刘艳芬核探测器与核电子学国家重点室IndicoIHEP课件

SR谱仪探测系统的研究报告人：刘艳芬核探测器与核电子学国家重点实验室（科大部）2013年5月3日SR谱仪探测系统的研究报告人：刘艳芬主要内容一、的性质与源二、SR原理、优势及现状三、基于CSNS的SR谱仪的研究进展四、工作展望2主要内容一、的性质与源2一、的性质与源质量：m=105.659MeV/c2旋磁比:γ

/2π=13.5kHz/G寿命：τ=2.19sepm1/207:1:9γ657:3.18:1当前mSR主要技术应用：

类氢性质：注入物质中的u+能够替代质子，或者与一个电子结合形成类氢原子的Mu，从而通过探测μ+或Mu的性质便能得到物质中氢原子的信息，这一性质在化学和半导体中的应用；

探针技术：将极化率极高的μ束注入到样品中，μ将在物质中热化并衰变产生e+和中微子，通过探测出射e+的时间信息便能反映μ在物质中的自旋极化的演变规律，进而分析样品中内部物理信息，这一技术主要在测磁性材料和超导体性质中应用。3一、的性质与源质量：m=105.659MeV/c正在发展的科学4正在发展的科学4基于加速器产生的机制(2.6ns)依据π发生衰变的空间位置，基于加速质子产生的源有三种类型：surface+,cloud±,anddecay±。衰变

：+/-80~130MeV/c、70~80%极化率表面：+

、4MeV、29.8MeV/c、100%极化率5基于加速器产生的机制(2.6ns)依据π发生衰变的空间依据束线的时间结构，基于加速质子产生的源可以分为连续型源和脉冲型源。实验室能量(MeV)功率（kW）束流结构衰变muon(n/s)表面muon(n/s)ISIS800140脉冲μ+:4×105μ-:7×1044×104J-PARC30001000脉冲106~73×107PSI5901800连续~108107-108TRIUMF5001000连续1~4×1062×106CSNS1600100脉冲~106~1076依据束线的时间结构，基于加速质子产生的源可以分为连续型二、SR原理、优势及现状SRstandsforMuonSpinRotation,Relaxation,orResonance,orjustMuonSpinResearch.的衰变通道e+空间几率分布X与正电子的能量有关e+能量范围0-53MeV/c图表面发生衰变产生正电子的空间分布7二、SR原理、优势及现状SRstandsforMuMuonSpinRotation8MuonSpinRotation8991010SR技术的优势：BBeamIn11SR技术的优势：BBeamIn111212SR技术的优势：原理简单，不同实验目的的结构相似；可测量较弱磁场(~0.1G)；可测量较短的弛豫时间（~10-8s）探测样品的频率响应范围大(104~1012Hz)；外加磁场是非必需的；对样品的状态要求较低（固体液体均能测量）；对样品环境的要求较低（高温高压强中子吸收等复杂情况也可处理）；13SR技术的优势：原理简单，不同实验目的的结构相似；13国内外SR谱仪现状依托国际上现有的四大源，SR已经被广泛使用，并且已经成为在凝聚态物理、化学、生物、材料等领域取得大量的成果；四家SR谱仪的用户已经遍布世界各国的主要研究机构和高等学校；源和探针技术无法在国内开展，极大限制了中国科学家在相关研究领域的发展；中国散裂中子源(CSNS)的建造为我国SR谱学的发展提供契机。14国内外SR谱仪现状依托国际上现有的四大源，SR已经被三、基于CSNS的SR谱仪的研究进展基于CSNS的试验型靶及束流设计已经完成。[1][2]图3.1试验型实验区在CSNS上的位置1.使用蒙卡模拟软件G4beamline对产生靶的形状，材料，散热、热应力等进行模拟寻优，得到可采用60×60×60(mm)的石墨作为试验型产生靶。2.使用Transport和Turtle确定了束流线的常规输运模式(3Q+B+B+3Q)，该输运线使SR实验端的表面的产率~10+5/s，束斑4cm，脉冲频率1Hz。15三、基于CSNS的SR谱仪的研究进展基于CSNS的试验型通过Geant4等蒙卡模拟软件计算，选择合适的晶体、光导[3]1.计算不同能量的正电子经过不同厚度闪烁体的能损，确定闪烁体的厚度。计算表明：能量越高的正电子穿过晶体后其沉积能量越大，但是其能损比率却减小；16通过Geant4等蒙卡模拟软件计算，选择合适的晶体、光导[3上图表明：随着入射正电子能量的增大，能损转化成光子的效率也变低，并且当正电子能量大于某一值（o,a,b,c,d）时,光子输出的脉冲信号幅度极为接近，这样既实现了正电子与其他本底粒子易于甑别，而且正电子在5mm厚的晶体产生的荧光光子已达到104量级，这些光子再经过输运、光电转换、最后输出电子学信号完全可以将背景粒子区分开来，结合晶体成本和光导耦合，选用厚度该尺寸。17上图表明：随着入射正电子能量的增大，能损转化成光子的效率也变2.对环形阵列进行模拟确定闪烁体的长度和宽度探测单元的长度和宽度直接影响了单元计数率，而且宽度也决定了谱仪最多可以布置探测器的路数；考虑单路探测器时间分辨能做到20ns~30ns，长度在50mm~70mm，宽度8~12mm的闪烁晶体可供研究用；182.对环形阵列进行模拟确定闪烁体的长度和宽度探测单元的长度和搭建测试平台测试闪烁体的性能闪烁体光电倍增管DRS4采集卡22Na19搭建测试平台测试闪烁体的性能闪烁体光电倍增管DRS4采集卡2闪烁体条的测试能谱与插图中的模拟值基本符合，但是能谱中高能部分不明显，或许需要改进测试方法。20闪烁体条的测试能谱与插图中的模拟值基本符合，但是能谱中高能部搭建时间谱测试平台，初步尝试测符合时间谱在实验室数字化寿命谱程序（PositronLifetimeSpectrumeter）基础上改动，进行双探头符合时间谱测试。21搭建时间谱测试平台，初步尝试测符合时间谱在实验室数字化寿命谱四、工作展望目前国际上SR谱仪的研制目标趋于高探测频率、高计数、强外加磁场，随着近年来探测器技术和超导磁铁技术的发展，该方面的研究在国际上已相继展开。基于CSNS试验型源的SR谱仪拟研究单路提高计数率的方法，通过布置多层闪烁体去除本底。研究方法：Geant4模拟出双层或三层闪烁体的最优尺寸，购置晶体，利用实验室已经搭建的双探头平台改进后测试。图：单路正电子探测器布置的双层闪烁体22四、工作展望目前国际上SR谱仪的研制目标趋于高探测频率、高参考文献及致谢[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)Thanks23参考文献及致谢[1]Y.F.Liu,W.Z.Xu,SR谱仪探测系统的研究报告人：刘艳芬核探测器与核电子学国家重点实验室（科大部）2013年5月3日SR谱仪探测系统的研究报告人：刘艳芬主要内容一、的性质与源二、SR原理、优势及现状三、基于CSNS的SR谱仪的研究进展四、工作展望25主要内容一、的性质与源2一、的性质与源质量：m=105.659MeV/c2旋磁比:γ

/2π=13.5kHz/G寿命：τ=2.19sepm1/207:1:9γ657:3.18:1当前mSR主要技术应用：

类氢性质：注入物质中的u+能够替代质子，或者与一个电子结合形成类氢原子的Mu，从而通过探测μ+或Mu的性质便能得到物质中氢原子的信息，这一性质在化学和半导体中的应用；

探针技术：将极化率极高的μ束注入到样品中，μ将在物质中热化并衰变产生e+和中微子，通过探测出射e+的时间信息便能反映μ在物质中的自旋极化的演变规律，进而分析样品中内部物理信息，这一技术主要在测磁性材料和超导体性质中应用。26一、的性质与源质量：m=105.659MeV/c正在发展的科学27正在发展的科学4基于加速器产生的机制(2.6ns)依据π发生衰变的空间位置，基于加速质子产生的源有三种类型：surface+,cloud±,anddecay±。衰变

：+/-80~130MeV/c、70~80%极化率表面：+

、4MeV、29.8MeV/c、100%极化率28基于加速器产生的机制(2.6ns)依据π发生衰变的空间依据束线的时间结构，基于加速质子产生的源可以分为连续型源和脉冲型源。实验室能量(MeV)功率（kW）束流结构衰变muon(n/s)表面muon(n/s)ISIS800140脉冲μ+:4×105μ-:7×1044×104J-PARC30001000脉冲106~73×107PSI5901800连续~108107-108TRIUMF5001000连续1~4×1062×106CSNS1600100脉冲~106~10729依据束线的时间结构，基于加速质子产生的源可以分为连续型二、SR原理、优势及现状SRstandsforMuonSpinRotation,Relaxation,orResonance,orjustMuonSpinResearch.的衰变通道e+空间几率分布X与正电子的能量有关e+能量范围0-53MeV/c图表面发生衰变产生正电子的空间分布30二、SR原理、优势及现状SRstandsforMuMuonSpinRotation31MuonSpinRotation83293310SR技术的优势：BBeamIn34SR技术的优势：BBeamIn113512SR技术的优势：原理简单，不同实验目的的结构相似；可测量较弱磁场(~0.1G)；可测量较短的弛豫时间（~10-8s）探测样品的频率响应范围大(104~1012Hz)；外加磁场是非必需的；对样品的状态要求较低（固体液体均能测量）；对样品环境的要求较低（高温高压强中子吸收等复杂情况也可处理）；36SR技术的优势：原理简单，不同实验目的的结构相似；13国内外SR谱仪现状依托国际上现有的四大源，SR已经被广泛使用，并且已经成为在凝聚态物理、化学、生物、材料等领域取得大量的成果；四家SR谱仪的用户已经遍布世界各国的主要研究机构和高等学校；源和探针技术无法在国内开展，极大限制了中国科学家在相关研究领域的发展；中国散裂中子源(CSNS)的建造为我国SR谱学的发展提供契机。37国内外SR谱仪现状依托国际上现有的四大源，SR已经被三、基于CSNS的SR谱仪的研究进展基于CSNS的试验型靶及束流设计已经完成。[1][2]图3.1试验型实验区在CSNS上的位置1.使用蒙卡模拟软件G4beamline对产生靶的形状，材料，散热、热应力等进行模拟寻优，得到可采用60×60×60(mm)的石墨作为试验型产生靶。2.使用Transport和Turtle确定了束流线的常规输运模式(3Q+B+B+3Q)，该输运线使SR实验端的表面的产率~10+5/s，束斑4cm，脉冲频率1Hz。38三、基于CSNS的SR谱仪的研究进展基于CSNS的试验型通过Geant4等蒙卡模拟软件计算，选择合适的晶体、光导[3]1.计算不同能量的正电子经过不同厚度闪烁体的能损，确定闪烁体的厚度。计算表明：能量越高的正电子穿过晶体后其沉积能量越大，但是其能损比率却减小；39通过Geant4等蒙卡模拟软件计算，选择合适的晶体、光导[3上图表明：随着入射正电子能量的增大，能损转化成光子的效率也变低，并且当正电子能量大于某一值（o,a,b,c,d）时,光子输出的脉冲信号幅度极为接近，这样既实现了正电子与其他本底粒子易于甑别，而且正电子在5mm厚的晶体产生的荧光光子已达到104量级，这些光子再经过输运、光电转换、最后输出电子学信号完全可以将背景粒子区分开来，结合晶体成本和光导耦合，选用厚度该尺寸。40上图表明：随着入射正电子能量的增大，能损转化成光子的效率也变2.对环形阵列进行模拟确定闪烁体的长度和宽度探测单元的长度和宽度直接影响了单元计数率，而且宽度也决定了谱仪最多可以布置探测器的路数；考虑单路探测器时间分辨能做到20ns~30ns，长度在50mm~70mm，宽度8~12mm的闪烁晶体可供研究用；412.对环形阵列进行模拟确定闪烁体的长度和宽度探测单元的长度和搭建测试平台测试闪烁体的性能闪烁体光电倍增管DRS4采集卡22Na42搭建测试平台测试闪烁体的性能闪烁体光电倍增管DRS4采集卡2闪烁体条的测试能谱与插图中的模拟值基本符合，但是能谱中高能部分不明显，或许需要改进测试方法。43闪烁体条的测试能谱与插图中的模拟值基本符合，但是能谱中高能部搭建时间谱测试平台，初步尝试测符合时间谱在实验室数字化寿命谱程序（PositronLifetimeSpectrumeter）基础上改动，进行双探头符合时间谱测试。44搭建时间谱测试平台，初步尝试测符合时间谱在实验室数字化寿命谱四、工作展望目前国际上SR谱仪的研制目标趋于高探测频率、高计数、强外加磁