关联α粒子探测器设计和性能研究

关联粒子成像技术(API)是进行爆炸物检测和有源核查的重要手段,而关联α粒子探测器的空间分辨和时间分辨直接决定成像系统的空间分辨能力。本文依托中国原子能科学研究院核数据重点实验室移动中子发生器,结合具有快时间响应的ZnO:Ga与最新的位置灵敏光电倍增管(PSPMT)H13700,设计可用于API的关联α粒子探测器系统。通过SCDC-TCOG将256路信号简化为4路信号,利用数字化仪对信号进行采集分析。通过离线实验对关联粒子探测器的时间性能和空间分辨性能进行了测试。利用刀口法测得空间分辨好于1 mm,并通过狭缝法和栅条法进行了验证。通过测量~(252)Cf裂变碎片和瞬发伽马符合测量获得系统时间分辨好于1 ns,达到了应用需求。     

基于伴随粒子的快中子成像系统角分辨研究

不同于传统的快中子成像系统,采用伴随粒子成像技术无需机械准直即可消除大部分γ射线和散射中子的干扰,实现对厚重物体的高对比度成像。角分辨是影响系统成像质量的一项重要参数。通过理论分析,研究了入射离子的初始动量、靶点尺寸和探测器空间分辨等多个因素对系统角分辨的影响。利用基于GEANT4的模拟程序,计算了不同参数下被标记中子出射角分布的二维图像。分析及模拟结果表明,靶点直径和α探测器空间分辨率是影响角分辨的重要因素。为满足系统角分辨小于1°的设计目标,入射离子的初始动量变化范围应较小,靶点直径应小于1 mm,同时α探测器的空间分辨率应小于0.5 mm。     

基于能量-速度关联技术的裂变产物质量分布测量方法研究

采用能量E-速度v关联技术测量裂变产物碎片的动能和飞行速度能精确测定裂变产物核的质量。本工作主要研究能量-速度关联技术的可行性并解决相关关键技术。实验测量系统由飞行时间测量单元、能量探测器和真空靶室系统组成。实验中用1对微通道板探测器测量粒子飞行时间来确定粒子速度,金硅面垒探测器测量粒子能量。对于~(241) Am放射源5.48 MeVα粒子,飞行时间测量系统时间分辨(FWHM)为186ps,金硅面垒探测器能量分辨(FWHM)为44keV。实验完成了~(252) Cf自发裂变源产物质量分布试测量。初步实验结果显示,裂变产物质量分布在110amu(amu为原子质量单位)的位置时,其质量分辨为1.6amu。     

缪子成像系统中二维位置分辨探测器研制

介绍了一种应用于缪子成像系统的新型二维高位置分辨探测器,MRPC探测器的有效面积为1 072 mm×1 072 mm,先后对探测器在宇宙线和X射线下测试其性能,结果表明探测效率高于98%,位置分辨好于272μm。     

直径30 cm的等高圆柱形载钆液闪探测性能

载钆液闪探测器是高能物理及核物理实验中重要的粒子探测工具。通过研制得到了一台大体积的直径为30 cm等高圆柱形载钆液闪探测器,载钆液闪溶液的载钆量为0.5%wt;利用252Cf中子源进行了中子与γ分辨性能实验测试,结果表明,直径30 cm等高圆柱形载钆液闪的中子与γ分辨性能较差;利用飞行时间技术通过符合测量的方法,分别测量了中子与伽马分辨谱中的中子与γ信号的时间分布,两者峰位之间的时间差为2 ns;利用252Cf裂变电离室的裂变碎片信号作为开门信号,通过符合测量的方法,获得了直径30 cm等高圆柱形载钆液闪的中子俘获时间分布实验数据,中子俘获平均时间为11μs。对于较大体积条件下,载钆液闪的中子与γ分辨性能较差的物理现象,通过实验给出了合理解释和分析。     

双维位置灵敏探测器性能测试

对用于放射性次级束测量的大面积双维位置灵敏探测器（PSD）的性能进行了测试。通过选择实验中电子线路的脉冲成形时间,并改进数据处理方法,即主放大器的成形时间常数要大于6μs,而位置路的时间常数约为0．5－1μs,且在位置公式中使用能量信号作为公母,测试得到了较好的位置分辨和能量分辨及线性。结果表明,这一类型的PSD探测器可以用于低能放射性束流的测量。     

大面积闪烁光纤阵列探测器的在束测试

利用70AMeV²⁶Mg初级束流及其产生的次级束流,在兰州重离子加速器放射性次级束流线（RIBLL）终端测试了大面积闪烁光纤阵列探测器(LASFA)探测单元的时间分辨和位置分辨能力。利用70AMeV²⁶Mg初级束流测试得到的时间分辨约为128ps,对应的位置分辨约为10mm;利用次级束流测试得到的时间分辨约为158ps,对应的位置分辨约为13mm,具有很好的时间分辨和空间角分辨能力。结合RIBLL的ΔESi探测器,给出了ΔE_Si-TOF二维谱,并将测试结果与RIBLL的粒子鉴别系统进行详细比较。结果表明,大面积闪烁光纤阵列作为轻带电粒子的飞行时间终止探测器,性能优于RIBLL上采用的时间拾取探测器,可更清楚地鉴别次级束流。     

用于多丝漂移室读出的扇入延迟前端电子学

多丝漂移室阵列是设计中的低温高密核物质测量谱仪(Cooling storage ring External-target Experiment,CEE)上的前角带电粒子径迹探测器,信号读出的一种备选方案是采用传统前置放大器和采样幅度数字转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)来完成信号的放大和获取,该方案结构较简单,成本适中,而且可以处理单根丝上的多重点火信号。为了进一步降低电子学的通道数目,而又不显著影响探测器的性能,研制了一种扇入延迟电路,将漂移室上不同的多根丝信号进行扇入延迟处理,合成为一路信号后再输入到采样ADC的单个通道进行波形采样和数字化。实际的测试结果表明,该电路对信号处理产生的信号能量展宽好于1%,时间晃动好于500 ps,对应的位置分辨好于25?m,满足漂移室径迹探测器阵列对位置分辨小于300?m的要求。     

BaF2探测器测量α粒子的时间分辨随温度变化研究

本工作对用于测量α粒子的BaF2探测器的时间分辨随温度变化情况进行了实验研究.实验选用退激Y射线能量较高的237Npα源,利用α粒子与退激Y射线的时间关联性得到时间谱,在不改变任何条件的情况下对BaF:晶体加热,加热到设定温度后保持恒温,在BaF:晶体达到热平衡后开始测量时间谱,由该时间谱上读出的半高宽与标准偏差的线性关系得出α粒子的时间分辨随温度变化的情况.测量结果显示,时间分辨随温度变化在目前实验条件下较为明显,这为未来快时间分辨α粒子探测器的选择和优化使用提供了依据.     

角度灵敏平行板雪崩探测器及其应用

本文描述了其电极具有等距离分布的同心半圆环状窄条结构的位置灵敏平行板雪崩探测器(ASPD)的结构和工作原理。用此探测器可直接读出入射粒子的散射角θ和方位角φ以及时间信息。在流动的正庚烷气体中(气压950Pa)用~(241)Am α粒子对探测器进行了检验。得到θ方向角度分辨为Δθ=0.286°(对应于阴极平面上的径向位置分辨Δr=1.5mm),φ方向角度分辨Δφ=6°。时间分辨580ps。并给出了在串列静电加速器上被Au 靶弹性散射的α粒子的角分布的实验测量结果。     

Simulation of a new hybrid MPGD with improved time resolution and decreased discharge probabilities using Garfield++

In this work,a new hybrid MPGD consisting of two GEM foils and a metallic mesh was proposed.Based on the simulation studies,this design can significantly reduce the rise time of signal and has a better performance in respect of particle identification compared with the triple GEM design.The gain with various voltages setting was computed in order to provide us references for future experiment.The simulation results also show that the time and space resolution compared to the triple GEM detector are also improved.The time and space resolution of hybrid detector with Ar/CO2(70/30) and Ar/isobutane(95/5) were investigated for various drift electric field intensities.This new hybrid detector shows excellent potential for both fundamental research and imaging applications.     

晶体表面特性对PET探测器性能的影响

<正>电子发射断层成像(Positron Emission Tomography,PET)作为最灵敏和具有定量测量能力的功能分子影像技术,越来越广泛地应用于生物医学研究,如疾病的动物模型、新药物的研发和新治疗方法的评估等。提高探测器的性能是改进PET仪器性能的关键,PET探测器通常由分割的闪烁晶体阵列和光探测器组成,文中使用位置灵敏光电倍增管和不同晶体表面特性的硅酸钇镥((Lu,Y)2Si O5,LYSO)晶体阵列,对新型的双端读出三维PET探测器和传统的单端读出二维PET探测器的性能进行了测量。实验结果表明,对于双端读出PET探测器,两种晶体阵列提供相近的晶体分辨图和能量分辨率,但非抛光晶体阵列提供好的深度分辨率,双端读出PET探测器需要使用表面不抛光的晶体阵列;对单端读出PET探测器,抛光晶体阵列提供好的晶体分布图和能量分辨率,单端读出PET探测器需要使用表面抛光的晶体阵列。     

基于三维正交条形碲锌镉探测器的DOI-PET显像研究

为对511 keV伽马光子进行三维定位,提高PET显像性能,研制一种尺寸为16.4 mm×16.4 mm×5 mm正交条形碲锌镉（CZT）探测器,并测试其PET显像性能。在32个电极读出后均采用电荷灵敏前置放大器和滤波放大模块,输入高速模数转换器对数据进行采样,得到探测器中信号的全脉冲形状,并利用模拟数字转换器（ADC）内置可编程门列阵（FPGA）对信号进行在线处理,对信号完成寻峰、滤波等数字化处理。结果表明,该碲锌镉探测器对511 keV伽玛光子的能量分辨率为6.35%,通过对碲锌镉探测器的电极结构分析得出了一套伽马光子相互作用的三维位置坐标计算公式,可以达到亚毫米位置分辨率,实现了碲锌镉探测器三维显像功能。     

空间单粒子翻转甄别与定位系统原理样机的设计及试验

单粒子翻转（SEU）是影响空间电子设备可靠性的重要因素,本文提出了一种SEU甄别与定位技术方法,研制了原理样机。硅探测器与辐照敏感器件在垂直方向相互临近安装,粒子入射到硅探测器的位置区域与目标辐照器件单粒子翻转的物理位置相对应。采用波形数字化技术实现了多道粒子甄别与能量信号测量,通过数据回读比较法实现了SRAM器件翻转逻辑定位检测。根据实验室测试和单粒子辐照试验结果,可探测高能粒子的LET≥6?06×10-3 MeV·cm2/mg,入射粒子的位置分辨率优于5 mm,最大计数率≥10 000 s-1,SRAM器件的SEU巡检周期时间分辨率为13?76 ms。通过掌握大容量SRAM型器件的SEU甄别与定位及其辐射环境感知能力,有助于提升空间电子设备的在轨工作性能。     

The limitations of associated alpha particle technique for contraband container inspections

Inspection of a shipping container for the presence of the threat materials has been investigated in the laboratory by using a 14 MeV neutron beam, a BaF₂ gamma detector and the associated alpha particle technique. The associated alpha particle technique is proposed as a part of a two sensor system for contraband container inspections. This method is effective in the reduction of background radiation with the possibility of collimating electronically the neutron beam.The intrinsic time resolution has been experimentally estimated to be 1.3 ns (FWHM), which allows inspection of a minimum voxel having 7 cm depth along the neutron flight path. The neutron beam intensity plays a crucial role as a limiting factor for the acquisition time reduction. Single counting rates of the gamma and alpha detector were investigated as a function of the neutron intensity, distance between the gamma detector and the neutron source and the type of shielding. The time and the energy spectra for different neutron intensities were evaluated.     

BaF2探测器测量α粒子的时间分辨随温度变化实验研究

本工作对用于测量α粒子的BaF₂探测器的时间分辨随温度变化情况进行了实验研究。实验选用退激γ射线能量较高的²³⁷Npα源,利用α粒子与退激γ射线的时间关联性得到时间谱,在不改变任何条件的情况下对BaF₂晶体加热,加热到设定温度后保持恒温,在BaF₂晶体达到热平衡后开始测量时间谱,由该时间谱上读出的半高宽与标准偏差的线性关系得出α粒子的时间分辨随温度变化的情况。测量结果显示,时间分辨随温度变化在目前实验条件下较为明显,这为未来快时间分辨α粒子探测器的选择和优化使用提供了依据。     

STCF RICH原型探测器的测试电子学系统构建与联调测试

环形成像切伦科夫（RICH）探测器作为超级陶粲装置（STCF）带电强子(π/K/p)鉴别的技术选项之一,采用厚型气体电子倍增器+微网格气体（THGEM+Micromegas）混合探测器结构以实现对切伦科夫光的探测。针对RICH原型探测器的信号读出,构建了一套1 024通道测试电子学系统,并与探测器进行了联合测试。该测试电子学系统使用高密接插件与RICH原型探测器进行连接,探测器输出信号通过测试电子学系统上的AGET和ADC芯片进行放大、成形和波形数字化,输出的数据经FPGA处理后通过千兆以太网传输至后端PC并进行数据分析。测试结果表明,在120 fC输入动态范围下,系统的等效噪声电荷（ENC）小于0.3 fC,且具有良好的输入-输出线性。该系统成功应用于RICH原型探测器切伦科夫成像束流实验中,并取得了良好的切伦科夫光成像结果。