【摘要】：通用粉末衍射譜儀(GPPD)是中國(guó)散裂中子源(CSNS)一期建設(shè)的三臺(tái)譜儀之一,其中大面積中子位置靈敏探測(cè)器是GPPD的關(guān)鍵元件。本論文開(kāi)展了用于GPPD的大面積中子位置靈敏探測(cè)器的相關(guān)性能研究和模擬研究,提出了探測(cè)器的升級(jí)改進(jìn)方案,根據(jù)升級(jí)改進(jìn)方案設(shè)計(jì)制作了新的探測(cè)器原型樣機(jī),并開(kāi)展了相關(guān)性能測(cè)試。整體的探測(cè)器性能研究及改進(jìn)為通用粉末衍射譜儀未來(lái)的升級(jí)改造提供了技術(shù)支持。針對(duì)目前GPPD所采用的基于~6LiF/ZnS閃爍屏、波移光纖和多陽(yáng)極光電倍增管(M-PMTs)的閃爍體中子位置靈敏探測(cè)器陣列,在CSNS的BL20中子束線上開(kāi)展了其探測(cè)效率、位置分辨、計(jì)數(shù)率等關(guān)鍵性能參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試,測(cè)試結(jié)果顯示,探測(cè)器對(duì)波長(zhǎng)為1.4?和2.8?的中子探測(cè)效率分別為(38.5±1.7)%和(56.1±1.1)%,結(jié)合模擬結(jié)果,確定對(duì)2?的中子其探測(cè)效率約為46.1%;探測(cè)器像素大小為4.0mm×4.0mm,具有較好的二維成像能力;最高計(jì)數(shù)率約為78kHZ;探測(cè)器有效面積內(nèi)計(jì)數(shù)不均勻度約為19.6%,經(jīng)閾值調(diào)整優(yōu)化后其計(jì)數(shù)不均勻度可以降低到約14.9%。分析顯示,探測(cè)器尚存在邊緣死區(qū)偏大、M-PMTs各通道增益差異對(duì)探測(cè)效率均勻性影響顯著等問(wèn)題。針對(duì)閃爍體探測(cè)器邊緣死區(qū)大、M-PMTs通道增益不均勻等問(wèn)題,開(kāi)展了光纖90°彎轉(zhuǎn)工藝研究,將光纖彎轉(zhuǎn)半徑從3cm減小到2.5mm,有效縮小了探測(cè)器邊緣死區(qū);開(kāi)展了硅光電倍增管(SiPM)噪聲特征及增益均勻性的實(shí)驗(yàn)研究,利用Geant4程序模擬了基于SiPM讀出的閃爍體探測(cè)器的探測(cè)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(cè)器原型樣機(jī),在CSNS的BL20中子束線上開(kāi)展了探測(cè)器樣機(jī)性能測(cè)試的實(shí)驗(yàn),測(cè)試結(jié)果顯示,當(dāng)SiPM電壓U=29.5V時(shí),中子信號(hào)幅度大于150mV,脈寬約為2us,系統(tǒng)噪聲計(jì)數(shù)率較低,噪聲信號(hào)脈寬小于800ns,當(dāng)閾值大于75mV時(shí),平均噪聲信號(hào)計(jì)數(shù)率小于0.05cps;基于SiPM讀出的閃爍體探測(cè)器樣機(jī)像素大小可以達(dá)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(cè)器樣機(jī)飛行時(shí)間譜與標(biāo)準(zhǔn)~3He管飛行時(shí)間譜峰位一致性很好,探測(cè)器樣機(jī)對(duì)1.4?和2.8?中子的探測(cè)效率分別約為35.1%和54.3%,與先前研制的GPPD閃爍體探測(cè)器探測(cè)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(cè)器奠定了良好的基礎(chǔ)。
【圖文】：

蘭州大學(xué)碩士學(xué)位論文 用于 CSNS 通用粉末衍射譜儀的閃爍體探測(cè)器性能研究及改進(jìn)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)[5-7]，近年來(lái)中子散射技術(shù)泛地應(yīng)用在生物、材料、地質(zhì)、生命科學(xué)、能源、航空與國(guó)防建設(shè)等眾多域[8]。例如，用中子衍射技術(shù)可以研究生物蛋白質(zhì)分子中氫原子的位置與狀時(shí)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(jié)構(gòu)[10]，圖中清晰地顯示了水分子位置；中子衍射法還是測(cè)量材料殘余應(yīng)一非破壞性方法，當(dāng)材料中存在殘余應(yīng)力時(shí)，材料晶格發(fā)生畸變導(dǎo)致晶面生細(xì)微變化，用中子衍射法測(cè)量由晶面間距變化導(dǎo)致的衍射峰位移，可以料內(nèi)部殘余應(yīng)力[11]，可為工程部件的安全提供保障，目前國(guó)外已經(jīng)建立 2中子應(yīng)力譜儀，如法國(guó) ILL 的 SALSA、澳大利亞核科學(xué)技術(shù)組織 ANSTWARI 等[12]。

圖 1-2 CSNS 結(jié)構(gòu)及組成示意圖靶站是 CSNS 的關(guān)鍵部件之一，主要功能是讓加速的高能質(zhì)子束轟擊金，通過(guò)散裂反應(yīng)產(chǎn)生高能中子，并將高能中子經(jīng)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)有 20 條中子束流孔道，將根據(jù)需求建設(shè)不同的中子譜儀，靶站及劃如圖 1-3 所示[17]。
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TL812

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本文編號(hào)：2621697