第35卷第4期2020年12月
西南科技大学学报
Journal of Southwest University of Science and Techuoloy
Vol.35No.4
Dec.2020
基于数字化仪及延迟线读出的涂硼多丝正比室研究
魏阳东邱琳李嘉辉史宏涛王小胡
(西南科技大学国防科技学院四川绵阳621010)
摘要：对涂硼多丝正比室的中子探测效率进行了优化，并搭建出一套基于数字化仪及延迟线读出的电子学系统：延迟线读出法利用延迟块实现了时间和位置的转换；数字化仪将多路通道脉冲信号同时采集，结合WaveCatcher软件可对脉冲波形的输出振幅和时间信息实时测量和保存。采用a源对读出系统进行了多丝正比室的位置分辨测试，系统位置分辨率可达0.45mm，并进行了入射粒子的二维成像显示，测试结果验证了读出系统的可行性。
关键词：涂硼多丝正比室数字化仪延迟线读出系统
中图分类号:TL811+.2文献标志码：A文章编号：1771-8755(2020)03-0082-05
Study of a Boran-ccoteX MWPC Bae on Digitizer and Delay Line Readout
WEI Yau/dony,QIU Liu,LI Jia/ui,SHI Honytao,WANG Xiaodu (School of National Defen Science and Technology,Southwest University of Science and Technology,
MianyaTig621212,Sichuan,China)
早操的英语
Abstract:Is this s/Xy,the aeutma detectiox ebic—xcy of Boma-coated MWPC(Multi-piro Pmpohioxal Chamber)was optimized,and as e—ctmaic system bad ox the di——zor and the delap Pay readout was built.The delap b—cU was ud io m/izo tho coaversiox of time and posi—ox with the delap Pae rexCoat. Multi-cUanaef pul signals were collected with—o digitizer al—o same—mo.Combiaed with WaveCatch-or software,—e optpal amplituXe and Wme infopnatiox of pul waefop cox—be mepsured and saved O real—me.Is this s/Xy,the a radiatiox source was ud to mepsuro the spatial reso—tiox of the multi-piro pmpohioxal chamber of the maCoal system.The system posit—a reso—tiox cox—reach0.27mm,and the two-pimexsioaat imaping disp—y of—e iuciPext pahicles was cu/OP oxi.The test results vehfp the feasi-biPty of the rexCoal system.
KeyworCs:Boma-coated MWPC;Digitizer；Delap Pae;Readout system
随着3He管探测器制作成本的上升，多丝正比室在国内中子探测领域发展迅速，并逐渐应用在中子谱仪上，对探测器的探测性能有了更高的要求，相应的探测器的读出电子学系统也会有更高的要求。目前国内多丝正比室读出电子学系统采用的还是传统的NIM机箱系统以及单丝读出法。NIM机箱系统是分立式的元器件设备，在探测器进行信号读出需要连接多个插件，如前置放大器、主放大器和ADC模数转换器等，此实验系统仅在实验测试环境下应用。单丝读出法把每根丝都看作一个探测器，分别进行信号读出，这种方法虽然能得到入射粒子的准确位置，但是在大面积覆盖测量的情况下，每根丝独立读出信号所需要的通道太多，电子学系统太
过冗杂，不适合在中子谱仪上采用J—5]o本研究针对多丝正比室在中子谱仪应用上对探测器高计数率、大面积读出、良好的位置分辨和高集成度等要求，在已经研制的涂硼多丝室的基础上，在探测器的读出丝和读出条上增加了延迟块以及在信号的后端处理系统中增加了数字化仪，实现读出电子学系统高度集成化并具有高的采样率和良好位置分辨率。
收稿日期：2622-62-22
基金项目：国家自然科学基金项目资助(11825147)
作者简介：第一作者，魏阳东，男，硕士研究生；通信作者，王小胡，副研究员，研究方向为辐射探测技术,E-m/t：wxh@wah eda.ca
第2期魏阳东，等：基于数字化仪及延迟线读出的涂硼多丝正比室研究53
1实验平台
47涂硼多丝室结构原理
本研究多丝室结构为单层涂硼多丝室结构，上层为涂硼阴极层，中子经入射窗射到硼层后，与硼元素发生核反应：
n+4B——>a+7Li+2.77MeV E a=455
MeV,E L1=471MeV(0%)
7Li+a+y+2.31MeV E a=
407MeV,E L1=7.52MeV
(9%)
核反应产生的a粒子或者Li离子进入探测器灵敏区域并沿着其入射径迹与工作气体发生碰撞产生原初电离，原初电子在电场作用下会在阳极丝附近发生雪崩现象，产生电离增值。雪崩发生后电子将很快被阳极丝吸收正离子逐渐向上下读出平面漂移，同时在读出平面上感应出正脉冲信号⑷。通过上下两个读出平面的感应信号的大小分布可得到雪崩的发生位置，进而可以得到中子的入射位置。涂硼多丝正比室的结构如图1所示。
图8涂硼多丝正比室结构图
下载加速Fig.7Structure of
boron-foatek multi-wire aropornonai chamber 图1中多丝正比室丝室结构布置由上往下依次为涂硼阴极层、X读出丝平面、阳极丝平面、『读出条平面，规格为120mm X107mm。涂硼阴极层采用在铝基材上镀一层富集4b4c构成，其与读出丝平面的距离为8mm。阳极丝平面到读出丝平面和读出条平面的距离都为3mm，此距离是通过GaAold模拟的阳极丝产生的电子雪崩信号分布宽度的最佳距离得出［］。阳极丝直径为27pn，丝间间距为2mm，对入射粒子的位置分辨在理论条件下可达到2mm〔4］。阳极丝下方读出条平面的金属读出条宽度为45mm，间距为2mm。阳极丝上方读出丝平面读出丝直径为57pn，丝间距为1mm，每2根读出丝连在一起构成一个读出条，满足读出条间距，亦为2mm o探测器采用延迟线读出法，读出条平面和读出丝平面每根读出条均与安装探测器气体腔内部的
延迟线模块相接。延迟线模块每个延迟单元的延迟时间为5ns，通过测量到达延迟线两端的信号脉冲的时间差，可确定雪崩的发生位置，进而推算出中子的入射位置［］。在本研究中，工作气体采用高纯Ar/CO9(97/n)混合气，根据SRIM软件模拟，在这一工作气体条件下a粒子在灵敏体积内的最大射程为9.02mm。本多丝室阳极到阴极距离为4mm，可使a粒子能量完全沉积在灵敏体积内，有助于提高入射粒子的探测效率。
40探测效率优化
涂硼多丝室主要通过中子与4B发生核反应来探测中子，因此涂硼层的厚度及层数对于入射中子的探测效率起决定性影响。在实际应用中，图(所示的读出条将采用涂硼金属条，因此实际的硼转换层为2层。对于上下两面2层涂硼的多丝正比室结构，利用MCNP软件及SRIM软件对探测器的中子探测效率进行了仿真计算。其中MCNP软件主要计算不同位置处硼与中子发生核反应的概率,SRIM 软件可计算中子核反应产物在材料中的射程，进而可以得到不同位置处的离子出射概率。结合MCNP 软件及SRIM软件即可得到不同涂硼厚度及层数下的中子探测效率［］。本文对纯4b S4b4c和天然
B4C3种涂层材料进行了模拟，得到的探测器对7.4nm热中子的探测效率如图2所示。
A
O
U
C
K
S
J
J
手机指南针怎么看W
U
O
I
t
c
l
Q
a
图2不同涂层材料下MWPC探测效率随涂层厚度的变化Fig.7MWPC detection efficiency with
coating Oichness under diOerext coating materials
从图2可以得出6种涂硼材料随着厚度的增加探测效率也随之增大，在达到某个值之后探测效率趋向饱和值不再增加，这是由于随着硼厚的增加，会加剧硼层对a和Li离子的自吸收效应。当涂层材料为天然B4C时，在硼膜厚度为3.5pn时取得最大探测效率2.02%；涂层材料为12B4C时，在硼
82西南科技大学学报第35卷
膜厚度为8.4 pn 时取得最大探测效率4. 41% ；涂 层材料为纯4B 时，在硼膜厚度为2.9 pn 时取得最
大探测效率14 52%。从模拟结果可知，选用4B 4C 或纯4b 作为中子转换材料时，探测器的中子转换 效率相差并不是很大，但都要比天然B 4C 高很多。
考虑到碳化硼能够导电，并且在铝等金属上的附着 性较好，本实验采用10b 4c 作为中子转换材料。
48读出系统搭建
读出系统是将探测器探测到的信号引出到后端
电脑的数据传输系统，主要组成：多丝正比室、气体 系统、前置放大器、数字化仪、高压电源箱等。基于
商务宴请延迟线及数字化仪的MWPC 探测器的信号读出系 统如图3所示。信号经探测器读出条引出，再经前 置放大器放大。前放放大之后的电压脉冲信号经数 字化仪转换为数字信号，数字化仪具有时间戳功能,
可通过恒比定时功能对探测器读出平面延迟线两端 的信号到达时间进行记录。数字化仪自带的Wove-
Catchvr 软件可对输出信号的波形、时间分布、幅度
分布等信息进行在线显示。结合LaUVIEW 软件可 对数字化仪的输出数字信号进行处理，实现位置计 算和二维位置显示。
图3多丝正比室探测器信号读出路径图Fig. 3 Signal aPout path of
multioirc prouo/iouol cOambes detectos
读出系统前放采用CAEN 公司的A222电荷灵敏 前置放大器，直接搭配示波器来测试前置放大器增益
性能。经测试，前放的平均增益值为39 mV/MeV ，时 间端测得输出的信号上升时间为25 ns，而能量输出
端脉冲信号的上升时间为254 ns，快时间响应良 好⑼。本研究只针对探测器的计数性能和位置分 辨能力，在信号的处理方面主要集中在脉冲波形的
时间信息，这要求前放的输出信号具有极快的时间 上升沿，以便确定产生信号波形时的起点和终点，将
时间点转换为逻辑信号。这时的定时甄别输出的逻 辑信号与输入幅度波形的变化无关，只是信号的上
升时间和下降时间更快更准确。所以本次研究采用
前放的Time 输出端直接读取信号。前置放大器
timing 端输出信号通过数字化仪进行读出。数字化
仪采用CAEN 公司的DT5743型8通道桌面式数字
化仪，通过USB 接口与计算机相连接。数字化仪可
对每个通道进行恒比定时甄别，并对每个信号的起
始时刻进行记录。因此，通过提取数字化仪上每个 通道信号的起始时刻信息即可对探测器两个方向输 出端信号的延迟时间差进行计算。
位置成像处理：主要由WoveCatchvr 软件和
LaUview 软件来完成。WoveCatchvr 可以同时和同步
地采集多个通道的瞬态波形。在本研究中通过该软 件将多丝室产生的4路通道每个脉冲的电荷量、幅 度大小、上升沿时间和下降沿时间同时采集和测量,
所有获得的数据都可以保存到数据文件中。LaP-
view 软件是一种图形化的编程语言的开发环境，可
具有仪器控制、数据分析和数据显示等功能［0］。在
本研究中我们通过LaUview 软件将WoveCatchvr 软
件保存下来的探测器信号数据处理成xy 图显示出
来,LaUview 程序框图如图4所示。
路径
XY 图
EH
[LwdingEdgeTime: |---------
|2000|
IN]
时间数据处理
I 生成二维图
文件读入I
提取信号时间信息
循环姻
111
图4 Labview 程序框图
Fig. 2 LaUview program bloc-
diagram
第2期魏阳东，等：基于数字化仪及延迟线读岀的涂硼多丝正比室研究85
在图2程序中，将数据文件中2组信号脉冲产 生的时间分别提取出来，代入函数经过计算分别得 到信号在X 方向和y 方向的时间延迟差值，通过这 些差值就能在xy 图上描绘出入射粒子的二维位置
图。图5为模拟测试a 粒子在不加准直片条件下
入射时得到的二维平面信号时间差分布图。图中蓝 色散点呈现出中心集中分布、四周发散分布的特点,
与a 源各向角度都发射粒子的情况相同。
2 500500
-500-1 000-1 5002 000-2 500
-2 000 -1 000 0 1 000 2 000
X —direction time clifference/ns
图5信号时间延迟分布图
Fig. 5 Siguai —me delay disWibu —on
s u 'Q o u d J J I P c u n l
U O T t a n p —丄
2试验结果与分析
2.1放射源测试
为了测试读出电子学系统的性能，利用a 放射
源对探测器及读出电子学系统进行了实验测试。 a 源为2tt 发射率为2. 73 X 125 min"9的235Pa 源。a
源放置于多丝正比室内部阴极表面处，源发射出的
a 粒子经宽度为2 mm X 1 mm 、深度为3 mm 的准直
孔进入工作气体。为了实现对本多丝正比室的位置
读出测试，将源放置在探测器中心位置附近12 mm 左右。在测试时工作气体流量保持为20 mL/mia,
阳极丝所加电压+ 1 000 V ，阴极硼膜上所加电压
-1 000 V 。信号经前放放大处理后再由前放Time
输出端输出，示波器上所测得y 方向两信号波形图
如图6，从图7可以看出，两信号波形相同且在时间 上相差30 US 左右。
通过数字化仪采集了多丝室y 方向和x 方向 的信号，采集时间15 min，采集频率3 evex —s ，总数 约3 000多个。用WaveCatcher 软件的时间测量功 能统计了两个信号的时间差值分布，图5为多丝室
X 方向的时间差直方分布图，经高斯拟合后平均值
为48.9ds,FWHM 为3 ns 。图8为多丝室y 方向的
时间差直方分布图，经高斯拟合后平均值为23. 9
as,FWHM 为 9 as o
图6示波器信号测试图Fig. 6 Oscilloscope signal test diapram
E»
O 500 mV 0 500 mV )(100 ns
)
图7读出丝时间差分布图
图8读出条时间差分布图
Fig. 3 Time di —ere n ee disWibu —on of readout ship
位置读出原理如图9所示，从上下的感应丝平
面上感应出的正脉冲信号，经过延迟块并向两端传 播，假设感应丝框上在距上端X 1上传来脉冲信号, 分别经过Pyh 到达延迟块上下两个端点，那么在传 输过程中形成的时间差与感应信号的位置有关。设 其固定的总延迟时间为T = i 1 +h ，时间差为42 =
21 -h (由数字化仪得出)，则21 = (T + 4)/2；设相
邻感应丝之间单位延迟时间为T 感应丝间距为w
,
80西南科技大学学报第35卷
贝0X1=(y/T)•w o结合本研究多丝正比室结构参
数可知T为259ns,2为5ns,w为2mm，可得到信号
位置与脉冲时间差的关系：71=59mm+(△t/5ns)。
根据关系式结合测试中X方向和Y方向时间差得到
a粒子入射二维位置分布图，如图4(a)所示。图中
入射粒子集中在59.8mm,58.8mm，此读出位置与a
源实际放置时偏离探测器几何中心(4mm,4mm)
位置大致相同。进行位置分辨测试时准直器平行于Y方向放置，探测器的位置分辨可由图17(b)得到，经高斯拟合后FWHM为2.325o-=7.05mm。
80----------------------------------------------------------
-(a)
70】
160r蜜
50;
4()1-------------————_u__._,————
404550556065707580
X/mm
图9延迟块读出原理图Fig.2Delay bPch reaPout schematic
图10二维位置分布和X方向位置分布
Fig.142D position dist/dutOn and X-direction posi—on dist/dutOn
5结论
本文用MCNP软件模拟计算确定了涂硼层的最佳材料4B4C并得到该材料在3.0pn厚度下取得最大探测效率17-01%。搭建了一套基于数字化仪及延迟线读出的电子学系统，并用a源代替中子源进行了多丝室的信号读出，通过WaveCatcher软件和LaUview软件完成对信号脉冲时间的测量和处理，以此得到入射粒子的二维位置信息。在当前研究基础上，还有许多需要改进的地方，如：可以将前置放大器放置在多丝室同一屏蔽腔中，以减少信号传输过程中的干扰;LaUview软件数据处理程序的继续改进，通过DAQ获取模块同步连接WaveCatcher 软件，并能实时看到入射粒子的入射位置的二维分布；可进一步用真正中子源代替此次的a源进行实验。
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