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CSNS- 中子谱仪探测器设计

CSNS- 中子谱仪探测器设计. 孙志嘉 散列中子源探测器组 sunzj@ihep.ac.cn. Outline. 散列中子源简介 CSNS 中子谱仪探测器设计 高通量粉末衍射仪 多功能反射仪 小角衍射仪 中子束监测器 中子探测器的国际现状以及未来发展 从事科研工作的几点建议. 中子源有什么用？. 中子散射与 X 射线. X 射线 - 同步辐射装置 亮度高 方向性好 单色性好 中子源 反应堆中子源 挑选满足需要的中子 散列中子源 通过飞行时间测量中子波长.  , . Q = 4πsinθ/λ. d S. Long λ. .

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CSNS- 中子谱仪探测器设计

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  1. CSNS-中子谱仪探测器设计 孙志嘉 散列中子源探测器组 sunzj@ihep.ac.cn

  2. Outline • 散列中子源简介 • CSNS中子谱仪探测器设计 • 高通量粉末衍射仪 • 多功能反射仪 • 小角衍射仪 • 中子束监测器 • 中子探测器的国际现状以及未来发展 • 从事科研工作的几点建议

  3. 中子源有什么用？

  4. 中子散射与X射线 • X射线-同步辐射装置 • 亮度高 • 方向性好 • 单色性好 • 中子源 • 反应堆中子源挑选满足需要的中子 • 散列中子源通过飞行时间测量中子波长

  5. , Q = 4πsinθ/λ dS Long λ  r small θ d k z axis Target Energetic Proton (H ion) 散列中子源中子谱仪简介 Beam guides Energetic Proton (H ion) High Z nucleus 20-30 neutrons ， x , y λ t

  6. 位置 子计数器 强子量能器 电磁量能器 线圈和磁铁 切仑科夫计数器 飞行时间计数器 中心漂移室 顶点探测器 衰变顶点位置 对撞点 脉冲中子源特点（1） • 待测物理量少，单层探测器， ， x , y λ t

  7. 中子探测的信号特点（2） • 探测效率不高（相对于高能物理），事例间隔小-探测器最高计数率高 T0 （质子打靶时刻） 中子击中探测器时刻 时间窗口

  8. 中子探测的信号特点（3） • Gamma 本底高，需要选择gamma抑制能力高的探测器

  9. 时间分辨：2s • 时间窗口：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 高通量粉末衍射仪 高通量粉末衍射仪

  10. 3He管阵列 • 40只管子组装成1mX1m探测器阵列 • 机械结构，八根一组，配套相应的硼10屏蔽层及前端电子学，相对独立，便于更换维修 • 前放的安装； • 探测器的辐射屏蔽； • 主放及数字化电路的安装； • 探测器的性能研究：计数坪，探测效率，γ本底的抑制，沿丝方向的位置分辨率

  11. 单管测试-实验装置 慢化体 3He管 电流型前置放大器与低压电源 中子源252Cf

  12. 测试结果（1） • 单路中子信号看到（@噪声水平1mV） • 电子学屏蔽含硼塑料（热中子吸收长度 3.2mm） • 探测器与数据获取系统正在联调。 • 位置分辨 ~1cm （示波器测量）

  13. 3He管探测器阵列（HIPD） • 线性度比较好 • 入射位置与计算位置存在偏差，这是转换系数不同造成的 • 位置分辨率中间比两端好 • 位置分辨比较差，这是由于时间常数、阻抗不匹配造成的，正在与电子学系统一起调试

  14. 多功能反射仪 200mm*200mm MWPC 热中子能谱 Fe55 x射线成像

  15. 工作气体的选择 • 3He：决定中子探测效率，在1.5mm探测厚度下，6atm的3He 对波长1Å的热中子的探测效率高于50%； • C3H8：决定质子和氚核的射程，从而决定探测器的定位精度。当C3H8气压为2.5atm时，质子的射程大约为1.8mm，对应的测量误差（fwhm）约为为1.4mm左右。 • 工作气体： 5.5atm3He+2.5atmC3H8

  16. 10mm w=1mm d=3mm s=2mm d=3mm 2mm 0.4mm X视 Y视 多丝室设计制作 • 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：1.6mm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。

  17. 高气压密闭腔 • 密闭腔由铝合金（6061）端盖板和不锈钢底盘构成。端盖上设有厚9mm的入射窗。底座上设有信号引出头、HV接头，并连接气体净化系统。 • 密封：Double O-ring • 信号引出：金属陶瓷密封接头；

  18. 气体循环净化系统 • 作用：吸收氧气、水蒸气以及工作气体（丙烷）分解后的有机产物，提高室体内气体的纯度，保证探测器能长时间稳定工作。 • 组成：包括由电磁泵、净化器两部分，净化器由分子筛和吸氧剂构成。 • 电磁泵驱动电源： • 幅度、频率可调方波发生器，幅度范围2~15V；频率范围40~70Hz； • 已做成NIM插件。

  19. 室体组装

  20. 充气&中子信号初步测试 充工作气体： 1）、室体加热60摄氏度抽真空，真空度稳定2×10-4Pa; 2）、通纯氩气（时间5小时），纯度99.995％； 3）、再抽真空到2×10-5Pa； 4）、充3He /C3H8气体。

  21. 初步性能测试 • 利用Am－Be中子源对探测器进行性能测试。探测器的性能参数主要包括：探测效率、位置分辨率、伽马射线灵敏度等。由于源强的限制，目前只能进行初步的信号观测和中子信号幅度谱测试。3He中子探测器一般通过信号幅度来进行n/γ鉴别。通过信号幅度谱可以判断探测器的n/γ鉴别能力。 • 中子经过10cm厚的石蜡慢化剂后进入探测器，探测器的阳极信号首先经过电荷灵敏前置放大器（高能所自制）进行初步放大，再经过主放大器（ORTEC572）进行进一步放大和成形，最终送入ADC(ORTEC)得到信号的幅度谱。

  22. 小角衍射仪 • 650mm*650mm MWPC

  23. 技术难点 • 入射窗设计 高气压（~7-10atm） vs 中子散射少 • 采用过度层设计，过渡层为5atm的4He • 优化窗结构，分散应力 • 过渡4He腔设计 • 优化探测器厚度和各气体分压，获得更好的位置分辨和探测效率 • 优化室体结构 谱仪分辨的变化曲线 @ 3He管不同直径

  24. 中子束监测器 中子束强度监测器可以实时测量入射中子束强度，从而为探测系统提供归一化参数。 中子束监测器的指标：

  25. GEM探测器原理介绍 GEM膜

  26. GEM探测器原理介绍（1） • 原理介绍： 400V 70kv/cm GEM探测器 三层GEM结构图

  27. GEM探测器原理介绍（2） • GEM探测器是由CERN发展起来的一种新型气体探测器,具有很好的位置分辨、时间分辨和高计数率. • g抑制比 • 位置分辨（X-Ray） From Uno (KEK) From SAULI

  28. GEM探测器原理介绍（3） • 高计数率 • 波长分辨 • GEM探测器与4510的比较： • GEM探测器是中子束监测器的一个很好的候选者。 From H. Ohshita1 From H. Ohshita1

  29. 基于GEM的中子束监测器设计与研究现状 • 现有技术储备（IHEP,X-Ray，三层） • 实体的组装（100mm*100mm） • GEM探测器性能研究 室体图 上密封上盖后室体示意图 装入屏蔽盒的GEM模型图 55Fe能谱图

  30. 基于GEM的中子束监测器设计与研究现状 • 基于GEM的中子束监测器设计 • 工作气体 • 中子转化层（10B） 1kv/cm 3kv/cm 3kv/cm

  31. 1mm 基于GEM的中子束监测器设计与研究现状 • 电子学读出（Pad） 二维读出条示意图 二维读出条板 Pad读出板 96路Pad模型

  32. 基于GEM的中子束监测器设计与研究现状 • 数据获取框图 • 任一Pad均独立计数，故总的计数率为单个Pad的计数率乘以Pad的个数. • 直接以图像的形式输出，这样减少了数据传输的负担. • 考虑到现有的技术，可以将波长与计数率分开获取. readout PC机 PC机 甄别器 FPGA （USB or Ethernet ） 时间测量 中子波长分布图 甄别器 前放 IDpad 计数 二维Histogram （束斑形状） FPGA

  33. GEM探测器进展 测试用室体已经组装，正在测试 前放区 有效探测面 数字化 高压区 PCB版设计加工完成，正在焊接调试 获得热中子脉冲信号以及 α源成像图 阴极制作，核仪器厂协助涂硼

  34. 中子探测器的国际形势与未来发展 • 75%热中子散射探测器使用3He作为中子探测物质 • 热中子反应截面高，探测效率高 • 伽马射线甄别能力强 • 3He气体来源： • 天然氦气中3He的比例只有万分之一，提纯困难 • 商品3He来源于氚的天然衰变，氚是核反应堆制造核武器燃料过程的副产品，目前这类反应堆都已停止运行，也就是说3He的年产量不会增加。

  35. 寻找3He气体探测器的替代者 • Shifting Scintillator Neutron Detector (SSND) • 10B4C straws • Inclined boron detectors • 10B-GEM • New kind of scintillator, Cs2LiLaCl6

  36. 闪烁体中子探测器（SSND） neutron ~1m ~1m

  37. 工作原理 Outputs to multi-anode photomultiplier tube 1-mm Square Wavelength-shifting fibers Scintillator screen Outputs to coincidence single-anode photomultiplier tube

  38. 探测面积 500mm × 250mm 像素 10mm × 50mm 中子探测效率 50%@ 2Å 探测器单元结构 MA-PMT Double layer Scintillator ZnS-Li6（Ag） Sample Neutron WLS fiber Rough radial collimator

  39. 从事科研工作的几点建议 • 发现兴趣，培养兴趣对于研究的内容作详细的调研和深入的了解 • 勤奋，刻苦 • 团结协作，多交流

  40. 谢 谢！

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