用于缪子成像技术的多气隙阻性板室关键技术研究

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缪子成像检测技术是近年来兴起的一种重核物质检测的新兴技术。它是通过测量宇宙线中的缪子穿过重核物质时,产生的库伦散射的角度分布,来完成对重核物质检测的。在这项技术中,最重要的是用于缪子径迹探测的位置分辨探测器的研究。清华大学在2012年搭建了基于多气隙阻性板室(Multi-Gap Resistive Plate Chamber,MRPC)的缪子成像系统(Tsinghua University Muon Tomography Facility,TUMUTY),并得到了一系列的技术研究成果。目前,我们正在把这项无损检测技术发展到工业应用中。根据对汽车成像检测和某研究院的重核物质成像检测的需要,研制了第二代大灵敏面积位置分辨的MRPC。相对于第一代的TUMUTY MRPC,它具有灵敏面积更大(单个探测器灵敏面积达到1 m2),结构更简洁(单个探测器可以完成X-Y的二维读出)的特点。考虑到探测器信号传输的稳定性,把用于数据复用读出装置放进了MRPC探测器的气盒内。我们采用波形读出的数据获取方式,详细研究了加入复用装置以后探测器各方面性能的变化,并给出了定量的研究结果。同时对即将用于系统搭建的十二块MRPC探测器进行了批量的性能标定测试,结果表明:在复用读出模式下,MRPC探测器效率均高于93%,同时探测器还具有小于800μm的位置分辨能力。RPC类型探测器的传统工作气体介质Freon和SF6均具有很高的GWP(Global Warming Potential)值,从20世纪80年代开始,欧盟就给出了含氟气体使用的禁令。目前,很多研究小组都在从事RPC类探测器的环保型气体研究,由于可替代的环保气体存在一定的弊端,同时研究结果都不太成熟。为了解决这个问题,同时考虑到缪子成像系统的探测对象是宇宙射线,具有低通量性,我们研究并设计成功工作在极低通气流量下或者闭气状态下用于缪子成像的第三代环保节能SMRPC(Sealed MRPC)类型探测器。通过精密设计的密封条和碳膜玻璃密封的方案,研制出了能够在极低气体流量0.5 ml/min下长期稳定工作的SMRPC探测器。研究还表明,探测器还能在没有气体交换的状况下稳定工作超过60小时及以上,此时重新通气一定的体积后,SMRPC探测器能重新正常闭气工作。在此模式下工作探测器平均工作气流减小到了0.05 ml/min。后期设想通过精准的暗电流监测装置和气路控制系统,来实现基于SMRPC缪子成像系统的闭气工作模式。MRPC探测器的工作介质是90%氟利昂(Freon)+5%六氟化硫(SF6)+5%异丁烷(i-C4H10)的气体混合物。气体性质易受到外部环境温度变化的影响。考虑到工业缪子成像系统一般置于室外的工作环境,我们对MRPC探测器的温度效应进行了详细的研究。同时考虑到工业应用,也对纯氟利昂气体模式下的探测器性能进行了详细研究。提出了通过高压补偿的方法来弥补MRPC探测器由于温度变化带来的性能损失。并给出了精细的电场补偿方案:在标准25℃基础上,温度每变化5℃,电场变化320 V/mm。基于以往位置分辨MRPC的研究经验和我们工作组建立的ANSYS Maxwell+GENAT4的模拟框架,对影响MRPC探测器位置分辨性能的参数进行了模拟优化,集中讨论了探测器读出条宽度、探测器的气隙个数、读出条宽度中覆铜宽度等对MRPC位置分辨的影响,这对未来新的位置分辨RPC类探测器的设计具有一定的指导意义。
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