CPHS中子小角散射谱仪设计及探测器系统预制研究

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中子散射技术是研究物质微观结构的重要手段,在国外已发展多年并形成专门的学科。国内中子散射技术的发展要相对落后,正在奋力追赶。中子小角散射(Small Angle Neutron Scattering, SANS)是中子散射的重要分支,广泛用于材料、生物、化学等领域。SANS可以测量散射簇团的颗粒形状和大小,以及颗粒中某些特定成分的位置信息,测量尺度从几到几百nm。清华微型脉冲强子源(Compact Pulsed Hadron Source, CPHS)是国内正在建设的中子散射装置之一,是一个低能加速器中子源。本课题基于CPHS项目,完成中子小角散射谱仪的设计,并开展相关的预制研究,以解决小角谱仪工程建设中的关键技术问题。首先,在充分调研学习国外同类谱仪设计方法的基础上,结合CPHS长脉冲源的特点,对小角谱仪进行了具体的设计分析。通过缩短谱仪长度利用尽可能宽的中子波长范围,结合大面积的探测器,可以在不改变谱仪设置的情况下覆盖0.0071A-1的Q值范围。采用探测器固定的设计,降低了工程难度。其次,在完成小角谱仪的设计后,对谱仪的相关部件开展预制研究。探测器系统是谱仪的核心,是本文研究的重点。根据小角谱仪的设计需求和国内的技术现状,确定了3He管阵列的方案,并和国内厂商合作研制了位置灵敏3He管探测器(L=1m,Φ12mm)。位置灵敏3He管探测器采用电荷分配法读出。本文结合PSPICE仿真工具对3He管探测器前端电子学进行了系统的研究,具体分析了不同的电路因素对位置测量的影响,并对电路的噪声进行了详细的分析。数据采集系统基于VME总线架构和FMC板卡互联标准,采用模块化设计,具有高度的灵活性和扩展性,可用于各种不同规模的谱仪。最后,搭建实验平台对研制的探测器系统进行测试,对3He管探测器的幅度谱、探测效率、位置分辨率等特性进行了详细的测试和分析。在合理的工作条件下,取得了8mm的位置分辨率(FWHM),达到国外同类研究的先进水平。本课题完成了CPHS中子小角散射谱仪的设计及探测器系统的预制研究,解决了小角谱仪工程建设的关键技术问题。初步的实验结果达到了预期指标,为下一步的工程建设打下了基础。本课题的工作促进了中子散射技术在国内的发展,尤其是探测器系统的研制成功,将有力地推动相关技术的自主化。
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