大面积位置灵敏闪烁体中子探测器（SSND）
1.研究背景
对于探测热中子，常用3He、10B、6Li这三种材料。其中3He的反应截面是最大的，并且具有探测效率高、n/γ抑制比好等优点，但由于其价格昂贵，因此 研发新型中子探测器迫在眉睫。基于新型闪烁材料和光电技术的闪烁体型中子探测器，可以实现对热中子的高效率、高分辨率和实时探测，日益受到重视。 在散裂中子源的三台谱仪中，高通量粉末衍射仪主探测器即拟采用闪烁体型中子探测器来代替3He管中子探测器。针对其大面积以及位置灵敏等要求，探测器组开发了大面积位置灵敏闪烁体中子探测器。
2.研究内容
2.1 探测器工作原理：
2.1 探测器工作原理：
|
探测器采用了ZnS闪烁屏掺6LiF为闪烁屏，且在表面二维方向上密布波移光纤的用于收集闪烁体所发出的荧光，来对中子进行间接探测。热中子打到闪烁屏上，与闪烁屏中的6Li原子核发生核反应，其反应方程式为： n + 6Li → 3H（2.72MeV） + α（2.05MeV） 次级粒子带有电荷，在ZnS闪烁屏中电离激发出荧光，荧光被波移光纤接收并传输至光电倍增管进行光电转换及放大，最后被后端电子学收集并记录。中子射到闪烁屏某一位置时，距离该位置越近的波移光纤越容易收集电离激发出的荧光，因此收集的信号越大，根据这一原理便可实现对中子入射位置的探测。其工作原理图如右图所示：
|
 |
|
2.2 探测器结构设计：
2.2 探测器结构设计：
根据以上原理，按照中国散裂中子源的设计要求，设计开发了下图所示的SSND探测器（面积：50cm×25cm）。为了提高探测效率（要求：>40%），探测器采用了双层闪烁屏，中间夹二维光纤阵列的方案，相邻两根芯距1.5mm。
机械设计图和光纤工装支架
对于SSND探测器的开发，最关键的难点在于探测器的设计及光纤排布工艺。探测器要求光纤阵列面与闪烁屏平行，但由于光纤自身的韧性，很难使光纤转弯处保持平整。为了解决这个问题，我们组机械工程师专门设计了“光纤工装平台”，光纤平面通过弹簧秤拉平（弹簧秤示数调节到一致），然后在转弯处用摩擦力大且质软的的材料夹紧，防止光纤回缩。目前，第一台500mm×250mm探测器样机的光纤工装已排布完成，正在进行后端光电倍增管的固定、探测器屏蔽等工作。（请参见工作日志Elog）
为了模拟展示探测器对入射中子的二维响应，使用激光模拟中子在闪烁屏上产生的光斑，观察光纤对光的吸收传播等过程，具体展示过程参见如下视频：
2.3 电子学读出：
2.3 电子学读出：
对于信号的读出，拟采用多阳极光电倍增管（H8500C）并电阻网络读出方法。目前读出电路正在设计开发中，具体实验进展参见散裂工作日志（Elog）。
多阳极光电倍增管，电阻网络读出电路图
2.4 实验测试：
2.4 实验测试：
 |
闪烁体的测试：实验测试了美国Saint-Gobain公司的BC704、BC704#和美国Eljen Technology公司的EJ426三种6LiF/ZnS闪烁屏，下表给出了三种闪烁屏的参数，其中BC704是目前市面上最常用的中子探测闪烁体，BC704#为定制产品，而EJ426亦是EJ公司刚刚推出的新产品。由于ZnS闪烁屏的光衰减长度在mm量级，三个样品的厚度均小于1mm。衬底材料均采用对热中子散射截面最小的铝，同时衬底与闪烁体粉末接触的一面经过仔细抛光以提高反射率，增大出射光产额。
实验使用的光电倍增管是XP2020，三种闪烁屏测得的探测效率结果如下图所示。为了达到要求的探测效率，探测器采用了双层闪烁屏，中间夹光纤阵列的结构，此时探测效率为η=η0+（1-η0）·η0，其中η0为第一层闪烁屏的探测效率。
|
|
|
三种闪烁屏的参数
闪烁屏测试实验装置
|
三种闪烁屏的探测效率
在对XP2020单光子标定之后，还可以计算出三种闪烁屏的光产额（闪烁屏表面出射的光子数），测得的三种闪烁屏电荷的分布（2.5pC/channel）。经计算，三种闪烁屏的光产额分别为BCF704：7.4×103，BCF704#：8.1×103，EJ426：1.0×104
三种闪烁屏出射光子的测试结果
通过以上测试发现，和美国Eljen Technology公司的EJ426探测效率和光产额都是三种闪烁屏中最高的。具体的其他性能目前还在测试中，请参见散裂工作日志（Elog）。
波移光纤的测试：SSND上的波移光纤采用的是美国圣戈班公司生产的BCF-91A，其主要功能是收集闪烁屏中产生的蓝光，将其转换成绿光并传播至光电倍增管。在这过程中存在很多光子损失的因素，最终达到光电倍增管光电面的光子数由以下公式给出（包括前面闪烁屏的因素）。对于光纤的具体性能测试正在进行中（参见Elog）。
N = Yeff × Ω × Cshift × Cre-emission × Ctrap × Ctransmission × Cbend
其中Yeff为闪烁体的有效光产额，Ω为波移光纤覆盖的空间立体角，Cshift为波移光纤的光吸收效率，Cre-emission是波移光纤吸收绿光发射蓝光的几率，Ctrap为波移光纤发出的蓝光被波移光纤捕获效率，Ctransmission为波移光纤的光传输效率，Cbend为光纤转弯处的光传输效率。Yeff、Cshift、Cre-emission和Ctrap是闪烁体及光纤的固有参数，而Ω、Ctransmission和Cbend直接与光纤阵列的排布相关。通过M.C.模拟计算可以得到较合理的探测器光路设计参数，如光纤排布间距、光纤与闪烁屏间距、光纤转弯半径等。探测器实体设计中参考该模拟结果，结合实际测试结果，得到探测器的最佳设计参数。模拟结果参见Elog。
另外，由于探测器设计中，光纤需要转弯，因此对光纤传输的损失率进行了测试。如下图所示：
光纤转弯损失率随转弯直径的变化
从实验结果可以看出，在转弯直径为2cm的地方，光纤传输损失率有突变，直径小于2cm时，损失率急剧增加。最终探测器光纤的弯转直径选为2cm。
光电倍增管的测试：目前，探测器样机性能的测试都是通过光电倍增管XP-2020来进行测试的，结果显示热中子经探测器之后，到达光电倍增管端面的光子数可达100个左右，且单个热中子的信号主要集中在2us的时间范围内，根据此结果，H8500的后端电子学读出系统正在设计加工，H8500的测试也已经开展，具体进展请参见Elog。