【摘要】：通用粉末衍射譜儀(GPPD)是中國散裂中子源(CSNS)一期建設的三臺譜儀之一,其中大面積中子位置靈敏探測器是GPPD的關鍵元件。本論文開展了用于GPPD的大面積中子位置靈敏探測器的相關性能研究和模擬研究,提出了探測器的升級改進方案,根據(jù)升級改進方案設計制作了新的探測器原型樣機,并開展了相關性能測試。整體的探測器性能研究及改進為通用粉末衍射譜儀未來的升級改造提供了技術支持。針對目前GPPD所采用的基于~6LiF/ZnS閃爍屏、波移光纖和多陽極光電倍增管(M-PMTs)的閃爍體中子位置靈敏探測器陣列,在CSNS的BL20中子束線上開展了其探測效率、位置分辨、計數(shù)率等關鍵性能參數(shù)的實驗測試,測試結果顯示,探測器對波長為1.4?和2.8?的中子探測效率分別為(38.5±1.7)%和(56.1±1.1)%,結合模擬結果,確定對2?的中子其探測效率約為46.1%;探測器像素大小為4.0mm×4.0mm,具有較好的二維成像能力;最高計數(shù)率約為78kHZ;探測器有效面積內計數(shù)不均勻度約為19.6%,經閾值調整優(yōu)化后其計數(shù)不均勻度可以降低到約14.9%。分析顯示,探測器尚存在邊緣死區(qū)偏大、M-PMTs各通道增益差異對探測效率均勻性影響顯著等問題。針對閃爍體探測器邊緣死區(qū)大、M-PMTs通道增益不均勻等問題,開展了光纖90°彎轉工藝研究,將光纖彎轉半徑從3cm減小到2.5mm,有效縮小了探測器邊緣死區(qū);開展了硅光電倍增管(SiPM)噪聲特征及增益均勻性的實驗研究,利用Geant4程序模擬了基于SiPM讀出的閃爍體探測器的探測效率、位置分辨等性能參數(shù),完成了SiPM替代M-PMTs的可行性研究。研制了基于SiPM讀出的10cm×10cm小面積閃爍體中子探測器原型樣機,在CSNS的BL20中子束線上開展了探測器樣機性能測試的實驗,測試結果顯示,當SiPM電壓U=29.5V時,中子信號幅度大于150mV,脈寬約為2us,系統(tǒng)噪聲計數(shù)率較低,噪聲信號脈寬小于800ns,當閾值大于75mV時,平均噪聲信號計數(shù)率小于0.05cps;基于SiPM讀出的閃爍體探測器樣機像素大小可以達到2mm×2mm,具有較好的二維成像能力;基于SiPM讀出的閃爍體探測器樣機飛行時間譜與標準~3He管飛行時間譜峰位一致性很好,探測器樣機對1.4?和2.8?中子的探測效率分別約為35.1%和54.3%,與先前研制的GPPD閃爍體探測器探測效率接近。為下一階段發(fā)展基于SiPM讀出的大面積閃爍體中子探測器奠定了良好的基礎。
【圖文】：

蘭州大學碩士學位論文 用于 CSNS 通用粉末衍射譜儀的閃爍體探測器性能研究及改進譜。與傳統(tǒng) X 射線相比，中子不帶電，主要與原子核相互作用，具有穿透性磁矩，能分辨輕核原素和同位素等獨特的優(yōu)勢[5-7]，近年來中子散射技術泛地應用在生物、材料、地質、生命科學、能源、航空與國防建設等眾多域[8]。例如，用中子衍射技術可以研究生物蛋白質分子中氫原子的位置與狀時也可以定位生物大分子中水合水分子的位置，可為理解蛋白功能及藥物供不可缺少的信息[9]，圖 1-1 為中子衍射獲得的單晶雞蛋蛋白溶菌酶分子結構[10]，圖中清晰地顯示了水分子位置；中子衍射法還是測量材料殘余應一非破壞性方法，當材料中存在殘余應力時，材料晶格發(fā)生畸變導致晶面生細微變化，用中子衍射法測量由晶面間距變化導致的衍射峰位移，可以料內部殘余應力[11]，可為工程部件的安全提供保障，目前國外已經建立 2中子應力譜儀，如法國 ILL 的 SALSA、澳大利亞核科學技術組織 ANSTWARI 等[12]。

圖 1-2 CSNS 結構及組成示意圖靶站是 CSNS 的關鍵部件之一，主要功能是讓加速的高能質子束轟擊金，通過散裂反應產生高能中子，并將高能中子經慢化器慢化為適合于中子儀用的慢中子脈沖束。CSNS 靶站共設計有三種慢化器：即退耦合水慢WM,300K)，退耦合窄化液氫慢化器(DPHM，20K)，耦合液氫慢化器(CHM,站設計有 20 條中子束流孔道，將根據(jù)需求建設不同的中子譜儀，靶站及劃如圖 1-3 所示[17]。
【學位授予單位】：蘭州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TL812

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本文編號：2621697