新型夹层式中子探测器的研制

With the development of space science and the demand of the astronauts’ protection, the study on the energy spectrum and the dose equivalent of space neutron will sooner become a new hot issue. The miniaturization of the detector, the complex radiation field with gamma rays, electrons, protons and other charged particles and simple structure are the three difficulties on space neutron detector development. In this project, based on a new kind of elpasolite scintillator CLYC (Cs2LiYCl6), which has good abilities in n-γ discrimination and the high detection efficiency to thermal neutrons, a new phoswich-type neutron detector composed of CLYC crystal and organic scintillator (the plastic or liquid scintillators with n-γ discrimination ability) or slow plastic scintillator, has been proposed. Using their difference on decay time, the technique of the pulse-shape discrimination (PSD) and the methods of anticoincidence, this new detector will distinguish the different particles, eliminate both charge particles and gamma rays, and solve the drawback of existing phoswich-type detector that cannot detect low-energy neutrons (below 0.1MeV). When carrying out this project, we will study the basic issues about the characteristic of the CLYC scintillator and other relative organic scintillator, the design of the neutron dosimeter and the properties of the phoswich detector. The algorism of digital pulse-shape discrimination (DPSD), the algorism of the pulse-amplitude extraction and the high speed algorism of the large dynamic data acquisition based on FPGA hardware will also be studied. Eventually, the electronics system to acquire and store large dynamic pulse signal from the phoswich detector will be developed, providing a feasible and integrated method to detect space neutrons.

空间科学发展及航天员防护需开展空间中子能谱和剂量当量测量，其难点是中子处在带电粒子（p、e）、γ射线等混合辐射场中，且要求探测器小型化、结构简单。本课题利用新型晶体CLYC (Cs2LiYCl6)良好的热中子探测效率及n-γ甄别能力，提出一种基于CLYC、有机闪烁体（具有n-γ甄别能力的塑闪或液闪）或慢塑料闪烁体构成的新型夹层式空间中子探测器，利用不同的发光衰减时间、脉冲形状甄别及反符合方法将不同类型的粒子区分，剔除带电粒子及γ射线，解决现有夹层探测器不能测量低能中子（0.1MeV以下）的问题。开展相应的CLYC及有机闪烁体性能研究、解谱、等剂量当量探测器设计、夹层探测器性能研究等基础性课题；研究基于FPGA硬件的数字波形甄别（DPSD）算法和脉冲幅度提取算法及高速大动态数据采集技术；研制针对新型夹层探测器输出脉冲信号的采集和存储的电子学系统。最终，为空间中子探测提供一种可行的探测器技术。

空间科学研究、电子元器件抗辐射加固、航天员防护都需要对空间中子的能谱、注量进行较为准确的测量。空间中子探测器要求具有抗背景干扰（伽马射线、质子、电子等）能力、小型化且结构简单的特点。现有的空间中子探测器具有能谱测量范围窄、体积大等缺点。本课题提出一种基于CLYC（Cs2LiYCl6）晶体和具有n-γ甄别能力的塑闪构成的新型夹层式中子探测器，其具有良好的脉冲形状甄别能力并可利用反符合剔除带电粒子（质子、电子等），拓展了现有探测器的能谱测量范围（低能中子到快中子）。首先在国内较早开展了CLYC晶体的研制，并开展了CLYC晶体相关性能的研究，包括光输出、能量分辨、发射光谱等，着重对其中子、质子与伽马甄别能力以及衰减时间进行了研究。发展了分辨能力比电荷比较法较好的Fisher线性判别法。采用SiPM耦合CLYC晶体，也获得了较好的中子伽马甄别能力，有望使探测器体积和功耗大为减少。突破了夹层式中子探测器的制作工艺。考虑了中子、伽马、质子、电子等粒子入射情况，用GEANT4对夹层探测器进行了理论模拟。在Am-Be中子源上的实验表明，探测器的中子伽马甄别品质因子为2.6。在中国散裂中子源的两条束线（Line20和反角白光源）上开展了夹层式探测器的性能实验研究。Line20的实验表明，探测器对低能中子（0.1MeV以下）的中子伽马品质因子为1.99。反角白光源的实验是在单束团模式下进行的，通过飞行时间法以及模拟的探测器效率曲线，获得了0.0153~0.5MeV的白光中子源能谱，归一化后与标准能谱吻合度较高。同时，成功研制了适合夹层探测器的电子学读出系统：动态范围2Vpp, 采样率最高1GSPS，采样精度12bits，带宽200MHz。匹配的FPGA固件采用参数可调的信号实时处理算法，能够实时获取探测器输出粒子的能量、种类以及到达时间。研制的探测器具有体积小、测量能量范围宽、可有效甄别中子伽马以及剔除带电粒子影响等优点。该研究为空间中子探测提供了一种可行的探测器技术。