劉艷芬核探測(cè)器與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)室IndicoIHEP課件

SR譜儀探測(cè)系統(tǒng)的研究報(bào)告人：劉艷芬核探測(cè)器與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（科大部）2013年5月3日SR譜儀探測(cè)系統(tǒng)的研究報(bào)告人：劉艷芬主要內(nèi)容一、的性質(zhì)與源二、SR原理、優(yōu)勢(shì)及現(xiàn)狀三、基于CSNS的SR譜儀的研究進(jìn)展四、工作展望2主要內(nèi)容一、的性質(zhì)與源2一、的性質(zhì)與源質(zhì)量：m=105.659MeV/c2旋磁比:γ

/2π=13.5kHz/G壽命：τ=2.19sepm1/207:1:9γ657:3.18:1當(dāng)前mSR主要技術(shù)應(yīng)用：

類氫性質(zhì)：注入物質(zhì)中的u+能夠替代質(zhì)子，或者與一個(gè)電子結(jié)合形成類氫原子的Mu，從而通過(guò)探測(cè)μ+或Mu的性質(zhì)便能得到物質(zhì)中氫原子的信息，這一性質(zhì)在化學(xué)和半導(dǎo)體中的應(yīng)用；

探針技術(shù)：將極化率極高的μ束注入到樣品中，μ將在物質(zhì)中熱化并衰變產(chǎn)生e+和中微子，通過(guò)探測(cè)出射e+的時(shí)間信息便能反映μ在物質(zhì)中的自旋極化的演變規(guī)律，進(jìn)而分析樣品中內(nèi)部物理信息，這一技術(shù)主要在測(cè)磁性材料和超導(dǎo)體性質(zhì)中應(yīng)用。3一、的性質(zhì)與源質(zhì)量：m=105.659MeV/c正在發(fā)展的科學(xué)4正在發(fā)展的科學(xué)4基于加速器產(chǎn)生的機(jī)制(2.6ns)依據(jù)π發(fā)生衰變的空間位置，基于加速質(zhì)子產(chǎn)生的源有三種類型：surface+,cloud±,anddecay±。衰變

：+/-80~130MeV/c、70~80%極化率表面：+

、4MeV、29.8MeV/c、100%極化率5基于加速器產(chǎn)生的機(jī)制(2.6ns)依據(jù)π發(fā)生衰變的空間依據(jù)束線的時(shí)間結(jié)構(gòu)，基于加速質(zhì)子產(chǎn)生的源可以分為連續(xù)型源和脈沖型源。實(shí)驗(yàn)室能量(MeV)功率（kW）束流結(jié)構(gòu)衰變muon(n/s)表面muon(n/s)ISIS800140脈沖μ+:4×105μ-:7×1044×104J-PARC30001000脈沖106~73×107PSI5901800連續(xù)~108107-108TRIUMF5001000連續(xù)1~4×1062×106CSNS1600100脈沖~106~1076依據(jù)束線的時(shí)間結(jié)構(gòu)，基于加速質(zhì)子產(chǎn)生的源可以分為連續(xù)型二、SR原理、優(yōu)勢(shì)及現(xiàn)狀SRstandsforMuonSpinRotation,Relaxation,orResonance,orjustMuonSpinResearch.的衰變通道e+空間幾率分布X與正電子的能量有關(guān)e+能量范圍0-53MeV/c圖表面發(fā)生衰變產(chǎn)生正電子的空間分布7二、SR原理、優(yōu)勢(shì)及現(xiàn)狀SRstandsforMuMuonSpinRotation8MuonSpinRotation8991010SR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：BBeamIn11SR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：BBeamIn111212SR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：原理簡(jiǎn)單，不同實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡慕Y(jié)構(gòu)相似；可測(cè)量較弱磁場(chǎng)(~0.1G)；可測(cè)量較短的弛豫時(shí)間（~10-8s）探測(cè)樣品的頻率響應(yīng)范圍大(104~1012Hz)；外加磁場(chǎng)是非必需的；對(duì)樣品的狀態(tài)要求較低（固體液體均能測(cè)量）；對(duì)樣品環(huán)境的要求較低（高溫高壓強(qiáng)中子吸收等復(fù)雜情況也可處理）；13SR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：原理簡(jiǎn)單，不同實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡慕Y(jié)構(gòu)相似；13國(guó)內(nèi)外SR譜儀現(xiàn)狀依托國(guó)際上現(xiàn)有的四大源，SR已經(jīng)被廣泛使用，并且已經(jīng)成為在凝聚態(tài)物理、化學(xué)、生物、材料等領(lǐng)域取得大量的成果；四家SR譜儀的用戶已經(jīng)遍布世界各國(guó)的主要研究機(jī)構(gòu)和高等學(xué)校；源和探針技術(shù)無(wú)法在國(guó)內(nèi)開(kāi)展，極大限制了中國(guó)科學(xué)家在相關(guān)研究領(lǐng)域的發(fā)展；中國(guó)散裂中子源(CSNS)的建造為我國(guó)SR譜學(xué)的發(fā)展提供契機(jī)。14國(guó)內(nèi)外SR譜儀現(xiàn)狀依托國(guó)際上現(xiàn)有的四大源，SR已經(jīng)被三、基于CSNS的SR譜儀的研究進(jìn)展基于CSNS的試驗(yàn)型靶及束流設(shè)計(jì)已經(jīng)完成。[1][2]圖3.1試驗(yàn)型實(shí)驗(yàn)區(qū)在CSNS上的位置1.使用蒙卡模擬軟件G4beamline對(duì)產(chǎn)生靶的形狀，材料，散熱、熱應(yīng)力等進(jìn)行模擬尋優(yōu)，得到可采用60×60×60(mm)的石墨作為試驗(yàn)型產(chǎn)生靶。2.使用Transport和Turtle確定了束流線的常規(guī)輸運(yùn)模式(3Q+B+B+3Q)，該輸運(yùn)線使SR實(shí)驗(yàn)端的表面的產(chǎn)率~10+5/s，束斑4cm，脈沖頻率1Hz。15三、基于CSNS的SR譜儀的研究進(jìn)展基于CSNS的試驗(yàn)型通過(guò)Geant4等蒙卡模擬軟件計(jì)算，選擇合適的晶體、光導(dǎo)[3]1.計(jì)算不同能量的正電子經(jīng)過(guò)不同厚度閃爍體的能損，確定閃爍體的厚度。計(jì)算表明：能量越高的正電子穿過(guò)晶體后其沉積能量越大，但是其能損比率卻減??；16通過(guò)Geant4等蒙卡模擬軟件計(jì)算，選擇合適的晶體、光導(dǎo)[3上圖表明：隨著入射正電子能量的增大，能損轉(zhuǎn)化成光子的效率也變低，并且當(dāng)正電子能量大于某一值（o,a,b,c,d）時(shí),光子輸出的脈沖信號(hào)幅度極為接近，這樣既實(shí)現(xiàn)了正電子與其他本底粒子易于甑別，而且正電子在5mm厚的晶體產(chǎn)生的熒光光子已達(dá)到104量級(jí)，這些光子再經(jīng)過(guò)輸運(yùn)、光電轉(zhuǎn)換、最后輸出電子學(xué)信號(hào)完全可以將背景粒子區(qū)分開(kāi)來(lái)，結(jié)合晶體成本和光導(dǎo)耦合，選用厚度該尺寸。17上圖表明：隨著入射正電子能量的增大，能損轉(zhuǎn)化成光子的效率也變2.對(duì)環(huán)形陣列進(jìn)行模擬確定閃爍體的長(zhǎng)度和寬度探測(cè)單元的長(zhǎng)度和寬度直接影響了單元計(jì)數(shù)率，而且寬度也決定了譜儀最多可以布置探測(cè)器的路數(shù)；考慮單路探測(cè)器時(shí)間分辨能做到20ns~30ns，長(zhǎng)度在50mm~70mm，寬度8~12mm的閃爍晶體可供研究用；182.對(duì)環(huán)形陣列進(jìn)行模擬確定閃爍體的長(zhǎng)度和寬度探測(cè)單元的長(zhǎng)度和搭建測(cè)試平臺(tái)測(cè)試閃爍體的性能閃爍體光電倍增管DRS4采集卡22Na19搭建測(cè)試平臺(tái)測(cè)試閃爍體的性能閃爍體光電倍增管DRS4采集卡2閃爍體條的測(cè)試能譜與插圖中的模擬值基本符合，但是能譜中高能部分不明顯，或許需要改進(jìn)測(cè)試方法。20閃爍體條的測(cè)試能譜與插圖中的模擬值基本符合，但是能譜中高能部搭建時(shí)間譜測(cè)試平臺(tái)，初步嘗試測(cè)符合時(shí)間譜在實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化壽命譜程序（PositronLifetimeSpectrumeter）基礎(chǔ)上改動(dòng)，進(jìn)行雙探頭符合時(shí)間譜測(cè)試。21搭建時(shí)間譜測(cè)試平臺(tái)，初步嘗試測(cè)符合時(shí)間譜在實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化壽命譜四、工作展望目前國(guó)際上SR譜儀的研制目標(biāo)趨于高探測(cè)頻率、高計(jì)數(shù)、強(qiáng)外加磁場(chǎng)，隨著近年來(lái)探測(cè)器技術(shù)和超導(dǎo)磁鐵技術(shù)的發(fā)展，該方面的研究在國(guó)際上已相繼展開(kāi)?；贑SNS試驗(yàn)型源的SR譜儀擬研究單路提高計(jì)數(shù)率的方法，通過(guò)布置多層閃爍體去除本底。研究方法：Geant4模擬出雙層或三層閃爍體的最優(yōu)尺寸，購(gòu)置晶體，利用實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)搭建的雙探頭平臺(tái)改進(jìn)后測(cè)試。圖：?jiǎn)温氛娮犹綔y(cè)器布置的雙層閃爍體22四、工作展望目前國(guó)際上SR譜儀的研制目標(biāo)趨于高探測(cè)頻率、高參考文獻(xiàn)及致謝[1]Y.F.Liu,W.Z.Xu,Z.Q.Tan,etal.DesignandoptimizationforexperimentalMuonsourceatCSNS(inChinese).SciSin-PhysMechAstron,2012,42:1204-1211.[2]H.T.Jing,C.Meng,J.Y.Tang,B.J.Ye,J.L.Sun,ProductiontargetandmuoncollectionstudiesforanexperimentalmuonsourceatCSNS,Nucl.Instru.Meth.A684(2012)109-116.[3]W.Z.Xu,Y.F.Liu,Z.Q.Tan,WKong,B.J.Ye,Geant4simulationofplasticscintillatorsforaprototypeμSR,NuclearScienceandTechniques,2013(Accepted)Thanks23參考文獻(xiàn)及致謝[1]Y.F.Liu,W.Z.Xu,SR譜儀探測(cè)系統(tǒng)的研究報(bào)告人：劉艷芬核探測(cè)器與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（科大部）2013年5月3日SR譜儀探測(cè)系統(tǒng)的研究報(bào)告人：劉艷芬主要內(nèi)容一、的性質(zhì)與源二、SR原理、優(yōu)勢(shì)及現(xiàn)狀三、基于CSNS的SR譜儀的研究進(jìn)展四、工作展望25主要內(nèi)容一、的性質(zhì)與源2一、的性質(zhì)與源質(zhì)量：m=105.659MeV/c2旋磁比:γ

/2π=13.5kHz/G壽命：τ=2.19sepm1/207:1:9γ657:3.18:1當(dāng)前mSR主要技術(shù)應(yīng)用：

類氫性質(zhì)：注入物質(zhì)中的u+能夠替代質(zhì)子，或者與一個(gè)電子結(jié)合形成類氫原子的Mu，從而通過(guò)探測(cè)μ+或Mu的性質(zhì)便能得到物質(zhì)中氫原子的信息，這一性質(zhì)在化學(xué)和半導(dǎo)體中的應(yīng)用；

探針技術(shù)：將極化率極高的μ束注入到樣品中，μ將在物質(zhì)中熱化并衰變產(chǎn)生e+和中微子，通過(guò)探測(cè)出射e+的時(shí)間信息便能反映μ在物質(zhì)中的自旋極化的演變規(guī)律，進(jìn)而分析樣品中內(nèi)部物理信息，這一技術(shù)主要在測(cè)磁性材料和超導(dǎo)體性質(zhì)中應(yīng)用。26一、的性質(zhì)與源質(zhì)量：m=105.659MeV/c正在發(fā)展的科學(xué)27正在發(fā)展的科學(xué)4基于加速器產(chǎn)生的機(jī)制(2.6ns)依據(jù)π發(fā)生衰變的空間位置，基于加速質(zhì)子產(chǎn)生的源有三種類型：surface+,cloud±,anddecay±。衰變

：+/-80~130MeV/c、70~80%極化率表面：+

、4MeV、29.8MeV/c、100%極化率28基于加速器產(chǎn)生的機(jī)制(2.6ns)依據(jù)π發(fā)生衰變的空間依據(jù)束線的時(shí)間結(jié)構(gòu)，基于加速質(zhì)子產(chǎn)生的源可以分為連續(xù)型源和脈沖型源。實(shí)驗(yàn)室能量(MeV)功率（kW）束流結(jié)構(gòu)衰變muon(n/s)表面muon(n/s)ISIS800140脈沖μ+:4×105μ-:7×1044×104J-PARC30001000脈沖106~73×107PSI5901800連續(xù)~108107-108TRIUMF5001000連續(xù)1~4×1062×106CSNS1600100脈沖~106~10729依據(jù)束線的時(shí)間結(jié)構(gòu)，基于加速質(zhì)子產(chǎn)生的源可以分為連續(xù)型二、SR原理、優(yōu)勢(shì)及現(xiàn)狀SRstandsforMuonSpinRotation,Relaxation,orResonance,orjustMuonSpinResearch.的衰變通道e+空間幾率分布X與正電子的能量有關(guān)e+能量范圍0-53MeV/c圖表面發(fā)生衰變產(chǎn)生正電子的空間分布30二、SR原理、優(yōu)勢(shì)及現(xiàn)狀SRstandsforMuMuonSpinRotation31MuonSpinRotation83293310SR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：BBeamIn34SR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：BBeamIn113512SR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：原理簡(jiǎn)單，不同實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡慕Y(jié)構(gòu)相似；可測(cè)量較弱磁場(chǎng)(~0.1G)；可測(cè)量較短的弛豫時(shí)間（~10-8s）探測(cè)樣品的頻率響應(yīng)范圍大(104~1012Hz)；外加磁場(chǎng)是非必需的；對(duì)樣品的狀態(tài)要求較低（固體液體均能測(cè)量）；對(duì)樣品環(huán)境的要求較低（高溫高壓強(qiáng)中子吸收等復(fù)雜情況也可處理）；36SR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：原理簡(jiǎn)單，不同實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡慕Y(jié)構(gòu)相似；13國(guó)內(nèi)外SR譜儀現(xiàn)狀依托國(guó)際上現(xiàn)有的四大源，SR已經(jīng)被廣泛使用，并且已經(jīng)成為在凝聚態(tài)物理、化學(xué)、生物、材料等領(lǐng)域取得大量的成果；四家SR譜儀的用戶已經(jīng)遍布世界各國(guó)的主要研究機(jī)構(gòu)和高等學(xué)校；源和探針技術(shù)無(wú)法在國(guó)內(nèi)開(kāi)展，極大限制了中國(guó)科學(xué)家在相關(guān)研究領(lǐng)域的發(fā)展；中國(guó)散裂中子源(CSNS)的建造為我國(guó)SR譜學(xué)的發(fā)展提供契機(jī)。37國(guó)內(nèi)外SR譜儀現(xiàn)狀依托國(guó)際上現(xiàn)有的四大源，SR已經(jīng)被三、基于CSNS的SR譜儀的研究進(jìn)展基于CSNS的試驗(yàn)型靶及束流設(shè)計(jì)已經(jīng)完成。[1][2]圖3.1試驗(yàn)型實(shí)驗(yàn)區(qū)在CSNS上的位置1.使用蒙卡模擬軟件G4beamline對(duì)產(chǎn)生靶的形狀，材料，散熱、熱應(yīng)力等進(jìn)行模擬尋優(yōu)，得到可采用60×60×60(mm)的石墨作為試驗(yàn)型產(chǎn)生靶。2.使用Transport和Turtle確定了束流線的常規(guī)輸運(yùn)模式(3Q+B+B+3Q)，該輸運(yùn)線使SR實(shí)驗(yàn)端的表面的產(chǎn)率~10+5/s，束斑4cm，脈沖頻率1Hz。38三、基于CSNS的SR譜儀的研究進(jìn)展基于CSNS的試驗(yàn)型通過(guò)Geant4等蒙卡模擬軟件計(jì)算，選擇合適的晶體、光導(dǎo)[3]1.計(jì)算不同能量的正電子經(jīng)過(guò)不同厚度閃爍體的能損，確定閃爍體的厚度。計(jì)算表明：能量越高的正電子穿過(guò)晶體后其沉積能量越大，但是其能損比率卻減??；39通過(guò)Geant4等蒙卡模擬軟件計(jì)算，選擇合適的晶體、光導(dǎo)[3上圖表明：隨著入射正電子能量的增大，能損轉(zhuǎn)化成光子的效率也變低，并且當(dāng)正電子能量大于某一值（o,a,b,c,d）時(shí),光子輸出的脈沖信號(hào)幅度極為接近，這樣既實(shí)現(xiàn)了正電子與其他本底粒子易于甑別，而且正電子在5mm厚的晶體產(chǎn)生的熒光光子已達(dá)到104量級(jí)，這些光子再經(jīng)過(guò)輸運(yùn)、光電轉(zhuǎn)換、最后輸出電子學(xué)信號(hào)完全可以將背景粒子區(qū)分開(kāi)來(lái)，結(jié)合晶體成本和光導(dǎo)耦合，選用厚度該尺寸。40上圖表明：隨著入射正電子能量的增大，能損轉(zhuǎn)化成光子的效率也變2.對(duì)環(huán)形陣列進(jìn)行模擬確定閃爍體的長(zhǎng)度和寬度探測(cè)單元的長(zhǎng)度和寬度直接影響了單元計(jì)數(shù)率，而且寬度也決定了譜儀最多可以布置探測(cè)器的路數(shù)；考慮單路探測(cè)器時(shí)間分辨能做到20ns~30ns，長(zhǎng)度在50mm~70mm，寬度8~12mm的閃爍晶體可供研究用；412.對(duì)環(huán)形陣列進(jìn)行模擬確定閃爍體的長(zhǎng)度和寬度探測(cè)單元的長(zhǎng)度和搭建測(cè)試平臺(tái)測(cè)試閃爍體的性能閃爍體光電倍增管DRS4采集卡22Na42搭建測(cè)試平臺(tái)測(cè)試閃爍體的性能閃爍體光電倍增管DRS4采集卡2閃爍體條的測(cè)試能譜與插圖中的模擬值基本符合，但是能譜中高能部分不明顯，或許需要改進(jìn)測(cè)試方法。43閃爍體條的測(cè)試能譜與插圖中的模擬值基本符合，但是能譜中高能部搭建時(shí)間譜測(cè)試平臺(tái)，初步嘗試測(cè)符合時(shí)間譜在實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化壽命譜程序（PositronLifetimeSpectrumeter）基礎(chǔ)上改動(dòng)，進(jìn)行雙探頭符合時(shí)間譜測(cè)試。44搭建時(shí)間譜測(cè)試平臺(tái)，初步嘗試測(cè)符合時(shí)間譜在實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化壽命譜四、工作展望目前國(guó)際上SR譜儀的研制目標(biāo)趨于高探測(cè)頻率、高計(jì)數(shù)、強(qiáng)外加磁