高通量涂硼GEM监测器（GEM）
1.研究背景
由于中子产生效率以及中子束传输效率等诸多因素的影响，中子源中子束入射强度不稳定，解决的办法是在中子导管出口处放置一个中子束监测器，测量入射中子强度随时间的变化，从而可以有效的减小中子束入射强度变化引起的系统误差。同时为了减小对入射中子束的干扰，还要求中子束监测器具有高传输因子（大于95%）以及低探测效率(约1‰)。传统典型的中子束监测器大多使用透过式3He正比计数器，计数率最大10kHz，中子注量率小于108n/cm2•s，不具有位置与时间分辨能力。
中子束监测器
随着国际上散裂中子源的发展，中子通量越来越高，对束流监测器也随之提出了更高的要求，不仅需要实时的监测中子束的强度，还需要具有良好的二维位置分辨能够实时的监测中子束斑的形状，并且提供很好的时间分辨能够应用于飞行时间法测量中子波长，很明显这种典型的中子束监测器已经不能满足目前散列中子源对束流监测的新要求，而近年来蓬勃发展起来的GEM（Gas Electron Multiplier）气体探测器性能十分突出，位置分辨好于100μm，计数率高达1MHz，耐辐射，应用范围广，使用不同转换材料就可以探测相应灵敏的粒子，凃硼作为转换层就可以探测中子，目前基于凃硼GEM的中子探测技术已成为新型中子探测器研究的热点，也是新一代中子束监测器的热点技术。凃硼GEM中子束监测器与传统的透过式计数器相比有着非常突出的优点。
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GEM和4560N的比较
2.研究内容
2.1 探测原理：
2.1 探测原理：
硼-10作为常用的热中子敏感转换材料，中子与硼-10发生如下核反应：
n + 10B → α + 2.79MeV 7% Eα=1.78MeV ELi=1.0MeV
7Li + α + γ + 2.31MeV 93% Eα=1.47MeV ELi=0.84MeV |
GEM 探测器工作时在两侧铜面上加高电压，电子在孔内雪崩，对原初电离进行放大。具有优异的位置分辨（<100μm）、很好的耐辐照性能、读出方便、可以在很高的计数率（106Hz/mm2）条件下工作等特点。 该反应产生的7Li，α方向相反，在硼-10里主要经过多次库伦散射与电离激发，使得出射粒子有一定的能损和角度发散，二者在其中的射程均小于3μm。为了获得较低的探测效率(约1‰),在GEM探测器阴极板的下表面镀上一层硼-10(约0.1μm厚),GEM探测器通过探测出射的7Li或者α，确定入射中子的时间以及位置信息。 |
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2.2 涂硼技术：
2.2 涂硼技术：
硼属于非金属，不能使用电镀，熔点高，传统的热蒸发真空镀膜也不能够成功，目前可用的方法有：电子束溅射、磁控溅射、原子层沉积(ALD)以及电泳，前两种为目前可用的最佳镀膜技术，镀膜质量高，完全可以满足探测器设计要求，该项技术的难点就是制靶，市场上硼为粉末状，需要在真空进行高压制靶；ALD目前镀大面积代价过高；电泳镀膜质量较差且厚度一般大于1 μm，优点是工艺简单、成本低。过去的一年里项目组主要开展了两方面的合作：与北京核仪器公司开展了电泳镀膜实验，与北航开展了磁控溅射镀膜技术的探索，北航合作组目前正在进行镀膜实验，预计年内有结果。
涂硼漂移电极
2.3 探测器制作：
2.3 探测器制作：
为了实现中子束监测器便携式的目的，采用将探测器与读出电子学置于同一母板的紧凑设计方案。探测器有效区面积为50mm*50mm，96路pad，每个pad的尺寸是4mm。下图为母板功能模块布局（在清洁间装配探测器）。
母板功能模块布局，探测器装配
2.4 读出电子学设计：
2.4 读出电子学设计：
为实现高计数率下信号快速读出以及实时取数监测的功能，96路采用独立、数字化读出的方式，设计专门的电子学，并特别考虑电磁以及中子的屏蔽问题。前放放大的信号经甑别器形成数字信号，进入FPGA(100MHz)分析，最后由usb或者网口直接送入计算机处理，原理框图如下图所示。
信号读出及数据处理原理框图
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96路前放加甄别分为12块子板（左图），对称位于探测器两边，每一块子板包括8路电压前放和对应的甄别器，由电子学组完成。 经96路甄别器的数字信号，进入FPGA实现时间谱 (TAS)与位置谱(PAS)，电子学功能框图见下图所示。 关于GEM更多的实验进展请参考散裂工作日志（Elog）
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时间谱框图读出电子学