1、 SR 谱仪探测系统的研究报告人：刘艳芬核探测器与核电子学国家重点实验室（科大部）2013年5月3日核探测与核电子学国家重点实验室2013年年会北京2主要内容一、的性质与 源二、SR原理、优势及现状三、基于CSNS的SR谱仪的研究进展四、工作展望核探测与核电子学国家重点实验室2013年年会北京3一、的性质与 源质量：m=105.659 MeV/c2旋磁比:/2=13.5 kHz/G寿命：=2.19 s e pm 1/207 :1 :9 657 :3.18 :1 当前当前 SR主要技术应用主要技术应用：类氢性质类氢性质：注入物质中的u+能够替代质子，或者与一个电子结合形成类氢原子的Mu，从而通过
2、探测+或Mu的性质便能得到物质中氢原子的信息，这一性质在化学和半导体中的应用；探针技术探针技术：将极化率极高的束注入到样品中，将在物质中热化并衰变产生e+和中微子，通过探测出射e+的时间信息便能反映在物质中的自旋极化的演变规律，进而分析样品中内部物理信息，这一技术主要在测磁性材料和超导体性质中应用。核探测与核电子学国家重点实验室2013年年会北京4正在发展的科学核探测与核电子学国家重点实验室2013年年会北京5 基于加速器产生的机制(2.6 ns)依据 发生衰变的空间位置，基于加速质子产生的源有三种类型：surface+,cloud,and decay 。衰变 ：+/-80130MeV/c、7
3、080%极化率表面：+、4MeV、29.8MeV/c、100%极化率核探测与核电子学国家重点实验室2013年年会北京6依据 束线的时间结构，基于加速质子产生的源可以分为连续型源和脉冲型源。实验室能量(MeV)功率（kW）束流结构衰变muon(n/s)表面muon(n/s)ISIS800140脉冲+:4105-:71044104J-PARC30001000脉冲10673107PSI5901800连续 108107-108TRIUMF5001000连续14106 2106CSNS1600100脉冲106107核探测与核电子学国家重点实验室2013年年会北京7二、SR原理、优势及现状 SR stan
4、ds for Muon Spin Rotation,Relaxation,or Resonance,or just Muon Spin Research.的衰变通道 e+空间几率分布X与正电子的能量有关()1()cos()PA x e+能量范围 0-53 MeV/cee图 表面发生衰变产生正电子的空间分布核探测与核电子学国家重点实验室2013年年会北京8Muon Spin Rotation核探测与核电子学国家重点实验室2013年年会北京9核探测与核电子学国家重点实验室2013年年会北京10核探测与核电子学国家重点实验室2013年年会北京11SR技术的优势：BBeam In核探测与核电子学国家重
5、点实验室2013年年会北京12核探测与核电子学国家重点实验室2013年年会北京13SR技术的优势：原理简单，不同实验目的的结构相似；可测量较弱磁场(0.1G)；可测量较短的弛豫时间（10-8 s）探测样品的频率响应范围大(1041012 Hz)；外加磁场是非必需的；对样品的状态要求较低（固体液体均能测量）；对样品环境的要求较低（高温高压强中子吸收等复杂情况也可处理）；核探测与核电子学国家重点实验室2013年年会北京14国内外SR谱仪现状 依托国际上现有的四大源，SR已经被广泛使用，并且已经成为在凝聚态物理、化学、生物、材料等领域取得大量的成果；四家SR谱仪的用户已经遍布世界各国的主要研究机构和
6、高等学校；源和探针技术无法在国内开展，极大限制了中国科学家在相关研究领域的发展；中国散裂中子源(CSNS)的建造为我国SR谱学的发展提供契机。核探测与核电子学国家重点实验室2013年年会北京15三、基于CSNS的SR谱仪的研究进展 基于CSNS的试验型靶及束流设计已经完成。12图图3.1试验型试验型 实验区在实验区在CSNS上的位置上的位置1.使用蒙卡模拟软件G4beamline对产生靶的形状，材料，散热、热应力等进行模拟寻优，得到可采用606060(mm)的石墨作为试验型产生靶。2.使用Transport和Turtle确定了束流线的常规输运模式(3Q+B+B+3Q)，该输运线使SR实验端的表
7、面的产率10+5/s，束斑4cm，脉冲频率1 Hz。核探测与核电子学国家重点实验室2013年年会北京16 通过Geant4等蒙卡模拟软件计算，选择合适的晶体、光导3 1.计算不同能量的正电子经过不同厚度闪烁体的能损，确定闪烁体的厚度。计算表明：能量越高的正电子穿过晶体后其沉积能量越大，但是其能损比率却减小；核探测与核电子学国家重点实验室2013年年会北京17上图表明：随着入射正电子能量的增大，能损转化成光子的效率也变低，并且当正电子能量大于某一值（o,a,b,c,d）时,光子输出的脉冲信号幅度极为接近，这样既实现了正电子与其他本底粒子易于甑别，而且正电子在5mm厚的晶体产生的荧光光子已达到10
8、4量级，这些光子再经过输运、光电转换、最后输出电子学信号完全可以将背景粒子区分开来，结合晶体成本和光导耦合，选用厚度该尺寸。核探测与核电子学国家重点实验室2013年年会北京182.对环形阵列进行模拟确定闪烁体的长度和宽度探测单元的长度和宽度直接影响了单元计数率，而且宽度也决定了谱仪最多可以布置探测器的路数；考虑单路探测器时间分辨能做到20ns30ns，长度在50mm70mm，宽度812mm的闪烁晶体可供研究用；核探测与核电子学国家重点实验室2013年年会北京19 搭建测试平台测试闪烁体的性能闪烁体闪烁体光电倍增管光电倍增管DRS4采集卡采集卡22Na核探测与核电子学国家重点实验室2013年年会
9、北京20闪烁体条的测试能谱与插图中的模拟值基本符合，但是能谱中高能部分不明显，或许需要改进测试方法。核探测与核电子学国家重点实验室2013年年会北京21 搭建时间谱测试平台，初步尝试测符合时间谱在实验室数字化寿命谱程序（Positron Lifetime Spectrumeter）基础上改动，进行双探头符合时间谱测试。核探测与核电子学国家重点实验室2013年年会北京22四、工作展望目前国际上 SR谱仪的研制目标趋于高探测频率、高计数、强外加磁场，随着近年来探测器技术和超导磁铁技术的发展，该方面的研究在国际上已相继展开。基于CSNS试验型 源的 SR谱仪拟研究单路提高计数率的方法，通过布置多层闪
10、烁体去除本底。研究方法：Geant4模拟出双层或三层闪烁体的最优尺寸，购置晶体，利用实验室已经搭建的双探头平台改进后测试。图：单路正电子探测器布置的双层闪烁体 核探测与核电子学国家重点实验室2013年年会北京23参考文献及致谢1 Y.F.Liu,W.Z.Xu,Z.Q.Tan,et al.Design and optimization for experimental Muon source at CSNS(in Chinese).Sci Sin-Phys Mech Astron,2012,42:1204-1211.2 H.T.Jing,C.Meng,J.Y.Tang,B.J.Ye,J.L.Sun,Production target and muon collection studies for an experimental muon source at CSNS,Nucl.Instru.Meth.A 684(2012)109-116.3 W.Z.Xu,Y.F.Liu,Z.Q.Tan,W Kong,B.J.Ye,Geant4 simulation of plastic scintillators for a prototype SR,Nuclear Science and Techniques,2013(Accepted)
