基本信息
- 项目名称：
- Micromegas中子探测器位置分辨特性的Monte Carlo研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 中子成像技术中，获得入射中子的位置信息很重要。利用GEANT4模拟Micromegas中子探测器，为开展试验提供设计思路。组装完成了灵敏面积为5cm×5cm的Micromegas探测器，其测试性能超过其它探测器。作品首次采用40µm厚的聚乙烯薄膜作为转换材料，首次提出了一套通过设定探测器上层结构来得到位置分辨特性的方案，通过计算机模拟验证了方案的科学性、先进性，得到一种易于测定位置分辨特性的方法。
- 详细介绍：
- Micromegas（MICRO-MEsh GAseous Structure）是1996年在法国的Saclay开发出来的一种新型气体探测器。通过对入射带电粒子或由其产生的次级粒子电离径迹中的电子进行雪崩放大并记录，进而给出入射粒子的入射径迹、能量和强度。 利用欧洲核子中心开发的GEANT4和Garfield气体探测器模拟程序模拟Micromegas中子探测器位置特性，首次提出了一套通过设定探测器上层结构的方案来得到探测器的位置分辨特性的方案。 在中子测量中，在探测器上加一层转换层，中子在其中发生弹性散射或核反应，生成带电粒子，通过测量带电粒子间接地获得入射中子的信息。作品首次采用40µm厚的聚乙烯薄膜作为转换材料，通过反冲质子法测量中子的位置。在漂移极覆加的聚乙烯薄膜上开取一定宽度的狭缝，利用Garfield程序模拟得到Micromegas中子探测器在此条件下转换的电离电子的空间分布直方图，很明显，狭缝对应空间的电离电子分布是探测器固有位置分辨率和狭缝共同作用的结果，当狭缝宽度较大时，狭缝影响作用较大，狭缝对应空间部分电离电子的统计涨落宽度和狭缝宽度一致；当狭缝宽度较小时，探测器固有位置分辨率影响作用变大，狭缝对应空间部分电离电子的统计涨落宽度大于狭缝宽度；不断减小狭缝宽度的过程中，得到一系列狭缝宽度对应的空间分辨特性直方图，利用物理外推方法，狭缝宽度无限地接近零时，得到探测器的固有空间位置分辨率。 通过对模拟结果的分析与比较，得到一种易于测定探测器位置分辨特性的方法。这种新的径迹重建思想还可以应用到其它探测器位置分辨率测量实验中。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的：利用GEANT4和Garfield程序模拟Micromegas探测器特性，提出改进、优化的相关方案，并验证其科学性。为开展相关实验提供设计思路。 基本思路：作品通过设定探测器的上层结构，计算机模拟得到Micromegas中子探测器在此条件下转换的电离电子的空间分布直方图，将不同狭缝宽度下的位置分辨率进行统计，利用物理外推思想，得到Micromegas中子探测器的固有空间位置分辨率。
科学性、先进性及独特之处
- Micromegas探测器是一种新型的气体探测器，具有计数率高，探测死时间小，位置分辨率极佳，不易因辐射而损坏等优点，代表探测器发展的新方向。 作品首次采用40µm厚的聚乙烯薄膜作为转换材料，首次提出了一套通过设定探测器上层结构来得到位置分辨特性的方案，通过计算机模拟验证了方案的科学性。此思想不仅可用于Micromegas中子探测器位置分辨特性研究，还对其它位置灵敏探测器的研究有重要的借鉴作用。
应用价值和现实意义
- 作品针对兰州大学中子发生器CT成像系统开展的研究，快中子CT成像在国防安全检测和民用方面都有重要的应用。 兰州大学基于14MeV快中子CT成像系统，采用Micromegas为像探测器，高位置分辨特性使得从被照体中出射的中子注量分布数据得到清晰的透射图像。同时，高位置分辨的Micromegas探测器，将为我国第三代同步辐射光源以及散裂中子源的科学应用，医学、工业射线成像，提供重要的探测和记录手段。
学术论文摘要
- 利用Micromegas探测器不仅可以测量带电粒子，还可以测量中性粒子。在中子测量中，在探测器上加一层转换层，中子在其中发生弹性散射或核反应，生成带电粒子，通过测量带电粒子间接地获得入射中子的信息。对于快中子探测器，聚乙烯以其廉价的特点作为重要的转换材料，而且，中子与聚乙烯发生弹性散射（n,n')产生反冲质子，通过反冲质子法测量中子的位置。 在中子成像技术中，获得入射中子的位置信息很重要。利用GEANT4和Garfield气体探测器模拟程序模拟了Micromegas中子探测器位置特性。在漂移极上覆加40µm厚的聚乙烯薄膜作为转换材料，通过反冲质子法测量中子的位置。提出了一套通过设定探测器上层结构的方案外推得到探测器的位置分辨特性。通过对模拟结果的分析与比较，得到一种易于测定探测器位置分辨特性的方法。此思想不仅可以用于Micromegas中子探测器位置分辨特性的研究，还对其它位置灵敏探测器的位置分辨研究有重要的借鉴作用。该工作不仅可以优化气体探测器结构设计，缩短实验周期，而且还能极大程度地节约经费。
获奖情况
- 论文“Monte Carlo Simulation of Spatial Resolution of Micromegas as a Neutron Detector”（外文）发表在中国核物理学会、中国科学院近代物理研究所主办的《原子核物理评论》，第27卷，第3期。文章编号：1007-4627（2010）03-0291-05； 作品得到国家大学生创新性试验计划资助，并评为“优秀完成课题”。
鉴定结果
- 作品首次提出的“通过设定探测器上层结构的方案外推得到位置分辨特性”的方案，得到了国家大学生创新性试验计划组评委的认可。同时，在论文审稿过程中，该方案得到《原子核物理评论》评审老师的支持与认可。
参考文献
- [1] 谢一冈,粒子探测器与数据获取,北京:科学出版社,2004. [2] Charpak G, Derré J, Giganon A, et al. Nucl Instr & Meth, 1998, A 412: 47. [3] 吴治华,齐卉荃,沈能学,等.原子核物理实验方法,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.
同类课题研究水平概述
- 当前国外研究水平： ⑴.1996年，Y.Giomataris等人在法国Saclay的Dapnia最先研制成功，并于2001年夏，装备于CERN的COMPASS。 Micromegas in COMPASS: Active areas: 40x40cm2; Spatial resolution: 50µm; Time resolution: 8.6ns; Efficiency: 99%. ⑵.目前世界上还有多个研究小组，如法国的Mulhouse, Nantes, Colledge de France以及瑞士的Lausanne，投入到对Micromegas探测器的研制当中，并且该探测装置在CERN正在逐步投入使用。 该探测器产生初期主要用于带电粒子径迹和计数测量，后来扩展到中子、光子等非带电粒子的测量和成像领域，尤其是能够对可见和真空紫外光的测量，使得其应用范围得到进一步拓展，由最初的仅用于粒子物理学和核物理学领域，拓展到生物和医学成像等学科领域。 当前国内研究水平： ⑴.中国科学院近代物理研究所 成功研制了灵敏面积为40cm×40cm的Micromegas气体探测器，并在实验上对Micromegas探测器计数曲线、增益、能量分辨特性以及时间分辨特性做了深入研究，为Micromegas探测器的推广和应用奠定了基础。目前，该实验小组正在向Micromegas气体探测器灵敏面积更大化、实验特性最优化、仪器设备稳定化突破。 ⑵.清华大学工程物理系 将研制Micromegas气体探测器，用于辐射成像领域。目前，该系重点基于GEM的平面成像探测器，研究方向主要包括成像读出方法和探测效率的提升方法，为Micromegas气体探测器的研制奠定基础。目前已完成了基于FET阵列读出的可行性研究、实现了可以实时成像的基于FET裸芯读出的GEM平面成像探测器，并有望通过采用ASIC技术进一步提高位置分辨能力。 ⑶.中国科学技术大学核科学与技术学院 研制了以鱼线作为放大区(雪崩区)支撑柱的Micromegas探测器，探测器灵敏面积为45mm×45mm。并测试了该探测器的增益均匀性、电子透过率以及不同气体成分下的增益曲线。目前，该实验室正在发展Micromegas气体探测器以及基于FPGA的时间－数字变换芯片等电子学新技术的研究。
