基于延迟块读出的多丝正比室探测器研制

发布时间：2020-10-27 02:54

　　 由于中子本身的独特特性,中子散射技术已成为一种研究物质内部结构和动力学过程的理想探测技术,该技术广泛应用于凝聚态物理、化学、生命科学、材料科学等多学科领域中。中国于2008年动工兴建的中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source,CSNS),当中迫切需求一种高性能指标的多丝正比室(Multi-wire Proportional Chamber,MWPC)探测器。由于近年来,3He气体价格贵重导致此类探测器的缺乏,我们展开了代替3He气体的MWPC探测器研制。在研制过程中,为了解决探测器的信号读出法上所带来的电子学线路复杂性问题以及更方便地得到很好的中子位置分辨性能指标,采用延迟块对MWPC探测器的信号进行读出。基于延迟块的信号读出法是将包含中子的位置信息转换成延迟块两端的时间差,再通过测试时间差来推算出中子入射探测器的位置信息的方法。对于延迟块两端,只需两路的电子学路数与MWPC探测器进行连接,从而大大减少了读出电子学线路的复杂性,更方便地分析性能指标。本文首先通过理论计算和模拟的程序包来研制出MWPC探测器,在此过程中阐明了对涂10B中子转换层、探测器结构设计、工作气体选择以及丝张力和间距的严格检测等关键技术的研究以及对MWPC探测器的初步性能来验证探测器能正常稳定地工作。再展开对延迟块的设计、延迟块两端的延迟时间差与位置关系加以研究,最后将延迟块运用在MWPC探测器上,采用α源和中子源分别对其进行联合性的性能测试实验。通过测量延迟块两端的延迟时间差来获取入射的带电粒子在MWPC探测器当中产生的信号位置坐标,并分析出各自对应的位置分辨结果。从α源的位置测量结果表明延迟块可用于MWPC探测器的信号读出的可行性,位置分辨好于2mm,比基于3He气体的MWPC探测器取得的性能更好。从中子源的测试结果表明整套联合测试系统可用于中子的探测。说明涂B10层的MWPC探测器与延迟块读出法相结合并达到很好的位置分辨性能,能应用于中子的探测。这是结合延迟块读出的一次创新型MWPC探测器研制,也是第一次应用于中子的探测,为MWPC探测器的研制优化和延迟块读出法的熟练运用提供了实验参考,也为后续的其他探测器与电子学联调提供了宝贵的经验,对推动新型中子探测器与电子学的匹配、新型信号读出法的研究有重要的意义。
【学位单位】：南华大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O571.53
【部分图文】：

研究背景及意义在 1932 年，由英国的实验物理学家查德威克利用 α 粒子撞击金属铍的了中子，实验过程如图 1.1 所示。中子作为一种不带电的特殊粒子，使得没有电子参与的原子核模型有了新的希望，也解决了量子力学是否适用于部的问题等难点。这是核物理以及其应用发展史的一个重要的里程碑，具的重要意义。因此，1935 年查德威克获得诺贝尔物理学奖。之后各领域的在核物理领域，还是在其他交叉领域，都与中子的研究有着紧密相连的关,发现出的中子为核内部的研究提供了方向，为今后研究核结构和核反应研一条全新的道路。第二,在核结构提出的基础上，提出关于原子结构的新了原子核的基本组成,彻底否定了原子核的电子假设，人们重新对原子量与的关系和原子核的自旋、稳定性等等原子核内部的特性问题, 有了进一步和新的突破。随着人们进一步展开对中子的研究，开阔了其应用领域，也核物理相关的其他交叉领域的蓬勃发展，诞生出其他新应用。

装备和大型科学装置也被带动着发展，很多都已经进入开始运行阶段，甚至已用中子散射技术展开了对科研成果的研究。比如世界上运行的散裂中子源主要国的 ISIS、美国的 SNS、日本的 J-PARC，见图 1.2 所示。然而，我国在中子源这方面的发展相对其他国家比较滞后，技术发展比较缓慢，并且缺乏高水平的中子源装备设施，我国的研究员希望通过中子散射技术来进一步加强深化自己究进展，导致许多研究员逐步跑到国外的一系列大科学中子装置上去进行科学。为满足这领域的研究员需求以及促进我国科学研究的发展，必须尽快建设属们自己的散裂中子源和相应的中子散射装备。为此，中国首先建立了中国先进堆(CARR)[7-9],开始对中子散射技术的研究。又从 2008 年开始，在广东东莞修建展中国家的第一台散裂中子源—中国散裂中子源（CSNS），随着这些高科技装建设，会使中子散射技术得到更好的发挥，同时使得我国的科学技术水平更上台阶，达到世界领先技术水平。

使束流提高到能量 1.6GeV 左右。最后从 RCS 引出的高能质子束流经传输线打向钨靶，在靶上将产生的散裂中子进行慢化，再通过中子导管进一步引向各种中子谱仪在中子谱仪上开展各种实验研究和用户需求。为了促进我国科技水平达到国际先进水准，中国散裂中子源项目的总体设计指标如下：需要打靶的质子束流功率控制在100kW[7-10]；脉冲重复频率为 25Hz；每脉冲质子数大约在 1.56×1013；需要 1.6Ge的质子束动能；每个质子、每单位立体角弧度为 0.1 达到很好的中子效率。其中的束流功率为 100kW 和脉冲重复频率为 25Hz，可大幅地提高每个脉冲内的中子通量数目。这些目标正是使中国散裂中子源的质子束流功率、中子效率、脉冲中子通量等各种技术指标达到世界前沿水准，满足我国现阶段上，各种学科领域对中子散射技术的迫切需求。同时进一步优化中子谱仪的设计，使得中子谱仪中的中子利用效率高度和谱仪分辨率精度得到更好的加强。
【参考文献】

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本文编号：2857919