基于Micromegas的裂变室结构优化与高计数率热中子测量性能研究

为解决核反应堆宽范围中子通量监测中传统探测器计数率受限的问题，研究人员通过蒙特卡洛模拟优化Micromegas裂变室结构，发现70% Xe+30% CF4混合气体及2 mm漂移区宽度可显著降低电子横向扩散（FWHM 0.13 mm），重复计数率降至21.09%，为开发高计数率热中子探测器提供理论支撑。

　　

核能作为清洁高效能源在全球能源发展中占据重要地位，而反应堆安全的核心在于中子通量监测系统的可靠性。当前，传统中子探测器因测量范围有限，需多探测器组合或裂变室多模式接力测量，导致系统复杂且成本高昂。尤其在高强度热中子（如反应堆全功率运行时达10¹¹ n cm^?2 s^?1）场景下，亟需兼具高灵敏度与宽计数率范围的单脉冲模式探测器。微结构气体探测器（MPGD）中的Micromegas技术虽具备高计数率（10⁸ cps/cm²）等优势，但其像素阵列读出方式易因电子横向扩散引发单信号多通道响应，不仅增加电子学负担，更制约计数率提升。

针对这一难题，南华大学核科学技术学院的研究团队通过蒙特卡洛模拟系统优化Micromegas裂变室结构与工作条件。研究发现，裂变碎片在气体中的角度分布会导致初级电子横向展宽，而电离电子在漂移过程中的扩散进一步加剧多通道响应。通过模拟²³⁵U与热中子反应特性，确定最佳转换层厚度为1.4 mg/cm²（探测效率0.28%）。采用70% Xe与30% CF₄混合气体（漂移电场1000 V/cm）时，电子横向扩散半高宽（FWHM）最小降至0.13 mm。实验验证显示，2 mm漂移区宽度下中子平均计数率达0.079，重复计数比仅21.09%。该成果为开发适用于反应堆高强度热中子监测的高计数率探测器奠定基础，论文发表于《Aquacultural Engineering》。

关键技术方法包括：1) 蒙特卡洛模拟分析转换效率、探测效率及电子能量沉积谱；2) 研究不同惰性气体（Xe/Ar）与气压对初级电子空间分布的影响；3) 通过Pu-Be中子源实验测试漂移区宽度与计数率的关联性。

研究结果：

1. 中子与U₃O₈反应：U₃O₈转换层厚度超过5 mg/cm²后效率趋于稳定，但需平衡α粒子干扰阈值。
2. 裂变碎片特性：裂变碎片动能分布峰值约70 MeV，初级电离电子数约2.3×10⁵/MeV。
3. 电子扩散控制：Xe等高原子序数气体可约束电子扩散，70% Xe+30% CF₄混合气体性能最优。
4. 结构优化验证：2 mm漂移区宽度实现计数率与重复计数比的最佳平衡。

结论与意义：该研究通过限制电子横向迁移，显著降低Micromegas裂变室的多通道响应，使其单脉冲模式计数率提升3.7倍。这不仅为反应堆宽范围中子通量监测提供新型探测器解决方案，也为MPGD在核探测领域的应用拓展了技术路径。团队特别感谢中国科学技术大学核探测与核电子学国家重点实验室的协作支持。