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中国散裂中子源（ CSNS ）中子探测器的设计与研究进展

中国散裂中子源（ CSNS ）中子探测器的设计与研究进展. 报告人 孙志嘉 2009 年 4 月 sunzj@ihep.ac.cn. Out line. 中国散裂中子源－ CSNS 简介 CSNS 中子探测器的设计与进展 高通量粉末衍射仪 小角衍射仪 多功能反射仪 中子束监测器. 中国散裂中子源－ CSNS. CSNS 规划效果示意. CSNS 系统构成. CSNS 谱仪的总体安排. 第一期建造三台谱仪. 中子束的产生与时间结构. 中子导管. 质子. 靶. 20-30 中子. 质子打靶时刻 T0. 中子脉冲. 中子波长选择时间窗.

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中国散裂中子源（ CSNS ）中子探测器的设计与研究进展

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  1. 中国散裂中子源（CSNS）中子探测器的设计与研究进展中国散裂中子源（CSNS）中子探测器的设计与研究进展 报告人 孙志嘉 2009年4月 sunzj@ihep.ac.cn

  2. Out line • 中国散裂中子源－CSNS简介 • CSNS 中子探测器的设计与进展 • 高通量粉末衍射仪 • 小角衍射仪 • 多功能反射仪 • 中子束监测器

  3. 中国散裂中子源－CSNS CSNS规划效果示意 CSNS系统构成

  4. CSNS谱仪的总体安排 第一期建造三台谱仪

  5. 中子束的产生与时间结构 中子导管 质子 靶 20-30 中子 质子打靶时刻T0 中子脉冲 中子波长选择时间窗

  6. , dS  r d k 样品 CSNS 中子探测器 （λ，  ） （t，x，y） 典型粉末衍射仪的分辨率 时间分辨～μs 位置分辨～mm 入射中子束

  7. 高通量粉末衍射仪 高通量粉末衍射仪（HIPD）主要用于研究物质的晶体结构和磁结构，以满足来自材料科学、纳米科学、凝聚态物理和化学等众多领域的科学研究和工业应用的需求。

  8. 3He管探测器阵列（1） HIPD谱仪中子探测器的主要功能是探测由样品散射出中子的空间和时间信息。 • 时间分辨：2s • 时间窗口：0～40ms • 中子探测效率：80％ @ 2Å • 中子通量：106n/s • 3个探测区域：2 = 15，2 = 90，2 = 150

  9. 3He管探测器阵列（2） (Q1+Q2)<=1pC 高阻丝～5kΩ 位置分辨～12mm/1000mm 最大计数率～10KHz +1400～1800V Q1 x/L= Q1/(Q1+Q2) 5ｋΩ He3管 信号引出 前置放大器 L x He3-gas PSD Q2 n+3He→P+3H+764keV

  10. 小角衍射仪 作为在纳米至微米尺度探测物质体系微观和介观结构的一类独特而有力的工具，小角中子散射由于中子强穿透，非破坏，高灵敏，磁作用的特殊性质得到长足发展，在当今社会最为关心的能源，环境，生物和新材料领域有着广泛应用。

  11. 多功能反射仪 中子反射仪主要应用领域包括：各种新兴薄膜材料的结构、磁性低维结构及表面磁性、聚合物LB 膜及生物膜的结构和界面现象、液体物质及固液界面等。

  12. 二维中子探测器－多丝正比室（1） n+3He→P+3H+764keV • 阳极：直径15μm的镀金钨丝；丝距为2mm，所有阳极丝连在一起用于能谱测量和系统触发。 • 读出丝： 直径50μm的镀金钨丝，丝距为1mm，每4跟丝连在一起形成一个读出条。 • 读出条板：1.8mm宽镀金铜条，每两根形成一个读出条。 • 阳极平面到上下两个读出平面的距离取为3mm，读出丝平面到阴极平面的距离为10mm。 • 工作气体： 5.5atm3He+2.5atmC3H8

  13. 二维中子探测器－多丝正比室（2） 55Fe 5.9keV X 射线能谱 沿着阳极丝方向的位置分辨（FWHM）为～300μm 垂直于阳极丝方向的位置分辨由阳极丝丝距决定 增益随阳极高压的变化

  14. 二维中子探测器－多丝正比室（3） Am－Be中子源测试

  15. 中子束监测器 样品 中子束 中子导管 中子束监测器 中子探测器 中子谱仪的中子束入射强度受加速器功率、质子打靶效率、中子产生效率以及中子束传输效率等诸多因素的影响，也就是说中子束的入射强度会随时间而改变。中子束的入射强度的变化会增大系统误差，从而影响实验测量结果。通过中子束监测器测量入射中子强度随时间的变化可以有效的减小中子束入射强度变化引起的系统误差。

  16. Ordela公司的中子束强度探测器（透过式电离室）Ordela公司的中子束强度探测器（透过式电离室） • 探测效率：0.001％～75％ （中子能量0.0025eV） • 气体组份：3He+4He+CF4（760 torr） • 有效探测面积：51mm*64mm • 有效探测深度：12.54mm • 工作高压：500V • 前置放大器供电：+12V @ 15mA • 前置放大器: 电荷灵敏型，输出脉冲～0.5V • 最高计数率：108 n·s-1·cm-2

  17. Ar/CO2 = 70:30 Cathode plane with 10B Ed = 1.5 kV/cm 1 mm GEM 1 ET = 2.4 kV/cm 2 mm GEM 2 EI = 5.6 kV/cm 1 mm Readout pad 基于GEM的中子束监测器 GEM1 DVGEM = 400 V GEM2 DVGEM = 350 V

  18. 小结 • CSNS第一期三台中子谱仪的中子探测器设计工作基本完成 • 高通量粉末衍射仪 3He管阵列 （1’ 和 1/2’） • 小角衍射仪 3He管阵列 （ 1/3’和 1/2’） • 多功能反射仪 多丝正比室 • 中子束监测器 透过式电离室或基于GEM的中子束监测器 • 通过示波器观测到（3He管＋前放）的信号，下一步可以进行性能测量，组建3He管阵列； • 利用55Fe测试了多丝正比室的性能，并观测了中子信号；

  19. 谢 谢！

  20. Neutron Energy and Dominant Interactions Cold Thermal Epithermal Fast Medium Energy High Energy Diffraction Fission Elastic Scattering Capture Inelastic Scattering

  21. Δ1 Δ2 Δ2 100 Detector Δ3 80 60 L, m tOP2 40 tOP1 closing time 50 20 0 0 100 150 200 250 300 350 400 450 500 t, msec Various Bandwidth Schematic (not to scale) Neutron Guide From source DC2 DC1

  22. Position resolution Data with a B4C slit Beam profile data Divided data 104 mm  104 mm The B4C slit (35 mm  35 mm) was put in front of the GEM. To compensate the beam profile, the data with the slit is divided by the beam profile data. The projection data Z 35 mm  35 mm In the histogram of the slope (=DZ/DX), a sharp peak appears on the edge of the B4C slit. In order to estimate position resolution, the sharp peak is fitted by a gauss function. The position resolution; ~1.3 mm (FWHM) The correction of the beam divergence is not performed yet. X The slope data (=DZ/DX) DZ/DX Constant: 0.26 Mean: 32.85 Sigma: 0.56 X TIPP09 Mar. 14 2009 @Tsukuba, Japan DZ/DX is obtained by subtracting the one from the adjacent one. 15

  23. 2D-128x128 WLS fiber detector Wave length shift fiber detector 2-dimension data Position resolution： 0.4mm*0.4mm

  24. 2D-128x128 WLS fiber detector A diagram of the readout The system picture High position resolution：0.4mm No distortion at 2D image data. Low count rate. Low efficiency: about 6 % (ZnS) Ｘ-１２８ fiber + Ｙ-１２８ fiber outputs are changed to digital data by fast-ADCs.

  25. 2D-8x8 Li6 glass detector Multi anode PMT Multi anode PMT(8*8) with 64 Li6 glasses which are 1.7 mm2 square in 1 mm thickness. High count rate： 8*10^6Hz/cm2. High efficiency： more than 60 %.

  26. 2D-8x8 Li6 glass detector Cd mask Raw data with changing LLD High count rate: ~8 Mcps / cm2 High efficiency: ~60 % Gamma ray sensitive, because of Li6 glasses. Difference of each LLDs = pulse height distribution Time data and 2d data

  27. 2D charge-division detector 2D photomultiplier tube 2cm*0.3mm neutron beam, 30-points at each 1mm. 2D position data Rotating 90 degrees High resolution：0.5mm, detection area：5cmφ or 10cmφ A neutron scintillator can be changed easy. ZnS:20~30%, 1mm-Li6:80~90%

  28. 2D charge-division detector Readout circuit Block diagram of PMT Charge is divided by resistors. It consists of PSD2K module with one ADC board. PSD2K module Charge amplifier

  29. 2D charge-division detector Block diagram of system High position resolution and a smooth 2D image data. It is possible to use ZnS, Li6 glass or other scintillator. 2D image data has a little distortion, but it is possible to correct it.

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