黃朝強(qiáng) 宋建明 陳 波 盛六四

中子三軸譜儀二維位置靈敏探測(cè)器標(biāo)定

黃朝強(qiáng)1,2宋建明1陳 波1盛六四2

1（中國工程物理研究院 核物理與化學(xué)研究所 綿陽 621900）
2（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 合肥 230026）

二維位置靈敏探測(cè)器(PSD)參數(shù)是中子散射譜儀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的必要參數(shù)，主要用于角度和譜形修正。為此提出了PSD標(biāo)定方法，并對(duì)冷中子非彈性散射/三軸譜儀所使用的PSD探測(cè)器進(jìn)行了標(biāo)定，獲得了工作偏壓、像素大小、空間分辨、探測(cè)效率及效率均勻性等數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，探測(cè)器的工作偏壓為4.2?4.4 kV、像素大小為0.32 mm(H&V)、探測(cè)器的空間分辨為2.15 mm(H)×2.04 mm(V)、探測(cè)效率為90.47%、效率均勻性優(yōu)于10%，達(dá)到了譜儀設(shè)計(jì)要求。所建立的探測(cè)器測(cè)試方法對(duì)探測(cè)器研制和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析具有參考價(jià)值。

探測(cè)器標(biāo)定，二維位置靈敏探測(cè)器，空間分辨，探測(cè)效率，黑探測(cè)器

中子探測(cè)器系統(tǒng)是中子散射譜儀的核心系統(tǒng)之一，中子散射譜儀一般采用較大面積的探測(cè)器以覆蓋較大范圍的散射角[1]。目前主要有兩種位置靈敏探測(cè)器：一種是用一維位置靈敏的3He管組成的探測(cè)器或陣列[2]，另一種是充有高壓3He工作氣體的二維位置靈敏的多絲正比室(PSD)[3?4]。前者結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好、便于靈活排列成所需的探測(cè)面積，因各支3He管獨(dú)立計(jì)數(shù)而可達(dá)到很高計(jì)數(shù)率，但數(shù)據(jù)獲取電子學(xué)系統(tǒng)比較復(fù)雜、位置分辨率低。后者原生二維位置靈敏、分辨率高、數(shù)據(jù)獲取電子學(xué)比較簡單，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、價(jià)格昂貴且穩(wěn)定性不如3He管。中物院新建冷中子非彈性散射/三軸譜儀CTAS[5]采用PSD探測(cè)器以提高數(shù)據(jù)采集效率，主要用于研究凝聚態(tài)物質(zhì)的元激發(fā)等能量過程和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，例如晶體材料聲子譜和聲子態(tài)密度、磁振動(dòng)與自旋漲落、聚合物和生物大分子的晶格動(dòng)力學(xué)、軟模相變、自旋波色散等研究。本文系統(tǒng)研究了所用PSD探測(cè)器，提出了標(biāo)定測(cè)試方法，給出了探測(cè)工作偏壓、像素大小、空間分辨、探測(cè)效率以及效率均勻性等數(shù)據(jù)。

1 探測(cè)器結(jié)構(gòu)

所測(cè)試探測(cè)器為CTAS裝置的200 mm×200mm的二維位置靈敏探測(cè)器(PSD)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)為：探測(cè)器工作區(qū)面積為200mm× 200mm，探測(cè)深度33mm，位置分辨率不低于2mm，對(duì)波長為0.25?1.25nm內(nèi)的中子探測(cè)效率大于80%，3He氣體為3個(gè)大氣壓。

圖1 CTAS探測(cè)器前(a)和后(b)結(jié)構(gòu)Fig.1 Front (a) and back (b) structure of CTAS detector.

2 方法與測(cè)試結(jié)果

探測(cè)器帶中子束的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)是在布達(dá)佩斯中子中心(BNC)的三軸譜儀ATHOS[6]上進(jìn)行，測(cè)試所用中子束通過聚焦Cu單色器從冷中子導(dǎo)管上引出，波長λ分別為0.572 nm和0.286 nm(次級(jí))；束流發(fā)散度20'。

2.1工作電壓確定

工作電壓主要指探測(cè)器的前置放大器偏高壓(HV)。對(duì)不同的探測(cè)器，HV可以通過逐步升高偏置電壓，觀察并記錄示波器上信號(hào)強(qiáng)度得到，圖2展示了所測(cè)探測(cè)器的偏壓響應(yīng)曲線。由圖2，首先隨著偏置電壓的升高，中子計(jì)數(shù)會(huì)越來越多，達(dá)到一定閾值后變化會(huì)非常緩慢，之后隨著偏壓升高，γ信號(hào)的貢獻(xiàn)越來越大，計(jì)數(shù)會(huì)隨之繼續(xù)升高。中間緩慢變化區(qū)域就是探測(cè)器的工作偏壓范圍，通常用寬度和斜率來表示。CTAS探測(cè)器的工作偏壓最佳值為4.3 kV，工作高壓為4.2?4.4 kV，區(qū)間的斜率為0.714/100 V。

圖2 CTAS探測(cè)器的響應(yīng)曲線Fig.2 Plateau curve of CTAS detector.

2.2像素與空間分辨測(cè)定

探測(cè)器的像素大小是探測(cè)器的重要參數(shù)，由探測(cè)器工作絲陣結(jié)構(gòu)和信號(hào)讀出電子學(xué)系統(tǒng)共同決定。通常，探測(cè)器空間分辨尺度內(nèi)至少有五個(gè)以上的像素，它是探測(cè)器位置分辨能力的反映。在探測(cè)器工作區(qū)域貼上一100 mm×110 mm×1 mm的鎘片,鎘片上開有0.5 mm寬、長60mm的狹縫。測(cè)量一定時(shí)間，在PSD上可獲得一個(gè)圖像。測(cè)試時(shí)調(diào)整/旋轉(zhuǎn)Cd片位置，使其狹縫方向盡量與探測(cè)器平行。這樣可以對(duì)像素疊加，使得在短時(shí)間內(nèi)獲得較好統(tǒng)計(jì)性數(shù)據(jù)。通過調(diào)整狹縫分別為垂直和水平方向，測(cè)量獲取PSD上圖譜(圖3)。由于狹縫和鎘片尺寸已知，由PSD上對(duì)應(yīng)圖譜的像素?cái)?shù)目，可得探測(cè)器在水平和垂直方向的像素大小和空間分辨率。

圖3 垂直(a)和水平(b)像素大小標(biāo)定的測(cè)試圖譜(實(shí)線區(qū)分析垂直大小，虛線區(qū)分析水平大小)Fig.3 Test pattern for vertical (a) and horizontal (b) pixel size calibration. (solid line ROI for vertical size analysis and dotted ROI for horizontal)

2.3探測(cè)效率與均勻性測(cè)試

探測(cè)器效率直接影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集效率，對(duì)于多探測(cè)器因效率差異還會(huì)影響實(shí)驗(yàn)譜圖。探測(cè)器效率標(biāo)定采用效率高(＞99%)且已經(jīng)標(biāo)定的探測(cè)器進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)采用充有8個(gè)大氣壓3He和1個(gè)大氣壓CF4的25 mm×25 mm×33 mm的黑探測(cè)器，通過收集陽極上的信號(hào)來獲得探測(cè)信號(hào)。用開有Φ10 mm圓孔的鎘擋板置于PSD前方，擋板與PSD之間預(yù)留能放入黑探測(cè)器空間，用PSD探測(cè)器測(cè)試100 s，得到如圖4(b)所示的數(shù)據(jù)，探測(cè)器在圖4(b)所示區(qū)域累積計(jì)數(shù)ND為2129086。然后再放入黑探測(cè)器，測(cè)試相同時(shí)間，得到如圖4(a)所示的數(shù)據(jù)，相同區(qū)域累積計(jì)數(shù)ND1為13542。將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接至黑探測(cè)器信號(hào)，設(shè)置偏壓3.2 kV，測(cè)試相同時(shí)間100s，得到對(duì)應(yīng)黑探測(cè)器的計(jì)數(shù)NB為2338270。

圖4 插入(a)和沒有(b)黑探測(cè)器測(cè)量100 s在CTAS探測(cè)器獲得的圖譜Fig.4 100 s patterns on CTAS detector with (a) and without (b) the black detector in the beam.

對(duì)于PSD探測(cè)器系統(tǒng)，各探測(cè)單元效率是否均勻，直接影響所獲取中子散射實(shí)驗(yàn)譜的形狀，從而關(guān)系實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。在數(shù)據(jù)分析中，如果各探測(cè)單元效率不一致，必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行效率修正[7]。在單色器被測(cè)PSD探測(cè)器之間放一厚度約3 cm的樹脂玻璃，使單色化出來的中子束散射后各向同性、均勻地覆蓋探測(cè)器，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。圖中亮斑是由于樹脂玻璃厚度不足，致使束流完全發(fā)生各向同性散射的直穿束斑。

圖5 均勻性測(cè)試的PSD探測(cè)圖譜Fig.5 PSD pattern of homogeneity test.

3 結(jié)果分析與討論

3.1邊界識(shí)別方法

在PSD前端擋一塊鎘吸收材料，吸收材料邊在PSD上的圖譜也存在一個(gè)邊界。在邊界處，中子強(qiáng)度會(huì)有明顯的躍變(圖3)。由于衍射效應(yīng)，躍變是連續(xù)過渡的，類似于誤差函數(shù)但有所不同。為此，添加了背底A、幅度B，橫坐標(biāo)x改為由中心x0和標(biāo)準(zhǔn)誤差σ(邊界標(biāo)準(zhǔn)寬度)調(diào)制的坐標(biāo)：

通過參數(shù)可調(diào)制曲線斜率和寬度，還可在x-y坐標(biāo)系上平移，從而滿足邊界識(shí)別的需要。

3.2像素大小分析

通過外邊尺寸已知鎘片在PSD上投影圖譜的對(duì)應(yīng)外邊尺寸給出像素大小。圖6給出了從PSD上提取數(shù)據(jù)的區(qū)域以及相應(yīng)區(qū)域按列平均得到的分布曲線。分別用式(1)對(duì)邊界進(jìn)行擬合，得到上部曲線(圖6)的左右邊界對(duì)應(yīng)248.14像素和589.14像素，110 mm對(duì)應(yīng)341.00像素，由此可得探測(cè)器的水平方向的像素尺寸為0.32 mm/pixel。

圖6 水平方向像素大小刻度Fig.6 Calibration of horizontal size of pixel.

同樣選擇有被鎘片遮擋區(qū)域(圖3b實(shí)線區(qū))的數(shù)據(jù)按行求平均，得到一條跨過鎘片的分布曲線。采用式(1)對(duì)邊界進(jìn)行擬合，得到上邊界和下邊界對(duì)應(yīng)300.49像素和645.10像素，110 mm對(duì)應(yīng)344.61像素，即0.319 2 mm/pixel?？梢?，探測(cè)器的垂直與水平方向的像素分辨率均為0.32 mm/pixel。

3.3空間分辨分析

對(duì)圖3(b)虛線區(qū)所示區(qū)域數(shù)據(jù)按列平均，得到圖7所示垂直方向的曲線；選擇不同行數(shù)求平均可以檢驗(yàn)狹縫是否垂直，進(jìn)而檢驗(yàn)求和統(tǒng)計(jì)的有效性。由圖7，從450?575行依次遞減20行得到的一系列數(shù)據(jù)具有很好的一致性，說明鎘片的放置與探測(cè)器是完全平行的。對(duì)450?575行求均值曲線分別用邊界函數(shù)擬合外邊界得到100 mm對(duì)應(yīng)306.80 pixels；而0.5 mm狹縫對(duì)應(yīng)束斑半高寬(FWHM)為8.09 pixels。根據(jù)這兩點(diǎn)數(shù)據(jù)作直線擬合，得直線方程為：

可見，當(dāng)狹縫為0時(shí)對(duì)應(yīng)束斑水平方向大小為6.73 pixels。帶入像素尺寸數(shù)據(jù)可以得到，探測(cè)器水平方向上的分辨為2.15 mm。

圖7 水平方向分辨率分析Fig.7 Analysis of horizontal spatial resolution.

同樣分析狹縫垂直放置獲得的探測(cè)器數(shù)據(jù)(圖3a)。對(duì)不同列數(shù)據(jù)按行求平均得到類似曲線，不同列數(shù)據(jù)除強(qiáng)度有變化外，譜的形狀幾乎沒有變化。對(duì)其中一條曲線中的峰用高斯函數(shù)擬合得到，0.5mm狹縫透過束流的FWHM為7.90 pixels。結(jié)合獲得的110 mm對(duì)應(yīng)344.61像素信息，可以得到像素與物理尺寸的關(guān)系：

可見，當(dāng)狹縫為0 mm時(shí)對(duì)應(yīng)束斑垂直方向大小為6.36 pixels。帶入像素尺寸數(shù)據(jù)可以得到，探測(cè)器垂直方向上的分辨為2.04 mm。

3.4探測(cè)效率

假定中子束流穩(wěn)定，這對(duì)穩(wěn)態(tài)反應(yīng)堆源是合理的。黑探測(cè)器的透過率T可通過放入黑探測(cè)器前和后PSD的計(jì)數(shù)ND和ND1由式(4)計(jì)算得到：

這里由于是相同探測(cè)器測(cè)試，因此PSD的效率εD對(duì)透過率T沒有影響。將圖4(a)和(b)中放入黑探測(cè)器前、后獲得的PSD的累積計(jì)數(shù)ND=2129086和ND1=13 542代入式(4)，得到結(jié)果T為0.64%。因PSD探測(cè)器采用鋁材料設(shè)計(jì)，其6 mm厚的鋁對(duì)中子的吸收幾乎可以忽略，因此吸收率1?T=99.36%，可以視為全部由3He吸收引起，也即為探測(cè)器效率εB，所以εD=NDεB/NB。將連接黑探測(cè)器信號(hào)、測(cè)試相同時(shí)間100 s獲得的黑探測(cè)器計(jì)數(shù)NB代入，得到探測(cè)器的效率90.47%。

3.5效率均勻性

所用的樹脂玻璃厚度并不足以完全使中子束形成各向同性散射束，而是在探測(cè)器上留下了明顯的直穿束束斑(圖5)。為了分析均勻性，選擇直穿束旁邊的兩區(qū)域分別用于垂直和水平方向的均勻性，看出強(qiáng)度均勻性優(yōu)于±10%。該偏差包涵了由于各像素對(duì)入射束所張立體角的差異，是效率分布和立體角分布的卷積，在數(shù)據(jù)分析中正是采用這一卷積對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正[7]。

4 結(jié)語

二維位置靈敏探測(cè)器是新近發(fā)展起來的一種新型探測(cè)器，本文對(duì)用于非彈性散射譜儀的二維位置靈敏探測(cè)器標(biāo)定，建立了相應(yīng)的標(biāo)定方法，實(shí)驗(yàn)分析得到了該探測(cè)器的工作偏壓為4.2?4.4 kV、像素大小為0.32 mm(H&V)、探測(cè)器的空間分辨為2.15mm(H)×2.04 mm(V)、探測(cè)測(cè)效率為90.47%，與設(shè)計(jì)指標(biāo)一致。對(duì)二維位置靈敏探測(cè)器的分析所建立的探測(cè)器標(biāo)定方法，對(duì)PSD探測(cè)器研制和用PSD探測(cè)器譜儀的數(shù)據(jù)分析均具有參考意義。

1 Squires G L. Introduction to the theory of thermal neutron scattering[M]. London: Cambridge,1978: 1?9

2 Kamiyama T, Oikawa K, Tsuchiya N, et al. A new TOF neutron powder diffractometer with arrays of one-dimensional PSD's[J]. Physica B: Condensed Matter, 1995, 213–214(1?4): 875?877

3 Berkowitz E H. A position sensitive neutron detector[J]. Nuclear Instruments and Methods, 1969, 73(2): 225?227

4 Boie R A, Fischer J, Inagaki Y, et al. Two-dimensional high precision thermal neutron detector[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 1982, 200(2–3): 533?545

5 CTAS-cold-neutron triple axis spectometer[E/OL]. 2013. http://npl.caep.ac.cn/kfjl/kfcs/19060.shtml

6 Gyula T. ATHOS-three-axis spectrometer on neutron guide[E/OL]. 2013. http://www.bnc.hu

7 Huang C Q, Xia Q Z, Yan G Y, et al. A new package: MySAS for small angle scattering data analysis[J]. Nuclear Science and Techniques, 2010,21(6): 325?329

Calibration of two-dimensional position sensitive detector of triple-axis neutron spectrometer

HUANG Chaoqiang1,2SONG Jianming1CHEN Bo1SHENG Liusi2
1(Institute of Nuclear Physics and Chemistry, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)
2(College of Nuclear Science and Technology, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

Background:A 200 mm×200 mm two-dimensional positional sensitive detector (PSD) has been designd and constructed for the cold-neutron triple axis spectrometer (CTAS). The parameters of the PSD are necessary for evaluation and analysis of neutron scattering pattern obtained on CTAS and other instrument using PSD, mainly for the correction of angle and spectral shape due to the unequal solid angle and inhomogeneous efficiency of the flat PSD.Purpose:In order to obtain the working bias voltage, pixel size, spatial resolution, detection efficiency and its uniformity, a calibration method was proposed and tested for the PSD of CTAS.Methods:The calibration was carried out at the ATHOS three-axis spectrometer installed at the neutron guide No.1 of the 10-MW steady state reactor of the Budapest Neutron Centre. The focusing copper monochrometer provided well collimated (20' divergence) neutron beam of wavelength equal to 0.572 nm with the second order equal to 0.286 nm. A black neutron detector having ＞99% efficiency at these wavelengths coated with boron shielding was used for efficiency test and a 0.5-mm wide Cd slit was used for the determination of pixel size and spatial resolution of the PSD.Results:The experimental results show that the working bias voltage is 4.2?4.4 kV, pixel size 0.32 mm (H&V), the detector spatial resolution of 2.15 mm(H)×2.04 mm(V), the detection efficiency of 90.47% and the efficiency uniformity better than 10%.Conclusion:The established method was successfully used in the PSD calibration, which can be extended to PSD R&D and data analysis of neutron spectrometer.

Detector calibration, Position sensitive detector, Spatial resolution, Detection efficiency, Black detectorCLCTL816+.3

TL816+.3

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.120401

國家自然科學(xué)基金(11105128)、中國工程物理研究院中子物理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室課題(2012AB02)資助

黃朝強(qiáng)，男，1981年出生，2006年于中國工程物理研究院獲碩士學(xué)位，博士研究生，從事中子散射技術(shù)與應(yīng)用研究

2013-08-14，

2013-09-16