源在CF4、P10和90%Ar-10%CO2三种气体下对该电离室进行性能参数测试。分别与平板型电离室和硅微条探测器的测量结果进行对比，验证了本工作研制的屏栅型电离室的能量分辨优势。工作气体为CF4时，探测器对混合α源具有很好的能量分辨，最佳能量分辨率为2.4%@5.48 MeV，好于硅微条探测器的3.1%@5.48 MeV。

飞行时间法测量中子能谱要求探测系统同时具备适当的能量分辨和时间分辨特性，因此需要选用具有快时间响应特性的前置放大器。ORTEC 142A和Mesytec MSI-8的T输出上升时间不超过5 ns，衰减时间几十纳秒，具有较快的定时特征。前放的调试及根据前放选定合适的工作电压等工作正在进行。本工作可为进一步开展CSNS/Back-n在150 keV以下能区飞行时间法中子能谱测量提供参考。