基于反角白光中子源次级质子的探测器标定*

蒋伟 江浩雨 易晗 樊瑞睿4)† 崔增琪 孙康5)张国辉 唐靖宇 孙志嘉4) 宁常军 高可庆 安琪白怀勇 鲍杰 鲍煜 曹平 陈昊磊 陈琪萍 陈永浩陈裕凯 陈朕 封常青 顾旻皓 韩长材 韩子杰贺国珠 何泳成 洪杨5) 黄翰雄 黄蔚玲 黄锡汝季筱璐 吉旭阳 姜智杰 敬罕涛 康玲 康明涛李波 李超 李嘉雯 李论 李强 李晓 李样刘荣 刘树彬 刘星言 栾广源 穆奇丽 齐斌斌任杰 任智洲6) 阮锡超 宋朝晖 宋英鹏 孙虹孙晓阳5) 谭志新 唐洪庆 唐新懿 田斌斌 王丽娇5)王鹏程 王琦 王涛峰 王朝辉 文杰 温中伟吴青彪 吴晓光 吴煊 解立坤 羊奕伟 于莉余滔 于永积 张林浩5) 张奇玮 张显鹏 张玉亮张志永 赵豫斌 周路平5) 周祖英 朱丹阳朱科军5) 朱鹏 CSNS Back-n 合作组

1) (中国科学院高能物理研究所, 北京 100049)

2) (散裂中子源科学中心, 东莞 523803)

3) (北京大学物理学院, 核物理与核技术国家重点实验室, 北京 100871)

4) (核探测与核电子学国家重点实验室)

5) (中国科学院大学, 北京 100049)

6) (中国科学技术大学近代物理系, 合肥 230026)

7) (中国原子能科学研究院, 核数据重点实验室, 北京 102413)

8) (中国工程物理研究院核物理与化学研究所, 绵阳 621900)

9) (西北核技术研究院, 西安 710024)

10) (中国科学技术大学工程与应用物理系, 合肥 230026)

11) (北京航空航天大学物理学院, 北京 100083)

1 引 言

在空间探测及大科学装置探测谱仪的研究中,探测器在束测试及标定中发挥了重要的作用[1-3].在一些相关的研究工作中, 不仅需要使用单能质子进行标定, 同时也需要利用连续能量的质子开展研究工作.目前国内可供开展质子标定的终端比较少, 且大多为单能质子[4].本文介绍利用反角白光中子源的白光中子束流得到连续能量的质子, 为探测器标定等研究提供新的研究平台.

图1 使用裂变室测量得到的Back-n 实验厅二中心位置的能谱(束流功率为100 kW)Fig.1.The measured neutron energy spectrum at the center of Endstation (ES) #2 at 100 kW.The neutron energy spectrum measurement is achieved using a fission chamber.

中国散裂中子源(CSNS)一期工程于2018 年建成运行, 其中子束流产生于能量为1.6 GeV 的质子束流与钨靶的散裂反应.利用沿质子束打靶通道反流回来的中子束流(即反角中子), 在中国散裂中子源建设了反角白光中子源(Back-n).Back-n 是我国第一台高性能白光中子源, 与CSNS 同步建成, 可以提供0.5 eV—200 MeV 能区的连续能量中子[5-8].目前已经测定的能谱如图1 所示, 能谱峰值位于MeV 附近[9].反角白光中子源有两个实验厅, 实验厅一及实验厅二的中心位置距离散裂中子源的钨靶分别约55 和76 m.通过调节中子开关以及准直器一、准直器二的孔径的组合, 可以得到不同束斑尺寸及束流通量的白光中子束流.在散裂中子源的质子束流打靶功率为100 kW 时, 使用束斑直径Φ60 的孔径组合, 在实验厅一的中心位置(距离钨靶55 m)的束流通量为1.75 × 107s—1·cm—2,实验厅二的中心位置(距离钨靶76 m)的束流通量为7.03× 106s—1·cm—2[10].

2 基于反角白光中子源得到的宽能谱次级质子

相较于中子与其他核素相互作用产生质子的过程,1H(n, el)反应的反应截面大.基于中子与质子的1H(n, el)反应, 可以利用白光中子束流及含1H 靶得到反冲质子.如图2 所示, 发生弹性散射时, 反冲质子将会获得动能.

图2 1H(n, el)反应示意图Fig.2.Schematic diagram of the 1H(n, el) reaction.

由于Back-n 的中子能量最高可达200 MeV[9,10],高能中子的运动速度与光速相比是不可忽略的, 因此在计算1H(n, el)反应中反冲质子的动能时需要考虑狭义相对论效应.由于1H(n, el)反应为弹性碰撞, 反应前后粒子的静止质量及原子核所处能级不变, 由反应的能量及动量守恒关系, 可以计算得到反冲质子的动能.中子与质子的静止质量近似相同, 在计算中可认为中子的静止质量等于质子的静止质量, 从而简化计算过程.得到的反冲质子的动能为:

其中,En,为入射中子动能,γ为入射中子的伽马参数,φ为质子出射方向与中子入射方向在实验室系的夹角.

其中v为入射中子速度.在非相对论近似下, 即γ= 1 时, 反冲质子动能为

在实验室系0°—45°出射角范围内, 使用(1)式和(3)式计算得到En=10 MeV 时,1H(n, el)反应中反冲质子的动能(Ep)的差别小于0.3%, 而En为100 MeV 时差别小于3%.

根据图1 及(1)式可知, 利用1H(n, el)反应,在Back-n 可以获得eV—200 MeV 能区能量连续的反冲质子.

在进行探测器标定时, 提取反冲质子的动能Ep非常关键.Back-n 的中子能量由飞行时间方法计算得到[9].同样, 在探测器标定中, 反冲质子的动能Ep也由飞行时间方法计算得到.飞行时间为中子的起始时间与反冲质子到达靶处的时间之间的时间差.在Back-n 开展实验时, 散裂中子源1.6 GeV 的质子束团打钨靶得到散裂中子时, 会伴随产生γ-flash[8], 可以利用γ-flash 来标定中子的起始时间.从含氢靶上散射的γ-flash 事件在探测器中得到响应, 探测器的响应时间减去γ从钨靶飞行至靶处的时间, 即为中子的起始时间.由于CSNS的打靶质子束团为间隔410 ns 的双束团结构, 所以在探测器中得到的γ-flash 事件也为时间间隔为410 ns 的两团事件, 可以与质子事件明显区分出来.探测器中测量到的质子的时间包含中子飞行时间和反冲质子从靶至探测器的飞行时间两部分,由于中子的动能与反冲质子的动能存在(1)式的关联, 可以结合靶与探测器之间的距离以及(1)式中的φ值计算分别得到中子动能及反冲质子的动能Ep.

为了得到尽可能准确的Ep, 在数据获取时采用了一套1 GSps 采样率、12 bit 分辨率的波形数字化数据采集系统来记录探测器的输出信号[11].将探测器经由电路放大的波形信号记录后, 从波形信号中提取反冲质子到达探测器的时间; 同时, 该套系统会给出采集的信号与加速器每发束流之间的时间差.该套采样精度达到1 ns 的波形数字化采集系统为精确得到反冲质子动能提供了有力的保障.

在散裂中子源打靶质子束流功率为100 kW时, 能量为1.6 GeV 的质子束团的展宽(半高全宽)约为60 ns.由于不同动能的中子及质子的飞行时间不同, 导致由飞行时间方法得到的质子动能的分辨率并不是固定值.动能越大, 飞行时间越短,受质子束团展宽的影响越大, 能量分辨率越差.在实验厅二的中心位置(距离钨靶76 m)处, 考虑质子束团展宽, 实验室系0°出射角处, 由1H(n, el)反应得到的质子的能量分辨(未考虑质子在含氢靶中的能损及能散)如图3 所示.由于中子的飞行时间与中子动能反相关, 在中子动能低时, 得到的质子的能量分辨非常好, 而在中子动能较高时, 质子的能量分辨变差很多.譬如, 在1 MeV 以下, 质子的能量分辨好于1%, 而在100 MeV 附近, 质子的能量分辨接近10%.

图3 实验厅二中心位置处实验室系0°角方向1H(n, el)反应出射质子的能量分辨率Fig.3.The energy resolution of emitted protons from the 1H(n, el) reaction at 0° in the laboratory at the center of Back-n ES #2.

实验中常用的富含1H 且杂质比较少的固体靶为聚乙烯、聚丙烯及Mylar 膜等材料.在反应靶的选择中, 需要靶中其他元素产生质子的干扰反应道的影响尽量小.常温常压下氢的单质以气体存在,在实验室现有的条件下不方便使用; 而常规含氢化合物中, 聚乙烯或聚丙烯的氢质量比重最高, 并且材料易获得且厚度精度高, 同时厚度在µm 量级时可以实现自支撑.此外, 聚乙烯或聚丙烯中12C 的带电粒子出射反应道的反应阈值高且截面小, 对1H(n, el)反应干扰小.

在使用聚乙烯、聚丙烯等含1H 材料作为反应靶时, 中子与质子的1H(n, el)反应产生质子的同时, 靶中的12C 及1H 也会与中子发生其他核反应产生轻带电粒子.由反应运动学可知, 轻带电粒子的能量与1H(n, el)反应产生的质子的能量接近.产生轻带电粒子主要为12C(n, p)12B (Q=—12.59 MeV),12C(n, d)11B (Q= —13.73 MeV),12C(n, t)10B (Q= —18.93 MeV),12C(n,3He)10Be(Q= —19.47 MeV),12C(n, α)9Be (Q= —5.70 MeV)

和1H(n,γ)2H 等6 个反应道.1H(n, el)反应及以上6 个反应道的截面数据如图4 所示,1H(n, el)反应以及1H(n,γ)2H 反应的截面数据来源于FENDL-3.1 c 数据库[12], 而12C(n, p)12B,12C(n, d)11B,12C(n, t)10B,12C(n,3He)10Be,12C(n, α)9Be 等反应道的截面数据来源于Talys1.9 程序[13]计算结果.相较于其他反应道,1H(n, el)反应的截面值明显更大, 其他反应道对1H(n, el)反应得到质子的影响很小.在实际实验中选用乙烯或聚丙烯来作为得到反冲质子的反应靶.并且根据实验能区范围,结合出射质子的能量分辨率, 选择靶的厚度.

图4 1H(n, el), 12C(n, p)12B, 12C(n, d)11B, 12C(n, t)10B,12C(n, 3He)10Be, 12C(n, α)9Be 和1H(n, γ)2H 等反应的截面值曲线Fig.4.Cross sections of the 1H(n, el), 12C(n, p)12B, 12C(n, d)11B, 12C(n, t)10B, 12C(n, 3He)10Be, 12C(n, α)9Be and 1H(n, γ)2H reactions.

根据测量得到的Back-n 的中子能谱以及FENDL-3.1c 数据库中的1H(n, el)反应截面数据, 可以计算得到使用含1H 靶时得到的次级质子的通量.在实验厅二的中心位置处, 束流功率为100 kW,束斑直径为Φ60 mm, 利用10 µm 厚的聚乙烯薄膜作为靶, 得到的次级质子流强为8.59 × 104s—1.其中0.1—200 MeV 的质子流强为6.20 × 104s—1,表明次级质子集中在MeV 能区, 与表1 中的中子通量分布类似.由于1H(n, el)反应中, 反冲质子的动能随角度变化而变化, 在某一角度的质子能谱分布需要根据该角度处微分截面数据进行计算.

表1 对于不同中子能区, Back-n 实验厅二中心位置处的反冲质子流强(束流功率为100 kW)Table 1.Proton fluxes at the center of Back-n ES #2 in different energy regions at 100 kW.

考虑反冲质子在含氢靶中的能量损失等因素,在实际探测器标定中适合开展MeV 能区的质子标定.利用该方法得到的反冲质子适合开展带电粒子探测器系统的标定, 例如半导体探测器、闪烁体探测器等探测器系统的质子响应曲线测量.

3 利用宽能谱质子标定Si+CsI(Tl)望远镜

基于带电粒子在探测器中能量沉积的Bethe-Block 公式, 在带电粒子测量及鉴别中经常使用多层探测器组成ΔE-E带电粒子望远镜来实现粒子鉴别[14-16].在搭建及使用带电粒子望远镜时, 需要使用带电粒子来进行测试及标定.

利用1H(n, el)反应得到的反冲质子, 目前已经在Back-n 开展了Si+CsI (Tl)望远镜探测器的测试与标定实验.实验设置如图5 所示, 在Back-n的实验厅一的带电粒子谱仪的真空靶室中放置了三组Si+CsI(Tl)望远镜.其中, 硅探测器的厚度为300 µm, 有效探测面积为2.5 cm × 2.5 cm, CsI(Tl)探测器为边长为3 cm 的立方体.实验采用了厚度为1 mm 的聚乙烯作为靶.

图5 Si+CsI (Tl)望远镜探测器的测试与标定实验设置示意图Fig.5.Schematic diagram of the calibration experiment of the Si+CsI (Tl) telescopes.

该实验的一个目标为测试CsI (Tl)探测器在不同读出方式下的响应曲线.带电粒子在CsI (Tl)探测器中沉积能量后, 会导致CsI (Tl)探测器发光, 需要后续的光电转换器件进行读出.实验中三组望远镜中的CsI (Tl)探测器分别采用了三种不同的读出及耦合方式: 1) 使用硅光电倍增管(SiPM)读出, 光学硅脂耦合的方式, 记为CsI (Tl)1; 2) 使用硅光电倍增管(SiPM)读出, 无光学硅脂耦合的方式, 记为CsI (Tl) 2; 3) 使用硅光电二极管(PD)读出, 光学硅脂耦合的方式, 记为CsI (Tl)3; 其中, 使用的光学硅脂为ELJEN 公司生产的EJ-550[17]; SiPM 为Sensl 公司生产[18], 每个SiPM读出为9 块有效面积为6 mm × 6 mm 的SiPM拼接而来, 单个像素尺寸为35 µm; PD 为滨松公司生产的S3590-08[19].图6 中给出了SiPM 及PD,以及1), 3)两种读出及耦合方式的CsI (Tl)探测器的照片.对于SiPM 的输出信号, 经由SiPM 背后的运放电路放大成型, 而PD 的输出信号经由Mesytec 公司的MSI-8 型号的电荷灵敏放大器进行放大.放大成型后的信号输入至波形数字化采集系统[15]中记录波形信号.

图6 CsI (Tl)探测器的测试与标定实验所用探测器及读出方式 (a) 使用光学硅脂耦合的CsI (Tl)探测器+SiPM读出方式; (b) 使用的SiPM; (c) 使用光学硅脂耦合的CsI(Tl)探测器+PD 读出方式; (d)使用的PDFig.6.The CsI (Tl) detectors and readout methods used for the calibration experiment: (a) The optical silicon-grease coupled CsI (Tl) detector +SiPM readout method; (b) the SiPM used in the experiment; (c) the optical silicon-grease coupled CsI (Tl) detector +PD readout mode; (d) the PD used in the experiment.

对三组Si+CsI (Tl)望远镜在束实验得到的波形数据进行逐事例分析, 得到每个事件的能量与时间信息, 结果如图7 所示.图中横轴的质子动能Ep为使用(1)式计算得到, 进而利用探测器的幅度-质子动能二维谱, 可以得到每个探测器的带电粒子的鉴别, 计算中子动能的起始时间由每个探测器测量的γ-flash 来标定[20].如图7(a)所示, 在CsI(Tl)探测器的幅度-质子动能二维谱中, 可以看到1H(n, el)反应得到的质子的事件带.由于CSNS 的打靶质子为25 Hz 频率的双束团结构, 两质子束团间隔410 ns, 所以, Back-n 的中子束流也为时间间隔410 ns 的双束团结构[8].如图7 所示, 由于高能中子的飞行时间与束团的间隔时间接近, 得到的质子在幅度-质子动能二维谱中会在MeV 能区以上分成两个事件带[20].图中计算Ep时采用第一个束团的γ-flash 时间信息来作为标定, 此时第一个束团的中子得到的质子的动能为准确值, 而第二个束团的中子得到的质子的动能不准确.

图7 三种信号读出方式的CsI (Tl)的幅度-质子动能二维谱; (a) CsI (Tl) 1; (b) CsI (Tl) 2; (c) CsI (Tl) 3Fig.7.The amplitude-Ep two-dimensional spectrua of CsI(Tl) in three signal readout modes: (a) CsI (Tl) 1; (b) CsI(Tl) 2; (c) CsI (Tl) 3.

三种CsI (Tl)探测器得到的幅度-质子动能二维谱的差别来源于读出方式及耦合方式的不同.CsI (Tl) 1 与CsI (Tl) 2 均使用SiPM 进行读出,区别在于CsI (Tl) 1 使用光学硅脂进行CsI (Tl)探测器和SiPM 之间的耦合, 而CsI (Tl) 2 的CsI(Tl)探测器和SiPM 之间无耦合.可以看到, CsI(Tl) 1 与CsI (Tl) 2 的幅度-质子动能二维谱趋势相同, 在二维谱中可以看到质子事件带中质子能量达到100 MeV 以上.对于相同能量的质子得到的信号而言, CsI (Tl) 1 的信号更大一些, 也说明了光学耦合可以达到提高光子传输效率的效果.

图7(c)为使用PD 读出的CsI (Tl) 3 的幅度-质子动能二维谱, 对比图7(a)和图7(c), 发现两种读出方式的能量响应曲线不同.此外, 图7(a)和图7(b)中看到了在100 MeV 的质子事件的幅度饱和现象, 而在图7(c)中未观察到这种情况, 这是由SiPM 的工作原理导致的.由于SiPM 的每个像素在一个事件中只能收集一个光子, 所以SiPM 的像素数决定了测量光子数的上限, 也即测量带电粒子的能量上限, 在图7(a)和图7(b)中均表现出质子能量为100 MeV 时的饱和现象.

图8 三组Si+CsI (Tl)的ΔE-E 二维谱 (a) Si+CsI (Tl)1; (b) Si+CsI (Tl) 2; (c) Si+CsI (Tl) 3Fig.8.The ΔE-E two-dimensional spectra of CsI (Tl) in three signal readout modes: (a) Si+CsI (Tl) 1; (b) Si+CsI(Tl) 2; (c) Si+CsI (Tl) 3.

图8 给出了三组Si+CsI (Tl)望远镜的粒子鉴别, 三组望远镜的ΔE—E二维谱中均得到了清晰的质子事件带.相较于图8(c)中的质子鉴别效果,图8(a)和图8(b)的质子鉴别能量下限更低, 质子事件带明显更细.这是因为在本次实验中发现CsI(Tl) 3 经由电荷灵敏前置放大器输出的信号噪声偏大, 波形采集时设置的阈值较高.

在这次实验中, 对比三组望远镜(CsI (Tl)探测器采用三种不同的信号读出方式)得到的幅度-质子动能二维谱以及ΔE-E二维谱, 分析不同的信号读出方式的能量响应曲线, 以及对望远镜性能的影响.在反角白光中子源的ΔE-E望远镜搭建中,最终选取了使用SiPM 读出, 并且使用光学硅脂进行耦合的读出方式, 在之后的MeV 中子能区1H(n,el)反应、2H(n, el)反应等微分截面测量实验[21]中发挥了良好的效果.

此外, 利用该方法得到的质子, 也对低气压多丝正比室与硅探测器(MWPC+Si)望远镜的ΔE-E鉴别能力进行了标定, 在该研究中, 利用2 µm厚的Mylar 膜作为反应靶, 得到了能量低至0.5 MeV的质子的粒子鉴别[22], 在该研究中, 薄靶有效降低了1H(n, el)反应出射的质子在靶中的能量沉积,提高低能质子的能量分辨.

4 总 结

利用反角白光中子源的白光中子束流, 通过1H(n, el)反应, 可以得到连续能量的次级质子, 为探测器标定等研究提供了一个新的研究平台.考虑含1H 比例及化合物中其他元素的中子诱发带电粒子出射反应的截面, 选择聚乙烯或者聚丙烯作为质子转换的靶.利用反角白光中子源的能谱、1H(n, el)反应截面及靶厚度, 可以计算得到次级质子的流强.在通过飞行时间法计算反冲质子动能的过程中, 束团展宽对质子动能的能量分辨率的影响随能量变化而变化.利用该方法产生MeV 能区的质子,对Si+CsI (Tl)望远镜开展了测试工作, 对比不同的信号读出方式对事件鉴别效果的影响, 为实际的探测器搭建提供了实验依据.该研究也表明了在反角白光中子源开展宽能谱次级质子标定及测试实验的可行性.

感谢中国散裂中子源的工作人员的辛苦工作.