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基于反角白光中子源次級質(zhì)子的探測器標定*

2021-05-06 01:02蔣偉江浩雨易晗樊瑞睿4崔增琪孫康5張國輝唐靖宇孫志嘉4寧常軍高可慶安琪白懷勇鮑杰鮑煜曹平陳昊磊陳琪萍陳永浩陳裕凱陳朕封常青顧旻皓韓長材韓子杰賀國珠何泳成洪楊5黃翰雄黃蔚玲黃錫汝季筱璐吉旭陽姜智杰敬罕濤康玲康明濤李波李超李嘉雯李論李強李曉李樣劉榮劉樹彬劉星言欒廣源穆奇麗齊斌斌任杰任智洲6阮錫超宋朝暉宋英鵬孫虹孫曉陽5譚志新唐洪慶唐新懿田斌斌王麗嬌5王鵬程王琦王濤峰王朝輝文杰溫中偉吳青彪吳曉
物理學報 2021年8期
關(guān)鍵詞:中子源束流中子

蔣偉 江浩雨 易晗 樊瑞睿4)? 崔增琪 孫康5)張國輝 唐靖宇 孫志嘉4) 寧常軍 高可慶 安琪白懷勇 鮑杰 鮑煜 曹平 陳昊磊 陳琪萍 陳永浩陳裕凱 陳朕 封常青 顧旻皓 韓長材 韓子杰賀國珠 何泳成 洪楊5) 黃翰雄 黃蔚玲 黃錫汝季筱璐 吉旭陽 姜智杰 敬罕濤 康玲 康明濤李波 李超 李嘉雯 李論 李強 李曉 李樣劉榮 劉樹彬 劉星言 欒廣源 穆奇麗 齊斌斌任杰 任智洲6) 阮錫超 宋朝暉 宋英鵬 孫虹孫曉陽5) 譚志新 唐洪慶 唐新懿 田斌斌 王麗嬌5)王鵬程 王琦 王濤峰 王朝輝 文杰 溫中偉吳青彪 吳曉光 吳煊 解立坤 羊奕偉 于莉余滔 于永積 張林浩5) 張奇瑋 張顯鵬 張玉亮張志永 趙豫斌 周路平5) 周祖英 朱丹陽朱科軍5) 朱鵬 CSNS Back-n 合作組

1) (中國科學院高能物理研究所, 北京 100049)

2) (散裂中子源科學中心, 東莞 523803)

3) (北京大學物理學院, 核物理與核技術(shù)國家重點實驗室, 北京 100871)

4) (核探測與核電子學國家重點實驗室)

5) (中國科學院大學, 北京 100049)

6) (中國科學技術(shù)大學近代物理系, 合肥 230026)

7) (中國原子能科學研究院, 核數(shù)據(jù)重點實驗室, 北京 102413)

8) (中國工程物理研究院核物理與化學研究所, 綿陽 621900)

9) (西北核技術(shù)研究院, 西安 710024)

10) (中國科學技術(shù)大學工程與應用物理系, 合肥 230026)

11) (北京航空航天大學物理學院, 北京 100083)

1 引 言

在空間探測及大科學裝置探測譜儀的研究中,探測器在束測試及標定中發(fā)揮了重要的作用[1-3].在一些相關(guān)的研究工作中, 不僅需要使用單能質(zhì)子進行標定, 同時也需要利用連續(xù)能量的質(zhì)子開展研究工作.目前國內(nèi)可供開展質(zhì)子標定的終端比較少, 且大多為單能質(zhì)子[4].本文介紹利用反角白光中子源的白光中子束流得到連續(xù)能量的質(zhì)子, 為探測器標定等研究提供新的研究平臺.

圖1 使用裂變室測量得到的Back-n 實驗廳二中心位置的能譜(束流功率為100 kW)Fig.1.The measured neutron energy spectrum at the center of Endstation (ES) #2 at 100 kW.The neutron energy spectrum measurement is achieved using a fission chamber.

中國散裂中子源(CSNS)一期工程于2018 年建成運行, 其中子束流產(chǎn)生于能量為1.6 GeV 的質(zhì)子束流與鎢靶的散裂反應.利用沿質(zhì)子束打靶通道反流回來的中子束流(即反角中子), 在中國散裂中子源建設了反角白光中子源(Back-n).Back-n 是我國第一臺高性能白光中子源, 與CSNS 同步建成, 可以提供0.5 eV—200 MeV 能區(qū)的連續(xù)能量中子[5-8].目前已經(jīng)測定的能譜如圖1 所示, 能譜峰值位于MeV 附近[9].反角白光中子源有兩個實驗廳, 實驗廳一及實驗廳二的中心位置距離散裂中子源的鎢靶分別約55 和76 m.通過調(diào)節(jié)中子開關(guān)以及準直器一、準直器二的孔徑的組合, 可以得到不同束斑尺寸及束流通量的白光中子束流.在散裂中子源的質(zhì)子束流打靶功率為100 kW 時, 使用束斑直徑Φ60 的孔徑組合, 在實驗廳一的中心位置(距離鎢靶55 m)的束流通量為1.75 × 107s—1·cm—2,實驗廳二的中心位置(距離鎢靶76 m)的束流通量為7.03× 106s—1·cm—2[10].

2 基于反角白光中子源得到的寬能譜次級質(zhì)子

相較于中子與其他核素相互作用產(chǎn)生質(zhì)子的過程,1H(n, el)反應的反應截面大.基于中子與質(zhì)子的1H(n, el)反應, 可以利用白光中子束流及含1H 靶得到反沖質(zhì)子.如圖2 所示, 發(fā)生彈性散射時, 反沖質(zhì)子將會獲得動能.

圖2 1H(n, el)反應示意圖Fig.2.Schematic diagram of the 1H(n, el) reaction.

由于Back-n 的中子能量最高可達200 MeV[9,10],高能中子的運動速度與光速相比是不可忽略的, 因此在計算1H(n, el)反應中反沖質(zhì)子的動能時需要考慮狹義相對論效應.由于1H(n, el)反應為彈性碰撞, 反應前后粒子的靜止質(zhì)量及原子核所處能級不變, 由反應的能量及動量守恒關(guān)系, 可以計算得到反沖質(zhì)子的動能.中子與質(zhì)子的靜止質(zhì)量近似相同, 在計算中可認為中子的靜止質(zhì)量等于質(zhì)子的靜止質(zhì)量, 從而簡化計算過程.得到的反沖質(zhì)子的動能為:

其中,En,為入射中子動能,γ為入射中子的伽馬參數(shù),φ為質(zhì)子出射方向與中子入射方向在實驗室系的夾角.

其中v為入射中子速度.在非相對論近似下, 即γ= 1 時, 反沖質(zhì)子動能為

在實驗室系0°—45°出射角范圍內(nèi), 使用(1)式和(3)式計算得到En=10 MeV 時,1H(n, el)反應中反沖質(zhì)子的動能(Ep)的差別小于0.3%, 而En為100 MeV 時差別小于3%.

根據(jù)圖1 及(1)式可知, 利用1H(n, el)反應,在Back-n 可以獲得eV—200 MeV 能區(qū)能量連續(xù)的反沖質(zhì)子.

在進行探測器標定時, 提取反沖質(zhì)子的動能Ep非常關(guān)鍵.Back-n 的中子能量由飛行時間方法計算得到[9].同樣, 在探測器標定中, 反沖質(zhì)子的動能Ep也由飛行時間方法計算得到.飛行時間為中子的起始時間與反沖質(zhì)子到達靶處的時間之間的時間差.在Back-n 開展實驗時, 散裂中子源1.6 GeV 的質(zhì)子束團打鎢靶得到散裂中子時, 會伴隨產(chǎn)生γ-flash[8], 可以利用γ-flash 來標定中子的起始時間.從含氫靶上散射的γ-flash 事件在探測器中得到響應, 探測器的響應時間減去γ從鎢靶飛行至靶處的時間, 即為中子的起始時間.由于CSNS的打靶質(zhì)子束團為間隔410 ns 的雙束團結(jié)構(gòu), 所以在探測器中得到的γ-flash 事件也為時間間隔為410 ns 的兩團事件, 可以與質(zhì)子事件明顯區(qū)分出來.探測器中測量到的質(zhì)子的時間包含中子飛行時間和反沖質(zhì)子從靶至探測器的飛行時間兩部分,由于中子的動能與反沖質(zhì)子的動能存在(1)式的關(guān)聯(lián), 可以結(jié)合靶與探測器之間的距離以及(1)式中的φ值計算分別得到中子動能及反沖質(zhì)子的動能Ep.

為了得到盡可能準確的Ep, 在數(shù)據(jù)獲取時采用了一套1 GSps 采樣率、12 bit 分辨率的波形數(shù)字化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來記錄探測器的輸出信號[11].將探測器經(jīng)由電路放大的波形信號記錄后, 從波形信號中提取反沖質(zhì)子到達探測器的時間; 同時, 該套系統(tǒng)會給出采集的信號與加速器每發(fā)束流之間的時間差.該套采樣精度達到1 ns 的波形數(shù)字化采集系統(tǒng)為精確得到反沖質(zhì)子動能提供了有力的保障.

在散裂中子源打靶質(zhì)子束流功率為100 kW時, 能量為1.6 GeV 的質(zhì)子束團的展寬(半高全寬)約為60 ns.由于不同動能的中子及質(zhì)子的飛行時間不同, 導致由飛行時間方法得到的質(zhì)子動能的分辨率并不是固定值.動能越大, 飛行時間越短,受質(zhì)子束團展寬的影響越大, 能量分辨率越差.在實驗廳二的中心位置(距離鎢靶76 m)處, 考慮質(zhì)子束團展寬, 實驗室系0°出射角處, 由1H(n, el)反應得到的質(zhì)子的能量分辨(未考慮質(zhì)子在含氫靶中的能損及能散)如圖3 所示.由于中子的飛行時間與中子動能反相關(guān), 在中子動能低時, 得到的質(zhì)子的能量分辨非常好, 而在中子動能較高時, 質(zhì)子的能量分辨變差很多.譬如, 在1 MeV 以下, 質(zhì)子的能量分辨好于1%, 而在100 MeV 附近, 質(zhì)子的能量分辨接近10%.

圖3 實驗廳二中心位置處實驗室系0°角方向1H(n, el)反應出射質(zhì)子的能量分辨率Fig.3.The energy resolution of emitted protons from the 1H(n, el) reaction at 0° in the laboratory at the center of Back-n ES #2.

實驗中常用的富含1H 且雜質(zhì)比較少的固體靶為聚乙烯、聚丙烯及Mylar 膜等材料.在反應靶的選擇中, 需要靶中其他元素產(chǎn)生質(zhì)子的干擾反應道的影響盡量小.常溫常壓下氫的單質(zhì)以氣體存在,在實驗室現(xiàn)有的條件下不方便使用; 而常規(guī)含氫化合物中, 聚乙烯或聚丙烯的氫質(zhì)量比重最高, 并且材料易獲得且厚度精度高, 同時厚度在μm 量級時可以實現(xiàn)自支撐.此外, 聚乙烯或聚丙烯中12C 的帶電粒子出射反應道的反應閾值高且截面小, 對1H(n, el)反應干擾小.

在使用聚乙烯、聚丙烯等含1H 材料作為反應靶時, 中子與質(zhì)子的1H(n, el)反應產(chǎn)生質(zhì)子的同時, 靶中的12C 及1H 也會與中子發(fā)生其他核反應產(chǎn)生輕帶電粒子.由反應運動學可知, 輕帶電粒子的能量與1H(n, el)反應產(chǎn)生的質(zhì)子的能量接近.產(chǎn)生輕帶電粒子主要為12C(n, p)12B (Q=—12.59 MeV),12C(n, d)11B (Q= —13.73 MeV),12C(n, t)10B (Q= —18.93 MeV),12C(n,3He)10Be(Q= —19.47 MeV),12C(n, α)9Be (Q= —5.70 MeV)

和1H(n,γ)2H 等6 個反應道.1H(n, el)反應及以上6 個反應道的截面數(shù)據(jù)如圖4 所示,1H(n, el)反應以及1H(n,γ)2H 反應的截面數(shù)據(jù)來源于FENDL-3.1 c 數(shù)據(jù)庫[12], 而12C(n, p)12B,12C(n, d)11B,12C(n, t)10B,12C(n,3He)10Be,12C(n, α)9Be 等反應道的截面數(shù)據(jù)來源于Talys1.9 程序[13]計算結(jié)果.相較于其他反應道,1H(n, el)反應的截面值明顯更大, 其他反應道對1H(n, el)反應得到質(zhì)子的影響很小.在實際實驗中選用乙烯或聚丙烯來作為得到反沖質(zhì)子的反應靶.并且根據(jù)實驗能區(qū)范圍,結(jié)合出射質(zhì)子的能量分辨率, 選擇靶的厚度.

圖4 1H(n, el), 12C(n, p)12B, 12C(n, d)11B, 12C(n, t)10B,12C(n, 3He)10Be, 12C(n, α)9Be 和1H(n, γ)2H 等反應的截面值曲線Fig.4.Cross sections of the 1H(n, el), 12C(n, p)12B, 12C(n, d)11B, 12C(n, t)10B, 12C(n, 3He)10Be, 12C(n, α)9Be and 1H(n, γ)2H reactions.

根據(jù)測量得到的Back-n 的中子能譜以及FENDL-3.1c 數(shù)據(jù)庫中的1H(n, el)反應截面數(shù)據(jù), 可以計算得到使用含1H 靶時得到的次級質(zhì)子的通量.在實驗廳二的中心位置處, 束流功率為100 kW,束斑直徑為Φ60 mm, 利用10 μm 厚的聚乙烯薄膜作為靶, 得到的次級質(zhì)子流強為8.59 × 104s—1.其中0.1—200 MeV 的質(zhì)子流強為6.20 × 104s—1,表明次級質(zhì)子集中在MeV 能區(qū), 與表1 中的中子通量分布類似.由于1H(n, el)反應中, 反沖質(zhì)子的動能隨角度變化而變化, 在某一角度的質(zhì)子能譜分布需要根據(jù)該角度處微分截面數(shù)據(jù)進行計算.

表1 對于不同中子能區(qū), Back-n 實驗廳二中心位置處的反沖質(zhì)子流強(束流功率為100 kW)Table 1.Proton fluxes at the center of Back-n ES #2 in different energy regions at 100 kW.

考慮反沖質(zhì)子在含氫靶中的能量損失等因素,在實際探測器標定中適合開展MeV 能區(qū)的質(zhì)子標定.利用該方法得到的反沖質(zhì)子適合開展帶電粒子探測器系統(tǒng)的標定, 例如半導體探測器、閃爍體探測器等探測器系統(tǒng)的質(zhì)子響應曲線測量.

3 利用寬能譜質(zhì)子標定Si+CsI(Tl)望遠鏡

基于帶電粒子在探測器中能量沉積的Bethe-Block 公式, 在帶電粒子測量及鑒別中經(jīng)常使用多層探測器組成ΔE-E帶電粒子望遠鏡來實現(xiàn)粒子鑒別[14-16].在搭建及使用帶電粒子望遠鏡時, 需要使用帶電粒子來進行測試及標定.

利用1H(n, el)反應得到的反沖質(zhì)子, 目前已經(jīng)在Back-n 開展了Si+CsI (Tl)望遠鏡探測器的測試與標定實驗.實驗設置如圖5 所示, 在Back-n的實驗廳一的帶電粒子譜儀的真空靶室中放置了三組Si+CsI(Tl)望遠鏡.其中, 硅探測器的厚度為300 μm, 有效探測面積為2.5 cm × 2.5 cm, CsI(Tl)探測器為邊長為3 cm 的立方體.實驗采用了厚度為1 mm 的聚乙烯作為靶.

圖5 Si+CsI (Tl)望遠鏡探測器的測試與標定實驗設置示意圖Fig.5.Schematic diagram of the calibration experiment of the Si+CsI (Tl) telescopes.

該實驗的一個目標為測試CsI (Tl)探測器在不同讀出方式下的響應曲線.帶電粒子在CsI (Tl)探測器中沉積能量后, 會導致CsI (Tl)探測器發(fā)光, 需要后續(xù)的光電轉(zhuǎn)換器件進行讀出.實驗中三組望遠鏡中的CsI (Tl)探測器分別采用了三種不同的讀出及耦合方式: 1) 使用硅光電倍增管(SiPM)讀出, 光學硅脂耦合的方式, 記為CsI (Tl)1; 2) 使用硅光電倍增管(SiPM)讀出, 無光學硅脂耦合的方式, 記為CsI (Tl) 2; 3) 使用硅光電二極管(PD)讀出, 光學硅脂耦合的方式, 記為CsI (Tl)3; 其中, 使用的光學硅脂為ELJEN 公司生產(chǎn)的EJ-550[17]; SiPM 為Sensl 公司生產(chǎn)[18], 每個SiPM讀出為9 塊有效面積為6 mm × 6 mm 的SiPM拼接而來, 單個像素尺寸為35 μm; PD 為濱松公司生產(chǎn)的S3590-08[19].圖6 中給出了SiPM 及PD,以及1), 3)兩種讀出及耦合方式的CsI (Tl)探測器的照片.對于SiPM 的輸出信號, 經(jīng)由SiPM 背后的運放電路放大成型, 而PD 的輸出信號經(jīng)由Mesytec 公司的MSI-8 型號的電荷靈敏放大器進行放大.放大成型后的信號輸入至波形數(shù)字化采集系統(tǒng)[15]中記錄波形信號.

圖6 CsI (Tl)探測器的測試與標定實驗所用探測器及讀出方式 (a) 使用光學硅脂耦合的CsI (Tl)探測器+SiPM讀出方式; (b) 使用的SiPM; (c) 使用光學硅脂耦合的CsI(Tl)探測器+PD 讀出方式; (d)使用的PDFig.6.The CsI (Tl) detectors and readout methods used for the calibration experiment: (a) The optical silicon-grease coupled CsI (Tl) detector +SiPM readout method; (b) the SiPM used in the experiment; (c) the optical silicon-grease coupled CsI (Tl) detector +PD readout mode; (d) the PD used in the experiment.

對三組Si+CsI (Tl)望遠鏡在束實驗得到的波形數(shù)據(jù)進行逐事例分析, 得到每個事件的能量與時間信息, 結(jié)果如圖7 所示.圖中橫軸的質(zhì)子動能Ep為使用(1)式計算得到, 進而利用探測器的幅度-質(zhì)子動能二維譜, 可以得到每個探測器的帶電粒子的鑒別, 計算中子動能的起始時間由每個探測器測量的γ-flash 來標定[20].如圖7(a)所示, 在CsI(Tl)探測器的幅度-質(zhì)子動能二維譜中, 可以看到1H(n, el)反應得到的質(zhì)子的事件帶.由于CSNS 的打靶質(zhì)子為25 Hz 頻率的雙束團結(jié)構(gòu), 兩質(zhì)子束團間隔410 ns, 所以, Back-n 的中子束流也為時間間隔410 ns 的雙束團結(jié)構(gòu)[8].如圖7 所示, 由于高能中子的飛行時間與束團的間隔時間接近, 得到的質(zhì)子在幅度-質(zhì)子動能二維譜中會在MeV 能區(qū)以上分成兩個事件帶[20].圖中計算Ep時采用第一個束團的γ-flash 時間信息來作為標定, 此時第一個束團的中子得到的質(zhì)子的動能為準確值, 而第二個束團的中子得到的質(zhì)子的動能不準確.

圖7 三種信號讀出方式的CsI (Tl)的幅度-質(zhì)子動能二維譜; (a) CsI (Tl) 1; (b) CsI (Tl) 2; (c) CsI (Tl) 3Fig.7.The amplitude-Ep two-dimensional spectrua of CsI(Tl) in three signal readout modes: (a) CsI (Tl) 1; (b) CsI(Tl) 2; (c) CsI (Tl) 3.

三種CsI (Tl)探測器得到的幅度-質(zhì)子動能二維譜的差別來源于讀出方式及耦合方式的不同.CsI (Tl) 1 與CsI (Tl) 2 均使用SiPM 進行讀出,區(qū)別在于CsI (Tl) 1 使用光學硅脂進行CsI (Tl)探測器和SiPM 之間的耦合, 而CsI (Tl) 2 的CsI(Tl)探測器和SiPM 之間無耦合.可以看到, CsI(Tl) 1 與CsI (Tl) 2 的幅度-質(zhì)子動能二維譜趨勢相同, 在二維譜中可以看到質(zhì)子事件帶中質(zhì)子能量達到100 MeV 以上.對于相同能量的質(zhì)子得到的信號而言, CsI (Tl) 1 的信號更大一些, 也說明了光學耦合可以達到提高光子傳輸效率的效果.

圖7(c)為使用PD 讀出的CsI (Tl) 3 的幅度-質(zhì)子動能二維譜, 對比圖7(a)和圖7(c), 發(fā)現(xiàn)兩種讀出方式的能量響應曲線不同.此外, 圖7(a)和圖7(b)中看到了在100 MeV 的質(zhì)子事件的幅度飽和現(xiàn)象, 而在圖7(c)中未觀察到這種情況, 這是由SiPM 的工作原理導致的.由于SiPM 的每個像素在一個事件中只能收集一個光子, 所以SiPM 的像素數(shù)決定了測量光子數(shù)的上限, 也即測量帶電粒子的能量上限, 在圖7(a)和圖7(b)中均表現(xiàn)出質(zhì)子能量為100 MeV 時的飽和現(xiàn)象.

圖8 三組Si+CsI (Tl)的ΔE-E 二維譜 (a) Si+CsI (Tl)1; (b) Si+CsI (Tl) 2; (c) Si+CsI (Tl) 3Fig.8.The ΔE-E two-dimensional spectra of CsI (Tl) in three signal readout modes: (a) Si+CsI (Tl) 1; (b) Si+CsI(Tl) 2; (c) Si+CsI (Tl) 3.

圖8 給出了三組Si+CsI (Tl)望遠鏡的粒子鑒別, 三組望遠鏡的ΔE—E二維譜中均得到了清晰的質(zhì)子事件帶.相較于圖8(c)中的質(zhì)子鑒別效果,圖8(a)和圖8(b)的質(zhì)子鑒別能量下限更低, 質(zhì)子事件帶明顯更細.這是因為在本次實驗中發(fā)現(xiàn)CsI(Tl) 3 經(jīng)由電荷靈敏前置放大器輸出的信號噪聲偏大, 波形采集時設置的閾值較高.

在這次實驗中, 對比三組望遠鏡(CsI (Tl)探測器采用三種不同的信號讀出方式)得到的幅度-質(zhì)子動能二維譜以及ΔE-E二維譜, 分析不同的信號讀出方式的能量響應曲線, 以及對望遠鏡性能的影響.在反角白光中子源的ΔE-E望遠鏡搭建中,最終選取了使用SiPM 讀出, 并且使用光學硅脂進行耦合的讀出方式, 在之后的MeV 中子能區(qū)1H(n,el)反應、2H(n, el)反應等微分截面測量實驗[21]中發(fā)揮了良好的效果.

此外, 利用該方法得到的質(zhì)子, 也對低氣壓多絲正比室與硅探測器(MWPC+Si)望遠鏡的ΔE-E鑒別能力進行了標定, 在該研究中, 利用2 μm厚的Mylar 膜作為反應靶, 得到了能量低至0.5 MeV的質(zhì)子的粒子鑒別[22], 在該研究中, 薄靶有效降低了1H(n, el)反應出射的質(zhì)子在靶中的能量沉積,提高低能質(zhì)子的能量分辨.

4 總 結(jié)

利用反角白光中子源的白光中子束流, 通過1H(n, el)反應, 可以得到連續(xù)能量的次級質(zhì)子, 為探測器標定等研究提供了一個新的研究平臺.考慮含1H 比例及化合物中其他元素的中子誘發(fā)帶電粒子出射反應的截面, 選擇聚乙烯或者聚丙烯作為質(zhì)子轉(zhuǎn)換的靶.利用反角白光中子源的能譜、1H(n, el)反應截面及靶厚度, 可以計算得到次級質(zhì)子的流強.在通過飛行時間法計算反沖質(zhì)子動能的過程中, 束團展寬對質(zhì)子動能的能量分辨率的影響隨能量變化而變化.利用該方法產(chǎn)生MeV 能區(qū)的質(zhì)子,對Si+CsI (Tl)望遠鏡開展了測試工作, 對比不同的信號讀出方式對事件鑒別效果的影響, 為實際的探測器搭建提供了實驗依據(jù).該研究也表明了在反角白光中子源開展寬能譜次級質(zhì)子標定及測試實驗的可行性.

感謝中國散裂中子源的工作人員的辛苦工作.

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