基于Micromegas探测器的白光中子束通量和剖面监测技术研究

The accurate data of neutron reaction cross sections are needed by advanced nuclear facilities such as Accelerator-driven subcritical system (ADS) and thorium-based molten salt reactor (TMSR). Write neutron source at China Spallation Neutron Source (CSNS) was designed to provide favorable measurement conditions for obtain the required nuclear data. The neutron flux and beam profile is highly important during measurement of neutron reaction cross sections. Therefore dedicated beam monitoring system needs to be considered in the beam physics design. This project will research 10B-coated Micromegas neutron detector, which is suitable for profile measurement of neutron beam at the end of white neutron source. Based on the development process we will develop the key technologies like micro-grid production and deposition of neutron conversion layer. Moreover, the different conversion layers like 235U and organic film are going to be prepared for analysis of their detection efficiency under different neutron energies. The Micromegas-based neutron beam monitors combine with other detector systems will play an important role in the acquisition of accurate nuclear data. Research on this topic will provide methods for neutron beam monitoring technology under specific energy spectrum, and benefit the development of new neutron detector in the future.

加速器驱动次临界系统（ADS）、钍基熔盐堆等新型核设施的发展对核数据库中的关键中子反应截面数据提出新需求。基于中国散裂中子源（CSNS）的白光中子源为所需核数据精确测量提供了优越条件。中子反应截面测量需要精确的中子通量和束流截面数据，因此设计专用的中子束监测系统将有重要意义。本课题根据CSNS白光中子源的设计要求，研究适用于中子束末端剖面测量的涂10B的Micromegas中子探测器，掌握并发展Micromegas微网格制作、中子转换层沉积等关键技术。根据中子源能谱特点尝试制备不同的转换层如235U或有机膜等，分析它们对不同能量中子的探测效率并研究其在白光中子束流监测中的互补作用。基于Micromegas探测器建立实时中子束监测系统并在精确核数据测量中发挥作用。本课题不仅为特定能谱条件下的中子束监测技术提供新思路和方法，而且对提高国内新型中子探测器研制水平也具有重要意义。

基于中国散裂中子源（CSNS）的白光中子源于2018年3月完成建设并投入运行，为加速器驱动次临界系统（ADS）、钍基熔盐堆等新型核设施发展所需的核数据精确测量提供了优越条件。核数据测量需要精确的中子通量、束斑分布、能谱等束流特征参数。白光中子源的束流特征参数是开展一切实验的基础，因此研究并设计专用于CSNS白光中子束特征测量和监测的探测器有重要意义。本课题根据CSNS白光中子源的设计要求，研究适用于中子束末端剖面测量的Micromegas中子探测器，掌握并发展各种工艺的Micromegas微网格制作、中子转换层沉积等关键技术，并开展探测器应用于白光中子源束斑测量和成像的实验研究。课题开展借助了核探测和核电子学国家重点实验室的工艺平台，完成了多版热熔胶工艺的Micromegas探测器样机制作，开展了微网格电子通过率、增益均匀性等性能测试。通过改进热压工艺，探测器增益均匀性指标达到7%。在Bulk工艺Micromegas探测器研制方面我们开展多次微网格制作的实验探索，通过不断的工艺探索形成了基于SU-8干膜和喷胶两类方法的制作规范，研制了多版灵敏面积78×78mm的探测器样机并完成离线组装和测试。课题开展依据关键技术指标要求，还制备完成了以10μm铝箔为衬底的6LiF中子转换层（面密度360μg/cm2，不确定度<5%），以及用于中子束末端实时测量的气室-法兰结构。Micromegas探测器样机在白光中子源上开展了在束测试和束斑测量实验，通过数据分析获得与模拟一致的Ф60mm中子束斑图像，位置分辨好于1mm。我们进一步利用探测器样机开展了白光源上的核素共振成像实验探索，针对Ag、W、In等金属获得了较好的核素共振检出成像效果。基金项目支持发表了SCI文章并支持了一名硕士研究生开展相关研究工作。Micromegas探测器会在白光中子源实时束流监测以及核数据测量中发挥作用，同时也为特定束流条件下的中子监测提供新的思路和方法。