用于CSNS通用粉末衍射谱仪的闪烁体探测器性能研究及改进

发布时间：2020-04-10 03:42

【摘要】：通用粉末衍射谱仪(GPPD)是中国散裂中子源(CSNS)一期建设的三台谱仪之一,其中大面积中子位置灵敏探测器是GPPD的关键元件。本论文开展了用于GPPD的大面积中子位置灵敏探测器的相关性能研究和模拟研究,提出了探测器的升级改进方案,根据升级改进方案设计制作了新的探测器原型样机,并开展了相关性能测试。整体的探测器性能研究及改进为通用粉末衍射谱仪未来的升级改造提供了技术支持。针对目前GPPD所采用的基于~6LiF/ZnS闪烁屏、波移光纤和多阳极光电倍增管(M-PMTs)的闪烁体中子位置灵敏探测器阵列,在CSNS的BL20中子束线上开展了其探测效率、位置分辨、计数率等关键性能参数的实验测试,测试结果显示,探测器对波长为1.4?和2.8?的中子探测效率分别为(38.5±1.7)%和(56.1±1.1)%,结合模拟结果,确定对2?的中子其探测效率约为46.1%;探测器像素大小为4.0mm×4.0mm,具有较好的二维成像能力;最高计数率约为78kHZ;探测器有效面积内计数不均匀度约为19.6%,经阈值调整优化后其计数不均匀度可以降低到约14.9%。分析显示,探测器尚存在边缘死区偏大、M-PMTs各通道增益差异对探测效率均匀性影响显著等问题。针对闪烁体探测器边缘死区大、M-PMTs通道增益不均匀等问题,开展了光纤90°弯转工艺研究,将光纤弯转半径从3cm减小到2.5mm,有效缩小了探测器边缘死区;开展了硅光电倍增管(SiPM)噪声特征及增益均匀性的实验研究,利用Geant4程序模拟了基于SiPM读出的闪烁体探测器的探测效率、位置分辨等性能参数,完成了SiPM替代M-PMTs的可行性研究。研制了基于SiPM读出的10cm×10cm小面积闪烁体中子探测器原型样机,在CSNS的BL20中子束线上开展了探测器样机性能测试的实验,测试结果显示,当SiPM电压U=29.5V时,中子信号幅度大于150mV,脉宽约为2us,系统噪声计数率较低,噪声信号脉宽小于800ns,当阈值大于75mV时,平均噪声信号计数率小于0.05cps;基于SiPM读出的闪烁体探测器样机像素大小可以达到2mm×2mm,具有较好的二维成像能力;基于SiPM读出的闪烁体探测器样机飞行时间谱与标准~3He管飞行时间谱峰位一致性很好,探测器样机对1.4?和2.8?中子的探测效率分别约为35.1%和54.3%,与先前研制的GPPD闪烁体探测器探测效率接近。为下一阶段发展基于SiPM读出的大面积闪烁体中子探测器奠定了良好的基础。
【图文】：

溶菌酶,三维结构,水分子,分子

兰州大学硕士学位论文用于 CSNS 通用粉末衍射谱仪的闪烁体探测器性能研究及改进谱。与传统 X 射线相比，中子不带电，主要与原子核相互作用，具有穿透性磁矩，能分辨轻核原素和同位素等独特的优势[5-7]，近年来中子散射技术泛地应用在生物、材料、地质、生命科学、能源、航空与国防建设等众多域[8]。例如，用中子衍射技术可以研究生物蛋白质分子中氢原子的位置与状时也可以定位生物大分子中水合水分子的位置，可为理解蛋白功能及药物供不可缺少的信息[9]，图 1-1 为中子衍射获得的单晶鸡蛋蛋白溶菌酶分子结构[10]，图中清晰地显示了水分子位置；中子衍射法还是测量材料残余应一非破坏性方法，当材料中存在残余应力时，材料晶格发生畸变导致晶面生细微变化，用中子衍射法测量由晶面间距变化导致的衍射峰位移，可以料内部残余应力[11]，可为工程部件的安全提供保障，目前国外已经建立 2中子应力谱仪，如法国 ILL 的 SALSA、澳大利亚核科学技术组织 ANSTWARI 等[12]。

示意图,示意图,慢化,退耦合

图 1-2 CSNS 结构及组成示意图靶站是 CSNS 的关键部件之一，主要功能是让加速的高能质子束轰击金，通过散裂反应产生高能中子，并将高能中子经慢化器慢化为适合于中子仪用的慢中子脉冲束。CSNS 靶站共设计有三种慢化器：即退耦合水慢WM,300K)，退耦合窄化液氢慢化器(DPHM，20K)，耦合液氢慢化器(CHM,站设计有 20 条中子束流孔道，将根据需求建设不同的中子谱仪，靶站及划如图 1-3 所示[17]。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL812

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