CSNS- 中子谱仪探测器设计

孙志嘉散列中子源探测器组sunzj@ihep.ac.cn

Outline 散列中子源简介 CSNS 中子谱仪探测器设计

高通量粉末衍射仪 多功能反射仪 小角衍射仪 中子束监测器

中子探测器的国际现状以及未来发展 从事科研工作的几点建议

中子源有什么用？

中子散射与 X 射线 X 射线 - 同步辐射装置

亮度高 方向性好 单色性好

中子源 反应堆中子源

挑选满足需要的中子 散列中子源

通过飞行时间测量中子波长

Energetic Proton

(H ion)

散列中子源中子谱仪简介Beam guides

High Z nucleu

s

20-30 neutrons

Energetic Proton

(H ion)

k z axis

dS

r

d

,

Target

Q = 4πsinθ/λ

Long λ

small θ

， x , y λ t

脉冲中子源特点（ 1 ） 待测物理量少，单层探测器，

， x , y λ t

对撞点

子计数器 位置强子量能器 强子E

电磁量能器 eE

,

切仑科夫计数器 v飞行时间计数器 v

线圈和磁铁

中心漂移室 dxdEp /,顶点探测器 衰变顶点位置

中子探测的信号特点（ 2 ） 探测效率不高（相对于高能物理），事例间隔小 - 探测器最高计数率高

T0（质子打靶时刻）

中子击中探测器时刻

时间窗口

中子探测的信号特点（ 3 ） Gamma 本底高，需要选择 gamma 抑制能力高的探测器

高通量粉末衍射仪 时间分辨： 2s

时间窗口： 40ms

中子探测效率： 80 ％ @ 2Å

中子通量： 106n/s

3 个探测区域：2 = 15 ， 2 = 90 ， 2 = 150

高通量粉末衍射仪

3He 管阵列 40 只管子组装成

1mX1m 探测器阵列 机械结构，八根一组，

配套相应的硼 10 屏蔽层及前端电子学，相对独立，便于更换维修

前放的安装； 探测器的辐射屏蔽； 主放及数字化电路的安

装； 探测器的性能研究：计

数坪，探测效率， γ 本底的抑制，沿丝方向的位置分辨率

单管测试 - 实验装置

中子源 252Cf

慢化体

3He 管

电流型前置放大器与低压电源

测试结果（ 1 ） 单路中子信号看到（ @ 噪声水平

1mV ） 电子学屏蔽含硼塑料（热中子吸收长

度 3.2mm ） 探测器与数据获取系统正在联调。 位置分辨 ~1cm （示波器测量）

3He 管探测器阵列 （ HIPD ） 线性度比较好 入射位置与计算

位置存在偏差，这是转换系数不同造成的

位置分辨率中间比两端好

位置分辨比较差，这是由于时间常数、阻抗不匹配造成的，正在与电子学系统一起调试

多功能反射仪

200mm*200mm MWPC

技术参数 指标

有效面积 20cm×20cm

阳极丝距 2mm

读出通道 200 路（ X ： 100 ， Y ：100 ）

气体比分 (5.5atm)3He ＋(2.5atm)C3H8

探测效率 50% @2Å

位置分辨 (FWHM) 2mm*2mm

Fe55 x 射线成像 热中子能谱

工作气体的选择 3He ：决定中子探测效率，在

1.5mm 探测厚度下， 6atm的 3He 对波长 1Å 的热中子的探测效率高于 50% ；

C3H8 ：决定质子和氚核的射程，从而决定探测器的定位精度。当 C3H8 气压为 2.5atm 时，质子的射程大约为 1.8mm ，对应的测量误差（ fwhm ）约为为 1.4mm 左右。

工作气体： 5.5atm3He+2.5atmC3H8

多丝室设计制作 阳极：直径 15μm 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发。 读出丝： 直径 50μm 的镀金钨丝，丝距为 1mm ，每 4跟丝连在一起形成一个读出条。

读出条板： 1.6mm宽镀金铜条，每两根形成一个读出条。 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 10mm 。

Y 视X 视

w=1mm

s=2mm

d=3mm

d=3mm

10mm

0.4mm2mm

高气压密闭腔 密闭腔由铝合金（ 6061 ）端盖板和不锈钢底盘

构成。端盖上设有厚 9mm 的入射窗。底座上设有信号引出头、 HV接头，并连接气体净化系统。

密封： Double O-ring 信号引出：金属陶瓷密封接头；

气体循环净化系统 作用：吸收氧气、水蒸气以

及工作气体（丙烷）分解后的有机产物，提高室体内气体的纯度，保证探测器能长时间稳定工作。

组成：包括由电磁泵、净化器两部分，净化器由分子筛和吸氧剂构成。

电磁泵驱动电源： 幅度、频率可调方波发生器，幅度范围 2~15V ；频率范围40~70Hz ；

已做成 NIM插件。

室体组装

充气 & 中子信号初步测试充工作气体：1 ）、室体加热 60摄氏度抽真空 ，真空度稳定 2×10-4Pa;

2 ）、通纯氩气（时间 5 小时），纯度 99.995％；3 ）、再抽真空到 2×10-5Pa ；4 ）、充 3He /C3H8气体。

初步性能测试

利用 Am － Be 中子源对探测器进行性能测试。探测器的性能参数主要包括：探测效率、位置分辨率、伽马射线灵敏度等。由于源强的限制，目前只能进行初步的信号观测和中子信号幅度谱测试。 3He 中子探测器一般通过信号幅度来进行 n/γ鉴别。通过信号幅度谱可以判断探测器的 n/γ鉴别能力。

中子经过 10cm 厚的石蜡慢化剂后进入探测器，探测器的阳极信号首先经过电荷灵敏前置放大器（高能所自制）进行初步放大，再经过主放大器（ ORTEC572 ）进行进一步放大和成形，最终送入ADC(ORTEC)得到信号的幅度谱。

小角衍射仪

技术参数 指标

有效面积 650mm×650mm

最高计数率 100KHz@10% 符合丢失

探测效率 好于 50% @2Å

位置分辨 (FWHM) 好于 8.5mm*8.5mm

噪声水平 好于 1 Hz cm-2

650mm*650mm MWPC

技术难点

入射窗设计高气压（ ~7-10atm ） vs 中

子散射少 采用过度层设计，过渡层为

5atm 的 4He 优化窗结构，分散应力 过渡 4He腔设计

优化探测器厚度和各气体分压，获得更好的位置分辨和探测效率

优化室体结构

谱仪分辨的变化曲线@ 3He管不同直径

中子束监测器 中子束强度监测器可以实时

测量入射中子束强度，从而为探测系统提供归一化参数。

探测效率 0.1‰ - 1‰

有效探测面积 40mm*40mm

最大中子通量 5 * 107 n·s-1·cm-

2

透过率 >95%

工作环境 大气中

中子束监测器的指标：

GEM 探测器原理介绍

GEM 膜

GEM 探测器原理介绍（ 1 ）

GEM 探测器

400V70kv/cm

原理介绍：

三层 GEM 结构图

GEM 探测器原理介绍（ 2 ） GEM 探测器是由 CERN 发展起来的一种新型气体探测器 ,具有很好的位置分辨、时间分辨和高计数率 .

抑制比

From Uno (KEK)

位置分辨（ X-Ray ）

From SAULI

GEM 探测器原理介绍（ 3 ） 高计数率

From H. Ohshita1

波长分辨

From H. Ohshita1

GEM 和 4510N 的比较

GEM-Monitor 4510N

中子通量 >108n·s-1·cm-2 <=108 n·s-1·cm-2

探测中子效率@1.8Å

0.1-1% 0.1‰

最高计数率 1MHz 10KHz

位置分辨率 100um~1cm 无

2D 读出 Strip,Pad 无

灵敏面积 50mm*50mm（ 100*100 ）

51mm*114mm

GEM 探测器与 4510 的比较：

GEM 探测器是中子束监测器的一个很好的候选者。

基于 GEM 的中子束监测器设计与研究现状 现有技术储备（ IHEP,X-Ray ，三层）

实体的组装（ 100mm*100mm ）

GEM 探测器性能研究

室体图 上密封上盖后室体示意图 装入屏蔽盒的 GEM 模型图

55Fe 能谱图

基于 GEM 的中子束监测器设计与研究现状 基于 GEM 的中子束监测器设计

工作气体

中子转化层（ 10B ）

1kv/cm

3kv/cm3kv/cm

基于 GEM 的中子束监测器设计与研究现状

电子学读出（ Pad ）

二维读出条示意图二维读出条板

96 路 Pad模型

1mm

Pad 读出板

基于 GEM 的中子束监测器设计与研究现状

数据获取框图任一 Pad 均独立计数，故总的计数率为单个 Pad 的计数率乘以 Pad 的个数 .直接以图像的形式输出，这样减少了数据传输的负担 .考虑到现有的技术，可以将波长与计数率分开获取 .readou

t甄别器 FPGA PC 机

（ USB or Ethernet ）

甄别器

时间测量

IDpad

计数

中子波长分布图

二维 Histogram（束斑形状）

PC 机

FPGA

前放

GEM 探测器进展

高压区

前放区

有效探测面

数字化

PCB 版设计加工完成，正在焊接调试

测试用室体已经组装，正在测试

阴极制作，核仪器厂协助涂硼 获得热中子脉冲信号 以及 α 源成像图

中子探测器的国际形势与未来发展 75% 热中子散射探测器使用 3He 作为中子探测物质

热中子反应截面高，探测效率高 伽马射线甄别能力强

3He 气体来源： 天然氦气中 3He 的比例只有万分之一，提纯困难 商品 3He 来源于氚的天然衰变，氚是核反应堆制造核武器燃料过程的副产品，目前这类反应堆都已停止运行，也就是说 3He 的年产量不会增加。

寻找 3He 气体探测器的替代者 Shifting Scintillator Neutron Detector (SSND) 10B4C straws Inclined boron detectors 10B-GEM New kind of scintillator, Cs2LiLaCl6

闪烁体中子探测器（ SSND ）

~1m

~1mneutron

Outputs to multi-anode photomultiplier tube

Outputs to coincidence single-anode photomultiplier tube

1-mm Square Wavelength-shifting fibers

Scintillator screen

工作原理

探测器单元结构

Double layer Scintillator ZnS-Li6 （ Ag ）

MA-PMT

Neutron

Sample

Rough radial collimator

探测面积 500mm × 250mm 像素 10mm × 50mm 中子探测效率 50%@ 2Å

WLS fiber

从事科研工作的几点建议 发现兴趣，培养兴趣对于研究的内容作详细的调研和深入的了解

勤奋，刻苦

团结协作，多交流