基于Micromegas的裂变室结构优化及其在高强度热中子测量中的应用研究

为解决核反应堆中子通量监测中传统探测器量程受限、多模式接力测量复杂的问题，研究人员通过优化Micromegas裂变室结构与工作条件，结合蒙特卡洛模拟与实验验证，发现采用70% Xe+30% CF4混合气体及2 mm漂移区宽度可使电子横向扩散FWHM降至0.13 mm，重复计数率低至21.09%，为开发高计数率热中子探测器提供了理论依据。

　　

在核能安全领域，反应堆中子通量监测需覆盖10⁰-10¹¹ n cm^?2 s^?1的宽量程，但传统探测器需多模式接力测量，存在系统复杂、成本高昂的瓶颈。微结构气体探测器（Micromegas）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带电粒子横向扩散引发多通道响应，导致单中子信号重复触发，严重制约计数能力。南华大学核科学技术学院的研究团队通过结构优化与气体组分调控，成功提升了Micromegas裂变室的高强度热中子测量性能，相关成果发表于《Applied Surface Science Advances》。

研究采用蒙特卡洛模拟结合Pu-Be中子源实验验证的技术路线，重点分析了²³⁵U转换层厚度、气体组分（Xe/CF₄）、漂移区电场强度等参数对电子扩散的影响。通过Geant4模拟粒子输运过程，结合Garfield++计算电子漂移特性，系统评估了探测器性能指标。

关键研究发现

1. 中子与U₃O₈反应：模拟显示5 mg/cm²的U₃O₈涂层可实现0.28%的探测效率，同时α粒子阈值修正后信噪比最优。
2. 裂变碎片特性：裂变碎片在中心质量坐标系中各向同性发射，90%能量沉积发生在初始300 μm路径内，导致初级电子呈环状分布。
3. 电子扩散控制：70% Xe+30% CF₄混合气体在1000 V/cm电场下，电子横向扩散FWHM最小（0.13 mm），优于纯Ar或CH₄混合气体。
4. 实验验证：2 mm漂移区宽度实测重复计数率仅21.09%，较宽漂移区降低60%，计数率稳定在0.079。

结论与意义
该研究首次系统揭示了Micromegas裂变室中电子横向扩散与多通道响应的关联机制，提出通过窄漂移区设计（2 mm）与高原子序数气体（Xe）协同优化的方案。相比传统方法（如外加磁场或多探测器组合），该方案在单脉冲计数模式下即可实现10¹¹ n cm^?2 s^?1量程覆盖，为反应堆安全监测提供了高性价比的技术路径。研究团队特别指出，未来可通过微电极单元尺寸与漂移区参数的匹配设计，进一步将重复计数率控制在5%以内，推动该探测器在BNCT（硼中子俘获治疗）等医疗领域的应用。