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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,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,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,当前mSR主要技术应用：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：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
2、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。,4,正在发展的科学,5,基于加速器产生的机制,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、7080%极化率,表面：+、4MeV、29.8MeV/c、100%极化率,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。,7,二、SR原理、优势及现状,SR stands for Muon Spin Rotation,Relaxation,or Reson
3、ance,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,e+能量范围 0-53 MeV/c,图 表面发生衰变产生正电子的空间分布,8,Muon Spin Rotation,9,10,11,SR技术的优势：,12,13,SR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）；,14,国内外SR谱仪现状,依托
4、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。,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3.1试验型实验区在CSNS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
5、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实验端的表面的产率10+5/s，束斑4cm，脉冲频率1 Hz。,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；,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
6、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。,18,2.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；,19,搭建测试平台测试闪烁体的性能,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。,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
7、 Lifetime Spectrumeter）基础上改动，进行双探头符合时间谱测试。,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,23,参考文献及致谢,1 Y.F.Liu,W.Z.Xu,Z.Q.Tan,et al.Design and optimiz
8、ation 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),Thanks,
