高气压3He多丝正比室
中国散裂中子源工程第一期三台谱仪中，小角度散射谱仪和多功能反射谱仪的主探测器都是用的基于3He的多丝正比室，下面将介绍探测器组关于高气压3He多丝正比室的研究工作。
1.探测器工作原理
由于中子是电中性的，不能使介质原子（分子）发生电离或激发，所以不能直接探测。实验中对中子的探测都是通过核反应方法将中子转化成带电粒子来实现的。高气压3He多丝正比室就是通过中子与3He反应来探测中子的，其反应过程为：
n + 3He → p + 3H + 764keV
中子探测效率与3He气压的关系 |
中子与3He反应生成质子和氚核。由能动量守恒可以得出质子和氚核的动能分别为573keV、191keV，并且向相反的方向发射。质子和氚核在运动过程中将使工作气体发生电离产生大量初始电子－离子对，电离电子在电场作用下漂向阳极产生雪崩信号。雪崩产生的正离子向阴极运动过程中会在读出丝上感应出正电荷，通过测量读出丝上感应电荷分布的重心就可以确定入射中子位置。由于中子与工作气体反应所产生的质子和氚核的动能不一样，它们在工作气体中的射程也不一样，因此电离重心与核反应位置有一定的偏离。电离重心偏离的距离约为质子射程Rp的0.4倍。这种偏离是中子位置测量的主要误差来源，为了减小这种偏离，需要将质子和氚核限定在一个很小的范围内。由于3He对带电粒子的阻止本领较弱，即使在高气压下仍不足以将质子限定在较小的范围内，所以工作气体中还得加入其它阻止性气体，如CF4、C3H8 等。
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为提高中子的探测效率，必须提高3He气体密度，如图1所示。同时为提高位置分辨阻止性气体也需要一定的密度。综合考虑，工作气体采用6atm 3He+2.5atm C3H8混合气体。在该气体中，质子的射程为Rp=1.8mm，由于电离重心对核反应位置的偏离所引起的测量误差（FWHM）大约为Δxn=0.8Rp=1.44mm。
2.探测器结构设计
中子探测器的主体单元部分是一个二维位置读出多丝正比室，结构如图2所示，它由一个阳极平面、两个读出平面及一个阴极平面构成，有效面积200mm×200mm。两读出平面位于阳极丝平面上下各3mm处，上读出平面为读出丝，丝的取向与阳极丝平行。下读出平面为金属条，条的方向与阳极丝垂直。读出丝平面到上阴极之间为漂移区，厚度10mm。工作时阳极丝加正高压、读出平面地电位、阴极板加负高压。
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阳极丝平面：由于在高气压下气体的增益较小，所以阳极丝采用较细的直径15μm 的镀金钨丝，金属丝张力为25g。相邻丝之间的间距为2mm，丝的总数为100根。所有阳极丝连在一起用于信号幅度谱测量和系统触发。 上读出平面：由与阳极丝平行的直径为50μm的镀金钨丝构成，金属丝张力为50g，金属丝间间距为1mm。丝的总数为201根，读出平面到阳极平面的距离为d＝3mm，每4根丝连在一起形成一个读出条，每根读出条通过一个10MΩ的电阻接地，共50路读出。 下读出平面：由100根宽度1.6mm的金属条构成，相邻金属条之间的间距为2mm，每两根金属条连在一起形成一个读出条，共50路读出。
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二维多丝正比室结构示意图 |
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由于探测器需要工作在高气压环境下，多丝正比室需要放置在一个高气压。
探测器实物图，左图为正视图，右图为背视图
3.探测器性能初步测试
3.1 本底测试：
3.1 本底测试：
中子探测器在高能物理研究所源库中Am-Be中子源上进行了初步测试。首先，我们测试了探测器在三种环境下的的不同响应以明确本底对我们测试的干扰程度。下图中红色曲线（a）为Cs-137伽马源的测试能谱；蓝色曲线（b）是在探测器入射窗放置聚乙烯慢化体（将快中子慢化）和铅板（吸收中子源发射出的伽马射线）之后获得的能谱；黑色曲线（c）的测试环境在蓝色曲线（b）测试环境的基础上在入射窗前添加了一块镉板用于吸收热中子。由能谱可以看出源库中环境本底较高，室内探测器四周有很多热中子及γ的存在，并且能量不确定。这主要是因为源库中的中子源较多，同时中子与金属碰撞产生很多次级的γ射线。
本底测试
3.2 二维成像：
3.2 二维成像：
我们对探测器进行了二维成像测试。在探测器入射窗前放置一块镉制准直板，在上面切割出一个“H”字母的狭缝，镉板厚度为4mm，H笔画宽度1.5cm，字母宽度7cm，字母高度10cm。镉板以及成像结果如下图所示。图像的边缘有些模糊，这主要是由于中子的斜入射引起的。
二维成像隔板及成像结果
3.3 位置分辨及线性测试：
3.3 位置分辨及线性测试：
为了对探测器位置分辨进行测试，同时又考虑到源库中环境本底较高，我们制作了带有不同宽度狭缝的准直镉板，这样一方面可以测试探测器的位置分辨，另一方面可以测试探测器的线性。准直镉板分两部分：一部分是等间距的4条10mm宽狭缝，用于探测器位置线性测量；另一部分是不同缝宽、不同间距的狭缝，在测量探测器位置线性的同时测试探测器的最佳位置分辨，缝宽分别为12、6、4、4、8mm。
准直狭缝示意图 |
镉片厚度为4mm；狭缝长度均为80mm；上排狭缝宽度均为10mm； 下排狭缝宽度从左向右依次为：12mm，6mm，4mm，4mm，8mm； 因此上排狭缝中心位置依次为：40mm，80mm，120mm，160mm； 下排狭缝中心位置依次为：36mm，70mm，100mm，128mm，158mm；
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探测器X方向的位置分辨由阳极丝间距决定，Y方向的位置分辨如图7所示。由于Am-Be中子源的通量较低且准直度很差，同时由于源库的本地太高，初测探测器的位置分辨为4.9mm(sigma),但是探测器具有很好的位置线性，Y方向拟合线性方程为y=1.0117x+0.0811,线性度为0.9998。今后将在准直的热中子源上进行进一步的测试。具体的实验进展请参见散裂工作日志（Elog-MR主探测器、Elog-SANS主探测器-）。
图7：探测器的位置分辨（左）及位置线性（右）