基于數(shù)字化儀及延遲線讀出的涂硼多絲正比室研究

魏陽東 邱 琳 李嘉輝 史宏濤 王小胡

(西南科技大學(xué)國防科技學(xué)院 四川綿陽 621010)

隨著3He管探測器制作成本的上升，多絲正比室在國內(nèi)中子探測領(lǐng)域發(fā)展迅速，并逐漸應(yīng)用在中子譜儀上，對探測器的探測性能有了更高的要求，相應(yīng)的探測器的讀出電子學(xué)系統(tǒng)也會有更高的要求。目前國內(nèi)多絲正比室讀出電子學(xué)系統(tǒng)采用的還是傳統(tǒng)的NIM機箱系統(tǒng)以及單絲讀出法。NIM機箱系統(tǒng)是分立式的元器件設(shè)備，在探測器進(jìn)行信號讀出需要連接多個插件，如前置放大器、主放大器和ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器等，此實驗系統(tǒng)僅在實驗測試環(huán)境下應(yīng)用。單絲讀出法把每根絲都看作一個探測器，分別進(jìn)行信號讀出，這種方法雖然能得到入射粒子的準(zhǔn)確位置，但是在大面積覆蓋測量的情況下，每根絲獨立讀出信號所需要的通道太多，電子學(xué)系統(tǒng)太過冗雜，不適合在中子譜儀上采用[1-3]。本研究針對多絲正比室在中子譜儀應(yīng)用上對探測器高計數(shù)率、大面積讀出、良好的位置分辨和高集成度等要求，在已經(jīng)研制的涂硼多絲室的基礎(chǔ)上，在探測器的讀出絲和讀出條上增加了延遲塊以及在信號的后端處理系統(tǒng)中增加了數(shù)字化儀，實現(xiàn)讀出電子學(xué)系統(tǒng)高度集成化并具有高的采樣率和良好位置分辨率。

1 實驗平臺

1.1 涂硼多絲室結(jié)構(gòu)原理

本研究多絲室結(jié)構(gòu)為單層涂硼多絲室結(jié)構(gòu)，上層為涂硼陰極層，中子經(jīng)入射窗射到硼層后，與硼元素發(fā)生核反應(yīng)：

7Li+α+γ+2.31 MeVEα=1.47 MeV,ELi=0.84 MeV (94%)

核反應(yīng)產(chǎn)生的α粒子或者Li離子進(jìn)入探測器靈敏區(qū)域并沿著其入射徑跡與工作氣體發(fā)生碰撞產(chǎn)生原初電離，原初電子在電場作用下會在陽極絲附近發(fā)生雪崩現(xiàn)象，產(chǎn)生電離增值。雪崩發(fā)生后電子將很快被陽極絲吸收，正離子逐漸向上下讀出平面漂移，同時在讀出平面上感應(yīng)出正脈沖信號[4]。通過上下兩個讀出平面的感應(yīng)信號的大小分布可得到雪崩的發(fā)生位置，進(jìn)而可以得到中子的入射位置。涂硼多絲正比室的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 涂硼多絲正比室結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of boron-coated multi-wire proportional chamber

圖1中多絲正比室絲室結(jié)構(gòu)布置由上往下依次為涂硼陰極層、X讀出絲平面、陽極絲平面、Y讀出條平面，規(guī)格為100 mm×100 mm。涂硼陰極層采用在鋁基材上鍍一層富集10B4C構(gòu)成，其與讀出絲平面的距離為8 mm。陽極絲平面到讀出絲平面和讀出條平面的距離都為3 mm，此距離是通過Garfield 模擬的陽極絲產(chǎn)生的電子雪崩信號分布寬度的最佳距離得出[5]。陽極絲直徑為20 μm，絲間間距為2 mm，對入射粒子的位置分辨在理論條件下可達(dá)到2 mm[6]。陽極絲下方讀出條平面的金屬讀出條寬度為1.8 mm，間距為2 mm。陽極絲上方讀出絲平面讀出絲直徑為50 μm，絲間距為1 mm，每2根讀出絲連在一起構(gòu)成一個讀出條，滿足讀出條間距，亦為2 mm。探測器采用延遲線讀出法，讀出條平面和讀出絲平面每根讀出條均與安裝探測器氣體腔內(nèi)部的延遲線模塊相接。延遲線模塊每個延遲單元的延遲時間為5 ns，通過測量到達(dá)延遲線兩端的信號脈沖的時間差，可確定雪崩的發(fā)生位置，進(jìn)而推算出中子的入射位置[7]。在本研究中，工作氣體采用高純Ar /CO2(90/10)混合氣，根據(jù)SRIM軟件模擬，在這一工作氣體條件下α粒子在靈敏體積內(nèi)的最大射程為9.02 mm。本多絲室陽極到陰極距離為11 mm，可使α粒子能量完全沉積在靈敏體積內(nèi)，有助于提高入射粒子的探測效率。

1.2 探測效率優(yōu)化

涂硼多絲室主要通過中子與10B發(fā)生核反應(yīng)來探測中子，因此涂硼層的厚度及層數(shù)對于入射中子的探測效率起決定性影響。在實際應(yīng)用中，圖1所示的讀出條將采用涂硼金屬條，因此實際的硼轉(zhuǎn)換層為2層。對于上下兩面2層涂硼的多絲正比室結(jié)構(gòu)，利用MCNP軟件及SRIM軟件對探測器的中子探測效率進(jìn)行了仿真計算。其中MCNP軟件主要計算不同位置處硼與中子發(fā)生核反應(yīng)的概率，SRIM軟件可計算中子核反應(yīng)產(chǎn)物在材料中的射程，進(jìn)而可以得到不同位置處的離子出射概率。結(jié)合MCNP軟件及SRIM軟件即可得到不同涂硼厚度及層數(shù)下的中子探測效率[8]。本文對純10B，10B4C和天然B4C 3種涂層材料進(jìn)行了模擬，得到的探測器對0.18 nm 熱中子的探測效率如圖2所示。

圖2 不同涂層材料下MWPC探測效率隨涂層厚度的變化Fig. 2 MWPC detection efficiency with coating thickness under different coating materials

從圖2可以得出，3種涂硼材料隨著厚度的增加探測效率也隨之增大，在達(dá)到某個值之后探測效率趨向飽和值不再增加，這是由于隨著硼厚的增加，會加劇硼層對α和Li離子的自吸收效應(yīng)。當(dāng)涂層材料為天然B4C時，在硼膜厚度為3.5 μm時取得最大探測效率2.24%；涂層材料為10B4C 時，在硼膜厚度為3.0 μm時取得最大探測效率10.41%；涂層材料為純10B時，在硼膜厚度為2.9 μm時取得最大探測效率11.52%。從模擬結(jié)果可知，選用10B4C或純10B作為中子轉(zhuǎn)換材料時，探測器的中子轉(zhuǎn)換效率相差并不是很大，但都要比天然B4C高很多?？紤]到碳化硼能夠?qū)щ姡⑶以阡X等金屬上的附著性較好，本實驗采用10B4C作為中子轉(zhuǎn)換材料。

1.3 讀出系統(tǒng)搭建

讀出系統(tǒng)是將探測器探測到的信號引出到后端電腦的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，主要組成：多絲正比室、氣體系統(tǒng)、前置放大器、數(shù)字化儀、高壓電源箱等?；谘舆t線及數(shù)字化儀的MWPC探測器的信號讀出系統(tǒng)如圖3所示。信號經(jīng)探測器讀出條引出，再經(jīng)前置放大器放大。前放放大之后的電壓脈沖信號經(jīng)數(shù)字化儀轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，數(shù)字化儀具有時間戳功能，可通過恒比定時功能對探測器讀出平面延遲線兩端的信號到達(dá)時間進(jìn)行記錄。數(shù)字化儀自帶的WaveCatcher軟件可對輸出信號的波形、時間分布、幅度分布等信息進(jìn)行在線顯示。結(jié)合LabVIEW軟件可對數(shù)字化儀的輸出數(shù)字信號進(jìn)行處理，實現(xiàn)位置計算和二維位置顯示。

圖3 多絲正比室探測器信號讀出路徑圖Fig.3 Signal readout path of multiwire proportional chamber detector

讀出系統(tǒng)前放采用CAEN公司的A422電荷靈敏前置放大器，直接搭配示波器來測試前置放大器增益性能。經(jīng)測試，前放的平均增益值為39 mV/MeV，時間端測得輸出的信號上升時間為25 ns，而能量輸出端脈沖信號的上升時間為250 ns，快時間響應(yīng)良好[9]。本研究只針對探測器的計數(shù)性能和位置分辨能力，在信號的處理方面主要集中在脈沖波形的時間信息，這要求前放的輸出信號具有極快的時間上升沿，以便確定產(chǎn)生信號波形時的起點和終點，將時間點轉(zhuǎn)換為邏輯信號。這時的定時甄別輸出的邏輯信號與輸入幅度波形的變化無關(guān)，只是信號的上升時間和下降時間更快更準(zhǔn)確。所以本次研究采用前放的Time輸出端直接讀取信號。前置放大器timing端輸出信號通過數(shù)字化儀進(jìn)行讀出。數(shù)字化儀采用CAEN公司的DT5743型8通道桌面式數(shù)字化儀，通過USB接口與計算機相連接。數(shù)字化儀可對每個通道進(jìn)行恒比定時甄別，并對每個信號的起始時刻進(jìn)行記錄。因此，通過提取數(shù)字化儀上每個通道信號的起始時刻信息即可對探測器兩個方向輸出端信號的延遲時間差進(jìn)行計算。

位置成像處理：主要由WaveCatcher軟件和Labview軟件來完成。WaveCatcher可以同時和同步地采集多個通道的瞬態(tài)波形。在本研究中通過該軟件將多絲室產(chǎn)生的4路通道每個脈沖的電荷量、幅度大小、上升沿時間和下降沿時間同時采集和測量，所有獲得的數(shù)據(jù)都可以保存到數(shù)據(jù)文件中。Labview軟件是一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境，可具有儀器控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示等功能[10]。在本研究中我們通過Labview軟件將WaveCatcher軟件保存下來的探測器信號數(shù)據(jù)處理成XY圖顯示出來，Labview程序框圖如圖4所示。

圖4 Labview程序框圖Fig.4 Labview program block diagram

在圖4程序中，將數(shù)據(jù)文件中4組信號脈沖產(chǎn)生的時間分別提取出來，代入函數(shù)經(jīng)過計算分別得到信號在X方向和Y方向的時間延遲差值，通過這些差值就能在XY圖上描繪出入射粒子的二維位置圖。圖5為模擬測試α粒子在不加準(zhǔn)直片條件下入射時得到的二維平面信號時間差分布圖。圖中藍(lán)色散點呈現(xiàn)出中心集中分布、四周發(fā)散分布的特點，與α源各向角度都發(fā)射粒子的情況相同。

圖5 信號時間延遲分布圖Fig.5 Signal time delay distribution

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 放射源測試

為了測試讀出電子學(xué)系統(tǒng)的性能，利用α放射源對探測器及讀出電子學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了實驗測試。α源為2π發(fā)射率為2.73×103min-1的238Pu源。α源放置于多絲正比室內(nèi)部陰極表面處，源發(fā)射出的α粒子經(jīng)寬度為2 mm×1 mm、深度為3 mm的準(zhǔn)直孔進(jìn)入工作氣體。為了實現(xiàn)對本多絲正比室的位置讀出測試，將源放置在探測器中心位置附近10 mm左右。在測試時工作氣體流量保持為20 mL/min，陽極絲所加電壓+1 000 V，陰極硼膜上所加電壓-1 000 V。信號經(jīng)前放放大處理后再由前放Time輸出端輸出，示波器上所測得Y方向兩信號波形圖如圖6，從圖6可以看出，兩信號波形相同且在時間上相差30 ns左右。

圖6 示波器信號測試圖Fig.6 Oscilloscope signal test diagram

通過數(shù)字化儀采集了多絲室Y方向和X方向的信號，采集時間17 min，采集頻率3 event/s，總數(shù)約3 000多個。用WaveCatcher軟件的時間測量功能統(tǒng)計了兩個信號的時間差值分布，圖7為多絲室X方向的時間差直方分布圖，經(jīng)高斯擬合后平均值為48.9 ns，F(xiàn)WHM為3 ns。圖8為多絲室Y方向的時間差直方分布圖，經(jīng)高斯擬合后平均值為43.8 ns，F(xiàn)WHM為7 ns。

圖7 讀出絲時間差分布圖Fig.7 Time difference distribution of readout wire

圖8 讀出條時間差分布圖Fig.8 Time difference distribution of readout strip

位置讀出原理如圖9所示，從上下的感應(yīng)絲平面上感應(yīng)出的正脈沖信號，經(jīng)過延遲塊并向兩端傳播，假設(shè)感應(yīng)絲框上在距上端x1上傳來脈沖信號，分別經(jīng)過t1，t2到達(dá)延遲塊上下兩個端點，那么在傳輸過程中形成的時間差與感應(yīng)信號的位置有關(guān)。設(shè)其固定的總延遲時間為T=t1+t2，時間差為Δt=t1-t2(由數(shù)字化儀得出)，則t1=(T+Δt)/2；設(shè)相鄰感應(yīng)絲之間單位延遲時間為τ，感應(yīng)絲間距為w，則x1=(t1/τ)·w。結(jié)合本研究多絲正比室結(jié)構(gòu)參數(shù)可知T為250 ns，τ為5 ns，w為2 mm，可得到信號位置與脈沖時間差的關(guān)系：x1=50 mm+(Δt/5 ns)。根據(jù)關(guān)系式結(jié)合測試中X方向和Y方向時間差得到α粒子入射二維位置分布圖，如圖10(a)所示。圖中入射粒子集中在59.8 mm，58.8 mm，此讀出位置與α源實際放置時偏離探測器幾何中心(10 mm,10 mm)位置大致相同。進(jìn)行位置分辨測試時準(zhǔn)直器平行于Y方向放置，探測器的位置分辨可由圖10(b)得到，經(jīng)高斯擬合后FWHM為2.355σ=0.45 mm。

圖9 延遲塊讀出原理圖Fig.9 Delay block readout schematic

圖10 二維位置分布和X方向位置分布Fig.10 2D position distribution and X-direction position distribution

3 結(jié)論

本文用MCNP軟件模擬計算確定了涂硼層的最佳材料10B4C并得到該材料在3.0 μm厚度下取得最大探測效率10.41%。搭建了一套基于數(shù)字化儀及延遲線讀出的電子學(xué)系統(tǒng)，并用α源代替中子源進(jìn)行了多絲室的信號讀出，通過WaveCatcher軟件和Labview軟件完成對信號脈沖時間的測量和處理，以此得到入射粒子的二維位置信息。在當(dāng)前研究基礎(chǔ)上，還有許多需要改進(jìn)的地方，如：可以將前置放大器放置在多絲室同一屏蔽腔中，以減少信號傳輸過程中的干擾；Labview軟件數(shù)據(jù)處理程序的繼續(xù)改進(jìn)，通過DAQ獲取模塊同步連接WaveCatcher軟件，并能實時看到入射粒子的入射位置的二維分布；可進(jìn)一步用真正中子源代替此次的α源進(jìn)行實驗。