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--> --> -->中国散裂中子源(CSNS)一期工程于2018年建成运行, 其中子束流产生于能量为1.6 GeV的质子束流与钨靶的散裂反应. 利用沿质子束打靶通道反流回来的中子束流(即反角中子), 在中国散裂中子源建设了反角白光中子源(Back-n). Back-n是我国第一台高性能白光中子源, 与CSNS同步建成, 可以提供0.5 eV—200 MeV能区的连续能量中子[5-8]. 目前已经测定的能谱如图1所示, 能谱峰值位于MeV附近[9]. 反角白光中子源有两个实验厅, 实验厅一及实验厅二的中心位置距离散裂中子源的钨靶分别约55和76 m. 通过调节中子开关以及准直器一、准直器二的孔径的组合, 可以得到不同束斑尺寸及束流通量的白光中子束流. 在散裂中子源的质子束流打靶功率为100 kW时, 使用束斑直径Φ60的孔径组合, 在实验厅一的中心位置(距离钨靶55 m)的束流通量为1.75 × 107 s–1·cm–2, 实验厅二的中心位置(距离钨靶76 m)的束流通量为7.03× 106 s–1·cm–2[10].
图 1 使用裂变室测量得到的Back-n实验厅二中心位置的能谱(束流功率为100 kW)Figure1. 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.
图 2 1H(n, el)反应示意图Figure2. Schematic diagram of the 1H(n, el) reaction.
由于Back-n的中子能量最高可达200 MeV[9,10], 高能中子的运动速度与光速相比是不可忽略的, 因此在计算1H(n, el)反应中反冲质子的动能时需要考虑狭义相对论效应. 由于1H(n, el)反应为弹性碰撞, 反应前后粒子的静止质量及原子核所处能级不变, 由反应的能量及动量守恒关系, 可以计算得到反冲质子的动能. 中子与质子的静止质量近似相同, 在计算中可认为中子的静止质量等于质子的静止质量, 从而简化计算过程. 得到的反冲质子的动能为:
根据图1及(1)式可知, 利用1H(n, el)反应, 在Back-n可以获得eV—200 MeV能区能量连续的反冲质子.
在进行探测器标定时, 提取反冲质子的动能
为了得到尽可能准确的
在散裂中子源打靶质子束流功率为100 kW时, 能量为1.6 GeV的质子束团的展宽(半高全宽)约为60 ns. 由于不同动能的中子及质子的飞行时间不同, 导致由飞行时间方法得到的质子动能的分辨率并不是固定值. 动能越大, 飞行时间越短, 受质子束团展宽的影响越大, 能量分辨率越差. 在实验厅二的中心位置(距离钨靶76 m)处, 考虑质子束团展宽, 实验室系0°出射角处, 由1H(n, el)反应得到的质子的能量分辨(未考虑质子在含氢靶中的能损及能散)如图3所示. 由于中子的飞行时间与中子动能反相关, 在中子动能低时, 得到的质子的能量分辨非常好, 而在中子动能较高时, 质子的能量分辨变差很多. 譬如, 在1 MeV以下, 质子的能量分辨好于1%, 而在100 MeV附近, 质子的能量分辨接近10%.
图 3 实验厅二中心位置处实验室系0°角方向1H(n, el)反应出射质子的能量分辨率Figure3. 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.
实验中常用的富含1H且杂质比较少的固体靶为聚乙烯、聚丙烯及Mylar膜等材料. 在反应靶的选择中, 需要靶中其他元素产生质子的干扰反应道的影响尽量小. 常温常压下氢的单质以气体存在, 在实验室现有的条件下不方便使用; 而常规含氢化合物中, 聚乙烯或聚丙烯的氢质量比重最高, 并且材料易获得且厚度精度高, 同时厚度在μm量级时可以实现自支撑. 此外, 聚乙烯或聚丙烯中12C的带电粒子出射反应道的反应阈值高且截面小, 对1H(n, el)反应干扰小.
在使用聚乙烯、聚丙烯等含1H材料作为反应靶时, 中子与质子的1H(n, el)反应产生质子的同时, 靶中的12C及1H也会与中子发生其他核反应产生轻带电粒子. 由反应运动学可知, 轻带电粒子的能量与1H(n, el)反应产生的质子的能量接近. 产生轻带电粒子主要为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个反应道. 1H(n, el)反应及以上6个反应道的截面数据如图4所示, 1H(n, el)反应以及1H(n, γ)2H反应的截面数据来源于FENDL-3.1 c数据库[12], 而12C(n, p)12B, 12C(n, d)11B, 12C(n, t) 10B, 12C(n, 3He)10Be, 12C(n, α)9Be等反应道的截面数据来源于Talys1.9程序[13]计算结果. 相较于其他反应道, 1H(n, el)反应的截面值明显更大, 其他反应道对1H(n, el)反应得到质子的影响很小. 在实际实验中选用乙烯或聚丙烯来作为得到反冲质子的反应靶. 并且根据实验能区范围, 结合出射质子的能量分辨率, 选择靶的厚度.
图 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等反应的截面值曲线Figure4. 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.
根据测量得到的Back-n的中子能谱以及FENDL-3.1c数据库中的1H(n, el)反应截面数据, 可以计算得到使用含1H靶时得到的次级质子的通量. 在实验厅二的中心位置处, 束流功率为100 kW, 束斑直径为Φ60 mm, 利用10 μm厚的聚乙烯薄膜作为靶, 得到的次级质子流强为8.59 × 104 s–1. 其中0.1—200 MeV的质子流强为6.20 × 104 s–1, 表明次级质子集中在MeV能区, 与表1中的中子通量分布类似. 由于1H(n, el)反应中, 反冲质子的动能随角度变化而变化, 在某一角度的质子能谱分布需要根据该角度处微分截面数据进行计算.
| 中子能量区间 | 中子通量/(s–1·cm–2) | 反冲质子流强/s–1 * |
| 0.1 — 1.0 eV | 4.08 × 103 | 1.75 × 102 |
| 1 — 10 eV | 1.79 × 104 | 7.68 × 102 |
| 10—100 eV | 3.01 × 104 | 1.30 × 103 |
| 0.1 —1.0 keV | 5.01 × 104 | 2.15 × 103 |
| 1 — 10 keV | 1.23 × 105 | 5.14 × 103 |
| 10 — 100 keV | 4.30 × 105 | 1.44 × 104 |
| 0.1— 1.0 MeV | 2.98 × 106 | 4.57 × 104 |
| 1 — 10 MeV | 2.77 × 106 | 1.56 × 104 |
| 10 — 40 MeV | 4.62 × 105 | 6.01 × 102 |
| 40 — 70 MeV | 9.93 × 104 | 3.48 × 101 |
| 70 — 100 MeV | 4.10 × 104 | 8.54 × 100 |
| 100 — 130 MeV | 1.65 × 104 | 2.32 × 100 |
| 130 — 160 MeV | 6.14 × 103 | 7.53 × 10-1 |
| 160 — 200 MeV | 1.63 × 103 | 1.99 × 10-1 |
| 总计 | 7.03 × 106 | 8.59 × 104 |
| 注: *束斑直径为Φ60 mm, 利用10 μm厚的聚乙烯薄膜作为靶. | ||
表1对于不同中子能区, Back-n实验厅二中心位置处的反冲质子流强(束流功率为100 kW)
Table1.Proton fluxes at the center of Back-n ES #2 in different energy regions at 100 kW.
考虑反冲质子在含氢靶中的能量损失等因素, 在实际探测器标定中适合开展MeV能区的质子标定. 利用该方法得到的反冲质子适合开展带电粒子探测器系统的标定, 例如半导体探测器、闪烁体探测器等探测器系统的质子响应曲线测量.
利用1H(n, el)反应得到的反冲质子, 目前已经在Back-n开展了Si+CsI (Tl)望远镜探测器的测试与标定实验. 实验设置如图5所示, 在Back-n的实验厅一的带电粒子谱仪的真空靶室中放置了三组Si+CsI(Tl)望远镜. 其中, 硅探测器的厚度为300 μm, 有效探测面积为2.5 cm × 2.5 cm, CsI (Tl)探测器为边长为3 cm的立方体. 实验采用了厚度为1 mm的聚乙烯作为靶.
图 5 Si+CsI (Tl)望远镜探测器的测试与标定实验设置示意图Figure5. Schematic diagram of the calibration experiment of the Si+CsI (Tl) telescopes.
该实验的一个目标为测试CsI (Tl)探测器在不同读出方式下的响应曲线. 带电粒子在CsI (Tl)探测器中沉积能量后, 会导致CsI (Tl)探测器发光, 需要后续的光电转换器件进行读出. 实验中三组望远镜中的CsI (Tl)探测器分别采用了三种不同的读出及耦合方式: 1) 使用硅光电倍增管(SiPM)读出, 光学硅脂耦合的方式, 记为CsI (Tl) 1; 2) 使用硅光电倍增管(SiPM)读出, 无光学硅脂耦合的方式, 记为CsI (Tl) 2; 3) 使用硅光电二极管(PD)读出, 光学硅脂耦合的方式, 记为CsI (Tl) 3; 其中, 使用的光学硅脂为ELJEN公司生产的EJ-550[17]; SiPM为Sensl公司生产[18], 每个SiPM读出为9块有效面积为6 mm × 6 mm的SiPM拼接而来, 单个像素尺寸为35 μm; PD为滨松公司生产的S3590-08[19]. 图6中给出了SiPM及PD, 以及1), 3)两种读出及耦合方式的CsI (Tl)探测器的照片. 对于SiPM的输出信号, 经由SiPM背后的运放电路放大成型, 而PD的输出信号经由Mesytec公司的MSI-8型号的电荷灵敏放大器进行放大. 放大成型后的信号输入至波形数字化采集系统[15]中记录波形信号.
图 6 CsI (Tl)探测器的测试与标定实验所用探测器及读出方式 (a) 使用光学硅脂耦合的CsI (Tl)探测器+SiPM读出方式; (b) 使用的SiPM; (c) 使用光学硅脂耦合的CsI (Tl)探测器+PD读出方式; (d)使用的PDFigure6. 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.
对三组Si+CsI (Tl)望远镜在束实验得到的波形数据进行逐事例分析, 得到每个事件的能量与时间信息, 结果如图7所示. 图中横轴的质子动能Ep为使用(1)式计算得到, 进而利用探测器的幅度-质子动能二维谱, 可以得到每个探测器的带电粒子的鉴别, 计算中子动能的起始时间由每个探测器测量的γ-flash来标定[20]. 如图7(a)所示, 在CsI (Tl)探测器的幅度-质子动能二维谱中, 可以看到1H(n, el)反应得到的质子的事件带. 由于CSNS的打靶质子为25 Hz频率的双束团结构, 两质子束团间隔410 ns, 所以, Back-n的中子束流也为时间间隔410 ns的双束团结构[8]. 如图7所示, 由于高能中子的飞行时间与束团的间隔时间接近, 得到的质子在幅度-质子动能二维谱中会在MeV能区以上分成两个事件带[20]. 图中计算Ep时采用第一个束团的γ-flash时间信息来作为标定, 此时第一个束团的中子得到的质子的动能为准确值, 而第二个束团的中子得到的质子的动能不准确.
图 7 三种信号读出方式的CsI (Tl)的幅度-质子动能二维谱; (a) CsI (Tl) 1; (b) CsI (Tl) 2; (c) CsI (Tl) 3Figure7. 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.
三种CsI (Tl)探测器得到的幅度-质子动能二维谱的差别来源于读出方式及耦合方式的不同. CsI (Tl) 1与CsI (Tl) 2均使用SiPM进行读出, 区别在于CsI (Tl) 1使用光学硅脂进行CsI (Tl)探测器和SiPM之间的耦合, 而CsI (Tl) 2的CsI (Tl)探测器和SiPM之间无耦合. 可以看到, CsI (Tl) 1与CsI (Tl) 2的幅度-质子动能二维谱趋势相同, 在二维谱中可以看到质子事件带中质子能量达到100 MeV以上. 对于相同能量的质子得到的信号而言, CsI (Tl) 1的信号更大一些, 也说明了光学耦合可以达到提高光子传输效率的效果.
图7(c)为使用PD读出的CsI (Tl) 3的幅度-质子动能二维谱, 对比图7(a)和图7(c), 发现两种读出方式的能量响应曲线不同. 此外, 图7(a)和图7(b)中看到了在100 MeV的质子事件的幅度饱和现象, 而在图7(c)中未观察到这种情况, 这是由SiPM的工作原理导致的. 由于SiPM的每个像素在一个事件中只能收集一个光子, 所以SiPM的像素数决定了测量光子数的上限, 也即测量带电粒子的能量上限, 在图7(a)和图7(b)中均表现出质子能量为100 MeV时的饱和现象.
图8给出了三组Si+CsI (Tl)望远镜的粒子鉴别, 三组望远镜的ΔE–E二维谱中均得到了清晰的质子事件带. 相较于图8(c)中的质子鉴别效果, 图8(a)和图8(b)的质子鉴别能量下限更低, 质子事件带明显更细. 这是因为在本次实验中发现CsI (Tl) 3经由电荷灵敏前置放大器输出的信号噪声偏大, 波形采集时设置的阈值较高.
图 8 三组Si+CsI (Tl)的ΔE-E二维谱 (a) Si+CsI (Tl) 1; (b) Si+CsI (Tl) 2; (c) Si+CsI (Tl) 3Figure8. 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.
在这次实验中, 对比三组望远镜(CsI (Tl)探测器采用三种不同的信号读出方式)得到的幅度-质子动能二维谱以及ΔE-E二维谱, 分析不同的信号读出方式的能量响应曲线, 以及对望远镜性能的影响. 在反角白光中子源的ΔE-E望远镜搭建中, 最终选取了使用SiPM读出, 并且使用光学硅脂进行耦合的读出方式, 在之后的MeV中子能区1H(n, el)反应、2H(n, el)反应等微分截面测量实验[21]中发挥了良好的效果.
此外, 利用该方法得到的质子, 也对低气压多丝正比室与硅探测器(MWPC+Si)望远镜的ΔE-E鉴别能力进行了标定, 在该研究中, 利用2 μm厚的Mylar膜作为反应靶, 得到了能量低至0.5 MeV的质子的粒子鉴别[22], 在该研究中, 薄靶有效降低了1H(n, el)反应出射的质子在靶中的能量沉积, 提高低能质子的能量分辨.
感谢中国散裂中子源的工作人员的辛苦工作.
