中国散裂中子源（CSNS）中子探测器的设计与研究进展

1、中国散裂中子源（CSNS）中子探测器的设计与研究进展Out line中国散裂中子源中国散裂中子源CSNS简介简介CSNS 中子探测器的设计与进展中子探测器的设计与进展 高通量粉末衍射仪高通量粉末衍射仪 小角衍射仪小角衍射仪 多功能反射仪多功能反射仪 中子束监测器中子束监测器中国散裂中子源中国散裂中子源CSNSCSNS规划效果示意CSNS系统构成CSNS谱仪的总体安排谱仪的总体安排第一期建造三台谱仪中子束的产生与时间结构中子束的产生与时间结构质子中子导管靶20-30 中子质子打靶时刻T0中子脉冲中子波长选择时间窗CSNS 中子探测器中子探测器kdSrd , 样品入射中子束（t，x，y）典型粉末衍

2、射仪的分辨率（， ）时间分辨s位置分辨mm高通量粉末衍射仪高通量粉末衍射仪 高通量粉末衍射仪（HIPD）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需求。3He管探测器阵列（管探测器阵列（1） HIPD谱仪中子探测器的主要功能是探测由谱仪中子探测器的主要功能是探测由样品散射出中子的空间和时间信息。样品散射出中子的空间和时间信息。 时间分辨：时间分辨：2 s 时间窗口：时间窗口：040ms 中子探测效率：中子探测效率：80 2 中子通量：中子通量：106n/s 3个探测区域：个探测区域：2 = 15 ，2 = 90 ，2 =

3、150 -3-2-10123456780123Y (m)X (m)3He管探测器阵列（管探测器阵列（2）Q1Q2Lxx/L=Q1/(Q1+Q2)5+14001800VHe3-gas PSD(Q1+Q2)=1pC高阻丝5k位置分辨12mm/1000mm最大计数率10KHzHe3管信号引出前置放大器 n+3HeP+3H+764keV小角衍射仪小角衍射仪 作为在纳米至微米尺度探测物质体系微观和介观结构的一类独特而有力的工具，小角中子散射由于中子强穿透，非破坏，高灵敏，磁作用的特殊性质得到长足发展，在当今社会最为关心的能源，环境，生物和新材料领域有着广泛应用。多功能反射仪多功能反射仪 中子反射仪主要应

4、用领域包括：各种新兴薄膜材料的结构、磁性低维结构及表面磁性、聚合物LB 膜及生物膜的结构和界面现象、液体物质及固液界面等。二维中子探测器多丝正比室（二维中子探测器多丝正比室（1）阳极：直径阳极：直径15m的镀金钨丝；丝距为的镀金钨丝；丝距为2mm，所有阳极丝连在一起用于能谱测量和系统触所有阳极丝连在一起用于能谱测量和系统触发。发。读出丝：读出丝： 直径直径50m的镀金钨丝，丝距为的镀金钨丝，丝距为1mm，每，每4跟丝连在一起形成一个读出条。跟丝连在一起形成一个读出条。读出条板：读出条板：1.8mm宽镀金铜条，每两根形成宽镀金铜条，每两根形成一个读出条。一个读出条。阳极平面到上下两个读出平面的距

5、离取为阳极平面到上下两个读出平面的距离取为3mm，读出丝平面到阴极平面的距离为，读出丝平面到阴极平面的距离为10mm。工作气体：工作气体： 5.5atm3He+2.5atmC3H8 n+3HeP+3H+764keV二维中子探测器多丝正比室（二维中子探测器多丝正比室（2）55Fe 5.9keV X 射线能谱增益随阳极高压的变化沿着阳极丝方向的位置分辨（FWHM）为300m垂直于阳极丝方向的位置分辨由阳极丝丝距决定二维中子探测器多丝正比室（二维中子探测器多丝正比室（3）AmBe中子源测试中子源测试中子束监测器中子束监测器 中子谱仪的中子束入射强度受加速器功率、质子打靶效率、中子产中子谱仪的中子束入

6、射强度受加速器功率、质子打靶效率、中子产生效率以及中子束传输效率等诸多因素的影响，也就是说中子束的入生效率以及中子束传输效率等诸多因素的影响，也就是说中子束的入射强度会随时间而改变。中子束的入射强度的变化会增大系统误差，射强度会随时间而改变。中子束的入射强度的变化会增大系统误差，从而影响实验测量结果。通过中子束监测器测量入射中子强度随时间从而影响实验测量结果。通过中子束监测器测量入射中子强度随时间的变化可以有效的减小中子束入射强度变化引起的系统误差。的变化可以有效的减小中子束入射强度变化引起的系统误差。 中子导管中子束监测器样品中子探测器中子束Ordela公司的中子束强度探测器（透过式电离室）

7、公司的中子束强度探测器（透过式电离室）探测效率：探测效率：0.00175 （中（中子能量子能量 0.0025eV）气体组份：气体组份：3He+4He+CF4 （760 torr）有效探测面积：有效探测面积：51mm*64mm有效探测深度：有效探测深度：12.54mm工作高压：工作高压：500V前置放大器供电：前置放大器供电：+12V 15mA前置放大器前置放大器:电荷灵敏型，输出脉电荷灵敏型，输出脉冲冲0.5V最高计数率：最高计数率：108 ns-1cm-2基于基于GEM的中子束监测器的中子束监测器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中子探测效率0.042 0.002% 0.002%最大计数率1.1 MHz位置分辨1.3 mm (FWHM)时间测量OK有效面积100 mm 100 mm小结小结CSNS第一期三台中子谱仪的中子探测器设计工作基本完成第一期三台中子谱仪的中子探测器设计工作基本完成 高通量粉末衍射仪高通量粉末衍射仪 3He管阵列管阵列 （1 和和 1/2） 小角衍射仪小角衍射仪 3He管阵列管阵列 （ 1/3和和 1/

9、2） 多功能反射仪多功能反射仪 多丝正比室多丝正比室 中子束监测器中子束监测器 透过式电离室或基于透过式电离室或基于GEM的中子束监测器的中子束监测器通过示波器观测到（通过示波器观测到（3He管前放）的信号，下一步可以进行性能测量，管前放）的信号，下一步可以进行性能测量，组建组建3He管阵列；管阵列；利用利用55Fe测试了多丝正比室的性能，并观测了中子信号；测试了多丝正比室的性能，并观测了中子信号；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