基于SCA波形采样读出电子学的CSNS Back-n中子飞行时间测量

中国散裂中子源(CSNS)反角白光中子束线(Back-n)对中子核数据测量和核技术应用等多个领域均有重要意义。为监测其中子束斑轮廓、束流密度及束流能量,研制了由镀硼微网格气体(Micromegas)探测器构成的束流剖面监测装置,并通过测量中子的飞行时间(TOF)来获得能量信息。采用基于开关电容阵列(SCA)专用集成电路(ASIC)的波形采样电子学系统,实现了128路Micromegas探测器阳极条信号的低噪声放大、成形和波形数字化,在现场可编程逻辑门阵列(FPGA)芯片中实现了对信号过阈时间的实时测量,其量程为650 ns～10 ms,电子学时间分辨好于10 ns。在CSNS Back-n上开展实验,成功获得了中子束流剖面及10.65μs～10 ms范围的飞行时间谱,对应的中子能量范围约为0.16 eV～0.14 MeV。利用钽、钴等吸收体进行了中子共振吸收峰的检验,验证了读出电子学系统的功能及飞行时间测量的正确性。     

Response Measurement of Three Scintillation Detector to Instantaneous Rays from 252 Cf Fission

应用飞行时间谱,测量了LaCl3(Ce)、BC400、ST401三种闪烁探测器对252Cf裂变γ射线和中子的响应,获得了信号输出波形参数、定时精度、不同中子能量阈值的计数.测量了LaCl3,(Ce)探测器被高密度聚乙烯屏蔽后的响应.BC400探测器对入射γ射线的定时精度为1.3ns,ST401为1.5 ns.通过匹配快响应光电倍增管,LaCl3 (Ce)探测器是混合场中测量γ射线时间序列的一种有效方法.     

ICF中子飞行时间测量电路设计与实现

在惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,ICF)实验中,为诊断等离子体区域温度信息,需要通过中子飞行时间法测量中子的能谱,即转化为对探测器的输出信号相对于激光同步脉冲的延迟时间进行精确测量。本文介绍了一种对中子飞行时间进行高精度测量的设计方案,该方案采用恒比定时方法(Constant Fraction Discriminator,CFD)对探测器输出信号进行定时,并利用德国ACAM公司生产的TDC-GP21芯片进行精确时间测量。基于该方案完成的测量电路电子学分辨时间在1 500 ns量程内均优于200 ps。同时,其电子学分辨时间加上探测器分辨时间典型测量结果为217.5 ps。     

中国第一台高性能白光中子源——CSNS反角白光中子源及其应用

基于中国散裂中子源(CSNS)建设的我国第一台高性能白光中子源——反角白光中子源(Back-n)是国际上综合性能最好的白光中子源之一,能区范围覆盖meV～百MeV,飞行时间测量分辨率可在全能区达到1%以内,中子注量率国际领先。自2018年3月建成以来,Back-n已开展了一系列的核数据测量实验、探测器标定实验、中子辐射效应实验和中子照相研究,科研产出效率非常高,实验数据质量达到了研究要求,为我国多领域的科学研究和应用研究提供了一个强大的平台。本文对该白光中子源的性能特点、已投入运行和规划中的核数据测量实验谱仪进行了综述,并指出了主要应用方向。     

DPF装置脉冲中子测量技术研究

研制了用于DPF装置脉冲中子产额和波形监测的脉冲中子飞行时间-闪烁探测系统。在中国原子能科学研究院高压倍加器上采用电流法和脉冲中子飞行时间方法标定了该系统的D-T和D-D中子灵敏度。根据测量的光响应函数,采用Monte-Carlo方法模拟了塑料闪烁探测器的中子能量响应,由此对中子灵敏度标定结果进行了能量响应修正。利用研制的闪烁探测系统对ING-103型DPF装置的D-T脉冲中子产额和时间波形进行了实验测量,并对测量结果进行了分析和讨论。测量的DPF装置D-T脉冲中子产额在1×109–2×109n/shot之间,中子时间波形的半高宽约为9ns。     

中国第一台高性能白光中子源——CSNS反角白光中子源及其应用

基于中国散裂中子源（CSNS）建设的我国第一台高性能白光中子源--反角白光中子源（Back-n）是国际上综合性能最好的白光中子源之一,能区范围覆盖meV～百MeV,飞行时间测量分辨率可在全能区达到1%以内,中子注量率国际领先。自2018年3月建成以来,Back-n已开展了一系列的核数据测量实验、探测器标定实验、中子辐射效应实验和中子照相研究,科研产出效率非常高,实验数据质量达到了研究要求,为我国多领域的科学研究和应用研究提供了一个强大的平台。本文对该白光中子源的性能特点、已投入运行和规划中的核数据测量实验谱仪进行了综述,并指出了主要应用方向。     

BC501探测器对~(252)Cf裂变瞬发射线的响应测量

为了应用BC501液体闪烁探测器测量脉冲信号时间序列,利用252Cf裂变γ射线和中子飞行时间谱,测量了两种大小BC501探测器对裂变瞬发射线的响应。探测器对入射γ射线的定时精度能够达到1.2 ns。获得了平均一次252Cf裂变,不同中子能量阈值以上,γ射线和中子的绝对计数。     

Response Measurement of BC501 Detector to Instantaneous Rays from 252Cf Fission

为了应用BC501液体闪烁探测器测量脉冲信号时间序列,利用252Cf裂变γ射线和中子飞行时间谱,测量了两种大小BC501探测器对裂变瞬发射线的响应.探测器对入射γ射线的定时精度能够达到1.2ns.获得了平均一次252Cf裂变,不同中子能量阈值以上,γ射线和中子的绝对计数.     

中国散裂中子源反角白光中子束斑测量

中国散裂中子源(CSNS)反角白光中子(Back-n)束斑品质是核数据测量和其他物理实验的基础。利用像增器脉冲选通特性和飞行时间法搭建了一套具有时间分辨能力的成像系统,其空间分辨小于1 mm,初步实现了束斑轮廓、尺寸和非均匀性等特性参数的测量和定量分析。在距散裂靶约55、75 m处测得束斑FWHM分别为55、63 mm,对应峰值强度约75%处束斑直径分别为50、60 mm,且束斑边缘陡峭,呈台阶状。分析表明,束斑轮廓、尺寸和非均匀性等特性参数均与中子能量无关,在束斑中心区域80%范围内非均匀性小于10%。测量结果表明,CSNS反角白光中子源物理终端具有较好的中子束斑品质,可开展较高精度的核数据测量。     

利用~(252)Cf快电离室裂变γ射线测量NaI(Tl)定时精度

为了测量γ射线入射NaI(Tl)探测器的定时相对不确定范围,利用纳秒响应252Cf快电离室,通过252Cf裂变γ射线和中子飞行时间谱测量,由γ射线峰时间宽度获得探测器定时精度。采用BC501液体闪烁探测器和NaI(Tl)探测器,γ峰的FWHM分别为1.2 ns和1.7 ns,NaI(Tl)探测器的定时精度FWTM能够达到3.5 ns。     

用于CSNS反角白光中子能谱及注量率测量的快裂变室

即将建成的中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source,CSNS)反角白光中子束线可为核数据测量提供高注量率的脉冲白光中子束流,填补我国核数据测量用白光中子源的空白,提高我国核数据测量水平,满足核能、核技术及基础核物理研究对核数据的需求。该束线建成后,其中子能谱及注量率的精确测量将是开展其它物理实验的基础,快裂变电离室因其独特优点被选为中子能谱和注量率测量探测器。通过实验研究了快裂变电离室的粒子分辨性能、时间分辨性能;确定阴、阳极的合理间距为10 mm,据此测得电离室的时间分辨约15 ns;利用235U样品量计算的探测效率与利用伴随粒子法给出的探测效率在不确定度范围内符合,因此可以标定快裂变室的探测效率。通过这些工作,完成了满足反角白光中子束能谱及注量率测量需求的快裂变室的物理设计。     

用于CSNS反角白光中子源的双屏栅电离室设计及性能研究

为测量中国散裂中子源（China Spallation Neutron Source, CSNS）反角白光中子源150 keV以下能区飞行时间法中子能谱,研制基于¹⁰B(n, α)⁷Li和⁶Li(n, t)α核反应的双屏栅电离室,采用薄窗和薄底衬的结构设计。通过Garfield++、SRIM和Simcenter Magnet Electric程序对屏栅电离室的工作气体、极间距和电场分布等工作参数进行模拟设计,并采用α源及CF₄、P10、90%Ar-10%CO₂三种气体对电离室进行性能参数测试。结果表明,选定电子漂移速度快、扩散系数小,以及阻止本领大的CF4作为CSNS/Back-n束上测试工作气体,阴极-栅极和栅极-阳极间距分别为20 mm和5 mm。屏栅电离室收集区74 mm范围内是电场均匀区,场强的相对偏差≤0.03%;性能测试结果表明,工作气体为CF₄时,电离室对²³⁹Pu/²⁴¹Am/²⁴⁴Cm混合α面源具有很好的能量分辨,最佳能量分辨率为2.4%@5.48 MeV。对比平板型电离室和硅微条探测器的测量结果,验证了本工作研制的屏栅型电离室的能量分辨优势。     

应用于PandaX-Ⅲ实验探测器测试平台的Bulk Micromegas性能研究

探测无中微子双贝塔衰变的PandaX-Ⅲ实验需要一个能同时对多个Micromegas探测器的增益、能量分辨、坏道分布、位置分辨等性能参数进行测试的平台,为此中国原子能科学研究院建立了PandaX-Ⅲ实验探测器测试平台。本文采用由光蚀刻技术制作的Bulk Micromegas对该测试平台进行研究：利用⁵⁵Fe放射源在Ar+10%CO₂的流气情况下,使用基于AGET读出芯片制作的通用读出电子学进行数据采集;运用C++与ROOT软件库编写相应的后端数据分析软件,并对数据进行了分析。测试结果表明,PandaX-Ⅲ实验探测器测试平台各系统工作状态良好,应用于测试平台的Bulk Micromegas探测器具有良好的信噪比,X射线成像效果清晰,对5.9 keV X射线的能量分辨率为19.7%。     

大面积GEM中子探测器高计数率读出电子学系统研制

研制并测试了GEM中子探测器的512通道高计数读出电子学系统,以满足中国散裂中子源高效率、高分辨、高通量二维位置灵敏中子探测器的需求。系统以Kintex-7 FPGA作为系统控制和数据分析的核心,使用8块AS20Board前端芯片对灵敏面积为200 mm×200 mm的探测器的两个维度的信号进行读出,读出通道为256×256。读出数据经FPGA分析后通过千兆以太网传输至计算机显示。计算机可通过千兆以太网发送配置指令对前端采样电路和FPGA算法进行配置。系统与探测器组装后在中子束流实验中测得系统最高瞬时计数率为（1.2±0.1）×106 s^-1,系统运行稳定,受噪声干扰小。     

γ全吸收型探测装置中子束流监视器的Geant4模拟

利用Geant4模拟了γ全吸收型探测装置中用于中子束流监视的锂玻璃探测器的相对探测效率,给出了锂玻璃探测器在10keV～1MeV区间的中子探测效率,并对影响探测效率的相关因素进行了分析,讨论了弹性散射引起的时间滞后对TOF(time-of-flight)测量的影响和不同厚度锂玻璃探测器的n-γ分辨效果。在未来使用锂玻璃探测器作为keV中子源监视器时,这项工作将为更好地理解相关中子飞行时间谱和能谱提供依据。     

先进裂变核能的关键核数据测量和CSNS白光中子源

在设计加速器驱动的次临界系统（ADS）、核废料嬗变装置及钍基熔盐堆时亟需一些关键核数据,当前核数据库受实验条件或中子能区的限制,存在核数据精度不高甚至少部分核素数据缺失的情况。本文综述了国内外相关的核数据研究和相应的白光中子源情况。基于中国散裂中子源(CSNS)的反角通道白光中子源实验终端的中子束流具有非常宽的能谱（0.01 eV~200 MeV）和很好的时间特性。模拟得到距靶80 m处的实验终端的中子注量率为9.3×10⁶cm^-2•s^-1,1 eV ~ 1 MeV能量间隔内的中子数占总中子数的53%;同时,加速器运行在双束团模式或单束团模式,时间分辨率均在0.3%～0.9%之间,适合开展核数据测量。     

HIRFL-CSR外靶实验读出电子学预研系统

本文介绍了兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)外靶实验读出电子学预研系统的设计。该系统可实现TOF墙探测器、中子墙探测器、多丝漂移室(MWDC)等的读出。基于前沿定时及使用TOT技术分别进行时间和电荷测量,从而对前沿定时带来的时间-幅度游走效应进行修正。该系统基于工业智能仪器总线PXI进行设计,提高了数据传输带宽,并保证了系统的可扩展性。目前已完成基本单元模块的实验室电子学测试,以及与探测器的初步联合测试,验证了各项功能指标。     

Readout electronics for a high-resolution soft X-ray spectrometer based on silicon drift detector

The readout electronics for a prototype soft X-ray spectrometer based on silicon drift detector (SDD),for precisely measuring the energy and arrival time of X-ray photons is presented in this paper.The system mainly consists of two parts,i.e.,an analog electronics section (including a pre-amplifier,a signal shaper and filter,a constant fraction timing circuit,and a peak hold circuit) and a digital electronics section (including an ADC and a TDC).Test results with X-ray sources show that an energy dynamic range of 1-10 keV with an integral nonlinearity of less than 0.1％ can be achieved,and the energy resolution is better than 160 eV@5.9 keV FWHM.Using a waveform generator,test results also indicate that time resolution of the electronics system is about 3.7 ns,which is much less than the transit time spread of SDD (＜100 ns) and satisfies the requirements of future applications.     

10 cm×10 cm Bulk Micromegas探测器的研制

Bulk Micromegas探测器是一种新型微结构气体探测器。利用光蚀刻技术制作了有效面积为10 cm×10 cm的多通道Bulk Micromegas探测器。对探测器的各通道进行了电容测试,显示探测器具有较好的均匀性。在Ar+10%CO₂气体中,使用⁵⁵Fe放射源和自主研制的基于APV25前端卡的数字化电子学,对制作的有效面积为10 cm×10 cm的探测器进行了测试,其结果显示探测器性能良好,能得到清晰的二维事件分布图。该探测器目前全部工艺国产化,并能进行批量生产,成品率接近100%。