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基本信息
- 項目名稱：
- Micromegas中子探測器位置分辨特性的Monte Carlo研究
- 小類：
- 數(shù)理
- 簡介：
- 中子成像技術(shù)中，獲得入射中子的位置信息很重要。利用GEANT4模擬Micromegas中子探測器，為開展試驗提供設(shè)計思路。組裝完成了靈敏面積為5cm×5cm的Micromegas探測器，其測試性能超過其它探測器。作品首次采用40μm厚的聚乙烯薄膜作為轉(zhuǎn)換材料，首次提出了一套通過設(shè)定探測器上層結(jié)構(gòu)來得到位置分辨特性的方案，通過計算機模擬驗證了方案的科學(xué)性、先進性，得到一種易于測定位置分辨特性的方法。
- 詳細介紹：
- Micromegas（MICRO-MEsh GAseous Structure）是1996年在法國的Saclay開發(fā)出來的一種新型氣體探測器。通過對入射帶電粒子或由其產(chǎn)生的次級粒子電離徑跡中的電子進行雪崩放大并記錄，進而給出入射粒子的入射徑跡、能量和強度。 利用歐洲核子中心開發(fā)的GEANT4和Garfield氣體探測器模擬程序模擬Micromegas中子探測器位置特性，首次提出了一套通過設(shè)定探測器上層結(jié)構(gòu)的方案來得到探測器的位置分辨特性的方案。 在中子測量中，在探測器上加一層轉(zhuǎn)換層，中子在其中發(fā)生彈性散射或核反應(yīng)，生成帶電粒子，通過測量帶電粒子間接地獲得入射中子的信息。作品首次采用40μm厚的聚乙烯薄膜作為轉(zhuǎn)換材料，通過反沖質(zhì)子法測量中子的位置。在漂移極覆加的聚乙烯薄膜上開取一定寬度的狹縫，利用Garfield程序模擬得到Micromegas中子探測器在此條件下轉(zhuǎn)換的電離電子的空間分布直方圖，很明顯，狹縫對應(yīng)空間的電離電子分布是探測器固有位置分辨率和狹縫共同作用的結(jié)果，當(dāng)狹縫寬度較大時，狹縫影響作用較大，狹縫對應(yīng)空間部分電離電子的統(tǒng)計漲落寬度和狹縫寬度一致；當(dāng)狹縫寬度較小時，探測器固有位置分辨率影響作用變大，狹縫對應(yīng)空間部分電離電子的統(tǒng)計漲落寬度大于狹縫寬度；不斷減小狹縫寬度的過程中，得到一系列狹縫寬度對應(yīng)的空間分辨特性直方圖，利用物理外推方法，狹縫寬度無限地接近零時，得到探測器的固有空間位置分辨率。 通過對模擬結(jié)果的分析與比較，得到一種易于測定探測器位置分辨特性的方法。這種新的徑跡重建思想還可以應(yīng)用到其它探測器位置分辨率測量實驗中。
作品圖片
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 目的：利用GEANT4和Garfield程序模擬Micromegas探測器特性，提出改進、優(yōu)化的相關(guān)方案，并驗證其科學(xué)性。為開展相關(guān)實驗提供設(shè)計思路。 基本思路：作品通過設(shè)定探測器的上層結(jié)構(gòu)，計算機模擬得到Micromegas中子探測器在此條件下轉(zhuǎn)換的電離電子的空間分布直方圖，將不同狹縫寬度下的位置分辨率進行統(tǒng)計，利用物理外推思想，得到Micromegas中子探測器的固有空間位置分辨率。
科學(xué)性、先進性及獨特之處
- Micromegas探測器是一種新型的氣體探測器，具有計數(shù)率高，探測死時間小，位置分辨率極佳，不易因輻射而損壞等優(yōu)點，代表探測器發(fā)展的新方向。 作品首次采用40μm厚的聚乙烯薄膜作為轉(zhuǎn)換材料，首次提出了一套通過設(shè)定探測器上層結(jié)構(gòu)來得到位置分辨特性的方案，通過計算機模擬驗證了方案的科學(xué)性。此思想不僅可用于Micromegas中子探測器位置分辨特性研究，還對其它位置靈敏探測器的研究有重要的借鑒作用。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- 作品針對蘭州大學(xué)中子發(fā)生器CT成像系統(tǒng)開展的研究，快中子CT成像在國防安全檢測和民用方面都有重要的應(yīng)用。 蘭州大學(xué)基于14MeV快中子CT成像系統(tǒng)，采用Micromegas為像探測器，高位置分辨特性使得從被照體中出射的中子注量分布數(shù)據(jù)得到清晰的透射圖像。同時，高位置分辨的Micromegas探測器，將為我國第三代同步輻射光源以及散裂中子源的科學(xué)應(yīng)用，醫(yī)學(xué)、工業(yè)射線成像，提供重要的探測和記錄手段。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 利用Micromegas探測器不僅可以測量帶電粒子，還可以測量中性粒子。在中子測量中，在探測器上加一層轉(zhuǎn)換層，中子在其中發(fā)生彈性散射或核反應(yīng)，生成帶電粒子，通過測量帶電粒子間接地獲得入射中子的信息。對于快中子探測器，聚乙烯以其廉價的特點作為重要的轉(zhuǎn)換材料，而且，中子與聚乙烯發(fā)生彈性散射（n,n')產(chǎn)生反沖質(zhì)子，通過反沖質(zhì)子法測量中子的位置。 在中子成像技術(shù)中，獲得入射中子的位置信息很重要。利用GEANT4和Garfield氣體探測器模擬程序模擬了Micromegas中子探測器位置特性。在漂移極上覆加40μm厚的聚乙烯薄膜作為轉(zhuǎn)換材料，通過反沖質(zhì)子法測量中子的位置。提出了一套通過設(shè)定探測器上層結(jié)構(gòu)的方案外推得到探測器的位置分辨特性。通過對模擬結(jié)果的分析與比較，得到一種易于測定探測器位置分辨特性的方法。此思想不僅可以用于Micromegas中子探測器位置分辨特性的研究，還對其它位置靈敏探測器的位置分辨研究有重要的借鑒作用。該工作不僅可以優(yōu)化氣體探測器結(jié)構(gòu)設(shè)計，縮短實驗周期，而且還能極大程度地節(jié)約經(jīng)費。
獲獎情況
- 論文“Monte Carlo Simulation of Spatial Resolution of Micromegas as a Neutron Detector”（外文）發(fā)表在中國核物理學(xué)會、中國科學(xué)院近代物理研究所主辦的《原子核物理評論》，第27卷，第3期。文章編號：1007-4627（2010）03-0291-05； 作品得到國家大學(xué)生創(chuàng)新性試驗計劃資助，并評為“優(yōu)秀完成課題”。
鑒定結(jié)果
- 作品首次提出的“通過設(shè)定探測器上層結(jié)構(gòu)的方案外推得到位置分辨特性”的方案，得到了國家大學(xué)生創(chuàng)新性試驗計劃組評委的認(rèn)可。同時，在論文審稿過程中，該方案得到《原子核物理評論》評審老師的支持與認(rèn)可。
參考文獻
- [1] 謝一岡,粒子探測器與數(shù)據(jù)獲取,北京:科學(xué)出版社,2004. [2] Charpak G, Derré J, Giganon A, et al. Nucl Instr & Meth, 1998, A 412: 47. [3] 吳治華,齊卉荃,沈能學(xué),等.原子核物理實驗方法,北京:原子能出版社,1996. [4] Andrew C S, Ronald G C, Laurence F M. Nucl Instr & Meth, 2004, A521: 441. [5] Andriamonje S, Cano O D, Delbart A, et al. Nucl Instr & Meth, 2002, A481: 36. [6] Giomataris Y, Rebourgeard Ph, Robert J P, et al. Nucl Instr & Meth, 1996, A 376: 29. [7] the links therein.
同類課題研究水平概述
- 當(dāng)前國外研究水平： ⑴.1996年，Y.Giomataris等人在法國Saclay的Dapnia最先研制成功，并于2001年夏，裝備于CERN的COMPASS。 Micromegas in COMPASS: ?Active areas: 40x40cm2; ?Spatial resolution: 50μm; ?Time resolution: 8.6ns; ?Efficiency: 99%. ⑵.目前世界上還有多個研究小組，如法國的Mulhouse, Nantes, Colledge de France以及瑞士的Lausanne，投入到對Micromegas探測器的研制當(dāng)中，并且該探測裝置在CERN正在逐步投入使用。 該探測器產(chǎn)生初期主要用于帶電粒子徑跡和計數(shù)測量，后來擴展到中子、光子等非帶電粒子的測量和成像領(lǐng)域，尤其是能夠?qū)梢姾驼婵兆贤夤獾臏y量，使得其應(yīng)用范圍得到進一步拓展，由最初的僅用于粒子物理學(xué)和核物理學(xué)領(lǐng)域，拓展到生物和醫(yī)學(xué)成像等學(xué)科領(lǐng)域。 當(dāng)前國內(nèi)研究水平： ⑴.中國科學(xué)院近代物理研究所 成功研制了靈敏面積為40cm×40cm的Micromegas氣體探測器，并在實驗上對Micromegas探測器計數(shù)曲線、增益、能量分辨特性以及時間分辨特性做了深入研究，為Micromegas探測器的推廣和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。目前，該實驗小組正在向Micromegas氣體探測器靈敏面積更大化、實驗特性最優(yōu)化、儀器設(shè)備穩(wěn)定化突破。 ⑵.清華大學(xué)工程物理系 將研制Micromegas氣體探測器，用于輻射成像領(lǐng)域。目前，該系重點基于GEM的平面成像探測器，研究方向主要包括成像讀出方法和探測效率的提升方法，為Micromegas氣體探測器的研制奠定基礎(chǔ)。目前已完成了基于FET陣列讀出的可行性研究、實現(xiàn)了可以實時成像的基于FET裸芯讀出的GEM平面成像探測器，并有望通過采用ASIC技術(shù)進一步提高位置分辨能力。 ⑶.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 研制了以魚線作為放大區(qū)(雪崩區(qū))支撐柱的Micromegas探測器，探測器靈敏面積為45mm×45mm。并測試了該探測器的增益均勻性、電子透過率以及不同氣體成分下的增益曲線。目前，該實驗室正在發(fā)展Micromegas氣體探測器以及基于FPGA的時間－數(shù)字變換芯片等電子學(xué)新技術(shù)的研究。
