中子闪烁体探测器相关性能研究

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中子散射是探测物质微观领域的重要工具,在化学、材料、物理、生命科学以及纳米科学中有着广泛的应用。脉冲散裂中子源是提供中子散射的最佳场所,目前中国正着手建立自己的脉冲散裂中子源(CSNS),需要大量的高性能的中子探测器。近年3He气体因短缺而导致价格大幅度上涨,迫使人们将目光更多地转向中子闪烁体探测器。通常情况下,闪烁体探测器主要由闪烁体和光电倍增管(PMT)组成。中子探测研究的另一个需求是大亚湾中微子实验,该实验利用液体闪烁体探测器测量中子和正电子用以确定中微子事例,其液体闪烁体探测器的核心部件是上千只8英寸的PMT,这些PMT的性能好坏直接影响中微子事例重建的质量。  本工作围绕着示波器电荷测量系统与中微子实验用PMT性能研究、新型中子闪烁体探测材料、中子位置灵敏探测器的研发、测试等展开。  首先,我们研究了基于安捷伦示波器系统在测量脉冲信号的可行性,利用Labview软件编写了一套适合电荷测量、波形记录的DAQ系统,整个系统的电荷测量的标准偏差在0.06pC~1.2pC之间。该示波器测量系统可以方便快捷地应用到其它实验之中,本论文给出了该系统在PMT单光电子峰测试的应用并与高精度的VME系统进行了比较。大亚湾中微子实验共使用了1625只防油封装和625只防水封装的R5912型PMT,论文介绍了这些PMT测试系统的设计、调试以及软件开发工作,并系统地研究了每只PMT的单光电子峰、增益、量子效率、非线性、暗噪声计数、前脉冲比、后脉冲比、上升时间和下降时间,为大亚湾中微子实验工程建设和实验数据分析提供了重要的参考依据。研究结果表明11只防水封装及29只防油封装PMT不满足大亚湾中微子实验要求。  其次,为了研发快速响应、高效的中子探测用的闪烁体,我们研制了掺杂有稀土元素铈(Ce)的新型中子敏感材料LiYSiO4∶Ce和Li6Y(BO3)3∶Ce,研究了它们对不同射线激发下的光输出、时间响应等特性。Ce掺杂浓度为1at%,2at%和5at%的LiYSiO4闪烁体其在239Pu激发下相对于蒽晶体的光产额大概是28.1%~37.1%之间,并且光输出受到闪烁体的厚度影响;在241Am激发下,相同厚度的这三种闪烁体的光产额大致相同,约为NaI∶TI的27.2%。LiYSO4∶ Ce的衰减时间很快,在α,γ以及中子源的激发下,这些不同掺Ce浓度的闪烁体衰减时间在25~36ns之间。在中子激发下,该闪烁体光电峰对应的光产额大致相当于标准ZnS∶Ag/LiF的5.3%。同时测量了Li6Y(BO3)3∶Ce3+晶体闪烁体,研究了其α/β比、光产额以及时间响应等。Li6Y(BO3)3∶Ce3+的α/β比为0.03,每MeV的γ和α能量沉积分别产生~2910个光子和~88个光子,每个中子产生~940个光子。不同放射源激发Li6Y(BO3)3∶Ce的衰减时间大致为24.6~48.6ns。  最后,针对中子的二维探测,研制了基于多阳极光电倍增管(MaPMT)和中子闪烁屏的位置灵敏探测器。研究了锂玻璃闪烁屏的中子探测效率、光产额、γ的排斥能力和MaPMT的线性。利用α源对该探测器进行了初步测试,其位置分辨可以达到1.6mm(FWHM)。
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