基于涂硼稻草管和瞬发伽马符合的锦屏极低通量热中子探测技术研究

China Jinping Underground Laboratory (CJPL), as a large research infrastructure, is of great significance for China to explore cutting-edge scientific issues such as dark matter research and neutrino experiment. The thermal neutron background is an extremely important parameter for underground laboratories. It has great influence on experiments such as dark matter detection and double beta decay, and it is of great significance to accurately measure the ultra-low thermal neutron flux. The background radioactivity of the detector is the main factor limiting the lower detection limit. How to identify neutron and background signals is the key. The current measurement mainly uses He-3 or Li-6 detectors with pulse shape discrimination, and its discrimination ability and applicability have great limitations. This project proposes a detection technique based on B-10 as thermal neutron capture medium. Using neutron and prompt gamma coincidence, the neutron signal can be accurately identified and lower detection limit can be achieved. In this project, novel boron-coated straws and BGO crystals are used as neutron and gamma detectors respectively. System's detection efficiency, coincidence efficiency and background counting rate will be studied in detail. A lower thermal neutron detection limit below 1E-9 n/cm2/s is expected, enabling accurate measurement of thermal neutron background in the physical experiment device of Jinping underground laboratory.

中国锦屏地下实验室（CJPL）作为国家重大科技基础设施，对推动我国暗物质探测、中微子实验等重大基础前沿科学研究意义重大。热中子本底是地下实验室极为重要的参数，对暗物质探测、双贝塔衰变等实验影响重大，对极低通量的热中子本底进行精确测量具有重要意义。探测器的本底放射性是制约极低通量热中子探测下限的主要因素，如何甄别中子和本底信号是关键。目前的测量主要采用氦-3或锂-6探测器，采用波形甄别，其甄别效果及适用性具有较大的局限。本项目提出一种基于硼-10作为热中子捕获介质、利用中子和瞬发伽马符合的探测技术，以精准地甄别中子信号，实现更低的探测下限。本项目采用新型涂硼稻草管作为中子探测器，采用BGO晶体作为伽马探测器，重点研究系统的探测效率、符合效率以及本底符合计数率等关键问题。本项目的研究，预期可实现低于1E-9 n/cm2/s的热中子探测下限，用于锦屏地下实验室物理实验装置内热中子本底的精确测量。

中国锦屏地下实验室（CJPL）作为国家重大科技基础设施，对推动我国暗物质探测、中微子实验等重大基础前沿科学研究意义重大。热中子本底是地下实验室极为重要的参数，对暗物质探测、双贝塔衰变等实验影响重大，对极低通量的热中子本底进行精确测量具有重要意义。探测器的本底放射性是制约极低通量热中子探测下限的主要因素，如何甄别中子和本底信号是关键。目前的测量技术主要采用3He或6Li探测器，通过脉冲幅度或波形进行甄别，其甄别效果及适用性具有一定的局限性。本项目提出一种基于10B作为热中子探测介质、利用中子和10B反应放出的瞬发伽马光子作为符合的探测技术，以精准地甄别中子信号，实现更低的探测下限。为了实现对热中子的高探测效率和高符合效率，本项目设计研制了星型涂硼稻草管中子探测器以及井型NaI(Tl)闪烁体探测器作为伽马符合探测器，开发了相应的前端电路、数据采集系统及数据分析软件。搭建实验平台，对探测器的性能进行了详细测试，研究了系统的灵敏度、符合效率以及本底符合计数率等关键性能指标，深入分析了不同事件判选参数对系统性能的影响。结果表明，整个系统的灵敏度可达120 cps/nv，和常用的1米的3He管相当。基于优化后的符合判选条件，探测器本底被抑制到0.1%，而中子通过率为45.3%。在无外部屏蔽的条件下，本底偶然符合计数率为2.3E-5 cps，对应的热中子通量为1.9E-7 n/cm2/s。通过优化闪烁体材料及结构，以及外加屏蔽，系统的探测限还可以进一步降低。