中國散裂中子源（CSNS）中子探測器的設計與研究進展

1、中國散裂中子源（CSNS）中子探測器的設計與研究進展Out line中國散裂中子源中國散裂中子源CSNS簡介簡介CSNS 中子探測器的設計與進展中子探測器的設計與進展 高通量粉末衍射儀高通量粉末衍射儀 小角衍射儀小角衍射儀 多功能反射儀多功能反射儀 中子束監(jiān)測器中子束監(jiān)測器中國散裂中子源中國散裂中子源CSNSCSNS規(guī)劃效果示意CSNS系統(tǒng)構成CSNS譜儀的總體安排譜儀的總體安排第一期建造三臺譜儀中子束的產生與時間結構中子束的產生與時間結構質子中子導管靶20-30 中子質子打靶時刻T0中子脈沖中子波長選擇時間窗CSNS 中子探測器中子探測器kdSrd , 樣品入射中子束（t，x，y）典型粉末衍

2、射儀的分辨率（， ）時間分辨s位置分辨mm高通量粉末衍射儀高通量粉末衍射儀 高通量粉末衍射儀（HIPD）主要用于研究物質的晶體結構和磁結構，以滿足來自材料科學、納米科學、凝聚態(tài)物理和化學等眾多領域的科學研究和工業(yè)應用的需求。3He管探測器陣列（管探測器陣列（1） HIPD譜儀中子探測器的主要功能是探測由譜儀中子探測器的主要功能是探測由樣品散射出中子的空間和時間信息。樣品散射出中子的空間和時間信息。 時間分辨：時間分辨：2 s 時間窗口：時間窗口：040ms 中子探測效率：中子探測效率：80 2 中子通量：中子通量：106n/s 3個探測區(qū)域：個探測區(qū)域：2 = 15 ，2 = 90 ，2 =

3、150 -3-2-10123456780123Y (m)X (m)3He管探測器陣列（管探測器陣列（2）Q1Q2Lxx/L=Q1/(Q1+Q2)5+14001800VHe3-gas PSD(Q1+Q2)=1pC高阻絲5k位置分辨12mm/1000mm最大計數(shù)率10KHzHe3管信號引出前置放大器 n+3HeP+3H+764keV小角衍射儀小角衍射儀 作為在納米至微米尺度探測物質體系微觀和介觀結構的一類獨特而有力的工具，小角中子散射由于中子強穿透，非破壞，高靈敏，磁作用的特殊性質得到長足發(fā)展，在當今社會最為關心的能源，環(huán)境，生物和新材料領域有著廣泛應用。多功能反射儀多功能反射儀 中子反射儀主要應

4、用領域包括：各種新興薄膜材料的結構、磁性低維結構及表面磁性、聚合物LB 膜及生物膜的結構和界面現(xiàn)象、液體物質及固液界面等。二維中子探測器多絲正比室（二維中子探測器多絲正比室（1）陽極：直徑陽極：直徑15m的鍍金鎢絲；絲距為的鍍金鎢絲；絲距為2mm，所有陽極絲連在一起用于能譜測量和系統(tǒng)觸所有陽極絲連在一起用于能譜測量和系統(tǒng)觸發(fā)。發(fā)。讀出絲：讀出絲： 直徑直徑50m的鍍金鎢絲，絲距為的鍍金鎢絲，絲距為1mm，每，每4跟絲連在一起形成一個讀出條。跟絲連在一起形成一個讀出條。讀出條板：讀出條板：1.8mm寬鍍金銅條，每兩根形成寬鍍金銅條，每兩根形成一個讀出條。一個讀出條。陽極平面到上下兩個讀出平面的距

5、離取為陽極平面到上下兩個讀出平面的距離取為3mm，讀出絲平面到陰極平面的距離為，讀出絲平面到陰極平面的距離為10mm。工作氣體：工作氣體： 5.5atm3He+2.5atmC3H8 n+3HeP+3H+764keV二維中子探測器多絲正比室（二維中子探測器多絲正比室（2）55Fe 5.9keV X 射線能譜增益隨陽極高壓的變化沿著陽極絲方向的位置分辨（FWHM）為300m垂直于陽極絲方向的位置分辨由陽極絲絲距決定二維中子探測器多絲正比室（二維中子探測器多絲正比室（3）AmBe中子源測試中子源測試中子束監(jiān)測器中子束監(jiān)測器 中子譜儀的中子束入射強度受加速器功率、質子打靶效率、中子產中子譜儀的中子束入

6、射強度受加速器功率、質子打靶效率、中子產生效率以及中子束傳輸效率等諸多因素的影響，也就是說中子束的入生效率以及中子束傳輸效率等諸多因素的影響，也就是說中子束的入射強度會隨時間而改變。中子束的入射強度的變化會增大系統(tǒng)誤差，射強度會隨時間而改變。中子束的入射強度的變化會增大系統(tǒng)誤差，從而影響實驗測量結果。通過中子束監(jiān)測器測量入射中子強度隨時間從而影響實驗測量結果。通過中子束監(jiān)測器測量入射中子強度隨時間的變化可以有效的減小中子束入射強度變化引起的系統(tǒng)誤差。的變化可以有效的減小中子束入射強度變化引起的系統(tǒng)誤差。 中子導管中子束監(jiān)測器樣品中子探測器中子束Ordela公司的中子束強度探測器（透過式電離室）

7、公司的中子束強度探測器（透過式電離室）探測效率：探測效率：0.00175 （中（中子能量子能量 0.0025eV）氣體組份：氣體組份：3He+4He+CF4 （760 torr）有效探測面積：有效探測面積：51mm*64mm有效探測深度：有效探測深度：12.54mm工作高壓：工作高壓：500V前置放大器供電：前置放大器供電：+12V 15mA前置放大器前置放大器:電荷靈敏型，輸出脈電荷靈敏型，輸出脈沖沖0.5V最高計數(shù)率：最高計數(shù)率：108 ns-1cm-2基于基于GEM的中子束監(jiān)測器的中子束監(jiān)測器Readout pad1 mm2 mm1 mmCathode plane with 10BGEM

8、 1GEM 2Ar/CO2 = 70:30EI = 5.6 kV/cmET = 2.4 kV/cmEd = 1.5 kV/cmGEM1 DVGEM = 400 VGEM2 DVGEM = 350 V中子探測效率0.042 0.002% 0.002%最大計數(shù)率1.1 MHz位置分辨1.3 mm (FWHM)時間測量OK有效面積100 mm 100 mm小結小結CSNS第一期三臺中子譜儀的中子探測器設計工作基本完成第一期三臺中子譜儀的中子探測器設計工作基本完成 高通量粉末衍射儀高通量粉末衍射儀 3He管陣列管陣列 （1 和和 1/2） 小角衍射儀小角衍射儀 3He管陣列管陣列 （ 1/3和和 1/

9、2） 多功能反射儀多功能反射儀 多絲正比室多絲正比室 中子束監(jiān)測器中子束監(jiān)測器 透過式電離室或基于透過式電離室或基于GEM的中子束監(jiān)測器的中子束監(jiān)測器通過示波器觀測到（通過示波器觀測到（3He管前放）的信號，下一步可以進行性能測量，管前放）的信號，下一步可以進行性能測量，組建組建3He管陣列；管陣列；利用利用55Fe測試了多絲正比室的性能，并觀測了中子信號；測試了多絲正比室的性能，并觀測了中子信號；Neutron Energy and Dominant InteractionsNeutron EnergyDominant InteractionsCold 1 meVDiffractionThe

10、rmal 50 keVMedium energy 1 MeVHigh energy 10 MeVColdThermalEpithermalFastMedium EnergyHigh EnergyDiffractionFissionElastic ScatteringCaptureInelastic Scattering 2 2 1 3DC2DC1Neutron GuideFrom source50t, msec6040200015010025020080L, m100400300350500450DetectortOP2tOP1closing timeVarious BandwidthSche

11、matic (not to scale)TIPP09 Mar. 14 2009 Tsukuba, Japan15Position resolutionThe 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. Data with a B4C slitBeam profile dataDivided dataThe projection data In the hi

12、stogram of the slope (=DZ/DX), a sharp peak appearson 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.The slope data (=DZ/DX)Constant: 0.26

13、Mean: 32.85Sigma: 0.56 104 mm 104 mm35 mm 35 mmZXXDZ/DXDZ/DX is obtained by subtracting the one from the adjacent one.2 2D-128x128 WLS D-128x128 WLS fiberfiber detector detector Position resolution： 0.4mm*0.4mm2-dimension dataWave length shift fiber detector2 2D-128x128 WLS D-128x128 WLS fiberfiber

14、detector detector- fiber + - fiber outputs are changed to digital data by fast-ADCs.A diagram of the readoutThe system pictureHigh position resolution：0.4mmNo distortion at 2D image data.Low count rate.Low efficiency: about 6 % (ZnS)2 2D-8x8 Li6 glass detectorD-8x8 Li6 glass detectorHigh count rate：

15、 8*106Hz/cm2.High efficiency： more than 60 %.Multi anodePMT(8*8) with 64 Li6 glasses which are 1.7 mm2 square in 1 mm thickness.Multi anode PMT2 2D-8x8 Li6 glass detectorD-8x8 Li6 glass detectorTime data and 2d dataCd maskRaw data with changing LLDDifference of each LLDs = pulse height distributionH

16、igh count rate: 8 Mcps / cm2High efficiency: 60 %Gamma ray sensitive, because of Li6 glasses.2D charge-division detector2D charge-division detectorHigh resolution：0.5mm, detection area：5cm or 10cmA neutron scintillator can be changed easy.ZnS:2030%, 1mm-Li6:8090%2cm*0.3mm neutron beam, 30-points at each 1mm.Rotating 90 degrees2D position data2D photomultiplier tube2D charge-division detector2D charge-division detectorBlock diagram of PMTReadout circuitCharge amplifierPSD2K moduleCharge is divided by resistors.It consists of PSD2K module with one ADC