一种新型热中子位置灵敏涂硼稻草管探测器的研制

热中子的探测在反恐安全、中子散射、核能利用等方面都有着广泛的应用和重要的意义。3He管由于具有反应截面大、灵敏度高、稳定性好的优点，是目前应用最广泛的热中子探测器。但随着3He供应的下降和需求的增加，尤其是随着反恐安全的发展和新的大型散裂源的建设，3He需求量剧增，出现了3He严重短缺的局面。在这种形势下，亟需研究和开发新的热中子探测技术。本课题将从解决3He短缺问题的角度出发，研究和设计出一种新型热中子位置灵敏涂硼稻草管，研究工作包括涂硼稻草探测器设计、多通道高密度读出电子学设计及探测器性能研究等。这种新型探测器充分结合了涂硼管和稻草管探测器的优点，可以有效地提高热中子的探测效率。而且，通过采用带有阻抗的中心阳极丝和双端读出电子学，该探测器还可以实现三维位置灵敏。该新型探测器的研究在推动热中子探测技术的发展和解决3He严重短缺的问题等方面的意义都非常重大。

按照项目研究计划，针对新型位置灵敏涂硼稻草管热中子探测器的研制需求，本项目完成了探测器蒙卡模拟、镀膜工艺研究、稻草管绕管工艺研究、探测器结构设计与加工、读出电子学系统设计以及探测器系统性能测试等主要研究工作。通过蒙卡模拟，分析了涂硼厚度、涂硼材料、稻草管层数、稻草管管壁材料等探测器关键设计参数对探测器性能的影响。通过镀膜工艺研究，掌握了厚度为1μm左右且均匀一致的硼镀膜工艺，并申请了专利。通过稻草管绕管工艺研究，掌握了等直径细长涂硼稻草管的绕制方法，并搭建了涂硼稻草管的绕制装置。在上述研究的基础上，采取管壁支撑、多点定位等多项措施，攻克了在细长涂硼稻草管内部拉丝的难点，成功实现了长度为1m、直径仅为15μm的阻性阳极丝在直径为4mm的涂硼稻草管中央的定位，并设计加工出了由40根涂硼稻草管构成的位置灵敏涂硼稻草管探测器模块。基于电荷分配法的原理，设计出了多通道低阻抗前端电子学模块以及基于FPGA的高速ADC采集电路，并通过FPGA逻辑实现了信号位置实时重建算法。通过国际、国内合作，对我们研制的探测器和读出电子学系统进行了详细的测试研究。结果表明，研制的涂硼稻草管探测器模块的径向位置分辨率达到4mm，轴向位置分辨率优于10mm，单根涂硼稻草管的热中子探测效率不低于4％，系统最高计数率不低于2Mcps，达到了项目的预期研究目标。