（粒子物理与原子核物理专业论文）位置灵敏型3he正比管阵列探测器研究.pdf

广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：您朋 学位论文使用授权说明 列口年6 只8 日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 曰即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 撇箍照一谬匀少撒日 广西大学硕士学位论文位，：灵敏型3 日e 正比管阵列探钡g 器研究 位置灵敏型3 日e 正比管阵列探测器研究 摘要 随着中子科学的应用越来越广泛，先进的中子源就成为科学家一直努 力追求的目标，散裂中子源的产生达到了很多科学家对中子使用的需求。 随着中国散裂中子源( c s n s ) 的立项，中子探测的实验装置一中子谱仪的 研究变得非常必要，3 日e 气体对热中子探测具有极大的优越性，在当前在 建或已建的中子谱仪中使用最多的就是3 h e 管。以高通粉末谱仪为例，高 通量粉末衍射谱仪( h i p d ) 是一种用于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粉末谱仪，是c s n s 首批建设的三台中子谱仪之 一。c s n s 的高通粉末谱仪计划由多根一英寸直径的位置灵敏3 h e 正比管 组成( 进口为主) ，基本单元为由8 根3 日e 管组成的阵列。主要用来获取散射 中子的位置信息，所以位置灵敏就成为衡量高通粉末最重要的指标之一。 高通粉末谱仪位置分辨的设计指标为2 5 4 c m x1 5 c m 。 论文首先介绍了中子源现状，随后对中子探测器现状、趋势等进行了 简单说明，并对实验所用3 h e 管的选择、电子学系统、数据获取等进行了 说明。其次，推导了电荷分配法的位置计算公式，并用g e a n t 4 、m c n p 蒙 特卡罗模拟软件分别模拟了所用3 h e 管对伽马和中子的各类参数。最后， 介绍了实验装置，对3 h e 管单管及阵列进行了测量，并得出相应实验结 果。 在实验进行的过程中，首先对实验所用的各3 h e 管单管进行了测试， 确保3 h e 管无质量问题，还对所用的高压分配盒进行测试，确保分压效果 较好，串扰、打火等现象压制明显，然后还对前置放大器各放大路分别 进行测试，以确保前放各路没问题。所有这些构成了整个实验系统的总 体，缺少任何一个部分都不能构成整个实验的成功。通过对3 h e 管阵列探 测器的研制、实验及数据分析，获得了3 h e 管的位置分辨能力。单管测试 位置灵敏型3 日e 正比管阵列探测器研究 的位置分辨半高宽( f w h m ) ：n 1 3 c m 左右，好的情况能达到o 7 c m 左右；对 阵列进行测量时，位置分辨f w h m 为1 6 c m 左右。本系统各性能都接近、 达到、或者超过了设计指标，在国内同类工作中居于前列如果实验条件能 得到进一步的改善，整个系统的性能会进一步提高。 关键词：位置灵敏3 h e 正比管探测效率位置分辨 w i t hm o r ea n dm o r ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fn e u t r o ns c i e n c e ，a d - v a n c e dn e u t r o ns o u r c eh a v eb e e nw o r k i n go nag o a lt os c i e n t i s t s ，s p a l l a t i o n n e u t r o ns o u r c em a k es o m es c i e n t i s t sa c h i e v e dt h e i rd e m a n d s a l o n gw i t h t h ea p p r o v a lo fc s n s ( c h i n e s es p a l l a t i o nn e u t r o ns o u r c e ) ，t h er e s e a r c ho n n e u t r o nd e t e c t i o nd e v i c e s n e u t r o ns p e c t r u mi sn e c e s s a r y 3 日eg a sh a v e g o o dw o r ko nt h e r m a ln e u t r o nd e t e c t i o n ，3 日et u b ei s t h em o s ti m p o r - t a n tp a r ti nn e u t r o nd e t e c t o re i t h e ro nb u i l d i n go rh a db u i l d e d h i 曲 i n t e n s i t yp o w d e rd i f f r a c t o m e t e r ( h i p d ) i sat y p eo fp o w d e rs p e c t r o m e - t e rw h i c hu s e dt os t u d yt h ec r y s t a ls t r u c t u r ea n dm a g n e t i cs t r u c t u r et o m e e ts c i e n t i f i cr e s e a r c h s c i e n c e 、n a l l os c i e n c e 、 a n di n d u s t r i a la p p l i c a t i o n sw h i c hf r o mm a t e r i a l s c o n d e n s e dm a t t e rp h y s i c s 、c h e m i s t r ya n ds oo n i t i so n eo ft h ec s n s st h r e es p e c t r u m sf i r s tp l a n i t sc o n s t r u c t e do fm a n y 3 h ef i l l e dl i n e a rp o s i t i o ns e n s i t i v ed e t e c t o rt u b e sw h i c hh a v eo n ei n c h d i a m e t e r ( f r o ma b r o a d ) i t sm o s t l yu s e di sg e tt h ep o s i t i o no fs c a t t e r i n g n e u t r o n ，s op o s i t i o nr e s o l u t i o nb e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n ti n d e x o f3 h et u b e w eh o p et h ep o s i t i o nr e s o l u t i o no f3 h et u b ec a nr e a c ht o 2 5 4 c m 1 5 c m t h i sp a p e ri n t r o d u c e dn e u t r o ns o u r c ef i r s t ，t h e ns i m p l ee x p l a n a t i o n e d t on e u t r o nd e t e c t o r s s t a t u sa n dt r e n d s ，a n di n c l u d e3 h et u b ec h o o s eo fe x - p e r i m e n t 、e l e c t r o l i cs y s t e m 、d a t aa c q u i s i t i o ne t a 1 s e c o n d ，d e d u c e dp o - s i t i o nc a l c u l a t i o nf o r m u l ao fc h a r g ed i s t r i b u t i o nm e t h o d ，a n du s e dg e a n t 4 a n dm c n pm o n t ec a r l os o f t w a r es i m u l a t i o nt h ed e t e c t o re f f i c i e n c yo f3 h e m 3 h ea r r a yd e t e c t o r 、m a n ye x p e r i m e n t sa n da n a l y s i st h er e s u l t s w eg o t t h ep o s i t i o nr e s o l u t i o no ft h ed e t e c t o r f o rs i n g l et u b e ，t h ep o s i t i o nr e s o l u - t i o nv a l u eo ff w h mi sa b o u t1 3 c m b e t t e ri s0 7 c m f o rt h ew h o l ea r r a y , t h e f w h mi sa b o u t1 6 c m a l lt h ep e r f o r m a n c ed o s e dt o 、r e a c h e do rm o r e t h a nt h ed e s i g ni n d e x i ns i m i l a rd o m e s t i cw o r ki nf r o n t i ft h es y s t e mc a n b eb e t t e r ，t h ep e r f o r m a n c ew i l lb eb e t t e r k e yw o r d s ：p o s i t i o n - s e n s i t i v e 3 h et u b e d e t e c t i o n e f f i c i e n c yp o s i t i o nr e s o l u t i o n 1 v 广西大学硕士学位论文位置灵敏型3 日e 正比管阵列探测嚣研究 摘要 a b s t r a c t 第一章引言 目录 1 1 中子物理简介 1 2 国际中子源现状 1 3 中子探测器介绍 第二章3 日e 正比管性能分析 l u l 1 9 2 1 中子探测基本原理9 2 2 h i p d 谱仪及3 h e 管的选择9 2 2 1h i p d 谱仪的设计指标9 2 2 2 h i p d 谱仪的应用领域及设计示意图1 0 2 2 3 3 h e 管的选择及性能指标1 1 2 2 4h i p d 谱仪的3 日e 管阵列单元1 3 2 33 日e 正比管性质分析1 4 2 3 1a h e 管性质1 4 2 3 2 中子探测效率1 5 2 3 3 分辨率1 7 2 3 4 对1 的误判率1 8 2 3 5 灵敏位置方法分析2 0 v 第四章位置灵敏型3 h e 管阵列中子探测器的实验准备、结果与讨论 2 7 4 1 实验准备2 7 4 1 1中子源与中子的处理2 7 4 1 2 3 h e 管对7 - ”v x 判率的测量3 0 4 1 3 电荷灵敏前置放大器与数据获取系统3 4 4 1 4 数据获取程序3 7 4 1 5 高压分配板3 8 4 2 位置灵敏性3 h e 管阵列中子实验4 0 4 2 13 h e 管阵列实验装置4 0 4 2 2 3 h e 管单管实验4 1 4 2 3 3 h e 管阵列实验4 6 4 3 本章总结5 2 第五章总结 参考文献 攻读硕士学位期间发表的论文 致谢 4 7 0 1 5 5 6 6 2 - 1h i p d 谱仪基本结构示意图1 0 2 - 2r s - p 4 - 0 4 2 4 - 2 0 1 系列位置灵敏型3 日e 正比管性能( f r o mg e ) 1 1 2 - 3 几种重气体中质子射程与气体密度的关系及中子的位置分辨f w h m 1 3 2 - 4 几种重气体中质子和氚的射程与气体密度的关系1 4 2 - 5a h e 正比管阵列单元1 5 2 - 6 探测器单元结构示意图1 6 2 7 壁效应显著的3 h e 管的脉冲幅度谱1 7 2 - 8 ( a ) l 英寸范围内1 3 英寸1 a t m 3 日e 管与热r f l 子反应概率( b ) 1 英寸范围内1 2 英 寸l a t m 3 h e 管与热中子反应概率( c ) l 英寸范围内1 英寸l a t i n 3 日e 管与热中子反应 概率1 8 2 9 ( a ) i 2 英, - j - l o a t m 3 日e 管与热中子反应概率( b ) 1 3 英寸1 0 a t m 3 日e 管与热中子反 应概率( c ) 1 2 英寸2 0 a t m 3 日e 管与热中子反应概率( d ) l 3 英寸2 0 a t m 3 日e 管与熟 r f l 予反应概率( e ) 1 英寸1 0 a t m 3 日e 管与热r f l 子反应概率1 9 2 - 1 0 位置计算示意图2 0 3 1 中子与3 h e 反应概率分布图2 3 譬2 ，y 入射3 h e 管反应情形简图2 4 夺3 ，y 入射3 h e 管模拟图2 5 3 - 4 模拟，y 与3 日e 气体反应产生电子能谱图2 6 v u 3 - 7 模拟不同能量1 在管内产生电子概率图2 6 4 1 实验所用2 5 2 c ，中子源2 8 缸2 含硼塑料2 8 缸3 中子通过含硼塑料衰减效率图2 9 垂4 效率坪曲线2 9 4 - 5 ，y 误判率实验示意图3 1 4 - 6n a i 所测1 3 7 c s 能谱图3 2 4 7n a i 测1 3 7 c s 能谱流程图3 2 垂8 信号计数流程图3 3 缸9 电荷灵敏前置放大器3 4 4 - - 1 0 数据获取v m e 系统3 4 4 - 1 1 仿真模拟前放2 0 m f l 反馈电阻所对应阻抗3 5 4 - 1 2 d p c 板结构框图3 6 4 - 1 33 h e 管所测中子信号3 7 4 - 1 4 探测器数据获取系统显示图3 8 4 - 1 5 高压分配板设计电路图3 9 4 - 1 6 高压分配板3 9 4 - 1 7 高压分配电路板带通测量情形3 9 4 - 1 8 高压盒测试之初所遇问题4 0 4 - 1 93 h e 管阵列中子实验装置图：4 1 、r j i i 广西大学硕士学位论文位置灵敏型3 日e 正比管阵列探测器研究 4 - 2 03 日e 管单管测试实验装置图4 2 4 - 2 1 ( a ) l m m 孔径所测位置图( b ) 3 m m 孔径所测位置图( c ) 5 衄孔径所测位置图4 2 4 - 2 2 ( a ) 有镉管封闭所测3 日e 管单管位置、总q 谱图 ( b 、c ) 无镉管封闭所测3 h e 管单管位置、总q 谱图4 3 4 - 2 3 ( a ) l o c m 、3 0 c m 、5 0 c m 、7 0 c m 、9 0 c m 处所测3 日e 管单管位置分辨 图( b ) 2 0 c m 、4 0 c m 、6 0 c m 、8 0 c m 处所测3 日e 管单管位置分辨图4 4 4 - 2 4 ( x l ( x - - - - a 、b 、c 、d ) ) 所测各3 日e 管单端q 值( x 2 ( x = a 、b 、c 、d ) ) 所测 各3 h e 管两端q 值之和4 5 4 - 2 53 h e 管单管测试位置对应图谱4 6 4 - 2 6 ( x l ( x = a 、b ) ) 3 日e 管阵列探测器早期实验所测q 值之和 ( x 2 ( x - - - - - a 、b ) ) 3 日e 管阵列探测器早期实验所测位置分辨4 7 4 - 2 7 ( x l ( x = a 、c ) ) 3 日e 管阵列远离放射源所测位置分辨 图( x 1 ( x = b 、d ) ) 3 日e 管阵列远离放射源所测对应q 值之 和( x 2 ( x = a 、c ) ) 3 日e 管阵列离放射源较近所测位置分辨 图( x 2 c x = b 、d ) ) 3 h e 管阵列离放射源较近所测对应q 值之和4 9 4 - 2 8 ( x l ( x - - - a 、b 、c 、d ) ) 镉片准直所测3 日e 管阵列各管位置分 辨( x 2 ( x = a 、b 、c 、d ) ) 镉片准直所测3 日e 管阵列各管q 值之和5 0 4 - 2 9 中子移动平台5 1 4 - 3 0 新买中子源防护结构5 2 2 - 13 h e 管阵列探测器设计方案9 4 1 控制室与实验室本底信号计数2 8 缸2 有无镉管情形下3 日e 管计数3 0 4 3 实验所测两种探测器信号计数率3 2 x 有5 项，医学奖有2 项，x 射线的应用覆盖了与人类生活息息相关的各个领域。查德 威克1 9 3 5 年发现中子后，中子及中子散射的应用使人们对物质微观结构的认识日新 月异。中子的发现和应用【2 6 】是二十世纪最重要的科技成就之一。根据德布罗意公 式，任意粒子的动量和波长满足公式： 入：喾( 1 - 1 ) 在非相对论情形下，中子波长与能量满足下述关系式： k = 盖= 差( 1 - 2 ) h 2 丽2 面 由上面公式可以看出，在非相对论情形下，中子波长与能量的开方成反比关系。对 于相同波长的光子和中子，其对应能量如下表所示：从表1 1 可以看出，用相同波 表1 1 相同波长光子与中子对应能量 波长( a )光子能量( k e v )中子能量( m e v ) 11 2 48 1 8 1 1 0 1 2 40 8 1 8 1 1 0 00 1 2 40 0 0 8 1 8 1 长的中子和光子探测物质时，中子的能量要比光子的能量低很多个数量级，且波长 越长，能量相差的程度就越大。能量越低，对物质的破坏性也就越小，所以相对于 光子来说，对样品的非破坏性是中子探测物质的优势之一。又由于中子具有磁矩、 不带电、穿透性强，能分辨轻元素、同位素、近邻元素等，不仅可探索物质的静态 微观结构，还能研究其动力学机制。从而使得中子散射成为研究物质结构和动力学 性质的理想探针之一，是探测物质微观结构与原子运动强有力的手段，在众多学科 领域被广泛采用。 1 f - 西大学硕士学位论文位置灵敏型3 日e 正比管阵列探测器研究 沙尔和布罗克豪斯分别运用中子散射研究磁结晶学及晶格动力学获得了1 9 9 4 年 的诺贝尔物理学奖。目前，中子散射技术在医药、生物、生命等研究领域发挥 着x 射线无法取代的作用。同时，中子散射在纳米材料、磁性凝聚态物理、高强度 高性能塑料、高温超导机理、蛋白质和生物、工业无损深度探伤、污染及废料处 理、同位素辨识等领域也得到了广泛的应用。中子散射技术中的如中子反射、中子 衍射、中子小角散射技术等许多实验方法都是在相应的x 射线实验方法基础上发展 起来的。但是中子散射能弥, b x 射线分析的固有缺点，这就使得它和x 射线分析形成 互补的关系。中子的应用以热中子和快中子为多，这两类中子的探测技术是当前的 重点。通常称能量为0 0 2 5 e v 左右的中子为热中子，散裂中子源所使用的中子就是 热中子。对于后面论文中的中子，如不做特殊说明，都指热中子。 1 2 国际中子源现状 中子探针的使用与中子源的存在具有密不可分的关系。先进的中子源是中子科 学研究的基础。放射性同位素中子源是最早使用的中子源，但其寿命较短，强度较 低，不能满足很大部分的中子使用要求：反应堆中子源因为具有高通量中子的原因 得到了广泛的应用，但反应堆散热技术的限制使得最大中子通量不能得到有效提 高；低日- , 匕k 加速器产生的带电粒子束轰击靶而生成的中子也是物理研究所使用的主要 中子源，虽然其具有脉冲性好、能量单一等优势，但是中子产率较低。 能产生高通量中子的中子源一直是自中子被发现以来科学家不断努力追求的 目标。反应堆和散裂源都是高通量的中子源。图1 1 所示的是国际中子源的发展状 况。核反应堆是一种稳定连续的中子源，在中子科学研究中发挥了巨大的作用。 但是因为堆芯散热条件的限制，反应堆中子通量在上世纪六、七十年代就达到了 饱和。目前，全球公认通量最高的中子散射研究用堆是法匡 i l l ( o r e n o b l e ) ，通量 为1 5 x1 0 1 5 c m 2 s 。 散裂中子源是由加速器提供的高能质子轰击重金属靶而产生中子的大科学 装置。通过原子的核内级联和核外级联等复杂的核反应，每个高能质子可产 生2 0 - - , 4 0 个中子，这是散裂中子源的基本条件，并且每产生一个中子释放的热量仅 为反应堆的约四分之- - ( , 一4 5 m e v ) 。当用高能量粒子如高能质子轰击重原子核时， 一些中子就被”剥离”或被轰击出来，这个过程称为散裂。虽然和裂变反应相比，散 2 测器研究 1 9 2 01 9 3 01 9 1 9 5 01 9 6 0 1 9 7 0 1 9 8 0 1 9 9 02 o2 0 1 0 2 0 2 0 y e a r ( u p d a t e df r o m 舳刚伽m 奠羽鼬细甄【s k o k la n dd 。lp d c e e 瓯a 函 瞅n e 辏1 弱田 图1 - 1 国际中子源发展情况 f i g 1 - 1t h e s i t u a t i o no fi n t e r n a t i o n a ln e u t r o ns o u r c ed e v e l o p m e n t 裂反应放出的能量较低，但是它可以将一个原子核打成几块，在这个过程中会产生 中子、质子、介子、中微子等，有利于开展核物理前沿课题的研究和应用研究，并 且次生中子还能与临近的靶核还能因为核外级联的作用而产生中子。与核反应堆中 子源及其他中子源相比，散裂中子源具有高脉冲通量，丰富的高能短波中子，优越 的脉冲时间结构，低本底，且不使用核燃料，只产生极少量活化产物等许多独特的 优良性能。近年来，随着强流加速器技术的发展，百千瓦到兆瓦级束流功率的散裂 中子源成为国际公认的、新一代高通量、宽波段、高效安全的中子源。并且对于中 子散射来说，散裂中子源的脉冲特性使人们可方便采用飞行时间技术去利用某一波 段范围内的全部中子，而不是像反应堆通常只选取某一特定波长的中子，因此其中 子的使用效率可以提高1 , - , 3 个量级。表1 2 较了三种典型中子源的特点。 进入2 1 世纪，美、日、欧等发达国家开始认识到能提供更高中子通量和中子利 用效率的散裂中子源在现代科学技术中的重要地位，把建设高性能散裂中子源作为 提高科技创新能力的重要举措，相继斥巨资建设新一代的散裂中子源。它们能产生 比反应堆高上百倍的有效中子通量，和第三代同步辐射光源相辅相成，又互相不可 3u 广西大学硕士学位论文位置灵敏型3 日e 正比管阵列探测器研究 表1 - 2 三种中子源特点比较 巾子源类型 放射性r f l 子源反应堆r f l 子源散裂巾子源 中子产生方式 ( a ，n ) 反应( 7 n ) 反应自发裂变 核裂变链式反应高能质子轰击重核 反应方式连续 连续脉冲 时间结构 无无有 中子能谱窄较宽宽 r f l 子通量 一1 0 7 n c m 2 s 一1 0 1 5 n c m 2 s一1 0 1 7 n c m 2 s 每产生一巾子靶内能量沉积 0 1 6 m e v1 8 0 m e v2 0 4 5 m e v 本底 向高低 替代地为多学科的创新研究提供了强大的研究平台。近年来，国际上兴建的中子源 大多是散裂中子源，散裂中子源与同步辐射光源互为补充，已经成为基础科学研究 和新材料研发的最重要平台。 目前世界上正在运行的脉冲式散裂中子源【1 】主要有英国的i s i s 、美国 的i p n s 和l a n s c e ；已经调束和即将调束的散裂中子源有日本的j p a r c 、美国 的s n s ；计划建设的有韩国的p e f p ，印度的i s n s 和中国的c s n s 等。另外，欧盟也计 划建造1 0 m w 量级的散裂中子源( e s s ) 。 中国目前拥有4 座高性能的x 射线源( 北京、安徽合肥、台湾新竹、上海( 在 建) ) ，但尚未有高性能的脉冲中子源。而前述领域的高分辨中子散射测量迫切需 要波段宽、通量高的中子源，建造一座高性能的脉冲中子源势在必行。散裂中子源 是体现一个国家的科技水平、工业水平等综合实力的大型科学研究装置。正在建设 的c s n s 是我国，也是发展中国家的第一台散裂中子源。c s n s 的建成将为发展中国 家做出榜样，提高我们在世界中子科学研究中的科学地位。要想其建造综合性能位 居世界前列，设计和技术上必然存在挑战，众多关键技术必须进行预制研究，研究 成果也将为世界散裂中子源技术的发展作出重大贡献。c s n s 的建设将广泛调研国 际上散裂中子源的建设和运行情况，认真总结经验和教训，尽可能地采用先进成熟 的技术，确保建成后的c s n s 达到设计指标。 c s n s 也将是发展中国家拥有的第一台散裂中子源，其脉冲中子通量将位居 世界前列。在加速器、靶站和谱仪等各方面采用了一系列世界先进的设计和技 术，1 0 0 k w 的c s n s 有效中子通量将超过目前已运行的世界上最亮的散裂中子源一 4 广西大掌硕士掌位论文位置灵敏型3 日e 正比管阵罗探测器研究 英国卢瑟福实验室的散裂中子源i s i s ，能满足我国在多学科领域内对中子散射的 强劲需求。对中子散射而言，在进一步减少实验所要求的最小样品量和缩短测 量时间方面，更高的中子通量存在优势。与正在建造的兆瓦级的日本散裂中子 源j p a r c 和美国散裂中子源s n s 相比，在c s n s 上只有极小部分课题如超薄膜、快 速反应和快速相变过程等不能开展。毫克量级是c s n s 设计的最小样品量，分钟量 级是最短的测量时间，这能满足各学科9 0 以上的中子散射研究需求。c s n s 装置建 设包括强流质子直线加速器、快循环同步加速器、靶站、中子谱仪等设施和科学 实验测试系统，以及相应的辅助设施和土建工程等。根据国际同类装置的建造及 运行经验，预计自工程建造竣工后三年内达到总体设计指标。c s n s 的总体设计指 标如表1 3 所示：三台谱仪：分别为高通量粉末衍射仪、小角散射仪和多功能反射 仪。c s n s 在未来升级计划中，将把中子谱仪的数量从3 台逐步增加到1 8 台。中子通 量的增长和中子散射谱仪群的扩大及综合性能的提高，将会大幅度提高中子散射用 户群体的课题研究的水平，进一步促进c s n s 潜在用户数量的增加。c s n s 必将成为 名符其实的、开放的、以用户为核心的多学科研究平台。 表1 - 3c s n s 总体技术指标 束流功率 1 0 0 ( k w ) 束流重复频率( h z ) 2 5 ( h z ) 平均流强 6 3 ( # a ) 束流能量 1 6 ( g e v ) 最高中子通量 5 1 0 3 ( n p r o t o n s r ) 谱仪数口 3 散裂中予源是一个国家的科技水平、工业水平等综合实力的标志。c s n s 作 为发展中国家的第一台散裂中子源，将进入世界四大散裂中子源行列。图1 2 是c s n s 的系统构成示意图。其主要由一台日一直线加速器、一台快循环同步加速 器、一个靶站和3 台谱仪构成，与这些主要装置配套，还需建设装置建筑物、供 水、供电、空调、辐射防护设施等。产生的散裂中子经慢化后通过中子导管引向 谱仪，供用户开展实验研究。在8 0 m e v 直线加速器之后预留一段空间，以备束流 功率升级时，增加直线加速器长度将其能量提高到1 3 0 m e v 。同时，靶站具有升级 到2 0 0 k w 束流功率的能力。 5 测器研究 图1 - 2c s n s 系统构成示意图 f i g 1 2s y s t e ms t r u c t u r ed i a g r a mo fc s n s c s n s 项目不仅面向世界科学前沿，有力地提升我国基础研究和高技术的水 平，同时促进我国在能源、国防、工业等领域先进技术的发展。作为一个大型科 学工程，c s n s 的建设需要采用一系列高新技术，涉及范围较广。c s n s 采取立足国 内，自主创新的指导思想，通过科研单位与企业合作攻关的方式，最大限度地在国 内开发出项目建设所需高新技术产品，从而达到既节省项目经费、又提升国内相关 产业技术水平的双赢局面。c s n s 科学寿命预计为3 0 年，但在装置一期建设完成后 需要改造升级。 c s n s 将是世界上已经运行和正在建造的性能指标最先进的散裂中子源之一， 将成为2 1 世纪我国多学科前沿研究中心和高新技术的开发应用研究基地，为我国 的知识和技术创新提供实验平台。c s n s 的建成必定会带动和影响许多学科的知识 创新和高新技术的发展，具有极大的显示度。c s n s 的建设将有力地推动强流质子 加速器技术的发展，使之成为广泛应用于众多领域的新兴高技术产业。同时质子 加速器技术的进步，也将为我国进一步发展质子加速器驱动的新型洁净能源系统 ( a d s ) 和长效放射性废物处理技术奠定基础。c s n s 将在我国的微电子、医药、 6 广西大学硕士掌位论文位置灵敏型3 日e 正比管阵列探测器研究 石油、化工、生物工程和微细加工等的开发应用研究中得到广泛的应用。同时，作 为国家重大的科技基础设施，c s n s 建设期间和建成后，将成为我国先进加速器技 术和中子散射技术人才培养的重要基地，吸引海内外人才投身祖国的科学事业，稳 定高科技人才队伍，在人才培养与高技术成果孵化方面带来直接和间接的社会、经 济效益。 1 3 中子探测器介绍 在散裂中子源中，由加速器加速的高能脉冲质子轰击重金属靶( 例如钨靶) 产生 的散裂反应来产生脉冲快中子。这种中子的能量过高，不能直接用于中子散射研 究，必须将这些高能中子的能量降低到中子散射研究所需的水平。为此在靶的周围 放置慢化器来降低中子的能量。这些慢化器就是中子散射谱仪所需热中子的来源。 由于使用的是脉冲中子，谱仪采用”飞行时间法”来标记每个中子的波长( 能量) 。固 定的探测器组围绕在样品容器的周围，既可以提高计数率，又可以得到不同动量转 移( q ) 值范围的散射数据。 中子散射谱仪因为中子源热中子通量的提高、谱仪硬件和软件的进步而不 断地向前发展，从初期的中等波长、中等能量和中等分辨率的谱仪，逐步向 使用中子波长更短或更长、能量更高或更低、分辨率更高的方向发展。大面 积的位置灵敏探测器的使用，使得谱仪的数据量级数般地增加，是散裂中子 源谱仪发展的重要标志。散裂源谱仪的数据量至少高出反应堆谱仪四个量级， 每个脉冲就可产生1 0 s 的数据。各正在运行的散裂中子源都使用了大量的中子 探测器。经过各谱仪数据采集系统的累加、合并和归一化等处理后，成为用 户使用的数据量仍在逐年激增。2 0 0 0 年，i s i s 用户数据量为1 0 0 g b 左右，2 0 0 3 年增 至5 5 0 g b ，2 0 0 4 年8 8 0 g b ，2 0 0 5 年1 2 0 0 g b ，五年之内，扩张十多倍。 i p n s 谱仪大多采用传统的气体正比计数器，为了获得合适的分辨率，探测器 覆盖面积较小，中子利用率降低。i s i s 谱仪率先采用气体或闪烁晶体位置灵敏探测 器，不仅大幅度提高了中子使用效率，也大幅度提高了谱仪的分辨能力。s n s 、j - p a r c 和i s i s 第二靶站的新设计和建设的谱仪，均采用位置灵敏探测器。中国散裂 中子源( c s n s ) 谱仪也是在向这个方向发展。中子散射谱仪是用于中子散射实验的装 置，是散裂中子源应用的最主要部分，是整个工程成败的关键之一。散裂中子源的 7 广西大学硕士学位论文位置灵敏裂3 日e 正比管阵列探测器研究 谱仪型式和名称多种多样，但基本可分为弹性散射谱仪和非弹性散射谱仪两大类， 每大类中又各包含多种小类。 中子探测器设计的难点是得到高探测效率，而探测效率又和中子敏感介质的 吸收长度有直接关系，中子吸收长度是指中子束流的强度衰减为1 e 所需穿透的介 质厚度。为了有足够的探测效率，探测器的中子转换剂要有尽可能大的中子反应 截面，通常厚度应当大于一个中子吸收长度。具有比较大的热中子反应截面并常 用于中子探测的同位素主要是3 h e 、6 l 、1 0 b 和1 5 7 g d 。气体探测器和闪烁体探测器 是目前常用的中子探测器。气体探测器主要有含氢正比管、b 如管和长中子计数 器、3 h e 正比管；闪烁体探测器包括有机闪烁体探测器和无机闪烁体探测器，有机 闪烁体探测器具有含氢密度大，中子探测效率高，时间响应快等优点，某些无机闪 烁体，如z n s 闪烁体、6 厶玻璃【3 4 】和锂闪烁体等利用中子与闪烁体内物质产生的核反 应来探测中子。 闪烁技术和3 日e 管技术和是目前世界上的比较常用的两种技术，其中使用3 日e 管 的各类谱仪占总谱仪的7 5 以上。尽管国际上为下一代散裂中子源装置开始 研究新型的位置灵敏探测器【2 】【3 1 ，如半导体探测器和微观探测器( m i c r o - p a t t e r n d e t e c t o r ) ，但3 h e 管探测器作为成熟技术目前不可替代。在中子散射实验所需的 位置灵敏探测器中，3 日e 气体探测器的使用已有多年历史，主要有3 h e 正比计数 管( 一维) 【4 1 和3 日e 多丝正比室( 二维) f 5 】。高气压3 h e 正比计数管具有对热中子探测效 率高( 9 0 以上) ，位置分辨好、n - ，y 鉴别能力强、抗辐射性能好等优点。虽然3 h e 价 格昂贵，但它是热中子谱仪常用材料，且目前还没有能替代3 h e 的产品出现，所以 对其还是具有很大的使用需求。国际上高气压的3 h e 管的制作已有几十年的历史， 技术上已经非常成熟。但是，中国散裂中子源正处于一个起始阶段，中子探测器的 使用也处于一个不很成熟的时期，很大部分仅仅是作为中子计数或者一维探测器来 使用，并没有达到预期的使用效果。国际评审组的意见也认为3 h e 管是目前最好的 选择。基于此，本论文选择以标准3 h e 管阵列探测器的研制为研究对象。 8 2 2 h i p d 谱仪及3 h e 管的选择 2 2 1h i p d 谱仪的设计指标 本实验所做位置灵敏性3 h e 正比管阵列为c s n s - - - 期预研项目，基本指导思想 来自于c s n s 的高通量粉末衍射谱仪( h i p d ) 中子探测器。另外，高q 值中子小角散 射谱仪、中子反射仪等也可能会以此实验结果为参考斟酌使用位置灵敏性3 h e 正比 管。在国际同类装置中，粉末衍射谱仪是应用范围最广泛、使用得最多的谱仪之 表二13 日e 管阵列探测器设计方案 中子波长范围0 3 , - , 4 8a 最大中子束宽4 0 ( h ) x 4 0 ( w ) m m 时间分辨 - 日， c ： 学。= 口匕 o 一q ， 倪诵 t = o o h 一p 帅nf i q m k l3 一i n o _ a n o n固嘲 日d a b 曩g a sp f e 摹毒u r o - ( a r m ) 】曩g 嘲o e2c 囊l c u h t e d v a 】u e s 曩o u f x - 2 t n g c 躯切【s 五老d l i n e s ) c f 5 7 3 l c e v 口目刚b o 妇 i 丑s c 啊1 l i es u i t a b l e 霉0 a s e sf o fa d m i ：x t u r ew i t hj r l 弛c u r v ef b fp r o p a _ a e o l d t e a s e sm o l - er a p x d l yt h a n1 p r e s 飘玎eb e c ；a 】s eo f1 ：1 0 n i d e a lg a sb e - h i 喧。互乙l c n c rc h f v c ( s o l i d “田c ) i 3p r c d i c 玺c d 3 0 1 1 冒豳n 南r 置力1 i ：d 瞳盯c 0 f6a 洫，h ea 3 dp 幻口嘲ea v 盯ar 铷噼0 f 卸口a n ep r e ss u 麟 s 0 氲d c 三r c l e ss h o ，铒re x 驻e 矗m e t ai 口e s o l l 捌 i o n 五丑e 鑫s l 村x x d e n l s t o mo 哟：垃。船二l l 王瞪嗣ld e 把c 缸m 暑 图2 3 几种重气体中质子射程与气体密度的关系及中子的位置分辨f w h m f i g 2 3t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ng a sd e n s i t ya n dp r o t o nf l i g h tr a n g ea n dt h ep o s i t i o n d i s t i n g u i s hf w h m f o rn e u t r o nt os e v e r a lh e a v yg a s 2 2 4h i p d 谱仪的3 日e 管阵列单元 实验以8 根位置灵敏性3 日e 正比管为一个阵列单元，图2 5 所示为实际使用单元。 图2 6 是3 h e 管基本阵列单元的示意简图，主要包含： 8 根：0 2 5 m m 的3 日e 管； 2 个高压分配盒+ 2 个前置放大器+ 电子学盒( 主放大器+ a d 模块) ； 特殊的支撑结构，包含保护电子学系统的含硼塑料。 1 3 图参4 几种重气体中质子和氚的射程与气体密度的关系 f i g 2 - 4t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ng a sd e n s i t ya n dp r o t o n 、t r i t o nf l i g h tr a n g e i ns e v e r l h e a v yg a s