高通量大面积位置灵敏中子探测器国产化研究

As an ideal probe to detect the structure and dynamics behavior of a matter, neutron scattering has been widely applied to many scientific fields. The neutron science facilities in CSNS, CMRR and CARR would need the neutron detectors which have large sensitive area, high detection efficiency and high position resolution. For small angle neutron scattering instrument, the detector should still have the measurement capacity of high flux. At present, there exist the global crisis of 3He supply and the urgent demand on the detector of many neutron scattering facilities which have been under construction and which will be in the construction. Based on the present conditions and the research, the project will have the further studies on the boron-coated GEM neutron detector, including its fast readout electronics system. The specifications of the active area and the position resolution will be expected to go in the advanced international level. By the studies on the technologies of the detector, it can be realized that the three key technologies and components of the fabrication of large GEM foils, large boron coating and the fast readout electronics should have been development by ourselves in China, which will be widely applied in the fields of neutron scattering in the future.

作为研究物质结构和动力学性质的理想探针，中子散射技术已在众多学科领域研究中被广泛采用。中国散裂中子源(CSNS) ，中国绵阳研究堆(CMRR)和中国先进研究堆(CARR)等大型中子科学装置对中子探测器，要求具有大面积、高效率和高精度的探测能力，对于近束测量的小角谱仪对探测器还要求具有高通量在线测量能力。当前国际上3He气体资源严重短缺，国内一大批在建和即将建设的中子散射实验装置对高通量大面积位置灵敏型3He替代的探测器有着迫切的需求。本项目结合现有研究基础和条件，进一步对涂硼GEM中子探测器开展深入的研究，在有效面积，位置分辨等指标上力争达到国际先进水平。通过探测器性能和工艺研究，实现大面积GEM膜的制作，大面积涂硼技术以及快速读出电子学三大关键技术和核心器件国产化，为今后国内大批中子散射装置提供完全自主知识产权的大面积国产中子探测器奠定基础，同时对提高我国中子探测技术水平也具有重要意义。

中子散射技术是研究物质结构和动力学性质的理想探针，已被广泛应用于凝聚态物理、化学、生命科学、医药、材料科学、航空以及国防建设等诸多领域的研究中。随着中国散裂中子源（CSNS）、中国先进研究堆（CARR）和中国绵阳研究堆（CMRR）的建成及运行，在其上面将陆续建设一大批中子散射谱仪，它们对高效率、大面积、位置灵敏探测器有着很迫切的需求。涂硼GEM中子探测器测量精度高，动态范围广，性能优异，是未来气体探测器发展的方向之一。本项目结合现有研究基础和条件，进一步对涂硼GEM中子探测器开展深入的研究，以实现关键技术和核心器件国产化为研究目标。.通过不断的优化和改进陶瓷nTHGEM膜加工工艺，成功实现了有效面积100mm×100mm、200mm×200mm陶瓷nTHGEM膜的批量生产及工程应用，以及300mm×300mm陶瓷nTHGEM膜的研制，完全满足中子探测的要求。为了实现更大面积镀硼，同时结合镀硼工艺特殊要求，联合同济大学研制了一台基于磁控溅射机制的高性能大面积镀硼装置，用于镀硼工艺研究和生产，目前设备已正常运行，并成功镀制了GEM探测器所需的碳化硼中子转换层以及实现了中子探测。基于德国ASIC，完成了512路读出电子学系统的开发，并成功用于探测器样机。同时，正在自主开发专用ASIC芯片，自测试正常。在以上关键技术研究成果的基础上，完成了多台小面积探测器成功应用于飞行时间中子成像探测器，在CSNS、CARR和CMRR上实现了工程应用，以及研制了一台大面积高效率的多层探测器，计划安装在CSNS在建的微小角中子散射谱仪（VSANS）上，作为中心探测器使用。2021年10月，陶瓷nTHGEM及探测器成功入选十三五科技创新成就展。通过本项目的研究，实现了有效面积303.8mm×303.8mm的GEM膜，探测器位置分辨率2.6mm，电子学总计数率>1.1MHz，实现了大面积GEM膜、大面积涂硼技术以及读出电子学三大关键技术的国产化，所有指标均达到或优于该项目验收指标，按时完成了项目所有研制任务，为今后国内大批中子散射装置提供完全自主知识产权的大面积国产中子探测器奠定基础。